mva-lcd의 전기광학적 특성에 관한 연구연구가 수행되고 있다. va-lcd는...
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工學碩士學位請求論文
MVA-LCD의 전기광학적 특성에 관한 연구
Electro-optical characteristics ofMulti-domain Vertically Aligned Liquid Crystal Display
2004年 2月
仁荷大學校 大學院
電子工學科(情報工學 專攻)
金 周 漢
工學碩士學位請求論文
MVA-LCD의 전기광학적 특성에 관한 연구
Electro-optical characteristics ofMulti-domain Vertically Aligned Liquid Crystal Display
2004年 2月
指導敎授 朴 愚 祥이 論文을 碩士學位 論文으로 認定함
仁荷大學校 大學院
電子工學科(情報工學 專攻)
金 周 漢
이 論文을 金周漢의 碩士學位 論文으로 認定함
2004년 2월
主審
副審
委員
요 약
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다 액정의 3차원적 동특성은 Ericksen-Leslie 운동방정식으로부터 얻을 수 있었으며 광투과율 분포는 Berreman의 44 행렬법으로부터 계산되었다 이를 통해 각각의 방법에 대한 광투과도 시야각 그리고 응답속도 등을 최적화 하였으며 최적화된 결과들로부터 각 방법간 전기광학적 특성을 비교하였다 그 결과 전극구조 패턴 방법의 MVA-LCD는 비교적 단순한 공정을 통한 전극 구조 패턴으로 상호 보상이 가능한 4개의 복수영역을 얻을 수 있기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각 특성을 보이고 이와 동시에 기존의 VA-LCD와 비교하여 30이상의 개선된 응답속도를 얻으면서도 타 구조에 비해 우수한 투과특성을 얻을 수 있음이 확인되었다
Abstract
In this study the mechanisms of the creation of multi-domain for various multi-domain techniques such as UV alignment method insertion of dielectric material and the method of patterned- electrodes in a unit pixel of MVA-LCDs were analyzed by using three-dimensional simulation for the molecular behavior of the TFT-LCDs Three-dimensional simulations were carried out by the dynamic equation of the Ericksen-Leslie theory and the optical transmissions were calculated based on the Berremans 44 matrix method Throughout the simulation we first optimized the electro- optical characteristics for various MVA-LCDs and then compared them with each other From the results it was revealed that by patterned- electrodes with simple process perfect 4-domains could be obtained and consequently symmetric and wide viewing angle could be achieved Moreover the MVA-LCDs with patterned-electrodes are proven to show the 30 faster response time compared with the conventional VA-LCDs They also reveal higher light transmittance compared with other MVA-LCDs
목 차
그림 목차표 목차
제 1 장 서 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1
제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3제 1 절 액정의 분자분포 방정식 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3제 2 절 수치해석적 계산 기법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 8제 3 절 광투과율 계산 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10
제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 19제 1 절 VA-LCD의 구조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 19제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21제 3 절 결과 및 논의 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 27
3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 283 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성 middotmiddotmiddot 323 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성 middotmiddotmiddot 373 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 433 3 5 MVA-LCD의 특성 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 56
제 4 장 결 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 58
참 고 문 헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 59
그림 목차
Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC directorFig 2 Flow chart of simulationFig 3 Definition of incident light and coordinate systems for
optical transmission calculationFig 4 Multi-layer structure of LC layerFig 5 Definition of incident and transmitted wavesFig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with
applied voltageFig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatmentFig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b)
OnFig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric
(a) Off (b) OnFig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrodeFig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with
patterned-electrodeFig 12 Structure of VA-LCDsFig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of
equi-potential (b) LC director profiles
Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatmentFig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profilesFig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV
treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12msFig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of
MVA-LCDs with UV treatmentFig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) OnFig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structureFig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of
MVA-LCDs with insertion of dielectricFig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrodeFig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common
electrodeFig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm
(c) 12micromFig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit widthFig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b)
30microm (c) 34micromFig 31 Comparison with average transmittance for spacing slitFig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel
electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
Fig 34 Structure of optimal unit pixelFig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profilesFig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with
patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
표 목차
Table Ⅰ Physical parameters used in the simulationTable Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
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제 1 장 서 론
인터넷 및 유무선 통신망의 발달은 인간의 생활에 필요한 정보를 제공하고 이러한 정보는 서로 공유되어야 한다 이러한 정보화 사회에서 정보를 수집 처리 저장하는 기술도 중요하지만 정보를 표시하는 장치인 디스플레이 장치는 정보 전달에 있어 가장 중요한 부분을 차지하고 있다 우리의 일상생활에서 정보 매체로서 휴대폰 PDA 컴퓨터 TV등 디스플레이가 차지하는 부분은 매우 광범위하다 특히 최근 모바일 및 미디어 산업의 급격한 발전으로 인하여 경량 박형의 평판 표시소자에 대한 수요가 급증하고 있으며 이중 액정표시장치(Liquid Crystal Display LCD)는 저전압 저전력 구동이 가능하기 때문에 많이 사용되고 있다 더욱이 박막 트랜지스터(Thin-Film Transistor TFT)를 이용한 구동방식은 해상도 명암대비비 색재현성 시인성등에서 우수한 특성을 보임으로서 각종 디스플레이에 폭넓게 채택되고 있다 이와 같이 액정표시장치의 사용 범위가 확대됨에 따라 시야각 응답속도 고명암대비비 밝기 개조 용량(gray-scale capability)등 전기광학적 특성을 개선하기 위한 노력이 활발히 진행되고 있다 또한 액정표시장치의 수요가 HDTV와 같은 동화상 구현으로 확대되면서 총천연색 빠른 응답속도 광시야각의 조건을 만족하는 액정표시장치 모드에 대한 연구가 반드시 필요하다
이에 고명암대비비를 가지는 Vertically Aligned(VA)-LCD에 대한 많은 연구가 수행되고 있다 VA-LCD는 러빙(rubbing) 공정을 하지 않는 장점이 있으나 액정 분자의 초기경사각이 없어 응답속도 및 액정 화소의 각 도메인의 크기가 불규칙적인 단점을 가지고 있다[1] 이러한 이유로 VA-LCD는 여러 가지 구조로 응용되어 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성시키는 Multi-domain Vertically Aligned(MVA)- LCD로 사용하고 있다 MVA-
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LCD는 VA-LCD의 특징인 고명암대비비는 물론 빠른 응답속도와 광시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 도메인을 형성시키는 방법은 자외선(Ultra-Violet UV) 처리를 통한 방법[2] 삼각돌기(protrusion)을 이용하는 방법[3] [4] 유전체 삽입 방법[5]~[8] 전극 패턴을 이용하는 방법[9]~[12] 등 다양하며 현재 많은 연구가 이루어지고 있다 이들 구조 중 화소전극 및 공통전극에 패턴을 하여 도메인을 형성하는 방법은 간단한 공정으로 완벽한 네개의 도메인을 가지기 때문에 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 보이며 패턴된 전극 근방에서 왜곡된 전기장이 측면전장효과와 동일하여 빠른 응답속도 특성을 가지기 때문에 차세대 대면적 디스플레이에 많은 적용이 기대된다 이러한 디스플레이의 고부가가치를 위해서 고품질의 제품이 저가격으로 실현되어야 하고 이를 위해 고명암대비비 높은 투과도 광시야각 빠른 응답속도 등 전기광학적 특성과 관련된 수많은 파라미터에 대한 특성 변화를 밝히고 최적화 하는 것은 필수적이다 그러나 방대한 파라미터들을 실험적으로 수행하는 것은 불가능하기 때문에 실제적으로는 약간의 검증 실험을 포함한 시뮬레이션 기법을 적용하여 적은 노력과 시간으로 최적 설계를 수행하고 있다
본 연구에서는 MVA-LCD의 최적 설계 조건을 얻기 위하여 액정분자의 동적 특성에 근거하여 그 전기광학 특성을 수치해석적 기법으로 계산하였다 액정 셀(cell)의 동특성을 분석함에 있어서는 에릭슨-레슬리(Ericksen-Leslie) 운동방정식으로부터 분자배열분포를 얻었으며 라플라스(Laplace)의 전위분포방정식으로부터 전위분포를 얻었다 수치해석적 기법으로는 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하여 계산하였다 또한 투과도 및 시야각 특성 등 광투과 특성 해석을 위해 계산된 분자분포를 가지고 베르만(Berreman)의 44 행렬법을 적용하였다
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제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
이 장에서는 액정표시소자의 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 하기 위해 사용되는 액정의 분자분포 방정식과 전위 분포 방정식에 대하여 논의하고 수치해석적 접근 방법에 대하여 기술하였다 또한 위의 결과로 구해진 액정의 분자 분포를 이용하여 광투과도 계산에 사용된 베르만 44 행렬법에 대하여 기술하였다
제 1 절 액정의 분자분포 방정식
단위 화소내의 액정의 운동과 방향자의 분포를 해석하기 위해 적용된 이론적 모델은 액정의 내부 운동량(inertial momentum)을 무시한 에릭슨-레슬리 이론에 기초한다 이때 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy fg)를 에릭슨-레슬리 방정식에 적용하면 다음과 같은 운동 방정식을 얻을 수 있다[13]
γ partpartt
ni = minus [fg ]n i+ λni i = x y z (1)
여기서 γ 는 회전 점성계수를 ni는 방향자의 직교성분을 λ는 n rarr
= 1 즉 방향자가 단위벡터 임을 내포하는 라그랑즈(Lagrange) 승수를 나타낸다 그리고 [fg ]ni
는 오일러-라그랑즈(Euler-Lagrangian) 방정식으로써 다음과 같이 표현된다
[fg ]ni=
partfgpartni
minusddx
(partf g
partnix
) minusddy
(partfgpartniy
) minusddz
(partf g
partniz
) (2)
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이때 액정의 자유 에너지(fg)는 화소 내부의 탄성에너지(fs )와 외부에서 공급한 정전에너지(fe )의 차로 표현된다
fg = fs minus fe (3)
일반적으로 깁스 자유 에너지의 탄성에너지 밀도를 표현하는 방법은 벡터접근법과 텐서접근법이라는 두가지 방법을 통해 이루어지고 있다[14]
오슨-프랑크(Oseen-Frank) 탄성이론으로부터 액정의 탄성에너지를 방향자 nrarr 에 대하여 다음과 같이 표현한다
fs =
12
K 1 1 (nabla nrarr) 2 +
12
K 22 (nrarr nabla n
rarr+ q0 )2
+12
K 33 (nrarr nabla n
rarr)2
(4)
벡터접근법은 lsquo액정분자가 평형상태를 벗어나면 원상태로 돌아가려는 복원력을 가지며 이러한 액정의 복원력은 변형의 정도에 비례한다rsquo라는 탄성 이론으로부터 정의되었다 이러한 변형은 크게 스프레이(splay) 트위스트(twist) 벤드(bend) 변형으로 나타낼 수 있다 또한 변형의 크기에 비례하는 상수를 각각 스프레이(K11) 트위스트(K22) 벤드(K33) 상수라 한다 그리고 q0는 chirality이다
이에 반하여 텐서접근법은 드 쟝(de Gennes)의 질서도 텐서(order tensor)를 이용하여 기술하며 이때의 탄성에너지는 다음과 같이 나타낸다
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fs = (minus
K 11
12+
K22
4+
K33
12)G ( 2 )
1 (K11 minus K22
2)G (2 )
2
+K 33 minus K 11
4)G (3 )
6 + q0K22G(2 )
4
(5)
이때 G와 Q는 다음과 같이 표현된다
G (2 )1 = QijkQijk
G (2 )2 = QijkQikk
G (2 )4 = eijkQilQjlk
G (3 )6 = QijQkliQklj
Qij = ninj minusij
3 (order tensor) (6)
여기서 아래 첨자는 아인슈타인(Einstein)의 표기법에 따른 것이다 또한 eijk는 치환 기호(permutation symbol)를 의미한다
다음으로 주어진 화소의 각종 전극에 인가되는 전압에 의하여 형성되는 전기 에너지밀도는 다음과 같다
fe =12 0φ l lmφ m (7)
위의 식에서 φ (x y z )는 액정의 화소 및 각종 전극에 인가된 전압에 의해 형성된 전위분포를 나타내며 lm은 비유전율 텐서로서 lm = perp lm + ∆ nlnm
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으로 표현되며 0는 자유공간에서의 유전율이다 또한 ∆ = minus perp로서 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율의 차를 나타낸다 여기서 전위분포함수 φ (x y z )는 적절한 경계조건에 대하여 맥스웰 방정식으로부터 유도된 식 (8)의 라플라스 방정식을 시뮬레이션하여 얻을 수 있다[15]
ij(xy z)φ (xy z)j i= 0 (8)
이로부터 식 (4)와 (7)을 식 (1)에 대입함으로써 벡터접근법에 기초한 액정 방향자의 운동방정식을 얻을 수 있다 그러나 벡터접근법에 대한 운동방정식은 매우 복잡하기 때문에 편의상 탄성계수가 등방인 모델 즉 K11 = K22 = K33 = K로 단순화 하면 운동방정식은 다음과 같이 표현된다
γ partni
partt= K (
part2ni
partx 2+
part2ni
party 2+
part2ni
partz 2) + 0 ( minus perp )njφ jφ i + λni (9)
반면 텐서접근법으로부터 유도되는 액정 방향자의 운동 방정식은 이방 탄성계수 모델에 대하여 텐서 표기법으로 나타낼 수 있기 때문에 다음과 같이 표현된다
γpartni
partt=
13
(minus K 11 + 3K 22 + K33 )(njQjil l ) + (K11 minus K22 )nj (Qil lj + Qjlli )
+ (K33 minus K 11
2)nj [(2QlmmQji l + 2QlmQji lm minus QlmiQlmj )]
+ 2q0K22nj (eimlQljm + ejmlQlim ) + 0∆ njφ jφ i + λni
(10)
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여기서 액정 방향자 nrarr 은 방위각 φ와 경사각 θ에 대하여 다음과 같이 표현할 수 있다
nrarr= (cos θ cos φ cos θ sin φ sinθ ) (11)
Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
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제 2 절 수치해석적 계산 기법
앞절에서 논의한 운동방정식 및 전위분포 방정식을 계산함에 있어 식 (1)과 (8)를 동시에 시뮬레이션 하여야 한다 또한 방정식들이 비선형이기 때문에 반복 계산 과정을 적용하여 정상 상태가 될 때까지의 최종 시간에 대하여 주어진 분자 분포에 대한 전위 분포와 그에 따른 분자 분포를 서로 교번하여 계산을 수행한다
Fig 2 Flow chart of simulation
수치해석 방법은 복잡하고 고차 비선형 방정식인 점을 고려하여 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하였다 유한차분법을 적용하기 위해서 공간적으로 격자는 균일 격자간격을 사용하였다 또한 중앙차분법(central space scheme)을 사용하였다 경계조건으로 본 연구에서는 강한
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앵커링(anchoring)을 가정하였기 때문에 상하기판에의 방향자는 러빙 방향과 초기경사각에 의해 정의되고 항상 고정되어 있다고 가정하여 디리슐레(Dirichlet) 경계조건이 적용되었다 특히 전위분포의 계산에 효율성을 위하여 z축 방향의 양 끝에서 노이만(Neumann) 경계조건을 적용하였다 또한 방향자와 전위 분포 모두에 있어 x와 y방향에 대해서는 주기 경계조건을 적용하였다
시간적으로는 내삽법(implicit method)의 경우 운동방정식의 비선형성으로 인한 많은 문제가 야기되므로 외삽법(explicit method)을 사용하여 시간 적분을 계산하였다[12]
또한 라그랑즈 승수 λ는 매 시간증가시 재계산된 방향 성분이 액정방향자의 기본 조건인 n
rarr = n 2
x + n 2y + n 2
z = 1을 만족시키기 위한 목적으로 사용되었으며 계산의 편의를 위하여 k + 1번째 방향자를 계산함에 있어 λ를 제거한 뒤 k + 1번째 방향자를 계산하고 이를 다시 재 정규화 함으로써 방향자를 단위 벡터로 유지하였다
한편 전위 분포 시뮬레이션에서는 적절한 경계조건에 대하여 연속과도완화법(successive over relaxation SOR) 방법이 적용되었다 이때 정확한 계산을 위해 매 시간 단계에 대해 전위 분포 시뮬레이션이 수행 되어야 하나 많은 계산 시간이 요구되어지므로 전체 해에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 액정의 반응 속도에 따라 적절한 횟수로 줄여서 시뮬레이션 한다
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제 3 절 광투과율 계산
액정은 장축과 단축의 굴절율이 다른 비등방 매질이며 불균일 매질이다 따라서 액정의 광투과 특성을 분석하기 위해서는 일반적으로 베르만 44 행렬법을 적용한다[16]~[19] 이러한 불균일성에 대하여 액정 셀을 무수히 얇은 다중층으로 설정하며 이렇게 설정된 각 층에서는 액정이 균일한 매질이라는 가정하에 각 층의 전파행렬을 계산함으로써 전체 전파특성 행렬을 계산할 수 있다 각 층에서는 액정이 균일하다고 가정하였으므로 굴절율에 대한 유전율 텐서를 알면 각 층에서의 전자장의 전파관계가 표현된다
Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
partparty
Ex
Hz
Ez
minusHx
=iwc
∆11 ∆12 ∆13 0∆21 ∆11 ∆23 00 0 0 1
∆23 ∆13 ∆43 0
Ex
Hz
Ez
minus Hx
(12)
- 11 -
여기서 행렬 요소 ∆ij는 다음과 같다
∆11 =minus X 13
33
∆12 = 1 minus X 2 1
33
∆13 =minus X 23
33
∆21 = 11 minus X213
33
∆23 = 12 minus13 23
33 ∆43 = 22 minus
23
33
minus X 2 (13)
여기에서 ij = perp ij + ∆ ninj로 표현된다 이 식에서 와 perp는 각각 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율을 나타내고 ∆ 은 이 둘의 차를 나타낸다 또한 액정의 굴절률과는 no =
radicperp ne =
radic 의 관계가 있다 X는 x축 방향으로의 전파상수와 관련된 값으로 X =
cξw
로 나타낼 수 있다 전파행렬 P 는 Fig 4에서 각층에 대한 광학투과특성을 나타내며 일계 미분방정식 식(12)로부터 다음과 같이 정의한다 즉 y1에서 y2사이의 균일 매질을 전파하는 전자기장 벡터의 관계는 다음 식과 같이 정의 할 수 있다
ψrarr(y2 ) = P(y1 y2 )ψrarr
(y1 ) (14)
(14)식에서 전자기장 벡터는 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T (15)
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Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
베르만은 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 균일한 매질에서 전파 행렬을 계산하고 광투과 특성을 분석하는 방법을 기술하였다 본 연구에서는 이를 액정에 적용함으로써 해석적인 방법으로 고유벡터를 계산한다
만약 ∆행렬이 미소구간 y에 대해 독립적이라면 (15)는 다음과 같은 일반해를 가질 것이다 이것은 일반적으로 파동의 전파에 따른 위상 변화를 나타내고 있다
ψj
minusrarr(y ) = e iqjyψj
minusrarr(0 ) (16)
여기서 qj = λjwc
의 관계가 성립된다 이식을 (15)식에 대입하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다
iqjψ j
minusrarr(0 ) = i
wc∆ψj
minusrarr(0 ) (17)
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여기서 λj = qjcw
이므로 위 식은 다음과 같이 정리 할 수 있다
∆ψj
minusrarr(0 ) = λ jψj
minusrarr(0 ) (18)
λj는 ∆행렬의 고유값(eigenvalue) ψj
minusrarr(0 )는 이 ∆행렬의 고유벡터이다
∆가 44행렬이므로 λi는 4개의 근이 되고 고유벡터도 4개의 기저를 가질 것이다 따라서 고유값을 위의 ∆행렬에 대입하고 고유벡터를 계산하면 다음과 같다
ψj
minusrarr= Nj
bj (∆11 minusλj)minus∆23 aj
minus∆21 bj
∆21 aj
λ ∆21 aj
(19a)
aj = ∆12∆23 minus∆13 (∆11 minus λj) (19b) bj = ∆13∆23 minus (∆11 minusλj) (∆43 minus λ2
j ) (19c)
Nj는 정규화 계수(normalizing coefficient)이다 이렇게 정의된 4개의 고유벡터를 이용하여 Ψ행렬을 만들 수 있다
Ψ=
ψ11 ψ12 ψ13 ψ14
ψ21 ψ22 ψ23 ψ24
ψ31 ψ32 ψ33 ψ34
ψ41 ψ42 ψ43 ψ44
(20)
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h만큼 진행한 후의 진행파의 위상변화를 나타내는 대각행렬인 K행렬을 대각요소가 다음과 같은 값을 갖는 행렬로 정의하자
Kjj = e iqjh (21)
이때 다음과 같은 행렬식이 성립된다
ΨK = PΨ (22)
따라서 우리가 구하고자 하는 전파행렬은 다음과 같은 식으로 계산 할 수 있다
P = Ψ K Ψminus 1 (23)
이제 위에서 베르만 44 행렬법을 바탕으로 액정 셀의 각층에 대한 전파행렬을 계산하는 방법을 논의하였고 이를 바탕으로 액정 셀의 전체 투과율을 구하는 방법을 논의하고자 한다
투과율을 계산하기 위해서는 Fig 4와 같이 액정 셀을 y축에 대해 층으로 나누어 각각의 층에 대한 전파행렬 P (y h )을 구하고 각각의 전파행렬의 곱으로 전체 투과행렬 F를 계산하여야 한다 즉 F는 P의 곱으로 표현된다
F = P (Nminus 1 )h h ) P (Nminus 2 )h h ) P h h P h 0 (24)
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Fig 5와 같이 두께가 d인 액정 셀에 빛이 기판위에 입사한다면 입사측과 투과측의 전자기장 벡터 ψrarr(0 ) ψrarr(d )를 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr(d ) = F ψrarr
(0 ) (25)
Fig 5에서 액정이 n1 n2인 두 매질 사이에 위치하고 입사광 반사광 및 투과광의 전자기장 벡터를 ψi
minusrarr ψ r
minusrarr ψ t
minusrarr라 하면 다음과 같은 식이 성립한다
ψrarr(0 ) = ψi
minusrarr(z = 0 ) + ψr
minusrarr(z = 0 ) (26a)
ψrarr(d ) = ψt
minusrarr(z = d ) (26b)
Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
투과광 계산중 매질의 경계에서의 접선 방향 전기장 Et
minusrarr와 자기장 벡터 Ht
minusrarr
- 16 -
는 연속이므로 ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T도 연속이다 따라서 액정 층의 투과율
계산시 경계면에서의 전기장 벡터는 등방성인 주변매질 1 2에서의 전자기장 벡터를 이용한다 등방성 매질에서 자기장 벡터는 전기장 벡터와 굴절률 및 입사각을 포함하는 함수관계를 갖고 있으므로 ψrarr는 전기장 벡터 성분으로 아래와 같은 표시가 가능하다
ψi
rarr=
Ex
rxEx
Ez
rzEz
ψr
minusrarr=
Rx
minus rxRx
Rz
minusrzRz
ψt
rarr=
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(27)
rx =n1
cos θ1
rz = n1cos θ1
rx =n2
cos θ2
rz = n2cos θ2
θ2 = sin minus 1 [n1
n2
sin θ1 ] (28)
여기서 Rx Rz Tx Tz는 반사 전기장 벡터의 x z성분과 투과 전기장 벡터의 x z성분을 나타낸다 (27)~(28)식으로부터 액정 셀의 투과방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다
Ex + Rx
rx (Ex minusRx )Ez + Rz
rz (EzminusRz)
= F
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(29)
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이 식으로부터 Rx Rz를 제거하고 Ex Ez와 Tx Tz의 관계만을 설정하면 Ex Ez와 Tx Tz의 관계는 다음과 같은 22행렬로 정의된다
Tx
Tz=
a11 a12
a21 a22
Ex
Ez(30)
a11 =g32 + g42
D a12 =minus
g12 + g22
D
a21 =minusg31 + g41
D a22 =g11 + g21
D (31a)
g11 =(F11 + F12rx )
2 g12 =
(F13 + F14rz )
2
g21 =(F21 + F22rx )
2rx g22 =
(F23 + F24rz )
2rx
g31 =(F31 + F32rx )
2 g32 =
(F33 + F34rz )
2
g41 =(F41 + F42rx )
2rz g42 =
(F43 + F44rz )
2rz (31b)
D = (g11 + g21 )(g32 + g42 )minus (g21 + g22 )(g31 + g41 ) (31c)
그러나 전체 투과율을 계산하기 위하여 다시 Ex Ey와 Tx Ty를 Es Ep와 Ts Tp로 변환해 주어야 하며 입사면이 xz평면상에 존재한다고 가정하면 s = z이고 p = (cos θi sin θi 0 )이므로 다음과 같은 식이 성립한다
Es
Ep=
0 11 cos θi 0
Ex
Ez(32)
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입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고
Es
Ep=
1radic2
E0
e jα1
e jα2(33)
입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때 전체 투과율은 다음과 같이 나타난다
T =12
a112 +
a122
cos 2θi
+ a212cos 2 θi + a22
2 (34)
위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다
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제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
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Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
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제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
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다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
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(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
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Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
工學碩士學位請求論文
MVA-LCD의 전기광학적 특성에 관한 연구
Electro-optical characteristics ofMulti-domain Vertically Aligned Liquid Crystal Display
2004年 2月
指導敎授 朴 愚 祥이 論文을 碩士學位 論文으로 認定함
仁荷大學校 大學院
電子工學科(情報工學 專攻)
金 周 漢
이 論文을 金周漢의 碩士學位 論文으로 認定함
2004년 2월
主審
副審
委員
요 약
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다 액정의 3차원적 동특성은 Ericksen-Leslie 운동방정식으로부터 얻을 수 있었으며 광투과율 분포는 Berreman의 44 행렬법으로부터 계산되었다 이를 통해 각각의 방법에 대한 광투과도 시야각 그리고 응답속도 등을 최적화 하였으며 최적화된 결과들로부터 각 방법간 전기광학적 특성을 비교하였다 그 결과 전극구조 패턴 방법의 MVA-LCD는 비교적 단순한 공정을 통한 전극 구조 패턴으로 상호 보상이 가능한 4개의 복수영역을 얻을 수 있기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각 특성을 보이고 이와 동시에 기존의 VA-LCD와 비교하여 30이상의 개선된 응답속도를 얻으면서도 타 구조에 비해 우수한 투과특성을 얻을 수 있음이 확인되었다
Abstract
In this study the mechanisms of the creation of multi-domain for various multi-domain techniques such as UV alignment method insertion of dielectric material and the method of patterned- electrodes in a unit pixel of MVA-LCDs were analyzed by using three-dimensional simulation for the molecular behavior of the TFT-LCDs Three-dimensional simulations were carried out by the dynamic equation of the Ericksen-Leslie theory and the optical transmissions were calculated based on the Berremans 44 matrix method Throughout the simulation we first optimized the electro- optical characteristics for various MVA-LCDs and then compared them with each other From the results it was revealed that by patterned- electrodes with simple process perfect 4-domains could be obtained and consequently symmetric and wide viewing angle could be achieved Moreover the MVA-LCDs with patterned-electrodes are proven to show the 30 faster response time compared with the conventional VA-LCDs They also reveal higher light transmittance compared with other MVA-LCDs
목 차
그림 목차표 목차
제 1 장 서 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1
제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3제 1 절 액정의 분자분포 방정식 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3제 2 절 수치해석적 계산 기법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 8제 3 절 광투과율 계산 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10
제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 19제 1 절 VA-LCD의 구조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 19제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21제 3 절 결과 및 논의 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 27
3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 283 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성 middotmiddotmiddot 323 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성 middotmiddotmiddot 373 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 433 3 5 MVA-LCD의 특성 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 56
제 4 장 결 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 58
참 고 문 헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 59
그림 목차
Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC directorFig 2 Flow chart of simulationFig 3 Definition of incident light and coordinate systems for
optical transmission calculationFig 4 Multi-layer structure of LC layerFig 5 Definition of incident and transmitted wavesFig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with
applied voltageFig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatmentFig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b)
OnFig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric
(a) Off (b) OnFig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrodeFig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with
patterned-electrodeFig 12 Structure of VA-LCDsFig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of
equi-potential (b) LC director profiles
Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatmentFig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profilesFig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV
treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12msFig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of
MVA-LCDs with UV treatmentFig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) OnFig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structureFig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of
MVA-LCDs with insertion of dielectricFig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrodeFig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common
electrodeFig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm
(c) 12micromFig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit widthFig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b)
30microm (c) 34micromFig 31 Comparison with average transmittance for spacing slitFig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel
electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
Fig 34 Structure of optimal unit pixelFig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profilesFig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with
patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
표 목차
Table Ⅰ Physical parameters used in the simulationTable Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
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제 1 장 서 론
인터넷 및 유무선 통신망의 발달은 인간의 생활에 필요한 정보를 제공하고 이러한 정보는 서로 공유되어야 한다 이러한 정보화 사회에서 정보를 수집 처리 저장하는 기술도 중요하지만 정보를 표시하는 장치인 디스플레이 장치는 정보 전달에 있어 가장 중요한 부분을 차지하고 있다 우리의 일상생활에서 정보 매체로서 휴대폰 PDA 컴퓨터 TV등 디스플레이가 차지하는 부분은 매우 광범위하다 특히 최근 모바일 및 미디어 산업의 급격한 발전으로 인하여 경량 박형의 평판 표시소자에 대한 수요가 급증하고 있으며 이중 액정표시장치(Liquid Crystal Display LCD)는 저전압 저전력 구동이 가능하기 때문에 많이 사용되고 있다 더욱이 박막 트랜지스터(Thin-Film Transistor TFT)를 이용한 구동방식은 해상도 명암대비비 색재현성 시인성등에서 우수한 특성을 보임으로서 각종 디스플레이에 폭넓게 채택되고 있다 이와 같이 액정표시장치의 사용 범위가 확대됨에 따라 시야각 응답속도 고명암대비비 밝기 개조 용량(gray-scale capability)등 전기광학적 특성을 개선하기 위한 노력이 활발히 진행되고 있다 또한 액정표시장치의 수요가 HDTV와 같은 동화상 구현으로 확대되면서 총천연색 빠른 응답속도 광시야각의 조건을 만족하는 액정표시장치 모드에 대한 연구가 반드시 필요하다
이에 고명암대비비를 가지는 Vertically Aligned(VA)-LCD에 대한 많은 연구가 수행되고 있다 VA-LCD는 러빙(rubbing) 공정을 하지 않는 장점이 있으나 액정 분자의 초기경사각이 없어 응답속도 및 액정 화소의 각 도메인의 크기가 불규칙적인 단점을 가지고 있다[1] 이러한 이유로 VA-LCD는 여러 가지 구조로 응용되어 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성시키는 Multi-domain Vertically Aligned(MVA)- LCD로 사용하고 있다 MVA-
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LCD는 VA-LCD의 특징인 고명암대비비는 물론 빠른 응답속도와 광시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 도메인을 형성시키는 방법은 자외선(Ultra-Violet UV) 처리를 통한 방법[2] 삼각돌기(protrusion)을 이용하는 방법[3] [4] 유전체 삽입 방법[5]~[8] 전극 패턴을 이용하는 방법[9]~[12] 등 다양하며 현재 많은 연구가 이루어지고 있다 이들 구조 중 화소전극 및 공통전극에 패턴을 하여 도메인을 형성하는 방법은 간단한 공정으로 완벽한 네개의 도메인을 가지기 때문에 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 보이며 패턴된 전극 근방에서 왜곡된 전기장이 측면전장효과와 동일하여 빠른 응답속도 특성을 가지기 때문에 차세대 대면적 디스플레이에 많은 적용이 기대된다 이러한 디스플레이의 고부가가치를 위해서 고품질의 제품이 저가격으로 실현되어야 하고 이를 위해 고명암대비비 높은 투과도 광시야각 빠른 응답속도 등 전기광학적 특성과 관련된 수많은 파라미터에 대한 특성 변화를 밝히고 최적화 하는 것은 필수적이다 그러나 방대한 파라미터들을 실험적으로 수행하는 것은 불가능하기 때문에 실제적으로는 약간의 검증 실험을 포함한 시뮬레이션 기법을 적용하여 적은 노력과 시간으로 최적 설계를 수행하고 있다
본 연구에서는 MVA-LCD의 최적 설계 조건을 얻기 위하여 액정분자의 동적 특성에 근거하여 그 전기광학 특성을 수치해석적 기법으로 계산하였다 액정 셀(cell)의 동특성을 분석함에 있어서는 에릭슨-레슬리(Ericksen-Leslie) 운동방정식으로부터 분자배열분포를 얻었으며 라플라스(Laplace)의 전위분포방정식으로부터 전위분포를 얻었다 수치해석적 기법으로는 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하여 계산하였다 또한 투과도 및 시야각 특성 등 광투과 특성 해석을 위해 계산된 분자분포를 가지고 베르만(Berreman)의 44 행렬법을 적용하였다
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제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
이 장에서는 액정표시소자의 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 하기 위해 사용되는 액정의 분자분포 방정식과 전위 분포 방정식에 대하여 논의하고 수치해석적 접근 방법에 대하여 기술하였다 또한 위의 결과로 구해진 액정의 분자 분포를 이용하여 광투과도 계산에 사용된 베르만 44 행렬법에 대하여 기술하였다
제 1 절 액정의 분자분포 방정식
단위 화소내의 액정의 운동과 방향자의 분포를 해석하기 위해 적용된 이론적 모델은 액정의 내부 운동량(inertial momentum)을 무시한 에릭슨-레슬리 이론에 기초한다 이때 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy fg)를 에릭슨-레슬리 방정식에 적용하면 다음과 같은 운동 방정식을 얻을 수 있다[13]
γ partpartt
ni = minus [fg ]n i+ λni i = x y z (1)
여기서 γ 는 회전 점성계수를 ni는 방향자의 직교성분을 λ는 n rarr
= 1 즉 방향자가 단위벡터 임을 내포하는 라그랑즈(Lagrange) 승수를 나타낸다 그리고 [fg ]ni
는 오일러-라그랑즈(Euler-Lagrangian) 방정식으로써 다음과 같이 표현된다
[fg ]ni=
partfgpartni
minusddx
(partf g
partnix
) minusddy
(partfgpartniy
) minusddz
(partf g
partniz
) (2)
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이때 액정의 자유 에너지(fg)는 화소 내부의 탄성에너지(fs )와 외부에서 공급한 정전에너지(fe )의 차로 표현된다
fg = fs minus fe (3)
일반적으로 깁스 자유 에너지의 탄성에너지 밀도를 표현하는 방법은 벡터접근법과 텐서접근법이라는 두가지 방법을 통해 이루어지고 있다[14]
오슨-프랑크(Oseen-Frank) 탄성이론으로부터 액정의 탄성에너지를 방향자 nrarr 에 대하여 다음과 같이 표현한다
fs =
12
K 1 1 (nabla nrarr) 2 +
12
K 22 (nrarr nabla n
rarr+ q0 )2
+12
K 33 (nrarr nabla n
rarr)2
(4)
벡터접근법은 lsquo액정분자가 평형상태를 벗어나면 원상태로 돌아가려는 복원력을 가지며 이러한 액정의 복원력은 변형의 정도에 비례한다rsquo라는 탄성 이론으로부터 정의되었다 이러한 변형은 크게 스프레이(splay) 트위스트(twist) 벤드(bend) 변형으로 나타낼 수 있다 또한 변형의 크기에 비례하는 상수를 각각 스프레이(K11) 트위스트(K22) 벤드(K33) 상수라 한다 그리고 q0는 chirality이다
이에 반하여 텐서접근법은 드 쟝(de Gennes)의 질서도 텐서(order tensor)를 이용하여 기술하며 이때의 탄성에너지는 다음과 같이 나타낸다
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fs = (minus
K 11
12+
K22
4+
K33
12)G ( 2 )
1 (K11 minus K22
2)G (2 )
2
+K 33 minus K 11
4)G (3 )
6 + q0K22G(2 )
4
(5)
이때 G와 Q는 다음과 같이 표현된다
G (2 )1 = QijkQijk
G (2 )2 = QijkQikk
G (2 )4 = eijkQilQjlk
G (3 )6 = QijQkliQklj
Qij = ninj minusij
3 (order tensor) (6)
여기서 아래 첨자는 아인슈타인(Einstein)의 표기법에 따른 것이다 또한 eijk는 치환 기호(permutation symbol)를 의미한다
다음으로 주어진 화소의 각종 전극에 인가되는 전압에 의하여 형성되는 전기 에너지밀도는 다음과 같다
fe =12 0φ l lmφ m (7)
위의 식에서 φ (x y z )는 액정의 화소 및 각종 전극에 인가된 전압에 의해 형성된 전위분포를 나타내며 lm은 비유전율 텐서로서 lm = perp lm + ∆ nlnm
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으로 표현되며 0는 자유공간에서의 유전율이다 또한 ∆ = minus perp로서 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율의 차를 나타낸다 여기서 전위분포함수 φ (x y z )는 적절한 경계조건에 대하여 맥스웰 방정식으로부터 유도된 식 (8)의 라플라스 방정식을 시뮬레이션하여 얻을 수 있다[15]
ij(xy z)φ (xy z)j i= 0 (8)
이로부터 식 (4)와 (7)을 식 (1)에 대입함으로써 벡터접근법에 기초한 액정 방향자의 운동방정식을 얻을 수 있다 그러나 벡터접근법에 대한 운동방정식은 매우 복잡하기 때문에 편의상 탄성계수가 등방인 모델 즉 K11 = K22 = K33 = K로 단순화 하면 운동방정식은 다음과 같이 표현된다
γ partni
partt= K (
part2ni
partx 2+
part2ni
party 2+
part2ni
partz 2) + 0 ( minus perp )njφ jφ i + λni (9)
반면 텐서접근법으로부터 유도되는 액정 방향자의 운동 방정식은 이방 탄성계수 모델에 대하여 텐서 표기법으로 나타낼 수 있기 때문에 다음과 같이 표현된다
γpartni
partt=
13
(minus K 11 + 3K 22 + K33 )(njQjil l ) + (K11 minus K22 )nj (Qil lj + Qjlli )
+ (K33 minus K 11
2)nj [(2QlmmQji l + 2QlmQji lm minus QlmiQlmj )]
+ 2q0K22nj (eimlQljm + ejmlQlim ) + 0∆ njφ jφ i + λni
(10)
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여기서 액정 방향자 nrarr 은 방위각 φ와 경사각 θ에 대하여 다음과 같이 표현할 수 있다
nrarr= (cos θ cos φ cos θ sin φ sinθ ) (11)
Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
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제 2 절 수치해석적 계산 기법
앞절에서 논의한 운동방정식 및 전위분포 방정식을 계산함에 있어 식 (1)과 (8)를 동시에 시뮬레이션 하여야 한다 또한 방정식들이 비선형이기 때문에 반복 계산 과정을 적용하여 정상 상태가 될 때까지의 최종 시간에 대하여 주어진 분자 분포에 대한 전위 분포와 그에 따른 분자 분포를 서로 교번하여 계산을 수행한다
Fig 2 Flow chart of simulation
수치해석 방법은 복잡하고 고차 비선형 방정식인 점을 고려하여 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하였다 유한차분법을 적용하기 위해서 공간적으로 격자는 균일 격자간격을 사용하였다 또한 중앙차분법(central space scheme)을 사용하였다 경계조건으로 본 연구에서는 강한
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앵커링(anchoring)을 가정하였기 때문에 상하기판에의 방향자는 러빙 방향과 초기경사각에 의해 정의되고 항상 고정되어 있다고 가정하여 디리슐레(Dirichlet) 경계조건이 적용되었다 특히 전위분포의 계산에 효율성을 위하여 z축 방향의 양 끝에서 노이만(Neumann) 경계조건을 적용하였다 또한 방향자와 전위 분포 모두에 있어 x와 y방향에 대해서는 주기 경계조건을 적용하였다
시간적으로는 내삽법(implicit method)의 경우 운동방정식의 비선형성으로 인한 많은 문제가 야기되므로 외삽법(explicit method)을 사용하여 시간 적분을 계산하였다[12]
또한 라그랑즈 승수 λ는 매 시간증가시 재계산된 방향 성분이 액정방향자의 기본 조건인 n
rarr = n 2
x + n 2y + n 2
z = 1을 만족시키기 위한 목적으로 사용되었으며 계산의 편의를 위하여 k + 1번째 방향자를 계산함에 있어 λ를 제거한 뒤 k + 1번째 방향자를 계산하고 이를 다시 재 정규화 함으로써 방향자를 단위 벡터로 유지하였다
한편 전위 분포 시뮬레이션에서는 적절한 경계조건에 대하여 연속과도완화법(successive over relaxation SOR) 방법이 적용되었다 이때 정확한 계산을 위해 매 시간 단계에 대해 전위 분포 시뮬레이션이 수행 되어야 하나 많은 계산 시간이 요구되어지므로 전체 해에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 액정의 반응 속도에 따라 적절한 횟수로 줄여서 시뮬레이션 한다
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제 3 절 광투과율 계산
액정은 장축과 단축의 굴절율이 다른 비등방 매질이며 불균일 매질이다 따라서 액정의 광투과 특성을 분석하기 위해서는 일반적으로 베르만 44 행렬법을 적용한다[16]~[19] 이러한 불균일성에 대하여 액정 셀을 무수히 얇은 다중층으로 설정하며 이렇게 설정된 각 층에서는 액정이 균일한 매질이라는 가정하에 각 층의 전파행렬을 계산함으로써 전체 전파특성 행렬을 계산할 수 있다 각 층에서는 액정이 균일하다고 가정하였으므로 굴절율에 대한 유전율 텐서를 알면 각 층에서의 전자장의 전파관계가 표현된다
Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
partparty
Ex
Hz
Ez
minusHx
=iwc
∆11 ∆12 ∆13 0∆21 ∆11 ∆23 00 0 0 1
∆23 ∆13 ∆43 0
Ex
Hz
Ez
minus Hx
(12)
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여기서 행렬 요소 ∆ij는 다음과 같다
∆11 =minus X 13
33
∆12 = 1 minus X 2 1
33
∆13 =minus X 23
33
∆21 = 11 minus X213
33
∆23 = 12 minus13 23
33 ∆43 = 22 minus
23
33
minus X 2 (13)
여기에서 ij = perp ij + ∆ ninj로 표현된다 이 식에서 와 perp는 각각 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율을 나타내고 ∆ 은 이 둘의 차를 나타낸다 또한 액정의 굴절률과는 no =
radicperp ne =
radic 의 관계가 있다 X는 x축 방향으로의 전파상수와 관련된 값으로 X =
cξw
로 나타낼 수 있다 전파행렬 P 는 Fig 4에서 각층에 대한 광학투과특성을 나타내며 일계 미분방정식 식(12)로부터 다음과 같이 정의한다 즉 y1에서 y2사이의 균일 매질을 전파하는 전자기장 벡터의 관계는 다음 식과 같이 정의 할 수 있다
ψrarr(y2 ) = P(y1 y2 )ψrarr
(y1 ) (14)
(14)식에서 전자기장 벡터는 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T (15)
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Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
베르만은 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 균일한 매질에서 전파 행렬을 계산하고 광투과 특성을 분석하는 방법을 기술하였다 본 연구에서는 이를 액정에 적용함으로써 해석적인 방법으로 고유벡터를 계산한다
만약 ∆행렬이 미소구간 y에 대해 독립적이라면 (15)는 다음과 같은 일반해를 가질 것이다 이것은 일반적으로 파동의 전파에 따른 위상 변화를 나타내고 있다
ψj
minusrarr(y ) = e iqjyψj
minusrarr(0 ) (16)
여기서 qj = λjwc
의 관계가 성립된다 이식을 (15)식에 대입하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다
iqjψ j
minusrarr(0 ) = i
wc∆ψj
minusrarr(0 ) (17)
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여기서 λj = qjcw
이므로 위 식은 다음과 같이 정리 할 수 있다
∆ψj
minusrarr(0 ) = λ jψj
minusrarr(0 ) (18)
λj는 ∆행렬의 고유값(eigenvalue) ψj
minusrarr(0 )는 이 ∆행렬의 고유벡터이다
∆가 44행렬이므로 λi는 4개의 근이 되고 고유벡터도 4개의 기저를 가질 것이다 따라서 고유값을 위의 ∆행렬에 대입하고 고유벡터를 계산하면 다음과 같다
ψj
minusrarr= Nj
bj (∆11 minusλj)minus∆23 aj
minus∆21 bj
∆21 aj
λ ∆21 aj
(19a)
aj = ∆12∆23 minus∆13 (∆11 minus λj) (19b) bj = ∆13∆23 minus (∆11 minusλj) (∆43 minus λ2
j ) (19c)
Nj는 정규화 계수(normalizing coefficient)이다 이렇게 정의된 4개의 고유벡터를 이용하여 Ψ행렬을 만들 수 있다
Ψ=
ψ11 ψ12 ψ13 ψ14
ψ21 ψ22 ψ23 ψ24
ψ31 ψ32 ψ33 ψ34
ψ41 ψ42 ψ43 ψ44
(20)
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h만큼 진행한 후의 진행파의 위상변화를 나타내는 대각행렬인 K행렬을 대각요소가 다음과 같은 값을 갖는 행렬로 정의하자
Kjj = e iqjh (21)
이때 다음과 같은 행렬식이 성립된다
ΨK = PΨ (22)
따라서 우리가 구하고자 하는 전파행렬은 다음과 같은 식으로 계산 할 수 있다
P = Ψ K Ψminus 1 (23)
이제 위에서 베르만 44 행렬법을 바탕으로 액정 셀의 각층에 대한 전파행렬을 계산하는 방법을 논의하였고 이를 바탕으로 액정 셀의 전체 투과율을 구하는 방법을 논의하고자 한다
투과율을 계산하기 위해서는 Fig 4와 같이 액정 셀을 y축에 대해 층으로 나누어 각각의 층에 대한 전파행렬 P (y h )을 구하고 각각의 전파행렬의 곱으로 전체 투과행렬 F를 계산하여야 한다 즉 F는 P의 곱으로 표현된다
F = P (Nminus 1 )h h ) P (Nminus 2 )h h ) P h h P h 0 (24)
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Fig 5와 같이 두께가 d인 액정 셀에 빛이 기판위에 입사한다면 입사측과 투과측의 전자기장 벡터 ψrarr(0 ) ψrarr(d )를 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr(d ) = F ψrarr
(0 ) (25)
Fig 5에서 액정이 n1 n2인 두 매질 사이에 위치하고 입사광 반사광 및 투과광의 전자기장 벡터를 ψi
minusrarr ψ r
minusrarr ψ t
minusrarr라 하면 다음과 같은 식이 성립한다
ψrarr(0 ) = ψi
minusrarr(z = 0 ) + ψr
minusrarr(z = 0 ) (26a)
ψrarr(d ) = ψt
minusrarr(z = d ) (26b)
Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
투과광 계산중 매질의 경계에서의 접선 방향 전기장 Et
minusrarr와 자기장 벡터 Ht
minusrarr
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는 연속이므로 ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T도 연속이다 따라서 액정 층의 투과율
계산시 경계면에서의 전기장 벡터는 등방성인 주변매질 1 2에서의 전자기장 벡터를 이용한다 등방성 매질에서 자기장 벡터는 전기장 벡터와 굴절률 및 입사각을 포함하는 함수관계를 갖고 있으므로 ψrarr는 전기장 벡터 성분으로 아래와 같은 표시가 가능하다
ψi
rarr=
Ex
rxEx
Ez
rzEz
ψr
minusrarr=
Rx
minus rxRx
Rz
minusrzRz
ψt
rarr=
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(27)
rx =n1
cos θ1
rz = n1cos θ1
rx =n2
cos θ2
rz = n2cos θ2
θ2 = sin minus 1 [n1
n2
sin θ1 ] (28)
여기서 Rx Rz Tx Tz는 반사 전기장 벡터의 x z성분과 투과 전기장 벡터의 x z성분을 나타낸다 (27)~(28)식으로부터 액정 셀의 투과방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다
Ex + Rx
rx (Ex minusRx )Ez + Rz
rz (EzminusRz)
= F
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(29)
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이 식으로부터 Rx Rz를 제거하고 Ex Ez와 Tx Tz의 관계만을 설정하면 Ex Ez와 Tx Tz의 관계는 다음과 같은 22행렬로 정의된다
Tx
Tz=
a11 a12
a21 a22
Ex
Ez(30)
a11 =g32 + g42
D a12 =minus
g12 + g22
D
a21 =minusg31 + g41
D a22 =g11 + g21
D (31a)
g11 =(F11 + F12rx )
2 g12 =
(F13 + F14rz )
2
g21 =(F21 + F22rx )
2rx g22 =
(F23 + F24rz )
2rx
g31 =(F31 + F32rx )
2 g32 =
(F33 + F34rz )
2
g41 =(F41 + F42rx )
2rz g42 =
(F43 + F44rz )
2rz (31b)
D = (g11 + g21 )(g32 + g42 )minus (g21 + g22 )(g31 + g41 ) (31c)
그러나 전체 투과율을 계산하기 위하여 다시 Ex Ey와 Tx Ty를 Es Ep와 Ts Tp로 변환해 주어야 하며 입사면이 xz평면상에 존재한다고 가정하면 s = z이고 p = (cos θi sin θi 0 )이므로 다음과 같은 식이 성립한다
Es
Ep=
0 11 cos θi 0
Ex
Ez(32)
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입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고
Es
Ep=
1radic2
E0
e jα1
e jα2(33)
입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때 전체 투과율은 다음과 같이 나타난다
T =12
a112 +
a122
cos 2θi
+ a212cos 2 θi + a22
2 (34)
위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다
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제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
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Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
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제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
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다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
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(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
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가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
참 고 문 헌
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[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
이 論文을 金周漢의 碩士學位 論文으로 認定함
2004년 2월
主審
副審
委員
요 약
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다 액정의 3차원적 동특성은 Ericksen-Leslie 운동방정식으로부터 얻을 수 있었으며 광투과율 분포는 Berreman의 44 행렬법으로부터 계산되었다 이를 통해 각각의 방법에 대한 광투과도 시야각 그리고 응답속도 등을 최적화 하였으며 최적화된 결과들로부터 각 방법간 전기광학적 특성을 비교하였다 그 결과 전극구조 패턴 방법의 MVA-LCD는 비교적 단순한 공정을 통한 전극 구조 패턴으로 상호 보상이 가능한 4개의 복수영역을 얻을 수 있기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각 특성을 보이고 이와 동시에 기존의 VA-LCD와 비교하여 30이상의 개선된 응답속도를 얻으면서도 타 구조에 비해 우수한 투과특성을 얻을 수 있음이 확인되었다
Abstract
In this study the mechanisms of the creation of multi-domain for various multi-domain techniques such as UV alignment method insertion of dielectric material and the method of patterned- electrodes in a unit pixel of MVA-LCDs were analyzed by using three-dimensional simulation for the molecular behavior of the TFT-LCDs Three-dimensional simulations were carried out by the dynamic equation of the Ericksen-Leslie theory and the optical transmissions were calculated based on the Berremans 44 matrix method Throughout the simulation we first optimized the electro- optical characteristics for various MVA-LCDs and then compared them with each other From the results it was revealed that by patterned- electrodes with simple process perfect 4-domains could be obtained and consequently symmetric and wide viewing angle could be achieved Moreover the MVA-LCDs with patterned-electrodes are proven to show the 30 faster response time compared with the conventional VA-LCDs They also reveal higher light transmittance compared with other MVA-LCDs
목 차
그림 목차표 목차
제 1 장 서 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1
제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3제 1 절 액정의 분자분포 방정식 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3제 2 절 수치해석적 계산 기법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 8제 3 절 광투과율 계산 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10
제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 19제 1 절 VA-LCD의 구조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 19제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21제 3 절 결과 및 논의 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 27
3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 283 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성 middotmiddotmiddot 323 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성 middotmiddotmiddot 373 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 433 3 5 MVA-LCD의 특성 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 56
제 4 장 결 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 58
참 고 문 헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 59
그림 목차
Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC directorFig 2 Flow chart of simulationFig 3 Definition of incident light and coordinate systems for
optical transmission calculationFig 4 Multi-layer structure of LC layerFig 5 Definition of incident and transmitted wavesFig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with
applied voltageFig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatmentFig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b)
OnFig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric
(a) Off (b) OnFig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrodeFig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with
patterned-electrodeFig 12 Structure of VA-LCDsFig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of
equi-potential (b) LC director profiles
Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatmentFig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profilesFig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV
treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12msFig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of
MVA-LCDs with UV treatmentFig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) OnFig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structureFig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of
MVA-LCDs with insertion of dielectricFig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrodeFig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common
electrodeFig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm
(c) 12micromFig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit widthFig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b)
30microm (c) 34micromFig 31 Comparison with average transmittance for spacing slitFig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel
electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
Fig 34 Structure of optimal unit pixelFig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profilesFig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with
patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
표 목차
Table Ⅰ Physical parameters used in the simulationTable Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
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제 1 장 서 론
인터넷 및 유무선 통신망의 발달은 인간의 생활에 필요한 정보를 제공하고 이러한 정보는 서로 공유되어야 한다 이러한 정보화 사회에서 정보를 수집 처리 저장하는 기술도 중요하지만 정보를 표시하는 장치인 디스플레이 장치는 정보 전달에 있어 가장 중요한 부분을 차지하고 있다 우리의 일상생활에서 정보 매체로서 휴대폰 PDA 컴퓨터 TV등 디스플레이가 차지하는 부분은 매우 광범위하다 특히 최근 모바일 및 미디어 산업의 급격한 발전으로 인하여 경량 박형의 평판 표시소자에 대한 수요가 급증하고 있으며 이중 액정표시장치(Liquid Crystal Display LCD)는 저전압 저전력 구동이 가능하기 때문에 많이 사용되고 있다 더욱이 박막 트랜지스터(Thin-Film Transistor TFT)를 이용한 구동방식은 해상도 명암대비비 색재현성 시인성등에서 우수한 특성을 보임으로서 각종 디스플레이에 폭넓게 채택되고 있다 이와 같이 액정표시장치의 사용 범위가 확대됨에 따라 시야각 응답속도 고명암대비비 밝기 개조 용량(gray-scale capability)등 전기광학적 특성을 개선하기 위한 노력이 활발히 진행되고 있다 또한 액정표시장치의 수요가 HDTV와 같은 동화상 구현으로 확대되면서 총천연색 빠른 응답속도 광시야각의 조건을 만족하는 액정표시장치 모드에 대한 연구가 반드시 필요하다
이에 고명암대비비를 가지는 Vertically Aligned(VA)-LCD에 대한 많은 연구가 수행되고 있다 VA-LCD는 러빙(rubbing) 공정을 하지 않는 장점이 있으나 액정 분자의 초기경사각이 없어 응답속도 및 액정 화소의 각 도메인의 크기가 불규칙적인 단점을 가지고 있다[1] 이러한 이유로 VA-LCD는 여러 가지 구조로 응용되어 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성시키는 Multi-domain Vertically Aligned(MVA)- LCD로 사용하고 있다 MVA-
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LCD는 VA-LCD의 특징인 고명암대비비는 물론 빠른 응답속도와 광시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 도메인을 형성시키는 방법은 자외선(Ultra-Violet UV) 처리를 통한 방법[2] 삼각돌기(protrusion)을 이용하는 방법[3] [4] 유전체 삽입 방법[5]~[8] 전극 패턴을 이용하는 방법[9]~[12] 등 다양하며 현재 많은 연구가 이루어지고 있다 이들 구조 중 화소전극 및 공통전극에 패턴을 하여 도메인을 형성하는 방법은 간단한 공정으로 완벽한 네개의 도메인을 가지기 때문에 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 보이며 패턴된 전극 근방에서 왜곡된 전기장이 측면전장효과와 동일하여 빠른 응답속도 특성을 가지기 때문에 차세대 대면적 디스플레이에 많은 적용이 기대된다 이러한 디스플레이의 고부가가치를 위해서 고품질의 제품이 저가격으로 실현되어야 하고 이를 위해 고명암대비비 높은 투과도 광시야각 빠른 응답속도 등 전기광학적 특성과 관련된 수많은 파라미터에 대한 특성 변화를 밝히고 최적화 하는 것은 필수적이다 그러나 방대한 파라미터들을 실험적으로 수행하는 것은 불가능하기 때문에 실제적으로는 약간의 검증 실험을 포함한 시뮬레이션 기법을 적용하여 적은 노력과 시간으로 최적 설계를 수행하고 있다
본 연구에서는 MVA-LCD의 최적 설계 조건을 얻기 위하여 액정분자의 동적 특성에 근거하여 그 전기광학 특성을 수치해석적 기법으로 계산하였다 액정 셀(cell)의 동특성을 분석함에 있어서는 에릭슨-레슬리(Ericksen-Leslie) 운동방정식으로부터 분자배열분포를 얻었으며 라플라스(Laplace)의 전위분포방정식으로부터 전위분포를 얻었다 수치해석적 기법으로는 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하여 계산하였다 또한 투과도 및 시야각 특성 등 광투과 특성 해석을 위해 계산된 분자분포를 가지고 베르만(Berreman)의 44 행렬법을 적용하였다
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제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
이 장에서는 액정표시소자의 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 하기 위해 사용되는 액정의 분자분포 방정식과 전위 분포 방정식에 대하여 논의하고 수치해석적 접근 방법에 대하여 기술하였다 또한 위의 결과로 구해진 액정의 분자 분포를 이용하여 광투과도 계산에 사용된 베르만 44 행렬법에 대하여 기술하였다
제 1 절 액정의 분자분포 방정식
단위 화소내의 액정의 운동과 방향자의 분포를 해석하기 위해 적용된 이론적 모델은 액정의 내부 운동량(inertial momentum)을 무시한 에릭슨-레슬리 이론에 기초한다 이때 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy fg)를 에릭슨-레슬리 방정식에 적용하면 다음과 같은 운동 방정식을 얻을 수 있다[13]
γ partpartt
ni = minus [fg ]n i+ λni i = x y z (1)
여기서 γ 는 회전 점성계수를 ni는 방향자의 직교성분을 λ는 n rarr
= 1 즉 방향자가 단위벡터 임을 내포하는 라그랑즈(Lagrange) 승수를 나타낸다 그리고 [fg ]ni
는 오일러-라그랑즈(Euler-Lagrangian) 방정식으로써 다음과 같이 표현된다
[fg ]ni=
partfgpartni
minusddx
(partf g
partnix
) minusddy
(partfgpartniy
) minusddz
(partf g
partniz
) (2)
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이때 액정의 자유 에너지(fg)는 화소 내부의 탄성에너지(fs )와 외부에서 공급한 정전에너지(fe )의 차로 표현된다
fg = fs minus fe (3)
일반적으로 깁스 자유 에너지의 탄성에너지 밀도를 표현하는 방법은 벡터접근법과 텐서접근법이라는 두가지 방법을 통해 이루어지고 있다[14]
오슨-프랑크(Oseen-Frank) 탄성이론으로부터 액정의 탄성에너지를 방향자 nrarr 에 대하여 다음과 같이 표현한다
fs =
12
K 1 1 (nabla nrarr) 2 +
12
K 22 (nrarr nabla n
rarr+ q0 )2
+12
K 33 (nrarr nabla n
rarr)2
(4)
벡터접근법은 lsquo액정분자가 평형상태를 벗어나면 원상태로 돌아가려는 복원력을 가지며 이러한 액정의 복원력은 변형의 정도에 비례한다rsquo라는 탄성 이론으로부터 정의되었다 이러한 변형은 크게 스프레이(splay) 트위스트(twist) 벤드(bend) 변형으로 나타낼 수 있다 또한 변형의 크기에 비례하는 상수를 각각 스프레이(K11) 트위스트(K22) 벤드(K33) 상수라 한다 그리고 q0는 chirality이다
이에 반하여 텐서접근법은 드 쟝(de Gennes)의 질서도 텐서(order tensor)를 이용하여 기술하며 이때의 탄성에너지는 다음과 같이 나타낸다
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fs = (minus
K 11
12+
K22
4+
K33
12)G ( 2 )
1 (K11 minus K22
2)G (2 )
2
+K 33 minus K 11
4)G (3 )
6 + q0K22G(2 )
4
(5)
이때 G와 Q는 다음과 같이 표현된다
G (2 )1 = QijkQijk
G (2 )2 = QijkQikk
G (2 )4 = eijkQilQjlk
G (3 )6 = QijQkliQklj
Qij = ninj minusij
3 (order tensor) (6)
여기서 아래 첨자는 아인슈타인(Einstein)의 표기법에 따른 것이다 또한 eijk는 치환 기호(permutation symbol)를 의미한다
다음으로 주어진 화소의 각종 전극에 인가되는 전압에 의하여 형성되는 전기 에너지밀도는 다음과 같다
fe =12 0φ l lmφ m (7)
위의 식에서 φ (x y z )는 액정의 화소 및 각종 전극에 인가된 전압에 의해 형성된 전위분포를 나타내며 lm은 비유전율 텐서로서 lm = perp lm + ∆ nlnm
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으로 표현되며 0는 자유공간에서의 유전율이다 또한 ∆ = minus perp로서 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율의 차를 나타낸다 여기서 전위분포함수 φ (x y z )는 적절한 경계조건에 대하여 맥스웰 방정식으로부터 유도된 식 (8)의 라플라스 방정식을 시뮬레이션하여 얻을 수 있다[15]
ij(xy z)φ (xy z)j i= 0 (8)
이로부터 식 (4)와 (7)을 식 (1)에 대입함으로써 벡터접근법에 기초한 액정 방향자의 운동방정식을 얻을 수 있다 그러나 벡터접근법에 대한 운동방정식은 매우 복잡하기 때문에 편의상 탄성계수가 등방인 모델 즉 K11 = K22 = K33 = K로 단순화 하면 운동방정식은 다음과 같이 표현된다
γ partni
partt= K (
part2ni
partx 2+
part2ni
party 2+
part2ni
partz 2) + 0 ( minus perp )njφ jφ i + λni (9)
반면 텐서접근법으로부터 유도되는 액정 방향자의 운동 방정식은 이방 탄성계수 모델에 대하여 텐서 표기법으로 나타낼 수 있기 때문에 다음과 같이 표현된다
γpartni
partt=
13
(minus K 11 + 3K 22 + K33 )(njQjil l ) + (K11 minus K22 )nj (Qil lj + Qjlli )
+ (K33 minus K 11
2)nj [(2QlmmQji l + 2QlmQji lm minus QlmiQlmj )]
+ 2q0K22nj (eimlQljm + ejmlQlim ) + 0∆ njφ jφ i + λni
(10)
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여기서 액정 방향자 nrarr 은 방위각 φ와 경사각 θ에 대하여 다음과 같이 표현할 수 있다
nrarr= (cos θ cos φ cos θ sin φ sinθ ) (11)
Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
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제 2 절 수치해석적 계산 기법
앞절에서 논의한 운동방정식 및 전위분포 방정식을 계산함에 있어 식 (1)과 (8)를 동시에 시뮬레이션 하여야 한다 또한 방정식들이 비선형이기 때문에 반복 계산 과정을 적용하여 정상 상태가 될 때까지의 최종 시간에 대하여 주어진 분자 분포에 대한 전위 분포와 그에 따른 분자 분포를 서로 교번하여 계산을 수행한다
Fig 2 Flow chart of simulation
수치해석 방법은 복잡하고 고차 비선형 방정식인 점을 고려하여 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하였다 유한차분법을 적용하기 위해서 공간적으로 격자는 균일 격자간격을 사용하였다 또한 중앙차분법(central space scheme)을 사용하였다 경계조건으로 본 연구에서는 강한
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앵커링(anchoring)을 가정하였기 때문에 상하기판에의 방향자는 러빙 방향과 초기경사각에 의해 정의되고 항상 고정되어 있다고 가정하여 디리슐레(Dirichlet) 경계조건이 적용되었다 특히 전위분포의 계산에 효율성을 위하여 z축 방향의 양 끝에서 노이만(Neumann) 경계조건을 적용하였다 또한 방향자와 전위 분포 모두에 있어 x와 y방향에 대해서는 주기 경계조건을 적용하였다
시간적으로는 내삽법(implicit method)의 경우 운동방정식의 비선형성으로 인한 많은 문제가 야기되므로 외삽법(explicit method)을 사용하여 시간 적분을 계산하였다[12]
또한 라그랑즈 승수 λ는 매 시간증가시 재계산된 방향 성분이 액정방향자의 기본 조건인 n
rarr = n 2
x + n 2y + n 2
z = 1을 만족시키기 위한 목적으로 사용되었으며 계산의 편의를 위하여 k + 1번째 방향자를 계산함에 있어 λ를 제거한 뒤 k + 1번째 방향자를 계산하고 이를 다시 재 정규화 함으로써 방향자를 단위 벡터로 유지하였다
한편 전위 분포 시뮬레이션에서는 적절한 경계조건에 대하여 연속과도완화법(successive over relaxation SOR) 방법이 적용되었다 이때 정확한 계산을 위해 매 시간 단계에 대해 전위 분포 시뮬레이션이 수행 되어야 하나 많은 계산 시간이 요구되어지므로 전체 해에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 액정의 반응 속도에 따라 적절한 횟수로 줄여서 시뮬레이션 한다
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제 3 절 광투과율 계산
액정은 장축과 단축의 굴절율이 다른 비등방 매질이며 불균일 매질이다 따라서 액정의 광투과 특성을 분석하기 위해서는 일반적으로 베르만 44 행렬법을 적용한다[16]~[19] 이러한 불균일성에 대하여 액정 셀을 무수히 얇은 다중층으로 설정하며 이렇게 설정된 각 층에서는 액정이 균일한 매질이라는 가정하에 각 층의 전파행렬을 계산함으로써 전체 전파특성 행렬을 계산할 수 있다 각 층에서는 액정이 균일하다고 가정하였으므로 굴절율에 대한 유전율 텐서를 알면 각 층에서의 전자장의 전파관계가 표현된다
Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
partparty
Ex
Hz
Ez
minusHx
=iwc
∆11 ∆12 ∆13 0∆21 ∆11 ∆23 00 0 0 1
∆23 ∆13 ∆43 0
Ex
Hz
Ez
minus Hx
(12)
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여기서 행렬 요소 ∆ij는 다음과 같다
∆11 =minus X 13
33
∆12 = 1 minus X 2 1
33
∆13 =minus X 23
33
∆21 = 11 minus X213
33
∆23 = 12 minus13 23
33 ∆43 = 22 minus
23
33
minus X 2 (13)
여기에서 ij = perp ij + ∆ ninj로 표현된다 이 식에서 와 perp는 각각 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율을 나타내고 ∆ 은 이 둘의 차를 나타낸다 또한 액정의 굴절률과는 no =
radicperp ne =
radic 의 관계가 있다 X는 x축 방향으로의 전파상수와 관련된 값으로 X =
cξw
로 나타낼 수 있다 전파행렬 P 는 Fig 4에서 각층에 대한 광학투과특성을 나타내며 일계 미분방정식 식(12)로부터 다음과 같이 정의한다 즉 y1에서 y2사이의 균일 매질을 전파하는 전자기장 벡터의 관계는 다음 식과 같이 정의 할 수 있다
ψrarr(y2 ) = P(y1 y2 )ψrarr
(y1 ) (14)
(14)식에서 전자기장 벡터는 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T (15)
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Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
베르만은 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 균일한 매질에서 전파 행렬을 계산하고 광투과 특성을 분석하는 방법을 기술하였다 본 연구에서는 이를 액정에 적용함으로써 해석적인 방법으로 고유벡터를 계산한다
만약 ∆행렬이 미소구간 y에 대해 독립적이라면 (15)는 다음과 같은 일반해를 가질 것이다 이것은 일반적으로 파동의 전파에 따른 위상 변화를 나타내고 있다
ψj
minusrarr(y ) = e iqjyψj
minusrarr(0 ) (16)
여기서 qj = λjwc
의 관계가 성립된다 이식을 (15)식에 대입하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다
iqjψ j
minusrarr(0 ) = i
wc∆ψj
minusrarr(0 ) (17)
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여기서 λj = qjcw
이므로 위 식은 다음과 같이 정리 할 수 있다
∆ψj
minusrarr(0 ) = λ jψj
minusrarr(0 ) (18)
λj는 ∆행렬의 고유값(eigenvalue) ψj
minusrarr(0 )는 이 ∆행렬의 고유벡터이다
∆가 44행렬이므로 λi는 4개의 근이 되고 고유벡터도 4개의 기저를 가질 것이다 따라서 고유값을 위의 ∆행렬에 대입하고 고유벡터를 계산하면 다음과 같다
ψj
minusrarr= Nj
bj (∆11 minusλj)minus∆23 aj
minus∆21 bj
∆21 aj
λ ∆21 aj
(19a)
aj = ∆12∆23 minus∆13 (∆11 minus λj) (19b) bj = ∆13∆23 minus (∆11 minusλj) (∆43 minus λ2
j ) (19c)
Nj는 정규화 계수(normalizing coefficient)이다 이렇게 정의된 4개의 고유벡터를 이용하여 Ψ행렬을 만들 수 있다
Ψ=
ψ11 ψ12 ψ13 ψ14
ψ21 ψ22 ψ23 ψ24
ψ31 ψ32 ψ33 ψ34
ψ41 ψ42 ψ43 ψ44
(20)
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h만큼 진행한 후의 진행파의 위상변화를 나타내는 대각행렬인 K행렬을 대각요소가 다음과 같은 값을 갖는 행렬로 정의하자
Kjj = e iqjh (21)
이때 다음과 같은 행렬식이 성립된다
ΨK = PΨ (22)
따라서 우리가 구하고자 하는 전파행렬은 다음과 같은 식으로 계산 할 수 있다
P = Ψ K Ψminus 1 (23)
이제 위에서 베르만 44 행렬법을 바탕으로 액정 셀의 각층에 대한 전파행렬을 계산하는 방법을 논의하였고 이를 바탕으로 액정 셀의 전체 투과율을 구하는 방법을 논의하고자 한다
투과율을 계산하기 위해서는 Fig 4와 같이 액정 셀을 y축에 대해 층으로 나누어 각각의 층에 대한 전파행렬 P (y h )을 구하고 각각의 전파행렬의 곱으로 전체 투과행렬 F를 계산하여야 한다 즉 F는 P의 곱으로 표현된다
F = P (Nminus 1 )h h ) P (Nminus 2 )h h ) P h h P h 0 (24)
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Fig 5와 같이 두께가 d인 액정 셀에 빛이 기판위에 입사한다면 입사측과 투과측의 전자기장 벡터 ψrarr(0 ) ψrarr(d )를 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr(d ) = F ψrarr
(0 ) (25)
Fig 5에서 액정이 n1 n2인 두 매질 사이에 위치하고 입사광 반사광 및 투과광의 전자기장 벡터를 ψi
minusrarr ψ r
minusrarr ψ t
minusrarr라 하면 다음과 같은 식이 성립한다
ψrarr(0 ) = ψi
minusrarr(z = 0 ) + ψr
minusrarr(z = 0 ) (26a)
ψrarr(d ) = ψt
minusrarr(z = d ) (26b)
Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
투과광 계산중 매질의 경계에서의 접선 방향 전기장 Et
minusrarr와 자기장 벡터 Ht
minusrarr
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는 연속이므로 ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T도 연속이다 따라서 액정 층의 투과율
계산시 경계면에서의 전기장 벡터는 등방성인 주변매질 1 2에서의 전자기장 벡터를 이용한다 등방성 매질에서 자기장 벡터는 전기장 벡터와 굴절률 및 입사각을 포함하는 함수관계를 갖고 있으므로 ψrarr는 전기장 벡터 성분으로 아래와 같은 표시가 가능하다
ψi
rarr=
Ex
rxEx
Ez
rzEz
ψr
minusrarr=
Rx
minus rxRx
Rz
minusrzRz
ψt
rarr=
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(27)
rx =n1
cos θ1
rz = n1cos θ1
rx =n2
cos θ2
rz = n2cos θ2
θ2 = sin minus 1 [n1
n2
sin θ1 ] (28)
여기서 Rx Rz Tx Tz는 반사 전기장 벡터의 x z성분과 투과 전기장 벡터의 x z성분을 나타낸다 (27)~(28)식으로부터 액정 셀의 투과방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다
Ex + Rx
rx (Ex minusRx )Ez + Rz
rz (EzminusRz)
= F
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(29)
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이 식으로부터 Rx Rz를 제거하고 Ex Ez와 Tx Tz의 관계만을 설정하면 Ex Ez와 Tx Tz의 관계는 다음과 같은 22행렬로 정의된다
Tx
Tz=
a11 a12
a21 a22
Ex
Ez(30)
a11 =g32 + g42
D a12 =minus
g12 + g22
D
a21 =minusg31 + g41
D a22 =g11 + g21
D (31a)
g11 =(F11 + F12rx )
2 g12 =
(F13 + F14rz )
2
g21 =(F21 + F22rx )
2rx g22 =
(F23 + F24rz )
2rx
g31 =(F31 + F32rx )
2 g32 =
(F33 + F34rz )
2
g41 =(F41 + F42rx )
2rz g42 =
(F43 + F44rz )
2rz (31b)
D = (g11 + g21 )(g32 + g42 )minus (g21 + g22 )(g31 + g41 ) (31c)
그러나 전체 투과율을 계산하기 위하여 다시 Ex Ey와 Tx Ty를 Es Ep와 Ts Tp로 변환해 주어야 하며 입사면이 xz평면상에 존재한다고 가정하면 s = z이고 p = (cos θi sin θi 0 )이므로 다음과 같은 식이 성립한다
Es
Ep=
0 11 cos θi 0
Ex
Ez(32)
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입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고
Es
Ep=
1radic2
E0
e jα1
e jα2(33)
입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때 전체 투과율은 다음과 같이 나타난다
T =12
a112 +
a122
cos 2θi
+ a212cos 2 θi + a22
2 (34)
위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다
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제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
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Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
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제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
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다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
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(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
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가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
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Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
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[12] S Dickmann J Eschler O Cossalter and D A Mlynski Simulation of LCDs including elastic anisotropy and inhomogenous fields SID90 Digest pp102~105 1990
[13] J H Kim S M Jung and W S Park Electro-optical characteristics of multi-domain vertically aligned liquid crystal displays with patterned electrode KLCC2003 pp49 2003
[14] S M Jung and W S Park Study on the validity of the vector and tensor approaches through a 3-dimensional simulation ILCC2002 pP455 2002
- 61 -
[15] M Kitamura Computer simulation of director profiles in three-dimensional elastic fields SID95 Digest pp540~543 1995
[16] D W Berreman Optics in stratified and anisotropic media 44 matrix formulation J Opt Soc Am Vol 62 No 4 pp502~510 1972
[17] H Wohler G Haas M Fritsch and D A Mlynski Faster 44 matrix method for uniaxial inhomogeneous media J Opt Soc Am A Vol 5 No9 pp 1554~1557 1988
[18] G Haas H Wohler M Fritsch and D A Mlynski Polarizer model for liquid crystal devices J Opt Soc Am A Vol5 No 9 pp1571~1575 1988
[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
요 약
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다 액정의 3차원적 동특성은 Ericksen-Leslie 운동방정식으로부터 얻을 수 있었으며 광투과율 분포는 Berreman의 44 행렬법으로부터 계산되었다 이를 통해 각각의 방법에 대한 광투과도 시야각 그리고 응답속도 등을 최적화 하였으며 최적화된 결과들로부터 각 방법간 전기광학적 특성을 비교하였다 그 결과 전극구조 패턴 방법의 MVA-LCD는 비교적 단순한 공정을 통한 전극 구조 패턴으로 상호 보상이 가능한 4개의 복수영역을 얻을 수 있기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각 특성을 보이고 이와 동시에 기존의 VA-LCD와 비교하여 30이상의 개선된 응답속도를 얻으면서도 타 구조에 비해 우수한 투과특성을 얻을 수 있음이 확인되었다
Abstract
In this study the mechanisms of the creation of multi-domain for various multi-domain techniques such as UV alignment method insertion of dielectric material and the method of patterned- electrodes in a unit pixel of MVA-LCDs were analyzed by using three-dimensional simulation for the molecular behavior of the TFT-LCDs Three-dimensional simulations were carried out by the dynamic equation of the Ericksen-Leslie theory and the optical transmissions were calculated based on the Berremans 44 matrix method Throughout the simulation we first optimized the electro- optical characteristics for various MVA-LCDs and then compared them with each other From the results it was revealed that by patterned- electrodes with simple process perfect 4-domains could be obtained and consequently symmetric and wide viewing angle could be achieved Moreover the MVA-LCDs with patterned-electrodes are proven to show the 30 faster response time compared with the conventional VA-LCDs They also reveal higher light transmittance compared with other MVA-LCDs
목 차
그림 목차표 목차
제 1 장 서 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1
제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3제 1 절 액정의 분자분포 방정식 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3제 2 절 수치해석적 계산 기법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 8제 3 절 광투과율 계산 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10
제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 19제 1 절 VA-LCD의 구조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 19제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21제 3 절 결과 및 논의 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 27
3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 283 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성 middotmiddotmiddot 323 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성 middotmiddotmiddot 373 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 433 3 5 MVA-LCD의 특성 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 56
제 4 장 결 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 58
참 고 문 헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 59
그림 목차
Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC directorFig 2 Flow chart of simulationFig 3 Definition of incident light and coordinate systems for
optical transmission calculationFig 4 Multi-layer structure of LC layerFig 5 Definition of incident and transmitted wavesFig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with
applied voltageFig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatmentFig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b)
OnFig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric
(a) Off (b) OnFig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrodeFig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with
patterned-electrodeFig 12 Structure of VA-LCDsFig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of
equi-potential (b) LC director profiles
Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatmentFig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profilesFig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV
treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12msFig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of
MVA-LCDs with UV treatmentFig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) OnFig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structureFig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of
MVA-LCDs with insertion of dielectricFig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrodeFig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common
electrodeFig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm
(c) 12micromFig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit widthFig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b)
30microm (c) 34micromFig 31 Comparison with average transmittance for spacing slitFig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel
electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
Fig 34 Structure of optimal unit pixelFig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profilesFig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with
patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
표 목차
Table Ⅰ Physical parameters used in the simulationTable Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
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제 1 장 서 론
인터넷 및 유무선 통신망의 발달은 인간의 생활에 필요한 정보를 제공하고 이러한 정보는 서로 공유되어야 한다 이러한 정보화 사회에서 정보를 수집 처리 저장하는 기술도 중요하지만 정보를 표시하는 장치인 디스플레이 장치는 정보 전달에 있어 가장 중요한 부분을 차지하고 있다 우리의 일상생활에서 정보 매체로서 휴대폰 PDA 컴퓨터 TV등 디스플레이가 차지하는 부분은 매우 광범위하다 특히 최근 모바일 및 미디어 산업의 급격한 발전으로 인하여 경량 박형의 평판 표시소자에 대한 수요가 급증하고 있으며 이중 액정표시장치(Liquid Crystal Display LCD)는 저전압 저전력 구동이 가능하기 때문에 많이 사용되고 있다 더욱이 박막 트랜지스터(Thin-Film Transistor TFT)를 이용한 구동방식은 해상도 명암대비비 색재현성 시인성등에서 우수한 특성을 보임으로서 각종 디스플레이에 폭넓게 채택되고 있다 이와 같이 액정표시장치의 사용 범위가 확대됨에 따라 시야각 응답속도 고명암대비비 밝기 개조 용량(gray-scale capability)등 전기광학적 특성을 개선하기 위한 노력이 활발히 진행되고 있다 또한 액정표시장치의 수요가 HDTV와 같은 동화상 구현으로 확대되면서 총천연색 빠른 응답속도 광시야각의 조건을 만족하는 액정표시장치 모드에 대한 연구가 반드시 필요하다
이에 고명암대비비를 가지는 Vertically Aligned(VA)-LCD에 대한 많은 연구가 수행되고 있다 VA-LCD는 러빙(rubbing) 공정을 하지 않는 장점이 있으나 액정 분자의 초기경사각이 없어 응답속도 및 액정 화소의 각 도메인의 크기가 불규칙적인 단점을 가지고 있다[1] 이러한 이유로 VA-LCD는 여러 가지 구조로 응용되어 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성시키는 Multi-domain Vertically Aligned(MVA)- LCD로 사용하고 있다 MVA-
- 2 -
LCD는 VA-LCD의 특징인 고명암대비비는 물론 빠른 응답속도와 광시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 도메인을 형성시키는 방법은 자외선(Ultra-Violet UV) 처리를 통한 방법[2] 삼각돌기(protrusion)을 이용하는 방법[3] [4] 유전체 삽입 방법[5]~[8] 전극 패턴을 이용하는 방법[9]~[12] 등 다양하며 현재 많은 연구가 이루어지고 있다 이들 구조 중 화소전극 및 공통전극에 패턴을 하여 도메인을 형성하는 방법은 간단한 공정으로 완벽한 네개의 도메인을 가지기 때문에 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 보이며 패턴된 전극 근방에서 왜곡된 전기장이 측면전장효과와 동일하여 빠른 응답속도 특성을 가지기 때문에 차세대 대면적 디스플레이에 많은 적용이 기대된다 이러한 디스플레이의 고부가가치를 위해서 고품질의 제품이 저가격으로 실현되어야 하고 이를 위해 고명암대비비 높은 투과도 광시야각 빠른 응답속도 등 전기광학적 특성과 관련된 수많은 파라미터에 대한 특성 변화를 밝히고 최적화 하는 것은 필수적이다 그러나 방대한 파라미터들을 실험적으로 수행하는 것은 불가능하기 때문에 실제적으로는 약간의 검증 실험을 포함한 시뮬레이션 기법을 적용하여 적은 노력과 시간으로 최적 설계를 수행하고 있다
본 연구에서는 MVA-LCD의 최적 설계 조건을 얻기 위하여 액정분자의 동적 특성에 근거하여 그 전기광학 특성을 수치해석적 기법으로 계산하였다 액정 셀(cell)의 동특성을 분석함에 있어서는 에릭슨-레슬리(Ericksen-Leslie) 운동방정식으로부터 분자배열분포를 얻었으며 라플라스(Laplace)의 전위분포방정식으로부터 전위분포를 얻었다 수치해석적 기법으로는 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하여 계산하였다 또한 투과도 및 시야각 특성 등 광투과 특성 해석을 위해 계산된 분자분포를 가지고 베르만(Berreman)의 44 행렬법을 적용하였다
- 3 -
제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
이 장에서는 액정표시소자의 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 하기 위해 사용되는 액정의 분자분포 방정식과 전위 분포 방정식에 대하여 논의하고 수치해석적 접근 방법에 대하여 기술하였다 또한 위의 결과로 구해진 액정의 분자 분포를 이용하여 광투과도 계산에 사용된 베르만 44 행렬법에 대하여 기술하였다
제 1 절 액정의 분자분포 방정식
단위 화소내의 액정의 운동과 방향자의 분포를 해석하기 위해 적용된 이론적 모델은 액정의 내부 운동량(inertial momentum)을 무시한 에릭슨-레슬리 이론에 기초한다 이때 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy fg)를 에릭슨-레슬리 방정식에 적용하면 다음과 같은 운동 방정식을 얻을 수 있다[13]
γ partpartt
ni = minus [fg ]n i+ λni i = x y z (1)
여기서 γ 는 회전 점성계수를 ni는 방향자의 직교성분을 λ는 n rarr
= 1 즉 방향자가 단위벡터 임을 내포하는 라그랑즈(Lagrange) 승수를 나타낸다 그리고 [fg ]ni
는 오일러-라그랑즈(Euler-Lagrangian) 방정식으로써 다음과 같이 표현된다
[fg ]ni=
partfgpartni
minusddx
(partf g
partnix
) minusddy
(partfgpartniy
) minusddz
(partf g
partniz
) (2)
- 4 -
이때 액정의 자유 에너지(fg)는 화소 내부의 탄성에너지(fs )와 외부에서 공급한 정전에너지(fe )의 차로 표현된다
fg = fs minus fe (3)
일반적으로 깁스 자유 에너지의 탄성에너지 밀도를 표현하는 방법은 벡터접근법과 텐서접근법이라는 두가지 방법을 통해 이루어지고 있다[14]
오슨-프랑크(Oseen-Frank) 탄성이론으로부터 액정의 탄성에너지를 방향자 nrarr 에 대하여 다음과 같이 표현한다
fs =
12
K 1 1 (nabla nrarr) 2 +
12
K 22 (nrarr nabla n
rarr+ q0 )2
+12
K 33 (nrarr nabla n
rarr)2
(4)
벡터접근법은 lsquo액정분자가 평형상태를 벗어나면 원상태로 돌아가려는 복원력을 가지며 이러한 액정의 복원력은 변형의 정도에 비례한다rsquo라는 탄성 이론으로부터 정의되었다 이러한 변형은 크게 스프레이(splay) 트위스트(twist) 벤드(bend) 변형으로 나타낼 수 있다 또한 변형의 크기에 비례하는 상수를 각각 스프레이(K11) 트위스트(K22) 벤드(K33) 상수라 한다 그리고 q0는 chirality이다
이에 반하여 텐서접근법은 드 쟝(de Gennes)의 질서도 텐서(order tensor)를 이용하여 기술하며 이때의 탄성에너지는 다음과 같이 나타낸다
- 5 -
fs = (minus
K 11
12+
K22
4+
K33
12)G ( 2 )
1 (K11 minus K22
2)G (2 )
2
+K 33 minus K 11
4)G (3 )
6 + q0K22G(2 )
4
(5)
이때 G와 Q는 다음과 같이 표현된다
G (2 )1 = QijkQijk
G (2 )2 = QijkQikk
G (2 )4 = eijkQilQjlk
G (3 )6 = QijQkliQklj
Qij = ninj minusij
3 (order tensor) (6)
여기서 아래 첨자는 아인슈타인(Einstein)의 표기법에 따른 것이다 또한 eijk는 치환 기호(permutation symbol)를 의미한다
다음으로 주어진 화소의 각종 전극에 인가되는 전압에 의하여 형성되는 전기 에너지밀도는 다음과 같다
fe =12 0φ l lmφ m (7)
위의 식에서 φ (x y z )는 액정의 화소 및 각종 전극에 인가된 전압에 의해 형성된 전위분포를 나타내며 lm은 비유전율 텐서로서 lm = perp lm + ∆ nlnm
- 6 -
으로 표현되며 0는 자유공간에서의 유전율이다 또한 ∆ = minus perp로서 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율의 차를 나타낸다 여기서 전위분포함수 φ (x y z )는 적절한 경계조건에 대하여 맥스웰 방정식으로부터 유도된 식 (8)의 라플라스 방정식을 시뮬레이션하여 얻을 수 있다[15]
ij(xy z)φ (xy z)j i= 0 (8)
이로부터 식 (4)와 (7)을 식 (1)에 대입함으로써 벡터접근법에 기초한 액정 방향자의 운동방정식을 얻을 수 있다 그러나 벡터접근법에 대한 운동방정식은 매우 복잡하기 때문에 편의상 탄성계수가 등방인 모델 즉 K11 = K22 = K33 = K로 단순화 하면 운동방정식은 다음과 같이 표현된다
γ partni
partt= K (
part2ni
partx 2+
part2ni
party 2+
part2ni
partz 2) + 0 ( minus perp )njφ jφ i + λni (9)
반면 텐서접근법으로부터 유도되는 액정 방향자의 운동 방정식은 이방 탄성계수 모델에 대하여 텐서 표기법으로 나타낼 수 있기 때문에 다음과 같이 표현된다
γpartni
partt=
13
(minus K 11 + 3K 22 + K33 )(njQjil l ) + (K11 minus K22 )nj (Qil lj + Qjlli )
+ (K33 minus K 11
2)nj [(2QlmmQji l + 2QlmQji lm minus QlmiQlmj )]
+ 2q0K22nj (eimlQljm + ejmlQlim ) + 0∆ njφ jφ i + λni
(10)
- 7 -
여기서 액정 방향자 nrarr 은 방위각 φ와 경사각 θ에 대하여 다음과 같이 표현할 수 있다
nrarr= (cos θ cos φ cos θ sin φ sinθ ) (11)
Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- 8 -
제 2 절 수치해석적 계산 기법
앞절에서 논의한 운동방정식 및 전위분포 방정식을 계산함에 있어 식 (1)과 (8)를 동시에 시뮬레이션 하여야 한다 또한 방정식들이 비선형이기 때문에 반복 계산 과정을 적용하여 정상 상태가 될 때까지의 최종 시간에 대하여 주어진 분자 분포에 대한 전위 분포와 그에 따른 분자 분포를 서로 교번하여 계산을 수행한다
Fig 2 Flow chart of simulation
수치해석 방법은 복잡하고 고차 비선형 방정식인 점을 고려하여 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하였다 유한차분법을 적용하기 위해서 공간적으로 격자는 균일 격자간격을 사용하였다 또한 중앙차분법(central space scheme)을 사용하였다 경계조건으로 본 연구에서는 강한
- 9 -
앵커링(anchoring)을 가정하였기 때문에 상하기판에의 방향자는 러빙 방향과 초기경사각에 의해 정의되고 항상 고정되어 있다고 가정하여 디리슐레(Dirichlet) 경계조건이 적용되었다 특히 전위분포의 계산에 효율성을 위하여 z축 방향의 양 끝에서 노이만(Neumann) 경계조건을 적용하였다 또한 방향자와 전위 분포 모두에 있어 x와 y방향에 대해서는 주기 경계조건을 적용하였다
시간적으로는 내삽법(implicit method)의 경우 운동방정식의 비선형성으로 인한 많은 문제가 야기되므로 외삽법(explicit method)을 사용하여 시간 적분을 계산하였다[12]
또한 라그랑즈 승수 λ는 매 시간증가시 재계산된 방향 성분이 액정방향자의 기본 조건인 n
rarr = n 2
x + n 2y + n 2
z = 1을 만족시키기 위한 목적으로 사용되었으며 계산의 편의를 위하여 k + 1번째 방향자를 계산함에 있어 λ를 제거한 뒤 k + 1번째 방향자를 계산하고 이를 다시 재 정규화 함으로써 방향자를 단위 벡터로 유지하였다
한편 전위 분포 시뮬레이션에서는 적절한 경계조건에 대하여 연속과도완화법(successive over relaxation SOR) 방법이 적용되었다 이때 정확한 계산을 위해 매 시간 단계에 대해 전위 분포 시뮬레이션이 수행 되어야 하나 많은 계산 시간이 요구되어지므로 전체 해에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 액정의 반응 속도에 따라 적절한 횟수로 줄여서 시뮬레이션 한다
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제 3 절 광투과율 계산
액정은 장축과 단축의 굴절율이 다른 비등방 매질이며 불균일 매질이다 따라서 액정의 광투과 특성을 분석하기 위해서는 일반적으로 베르만 44 행렬법을 적용한다[16]~[19] 이러한 불균일성에 대하여 액정 셀을 무수히 얇은 다중층으로 설정하며 이렇게 설정된 각 층에서는 액정이 균일한 매질이라는 가정하에 각 층의 전파행렬을 계산함으로써 전체 전파특성 행렬을 계산할 수 있다 각 층에서는 액정이 균일하다고 가정하였으므로 굴절율에 대한 유전율 텐서를 알면 각 층에서의 전자장의 전파관계가 표현된다
Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
partparty
Ex
Hz
Ez
minusHx
=iwc
∆11 ∆12 ∆13 0∆21 ∆11 ∆23 00 0 0 1
∆23 ∆13 ∆43 0
Ex
Hz
Ez
minus Hx
(12)
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여기서 행렬 요소 ∆ij는 다음과 같다
∆11 =minus X 13
33
∆12 = 1 minus X 2 1
33
∆13 =minus X 23
33
∆21 = 11 minus X213
33
∆23 = 12 minus13 23
33 ∆43 = 22 minus
23
33
minus X 2 (13)
여기에서 ij = perp ij + ∆ ninj로 표현된다 이 식에서 와 perp는 각각 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율을 나타내고 ∆ 은 이 둘의 차를 나타낸다 또한 액정의 굴절률과는 no =
radicperp ne =
radic 의 관계가 있다 X는 x축 방향으로의 전파상수와 관련된 값으로 X =
cξw
로 나타낼 수 있다 전파행렬 P 는 Fig 4에서 각층에 대한 광학투과특성을 나타내며 일계 미분방정식 식(12)로부터 다음과 같이 정의한다 즉 y1에서 y2사이의 균일 매질을 전파하는 전자기장 벡터의 관계는 다음 식과 같이 정의 할 수 있다
ψrarr(y2 ) = P(y1 y2 )ψrarr
(y1 ) (14)
(14)식에서 전자기장 벡터는 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T (15)
- 12 -
Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
베르만은 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 균일한 매질에서 전파 행렬을 계산하고 광투과 특성을 분석하는 방법을 기술하였다 본 연구에서는 이를 액정에 적용함으로써 해석적인 방법으로 고유벡터를 계산한다
만약 ∆행렬이 미소구간 y에 대해 독립적이라면 (15)는 다음과 같은 일반해를 가질 것이다 이것은 일반적으로 파동의 전파에 따른 위상 변화를 나타내고 있다
ψj
minusrarr(y ) = e iqjyψj
minusrarr(0 ) (16)
여기서 qj = λjwc
의 관계가 성립된다 이식을 (15)식에 대입하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다
iqjψ j
minusrarr(0 ) = i
wc∆ψj
minusrarr(0 ) (17)
- 13 -
여기서 λj = qjcw
이므로 위 식은 다음과 같이 정리 할 수 있다
∆ψj
minusrarr(0 ) = λ jψj
minusrarr(0 ) (18)
λj는 ∆행렬의 고유값(eigenvalue) ψj
minusrarr(0 )는 이 ∆행렬의 고유벡터이다
∆가 44행렬이므로 λi는 4개의 근이 되고 고유벡터도 4개의 기저를 가질 것이다 따라서 고유값을 위의 ∆행렬에 대입하고 고유벡터를 계산하면 다음과 같다
ψj
minusrarr= Nj
bj (∆11 minusλj)minus∆23 aj
minus∆21 bj
∆21 aj
λ ∆21 aj
(19a)
aj = ∆12∆23 minus∆13 (∆11 minus λj) (19b) bj = ∆13∆23 minus (∆11 minusλj) (∆43 minus λ2
j ) (19c)
Nj는 정규화 계수(normalizing coefficient)이다 이렇게 정의된 4개의 고유벡터를 이용하여 Ψ행렬을 만들 수 있다
Ψ=
ψ11 ψ12 ψ13 ψ14
ψ21 ψ22 ψ23 ψ24
ψ31 ψ32 ψ33 ψ34
ψ41 ψ42 ψ43 ψ44
(20)
- 14 -
h만큼 진행한 후의 진행파의 위상변화를 나타내는 대각행렬인 K행렬을 대각요소가 다음과 같은 값을 갖는 행렬로 정의하자
Kjj = e iqjh (21)
이때 다음과 같은 행렬식이 성립된다
ΨK = PΨ (22)
따라서 우리가 구하고자 하는 전파행렬은 다음과 같은 식으로 계산 할 수 있다
P = Ψ K Ψminus 1 (23)
이제 위에서 베르만 44 행렬법을 바탕으로 액정 셀의 각층에 대한 전파행렬을 계산하는 방법을 논의하였고 이를 바탕으로 액정 셀의 전체 투과율을 구하는 방법을 논의하고자 한다
투과율을 계산하기 위해서는 Fig 4와 같이 액정 셀을 y축에 대해 층으로 나누어 각각의 층에 대한 전파행렬 P (y h )을 구하고 각각의 전파행렬의 곱으로 전체 투과행렬 F를 계산하여야 한다 즉 F는 P의 곱으로 표현된다
F = P (Nminus 1 )h h ) P (Nminus 2 )h h ) P h h P h 0 (24)
- 15 -
Fig 5와 같이 두께가 d인 액정 셀에 빛이 기판위에 입사한다면 입사측과 투과측의 전자기장 벡터 ψrarr(0 ) ψrarr(d )를 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr(d ) = F ψrarr
(0 ) (25)
Fig 5에서 액정이 n1 n2인 두 매질 사이에 위치하고 입사광 반사광 및 투과광의 전자기장 벡터를 ψi
minusrarr ψ r
minusrarr ψ t
minusrarr라 하면 다음과 같은 식이 성립한다
ψrarr(0 ) = ψi
minusrarr(z = 0 ) + ψr
minusrarr(z = 0 ) (26a)
ψrarr(d ) = ψt
minusrarr(z = d ) (26b)
Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
투과광 계산중 매질의 경계에서의 접선 방향 전기장 Et
minusrarr와 자기장 벡터 Ht
minusrarr
- 16 -
는 연속이므로 ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T도 연속이다 따라서 액정 층의 투과율
계산시 경계면에서의 전기장 벡터는 등방성인 주변매질 1 2에서의 전자기장 벡터를 이용한다 등방성 매질에서 자기장 벡터는 전기장 벡터와 굴절률 및 입사각을 포함하는 함수관계를 갖고 있으므로 ψrarr는 전기장 벡터 성분으로 아래와 같은 표시가 가능하다
ψi
rarr=
Ex
rxEx
Ez
rzEz
ψr
minusrarr=
Rx
minus rxRx
Rz
minusrzRz
ψt
rarr=
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(27)
rx =n1
cos θ1
rz = n1cos θ1
rx =n2
cos θ2
rz = n2cos θ2
θ2 = sin minus 1 [n1
n2
sin θ1 ] (28)
여기서 Rx Rz Tx Tz는 반사 전기장 벡터의 x z성분과 투과 전기장 벡터의 x z성분을 나타낸다 (27)~(28)식으로부터 액정 셀의 투과방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다
Ex + Rx
rx (Ex minusRx )Ez + Rz
rz (EzminusRz)
= F
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(29)
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이 식으로부터 Rx Rz를 제거하고 Ex Ez와 Tx Tz의 관계만을 설정하면 Ex Ez와 Tx Tz의 관계는 다음과 같은 22행렬로 정의된다
Tx
Tz=
a11 a12
a21 a22
Ex
Ez(30)
a11 =g32 + g42
D a12 =minus
g12 + g22
D
a21 =minusg31 + g41
D a22 =g11 + g21
D (31a)
g11 =(F11 + F12rx )
2 g12 =
(F13 + F14rz )
2
g21 =(F21 + F22rx )
2rx g22 =
(F23 + F24rz )
2rx
g31 =(F31 + F32rx )
2 g32 =
(F33 + F34rz )
2
g41 =(F41 + F42rx )
2rz g42 =
(F43 + F44rz )
2rz (31b)
D = (g11 + g21 )(g32 + g42 )minus (g21 + g22 )(g31 + g41 ) (31c)
그러나 전체 투과율을 계산하기 위하여 다시 Ex Ey와 Tx Ty를 Es Ep와 Ts Tp로 변환해 주어야 하며 입사면이 xz평면상에 존재한다고 가정하면 s = z이고 p = (cos θi sin θi 0 )이므로 다음과 같은 식이 성립한다
Es
Ep=
0 11 cos θi 0
Ex
Ez(32)
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입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고
Es
Ep=
1radic2
E0
e jα1
e jα2(33)
입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때 전체 투과율은 다음과 같이 나타난다
T =12
a112 +
a122
cos 2θi
+ a212cos 2 θi + a22
2 (34)
위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다
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제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
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Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
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제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- 42 -
Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
- 44 -
석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
- 45 -
우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
Abstract
In this study the mechanisms of the creation of multi-domain for various multi-domain techniques such as UV alignment method insertion of dielectric material and the method of patterned- electrodes in a unit pixel of MVA-LCDs were analyzed by using three-dimensional simulation for the molecular behavior of the TFT-LCDs Three-dimensional simulations were carried out by the dynamic equation of the Ericksen-Leslie theory and the optical transmissions were calculated based on the Berremans 44 matrix method Throughout the simulation we first optimized the electro- optical characteristics for various MVA-LCDs and then compared them with each other From the results it was revealed that by patterned- electrodes with simple process perfect 4-domains could be obtained and consequently symmetric and wide viewing angle could be achieved Moreover the MVA-LCDs with patterned-electrodes are proven to show the 30 faster response time compared with the conventional VA-LCDs They also reveal higher light transmittance compared with other MVA-LCDs
목 차
그림 목차표 목차
제 1 장 서 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1
제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3제 1 절 액정의 분자분포 방정식 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3제 2 절 수치해석적 계산 기법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 8제 3 절 광투과율 계산 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10
제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 19제 1 절 VA-LCD의 구조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 19제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21제 3 절 결과 및 논의 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 27
3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 283 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성 middotmiddotmiddot 323 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성 middotmiddotmiddot 373 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 433 3 5 MVA-LCD의 특성 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 56
제 4 장 결 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 58
참 고 문 헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 59
그림 목차
Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC directorFig 2 Flow chart of simulationFig 3 Definition of incident light and coordinate systems for
optical transmission calculationFig 4 Multi-layer structure of LC layerFig 5 Definition of incident and transmitted wavesFig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with
applied voltageFig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatmentFig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b)
OnFig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric
(a) Off (b) OnFig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrodeFig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with
patterned-electrodeFig 12 Structure of VA-LCDsFig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of
equi-potential (b) LC director profiles
Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatmentFig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profilesFig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV
treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12msFig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of
MVA-LCDs with UV treatmentFig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) OnFig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structureFig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of
MVA-LCDs with insertion of dielectricFig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrodeFig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common
electrodeFig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm
(c) 12micromFig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit widthFig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b)
30microm (c) 34micromFig 31 Comparison with average transmittance for spacing slitFig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel
electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
Fig 34 Structure of optimal unit pixelFig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profilesFig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with
patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
표 목차
Table Ⅰ Physical parameters used in the simulationTable Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
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제 1 장 서 론
인터넷 및 유무선 통신망의 발달은 인간의 생활에 필요한 정보를 제공하고 이러한 정보는 서로 공유되어야 한다 이러한 정보화 사회에서 정보를 수집 처리 저장하는 기술도 중요하지만 정보를 표시하는 장치인 디스플레이 장치는 정보 전달에 있어 가장 중요한 부분을 차지하고 있다 우리의 일상생활에서 정보 매체로서 휴대폰 PDA 컴퓨터 TV등 디스플레이가 차지하는 부분은 매우 광범위하다 특히 최근 모바일 및 미디어 산업의 급격한 발전으로 인하여 경량 박형의 평판 표시소자에 대한 수요가 급증하고 있으며 이중 액정표시장치(Liquid Crystal Display LCD)는 저전압 저전력 구동이 가능하기 때문에 많이 사용되고 있다 더욱이 박막 트랜지스터(Thin-Film Transistor TFT)를 이용한 구동방식은 해상도 명암대비비 색재현성 시인성등에서 우수한 특성을 보임으로서 각종 디스플레이에 폭넓게 채택되고 있다 이와 같이 액정표시장치의 사용 범위가 확대됨에 따라 시야각 응답속도 고명암대비비 밝기 개조 용량(gray-scale capability)등 전기광학적 특성을 개선하기 위한 노력이 활발히 진행되고 있다 또한 액정표시장치의 수요가 HDTV와 같은 동화상 구현으로 확대되면서 총천연색 빠른 응답속도 광시야각의 조건을 만족하는 액정표시장치 모드에 대한 연구가 반드시 필요하다
이에 고명암대비비를 가지는 Vertically Aligned(VA)-LCD에 대한 많은 연구가 수행되고 있다 VA-LCD는 러빙(rubbing) 공정을 하지 않는 장점이 있으나 액정 분자의 초기경사각이 없어 응답속도 및 액정 화소의 각 도메인의 크기가 불규칙적인 단점을 가지고 있다[1] 이러한 이유로 VA-LCD는 여러 가지 구조로 응용되어 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성시키는 Multi-domain Vertically Aligned(MVA)- LCD로 사용하고 있다 MVA-
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LCD는 VA-LCD의 특징인 고명암대비비는 물론 빠른 응답속도와 광시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 도메인을 형성시키는 방법은 자외선(Ultra-Violet UV) 처리를 통한 방법[2] 삼각돌기(protrusion)을 이용하는 방법[3] [4] 유전체 삽입 방법[5]~[8] 전극 패턴을 이용하는 방법[9]~[12] 등 다양하며 현재 많은 연구가 이루어지고 있다 이들 구조 중 화소전극 및 공통전극에 패턴을 하여 도메인을 형성하는 방법은 간단한 공정으로 완벽한 네개의 도메인을 가지기 때문에 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 보이며 패턴된 전극 근방에서 왜곡된 전기장이 측면전장효과와 동일하여 빠른 응답속도 특성을 가지기 때문에 차세대 대면적 디스플레이에 많은 적용이 기대된다 이러한 디스플레이의 고부가가치를 위해서 고품질의 제품이 저가격으로 실현되어야 하고 이를 위해 고명암대비비 높은 투과도 광시야각 빠른 응답속도 등 전기광학적 특성과 관련된 수많은 파라미터에 대한 특성 변화를 밝히고 최적화 하는 것은 필수적이다 그러나 방대한 파라미터들을 실험적으로 수행하는 것은 불가능하기 때문에 실제적으로는 약간의 검증 실험을 포함한 시뮬레이션 기법을 적용하여 적은 노력과 시간으로 최적 설계를 수행하고 있다
본 연구에서는 MVA-LCD의 최적 설계 조건을 얻기 위하여 액정분자의 동적 특성에 근거하여 그 전기광학 특성을 수치해석적 기법으로 계산하였다 액정 셀(cell)의 동특성을 분석함에 있어서는 에릭슨-레슬리(Ericksen-Leslie) 운동방정식으로부터 분자배열분포를 얻었으며 라플라스(Laplace)의 전위분포방정식으로부터 전위분포를 얻었다 수치해석적 기법으로는 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하여 계산하였다 또한 투과도 및 시야각 특성 등 광투과 특성 해석을 위해 계산된 분자분포를 가지고 베르만(Berreman)의 44 행렬법을 적용하였다
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제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
이 장에서는 액정표시소자의 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 하기 위해 사용되는 액정의 분자분포 방정식과 전위 분포 방정식에 대하여 논의하고 수치해석적 접근 방법에 대하여 기술하였다 또한 위의 결과로 구해진 액정의 분자 분포를 이용하여 광투과도 계산에 사용된 베르만 44 행렬법에 대하여 기술하였다
제 1 절 액정의 분자분포 방정식
단위 화소내의 액정의 운동과 방향자의 분포를 해석하기 위해 적용된 이론적 모델은 액정의 내부 운동량(inertial momentum)을 무시한 에릭슨-레슬리 이론에 기초한다 이때 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy fg)를 에릭슨-레슬리 방정식에 적용하면 다음과 같은 운동 방정식을 얻을 수 있다[13]
γ partpartt
ni = minus [fg ]n i+ λni i = x y z (1)
여기서 γ 는 회전 점성계수를 ni는 방향자의 직교성분을 λ는 n rarr
= 1 즉 방향자가 단위벡터 임을 내포하는 라그랑즈(Lagrange) 승수를 나타낸다 그리고 [fg ]ni
는 오일러-라그랑즈(Euler-Lagrangian) 방정식으로써 다음과 같이 표현된다
[fg ]ni=
partfgpartni
minusddx
(partf g
partnix
) minusddy
(partfgpartniy
) minusddz
(partf g
partniz
) (2)
- 4 -
이때 액정의 자유 에너지(fg)는 화소 내부의 탄성에너지(fs )와 외부에서 공급한 정전에너지(fe )의 차로 표현된다
fg = fs minus fe (3)
일반적으로 깁스 자유 에너지의 탄성에너지 밀도를 표현하는 방법은 벡터접근법과 텐서접근법이라는 두가지 방법을 통해 이루어지고 있다[14]
오슨-프랑크(Oseen-Frank) 탄성이론으로부터 액정의 탄성에너지를 방향자 nrarr 에 대하여 다음과 같이 표현한다
fs =
12
K 1 1 (nabla nrarr) 2 +
12
K 22 (nrarr nabla n
rarr+ q0 )2
+12
K 33 (nrarr nabla n
rarr)2
(4)
벡터접근법은 lsquo액정분자가 평형상태를 벗어나면 원상태로 돌아가려는 복원력을 가지며 이러한 액정의 복원력은 변형의 정도에 비례한다rsquo라는 탄성 이론으로부터 정의되었다 이러한 변형은 크게 스프레이(splay) 트위스트(twist) 벤드(bend) 변형으로 나타낼 수 있다 또한 변형의 크기에 비례하는 상수를 각각 스프레이(K11) 트위스트(K22) 벤드(K33) 상수라 한다 그리고 q0는 chirality이다
이에 반하여 텐서접근법은 드 쟝(de Gennes)의 질서도 텐서(order tensor)를 이용하여 기술하며 이때의 탄성에너지는 다음과 같이 나타낸다
- 5 -
fs = (minus
K 11
12+
K22
4+
K33
12)G ( 2 )
1 (K11 minus K22
2)G (2 )
2
+K 33 minus K 11
4)G (3 )
6 + q0K22G(2 )
4
(5)
이때 G와 Q는 다음과 같이 표현된다
G (2 )1 = QijkQijk
G (2 )2 = QijkQikk
G (2 )4 = eijkQilQjlk
G (3 )6 = QijQkliQklj
Qij = ninj minusij
3 (order tensor) (6)
여기서 아래 첨자는 아인슈타인(Einstein)의 표기법에 따른 것이다 또한 eijk는 치환 기호(permutation symbol)를 의미한다
다음으로 주어진 화소의 각종 전극에 인가되는 전압에 의하여 형성되는 전기 에너지밀도는 다음과 같다
fe =12 0φ l lmφ m (7)
위의 식에서 φ (x y z )는 액정의 화소 및 각종 전극에 인가된 전압에 의해 형성된 전위분포를 나타내며 lm은 비유전율 텐서로서 lm = perp lm + ∆ nlnm
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으로 표현되며 0는 자유공간에서의 유전율이다 또한 ∆ = minus perp로서 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율의 차를 나타낸다 여기서 전위분포함수 φ (x y z )는 적절한 경계조건에 대하여 맥스웰 방정식으로부터 유도된 식 (8)의 라플라스 방정식을 시뮬레이션하여 얻을 수 있다[15]
ij(xy z)φ (xy z)j i= 0 (8)
이로부터 식 (4)와 (7)을 식 (1)에 대입함으로써 벡터접근법에 기초한 액정 방향자의 운동방정식을 얻을 수 있다 그러나 벡터접근법에 대한 운동방정식은 매우 복잡하기 때문에 편의상 탄성계수가 등방인 모델 즉 K11 = K22 = K33 = K로 단순화 하면 운동방정식은 다음과 같이 표현된다
γ partni
partt= K (
part2ni
partx 2+
part2ni
party 2+
part2ni
partz 2) + 0 ( minus perp )njφ jφ i + λni (9)
반면 텐서접근법으로부터 유도되는 액정 방향자의 운동 방정식은 이방 탄성계수 모델에 대하여 텐서 표기법으로 나타낼 수 있기 때문에 다음과 같이 표현된다
γpartni
partt=
13
(minus K 11 + 3K 22 + K33 )(njQjil l ) + (K11 minus K22 )nj (Qil lj + Qjlli )
+ (K33 minus K 11
2)nj [(2QlmmQji l + 2QlmQji lm minus QlmiQlmj )]
+ 2q0K22nj (eimlQljm + ejmlQlim ) + 0∆ njφ jφ i + λni
(10)
- 7 -
여기서 액정 방향자 nrarr 은 방위각 φ와 경사각 θ에 대하여 다음과 같이 표현할 수 있다
nrarr= (cos θ cos φ cos θ sin φ sinθ ) (11)
Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
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제 2 절 수치해석적 계산 기법
앞절에서 논의한 운동방정식 및 전위분포 방정식을 계산함에 있어 식 (1)과 (8)를 동시에 시뮬레이션 하여야 한다 또한 방정식들이 비선형이기 때문에 반복 계산 과정을 적용하여 정상 상태가 될 때까지의 최종 시간에 대하여 주어진 분자 분포에 대한 전위 분포와 그에 따른 분자 분포를 서로 교번하여 계산을 수행한다
Fig 2 Flow chart of simulation
수치해석 방법은 복잡하고 고차 비선형 방정식인 점을 고려하여 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하였다 유한차분법을 적용하기 위해서 공간적으로 격자는 균일 격자간격을 사용하였다 또한 중앙차분법(central space scheme)을 사용하였다 경계조건으로 본 연구에서는 강한
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앵커링(anchoring)을 가정하였기 때문에 상하기판에의 방향자는 러빙 방향과 초기경사각에 의해 정의되고 항상 고정되어 있다고 가정하여 디리슐레(Dirichlet) 경계조건이 적용되었다 특히 전위분포의 계산에 효율성을 위하여 z축 방향의 양 끝에서 노이만(Neumann) 경계조건을 적용하였다 또한 방향자와 전위 분포 모두에 있어 x와 y방향에 대해서는 주기 경계조건을 적용하였다
시간적으로는 내삽법(implicit method)의 경우 운동방정식의 비선형성으로 인한 많은 문제가 야기되므로 외삽법(explicit method)을 사용하여 시간 적분을 계산하였다[12]
또한 라그랑즈 승수 λ는 매 시간증가시 재계산된 방향 성분이 액정방향자의 기본 조건인 n
rarr = n 2
x + n 2y + n 2
z = 1을 만족시키기 위한 목적으로 사용되었으며 계산의 편의를 위하여 k + 1번째 방향자를 계산함에 있어 λ를 제거한 뒤 k + 1번째 방향자를 계산하고 이를 다시 재 정규화 함으로써 방향자를 단위 벡터로 유지하였다
한편 전위 분포 시뮬레이션에서는 적절한 경계조건에 대하여 연속과도완화법(successive over relaxation SOR) 방법이 적용되었다 이때 정확한 계산을 위해 매 시간 단계에 대해 전위 분포 시뮬레이션이 수행 되어야 하나 많은 계산 시간이 요구되어지므로 전체 해에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 액정의 반응 속도에 따라 적절한 횟수로 줄여서 시뮬레이션 한다
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제 3 절 광투과율 계산
액정은 장축과 단축의 굴절율이 다른 비등방 매질이며 불균일 매질이다 따라서 액정의 광투과 특성을 분석하기 위해서는 일반적으로 베르만 44 행렬법을 적용한다[16]~[19] 이러한 불균일성에 대하여 액정 셀을 무수히 얇은 다중층으로 설정하며 이렇게 설정된 각 층에서는 액정이 균일한 매질이라는 가정하에 각 층의 전파행렬을 계산함으로써 전체 전파특성 행렬을 계산할 수 있다 각 층에서는 액정이 균일하다고 가정하였으므로 굴절율에 대한 유전율 텐서를 알면 각 층에서의 전자장의 전파관계가 표현된다
Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
partparty
Ex
Hz
Ez
minusHx
=iwc
∆11 ∆12 ∆13 0∆21 ∆11 ∆23 00 0 0 1
∆23 ∆13 ∆43 0
Ex
Hz
Ez
minus Hx
(12)
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여기서 행렬 요소 ∆ij는 다음과 같다
∆11 =minus X 13
33
∆12 = 1 minus X 2 1
33
∆13 =minus X 23
33
∆21 = 11 minus X213
33
∆23 = 12 minus13 23
33 ∆43 = 22 minus
23
33
minus X 2 (13)
여기에서 ij = perp ij + ∆ ninj로 표현된다 이 식에서 와 perp는 각각 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율을 나타내고 ∆ 은 이 둘의 차를 나타낸다 또한 액정의 굴절률과는 no =
radicperp ne =
radic 의 관계가 있다 X는 x축 방향으로의 전파상수와 관련된 값으로 X =
cξw
로 나타낼 수 있다 전파행렬 P 는 Fig 4에서 각층에 대한 광학투과특성을 나타내며 일계 미분방정식 식(12)로부터 다음과 같이 정의한다 즉 y1에서 y2사이의 균일 매질을 전파하는 전자기장 벡터의 관계는 다음 식과 같이 정의 할 수 있다
ψrarr(y2 ) = P(y1 y2 )ψrarr
(y1 ) (14)
(14)식에서 전자기장 벡터는 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T (15)
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Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
베르만은 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 균일한 매질에서 전파 행렬을 계산하고 광투과 특성을 분석하는 방법을 기술하였다 본 연구에서는 이를 액정에 적용함으로써 해석적인 방법으로 고유벡터를 계산한다
만약 ∆행렬이 미소구간 y에 대해 독립적이라면 (15)는 다음과 같은 일반해를 가질 것이다 이것은 일반적으로 파동의 전파에 따른 위상 변화를 나타내고 있다
ψj
minusrarr(y ) = e iqjyψj
minusrarr(0 ) (16)
여기서 qj = λjwc
의 관계가 성립된다 이식을 (15)식에 대입하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다
iqjψ j
minusrarr(0 ) = i
wc∆ψj
minusrarr(0 ) (17)
- 13 -
여기서 λj = qjcw
이므로 위 식은 다음과 같이 정리 할 수 있다
∆ψj
minusrarr(0 ) = λ jψj
minusrarr(0 ) (18)
λj는 ∆행렬의 고유값(eigenvalue) ψj
minusrarr(0 )는 이 ∆행렬의 고유벡터이다
∆가 44행렬이므로 λi는 4개의 근이 되고 고유벡터도 4개의 기저를 가질 것이다 따라서 고유값을 위의 ∆행렬에 대입하고 고유벡터를 계산하면 다음과 같다
ψj
minusrarr= Nj
bj (∆11 minusλj)minus∆23 aj
minus∆21 bj
∆21 aj
λ ∆21 aj
(19a)
aj = ∆12∆23 minus∆13 (∆11 minus λj) (19b) bj = ∆13∆23 minus (∆11 minusλj) (∆43 minus λ2
j ) (19c)
Nj는 정규화 계수(normalizing coefficient)이다 이렇게 정의된 4개의 고유벡터를 이용하여 Ψ행렬을 만들 수 있다
Ψ=
ψ11 ψ12 ψ13 ψ14
ψ21 ψ22 ψ23 ψ24
ψ31 ψ32 ψ33 ψ34
ψ41 ψ42 ψ43 ψ44
(20)
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h만큼 진행한 후의 진행파의 위상변화를 나타내는 대각행렬인 K행렬을 대각요소가 다음과 같은 값을 갖는 행렬로 정의하자
Kjj = e iqjh (21)
이때 다음과 같은 행렬식이 성립된다
ΨK = PΨ (22)
따라서 우리가 구하고자 하는 전파행렬은 다음과 같은 식으로 계산 할 수 있다
P = Ψ K Ψminus 1 (23)
이제 위에서 베르만 44 행렬법을 바탕으로 액정 셀의 각층에 대한 전파행렬을 계산하는 방법을 논의하였고 이를 바탕으로 액정 셀의 전체 투과율을 구하는 방법을 논의하고자 한다
투과율을 계산하기 위해서는 Fig 4와 같이 액정 셀을 y축에 대해 층으로 나누어 각각의 층에 대한 전파행렬 P (y h )을 구하고 각각의 전파행렬의 곱으로 전체 투과행렬 F를 계산하여야 한다 즉 F는 P의 곱으로 표현된다
F = P (Nminus 1 )h h ) P (Nminus 2 )h h ) P h h P h 0 (24)
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Fig 5와 같이 두께가 d인 액정 셀에 빛이 기판위에 입사한다면 입사측과 투과측의 전자기장 벡터 ψrarr(0 ) ψrarr(d )를 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr(d ) = F ψrarr
(0 ) (25)
Fig 5에서 액정이 n1 n2인 두 매질 사이에 위치하고 입사광 반사광 및 투과광의 전자기장 벡터를 ψi
minusrarr ψ r
minusrarr ψ t
minusrarr라 하면 다음과 같은 식이 성립한다
ψrarr(0 ) = ψi
minusrarr(z = 0 ) + ψr
minusrarr(z = 0 ) (26a)
ψrarr(d ) = ψt
minusrarr(z = d ) (26b)
Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
투과광 계산중 매질의 경계에서의 접선 방향 전기장 Et
minusrarr와 자기장 벡터 Ht
minusrarr
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는 연속이므로 ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T도 연속이다 따라서 액정 층의 투과율
계산시 경계면에서의 전기장 벡터는 등방성인 주변매질 1 2에서의 전자기장 벡터를 이용한다 등방성 매질에서 자기장 벡터는 전기장 벡터와 굴절률 및 입사각을 포함하는 함수관계를 갖고 있으므로 ψrarr는 전기장 벡터 성분으로 아래와 같은 표시가 가능하다
ψi
rarr=
Ex
rxEx
Ez
rzEz
ψr
minusrarr=
Rx
minus rxRx
Rz
minusrzRz
ψt
rarr=
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(27)
rx =n1
cos θ1
rz = n1cos θ1
rx =n2
cos θ2
rz = n2cos θ2
θ2 = sin minus 1 [n1
n2
sin θ1 ] (28)
여기서 Rx Rz Tx Tz는 반사 전기장 벡터의 x z성분과 투과 전기장 벡터의 x z성분을 나타낸다 (27)~(28)식으로부터 액정 셀의 투과방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다
Ex + Rx
rx (Ex minusRx )Ez + Rz
rz (EzminusRz)
= F
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(29)
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이 식으로부터 Rx Rz를 제거하고 Ex Ez와 Tx Tz의 관계만을 설정하면 Ex Ez와 Tx Tz의 관계는 다음과 같은 22행렬로 정의된다
Tx
Tz=
a11 a12
a21 a22
Ex
Ez(30)
a11 =g32 + g42
D a12 =minus
g12 + g22
D
a21 =minusg31 + g41
D a22 =g11 + g21
D (31a)
g11 =(F11 + F12rx )
2 g12 =
(F13 + F14rz )
2
g21 =(F21 + F22rx )
2rx g22 =
(F23 + F24rz )
2rx
g31 =(F31 + F32rx )
2 g32 =
(F33 + F34rz )
2
g41 =(F41 + F42rx )
2rz g42 =
(F43 + F44rz )
2rz (31b)
D = (g11 + g21 )(g32 + g42 )minus (g21 + g22 )(g31 + g41 ) (31c)
그러나 전체 투과율을 계산하기 위하여 다시 Ex Ey와 Tx Ty를 Es Ep와 Ts Tp로 변환해 주어야 하며 입사면이 xz평면상에 존재한다고 가정하면 s = z이고 p = (cos θi sin θi 0 )이므로 다음과 같은 식이 성립한다
Es
Ep=
0 11 cos θi 0
Ex
Ez(32)
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입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고
Es
Ep=
1radic2
E0
e jα1
e jα2(33)
입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때 전체 투과율은 다음과 같이 나타난다
T =12
a112 +
a122
cos 2θi
+ a212cos 2 θi + a22
2 (34)
위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다
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제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
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Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
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제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
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다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
- 48 -
26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
참 고 문 헌
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[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
목 차
그림 목차표 목차
제 1 장 서 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1
제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3제 1 절 액정의 분자분포 방정식 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3제 2 절 수치해석적 계산 기법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 8제 3 절 광투과율 계산 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10
제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 19제 1 절 VA-LCD의 구조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 19제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21제 3 절 결과 및 논의 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 27
3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 283 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성 middotmiddotmiddot 323 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성 middotmiddotmiddot 373 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 433 3 5 MVA-LCD의 특성 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 56
제 4 장 결 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 58
참 고 문 헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 59
그림 목차
Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC directorFig 2 Flow chart of simulationFig 3 Definition of incident light and coordinate systems for
optical transmission calculationFig 4 Multi-layer structure of LC layerFig 5 Definition of incident and transmitted wavesFig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with
applied voltageFig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatmentFig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b)
OnFig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric
(a) Off (b) OnFig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrodeFig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with
patterned-electrodeFig 12 Structure of VA-LCDsFig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of
equi-potential (b) LC director profiles
Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatmentFig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profilesFig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV
treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12msFig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of
MVA-LCDs with UV treatmentFig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) OnFig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structureFig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of
MVA-LCDs with insertion of dielectricFig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrodeFig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common
electrodeFig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm
(c) 12micromFig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit widthFig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b)
30microm (c) 34micromFig 31 Comparison with average transmittance for spacing slitFig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel
electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
Fig 34 Structure of optimal unit pixelFig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profilesFig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with
patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
표 목차
Table Ⅰ Physical parameters used in the simulationTable Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
- 1 -
제 1 장 서 론
인터넷 및 유무선 통신망의 발달은 인간의 생활에 필요한 정보를 제공하고 이러한 정보는 서로 공유되어야 한다 이러한 정보화 사회에서 정보를 수집 처리 저장하는 기술도 중요하지만 정보를 표시하는 장치인 디스플레이 장치는 정보 전달에 있어 가장 중요한 부분을 차지하고 있다 우리의 일상생활에서 정보 매체로서 휴대폰 PDA 컴퓨터 TV등 디스플레이가 차지하는 부분은 매우 광범위하다 특히 최근 모바일 및 미디어 산업의 급격한 발전으로 인하여 경량 박형의 평판 표시소자에 대한 수요가 급증하고 있으며 이중 액정표시장치(Liquid Crystal Display LCD)는 저전압 저전력 구동이 가능하기 때문에 많이 사용되고 있다 더욱이 박막 트랜지스터(Thin-Film Transistor TFT)를 이용한 구동방식은 해상도 명암대비비 색재현성 시인성등에서 우수한 특성을 보임으로서 각종 디스플레이에 폭넓게 채택되고 있다 이와 같이 액정표시장치의 사용 범위가 확대됨에 따라 시야각 응답속도 고명암대비비 밝기 개조 용량(gray-scale capability)등 전기광학적 특성을 개선하기 위한 노력이 활발히 진행되고 있다 또한 액정표시장치의 수요가 HDTV와 같은 동화상 구현으로 확대되면서 총천연색 빠른 응답속도 광시야각의 조건을 만족하는 액정표시장치 모드에 대한 연구가 반드시 필요하다
이에 고명암대비비를 가지는 Vertically Aligned(VA)-LCD에 대한 많은 연구가 수행되고 있다 VA-LCD는 러빙(rubbing) 공정을 하지 않는 장점이 있으나 액정 분자의 초기경사각이 없어 응답속도 및 액정 화소의 각 도메인의 크기가 불규칙적인 단점을 가지고 있다[1] 이러한 이유로 VA-LCD는 여러 가지 구조로 응용되어 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성시키는 Multi-domain Vertically Aligned(MVA)- LCD로 사용하고 있다 MVA-
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LCD는 VA-LCD의 특징인 고명암대비비는 물론 빠른 응답속도와 광시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 도메인을 형성시키는 방법은 자외선(Ultra-Violet UV) 처리를 통한 방법[2] 삼각돌기(protrusion)을 이용하는 방법[3] [4] 유전체 삽입 방법[5]~[8] 전극 패턴을 이용하는 방법[9]~[12] 등 다양하며 현재 많은 연구가 이루어지고 있다 이들 구조 중 화소전극 및 공통전극에 패턴을 하여 도메인을 형성하는 방법은 간단한 공정으로 완벽한 네개의 도메인을 가지기 때문에 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 보이며 패턴된 전극 근방에서 왜곡된 전기장이 측면전장효과와 동일하여 빠른 응답속도 특성을 가지기 때문에 차세대 대면적 디스플레이에 많은 적용이 기대된다 이러한 디스플레이의 고부가가치를 위해서 고품질의 제품이 저가격으로 실현되어야 하고 이를 위해 고명암대비비 높은 투과도 광시야각 빠른 응답속도 등 전기광학적 특성과 관련된 수많은 파라미터에 대한 특성 변화를 밝히고 최적화 하는 것은 필수적이다 그러나 방대한 파라미터들을 실험적으로 수행하는 것은 불가능하기 때문에 실제적으로는 약간의 검증 실험을 포함한 시뮬레이션 기법을 적용하여 적은 노력과 시간으로 최적 설계를 수행하고 있다
본 연구에서는 MVA-LCD의 최적 설계 조건을 얻기 위하여 액정분자의 동적 특성에 근거하여 그 전기광학 특성을 수치해석적 기법으로 계산하였다 액정 셀(cell)의 동특성을 분석함에 있어서는 에릭슨-레슬리(Ericksen-Leslie) 운동방정식으로부터 분자배열분포를 얻었으며 라플라스(Laplace)의 전위분포방정식으로부터 전위분포를 얻었다 수치해석적 기법으로는 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하여 계산하였다 또한 투과도 및 시야각 특성 등 광투과 특성 해석을 위해 계산된 분자분포를 가지고 베르만(Berreman)의 44 행렬법을 적용하였다
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제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
이 장에서는 액정표시소자의 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 하기 위해 사용되는 액정의 분자분포 방정식과 전위 분포 방정식에 대하여 논의하고 수치해석적 접근 방법에 대하여 기술하였다 또한 위의 결과로 구해진 액정의 분자 분포를 이용하여 광투과도 계산에 사용된 베르만 44 행렬법에 대하여 기술하였다
제 1 절 액정의 분자분포 방정식
단위 화소내의 액정의 운동과 방향자의 분포를 해석하기 위해 적용된 이론적 모델은 액정의 내부 운동량(inertial momentum)을 무시한 에릭슨-레슬리 이론에 기초한다 이때 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy fg)를 에릭슨-레슬리 방정식에 적용하면 다음과 같은 운동 방정식을 얻을 수 있다[13]
γ partpartt
ni = minus [fg ]n i+ λni i = x y z (1)
여기서 γ 는 회전 점성계수를 ni는 방향자의 직교성분을 λ는 n rarr
= 1 즉 방향자가 단위벡터 임을 내포하는 라그랑즈(Lagrange) 승수를 나타낸다 그리고 [fg ]ni
는 오일러-라그랑즈(Euler-Lagrangian) 방정식으로써 다음과 같이 표현된다
[fg ]ni=
partfgpartni
minusddx
(partf g
partnix
) minusddy
(partfgpartniy
) minusddz
(partf g
partniz
) (2)
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이때 액정의 자유 에너지(fg)는 화소 내부의 탄성에너지(fs )와 외부에서 공급한 정전에너지(fe )의 차로 표현된다
fg = fs minus fe (3)
일반적으로 깁스 자유 에너지의 탄성에너지 밀도를 표현하는 방법은 벡터접근법과 텐서접근법이라는 두가지 방법을 통해 이루어지고 있다[14]
오슨-프랑크(Oseen-Frank) 탄성이론으로부터 액정의 탄성에너지를 방향자 nrarr 에 대하여 다음과 같이 표현한다
fs =
12
K 1 1 (nabla nrarr) 2 +
12
K 22 (nrarr nabla n
rarr+ q0 )2
+12
K 33 (nrarr nabla n
rarr)2
(4)
벡터접근법은 lsquo액정분자가 평형상태를 벗어나면 원상태로 돌아가려는 복원력을 가지며 이러한 액정의 복원력은 변형의 정도에 비례한다rsquo라는 탄성 이론으로부터 정의되었다 이러한 변형은 크게 스프레이(splay) 트위스트(twist) 벤드(bend) 변형으로 나타낼 수 있다 또한 변형의 크기에 비례하는 상수를 각각 스프레이(K11) 트위스트(K22) 벤드(K33) 상수라 한다 그리고 q0는 chirality이다
이에 반하여 텐서접근법은 드 쟝(de Gennes)의 질서도 텐서(order tensor)를 이용하여 기술하며 이때의 탄성에너지는 다음과 같이 나타낸다
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fs = (minus
K 11
12+
K22
4+
K33
12)G ( 2 )
1 (K11 minus K22
2)G (2 )
2
+K 33 minus K 11
4)G (3 )
6 + q0K22G(2 )
4
(5)
이때 G와 Q는 다음과 같이 표현된다
G (2 )1 = QijkQijk
G (2 )2 = QijkQikk
G (2 )4 = eijkQilQjlk
G (3 )6 = QijQkliQklj
Qij = ninj minusij
3 (order tensor) (6)
여기서 아래 첨자는 아인슈타인(Einstein)의 표기법에 따른 것이다 또한 eijk는 치환 기호(permutation symbol)를 의미한다
다음으로 주어진 화소의 각종 전극에 인가되는 전압에 의하여 형성되는 전기 에너지밀도는 다음과 같다
fe =12 0φ l lmφ m (7)
위의 식에서 φ (x y z )는 액정의 화소 및 각종 전극에 인가된 전압에 의해 형성된 전위분포를 나타내며 lm은 비유전율 텐서로서 lm = perp lm + ∆ nlnm
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으로 표현되며 0는 자유공간에서의 유전율이다 또한 ∆ = minus perp로서 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율의 차를 나타낸다 여기서 전위분포함수 φ (x y z )는 적절한 경계조건에 대하여 맥스웰 방정식으로부터 유도된 식 (8)의 라플라스 방정식을 시뮬레이션하여 얻을 수 있다[15]
ij(xy z)φ (xy z)j i= 0 (8)
이로부터 식 (4)와 (7)을 식 (1)에 대입함으로써 벡터접근법에 기초한 액정 방향자의 운동방정식을 얻을 수 있다 그러나 벡터접근법에 대한 운동방정식은 매우 복잡하기 때문에 편의상 탄성계수가 등방인 모델 즉 K11 = K22 = K33 = K로 단순화 하면 운동방정식은 다음과 같이 표현된다
γ partni
partt= K (
part2ni
partx 2+
part2ni
party 2+
part2ni
partz 2) + 0 ( minus perp )njφ jφ i + λni (9)
반면 텐서접근법으로부터 유도되는 액정 방향자의 운동 방정식은 이방 탄성계수 모델에 대하여 텐서 표기법으로 나타낼 수 있기 때문에 다음과 같이 표현된다
γpartni
partt=
13
(minus K 11 + 3K 22 + K33 )(njQjil l ) + (K11 minus K22 )nj (Qil lj + Qjlli )
+ (K33 minus K 11
2)nj [(2QlmmQji l + 2QlmQji lm minus QlmiQlmj )]
+ 2q0K22nj (eimlQljm + ejmlQlim ) + 0∆ njφ jφ i + λni
(10)
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여기서 액정 방향자 nrarr 은 방위각 φ와 경사각 θ에 대하여 다음과 같이 표현할 수 있다
nrarr= (cos θ cos φ cos θ sin φ sinθ ) (11)
Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
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제 2 절 수치해석적 계산 기법
앞절에서 논의한 운동방정식 및 전위분포 방정식을 계산함에 있어 식 (1)과 (8)를 동시에 시뮬레이션 하여야 한다 또한 방정식들이 비선형이기 때문에 반복 계산 과정을 적용하여 정상 상태가 될 때까지의 최종 시간에 대하여 주어진 분자 분포에 대한 전위 분포와 그에 따른 분자 분포를 서로 교번하여 계산을 수행한다
Fig 2 Flow chart of simulation
수치해석 방법은 복잡하고 고차 비선형 방정식인 점을 고려하여 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하였다 유한차분법을 적용하기 위해서 공간적으로 격자는 균일 격자간격을 사용하였다 또한 중앙차분법(central space scheme)을 사용하였다 경계조건으로 본 연구에서는 강한
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앵커링(anchoring)을 가정하였기 때문에 상하기판에의 방향자는 러빙 방향과 초기경사각에 의해 정의되고 항상 고정되어 있다고 가정하여 디리슐레(Dirichlet) 경계조건이 적용되었다 특히 전위분포의 계산에 효율성을 위하여 z축 방향의 양 끝에서 노이만(Neumann) 경계조건을 적용하였다 또한 방향자와 전위 분포 모두에 있어 x와 y방향에 대해서는 주기 경계조건을 적용하였다
시간적으로는 내삽법(implicit method)의 경우 운동방정식의 비선형성으로 인한 많은 문제가 야기되므로 외삽법(explicit method)을 사용하여 시간 적분을 계산하였다[12]
또한 라그랑즈 승수 λ는 매 시간증가시 재계산된 방향 성분이 액정방향자의 기본 조건인 n
rarr = n 2
x + n 2y + n 2
z = 1을 만족시키기 위한 목적으로 사용되었으며 계산의 편의를 위하여 k + 1번째 방향자를 계산함에 있어 λ를 제거한 뒤 k + 1번째 방향자를 계산하고 이를 다시 재 정규화 함으로써 방향자를 단위 벡터로 유지하였다
한편 전위 분포 시뮬레이션에서는 적절한 경계조건에 대하여 연속과도완화법(successive over relaxation SOR) 방법이 적용되었다 이때 정확한 계산을 위해 매 시간 단계에 대해 전위 분포 시뮬레이션이 수행 되어야 하나 많은 계산 시간이 요구되어지므로 전체 해에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 액정의 반응 속도에 따라 적절한 횟수로 줄여서 시뮬레이션 한다
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제 3 절 광투과율 계산
액정은 장축과 단축의 굴절율이 다른 비등방 매질이며 불균일 매질이다 따라서 액정의 광투과 특성을 분석하기 위해서는 일반적으로 베르만 44 행렬법을 적용한다[16]~[19] 이러한 불균일성에 대하여 액정 셀을 무수히 얇은 다중층으로 설정하며 이렇게 설정된 각 층에서는 액정이 균일한 매질이라는 가정하에 각 층의 전파행렬을 계산함으로써 전체 전파특성 행렬을 계산할 수 있다 각 층에서는 액정이 균일하다고 가정하였으므로 굴절율에 대한 유전율 텐서를 알면 각 층에서의 전자장의 전파관계가 표현된다
Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
partparty
Ex
Hz
Ez
minusHx
=iwc
∆11 ∆12 ∆13 0∆21 ∆11 ∆23 00 0 0 1
∆23 ∆13 ∆43 0
Ex
Hz
Ez
minus Hx
(12)
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여기서 행렬 요소 ∆ij는 다음과 같다
∆11 =minus X 13
33
∆12 = 1 minus X 2 1
33
∆13 =minus X 23
33
∆21 = 11 minus X213
33
∆23 = 12 minus13 23
33 ∆43 = 22 minus
23
33
minus X 2 (13)
여기에서 ij = perp ij + ∆ ninj로 표현된다 이 식에서 와 perp는 각각 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율을 나타내고 ∆ 은 이 둘의 차를 나타낸다 또한 액정의 굴절률과는 no =
radicperp ne =
radic 의 관계가 있다 X는 x축 방향으로의 전파상수와 관련된 값으로 X =
cξw
로 나타낼 수 있다 전파행렬 P 는 Fig 4에서 각층에 대한 광학투과특성을 나타내며 일계 미분방정식 식(12)로부터 다음과 같이 정의한다 즉 y1에서 y2사이의 균일 매질을 전파하는 전자기장 벡터의 관계는 다음 식과 같이 정의 할 수 있다
ψrarr(y2 ) = P(y1 y2 )ψrarr
(y1 ) (14)
(14)식에서 전자기장 벡터는 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T (15)
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Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
베르만은 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 균일한 매질에서 전파 행렬을 계산하고 광투과 특성을 분석하는 방법을 기술하였다 본 연구에서는 이를 액정에 적용함으로써 해석적인 방법으로 고유벡터를 계산한다
만약 ∆행렬이 미소구간 y에 대해 독립적이라면 (15)는 다음과 같은 일반해를 가질 것이다 이것은 일반적으로 파동의 전파에 따른 위상 변화를 나타내고 있다
ψj
minusrarr(y ) = e iqjyψj
minusrarr(0 ) (16)
여기서 qj = λjwc
의 관계가 성립된다 이식을 (15)식에 대입하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다
iqjψ j
minusrarr(0 ) = i
wc∆ψj
minusrarr(0 ) (17)
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여기서 λj = qjcw
이므로 위 식은 다음과 같이 정리 할 수 있다
∆ψj
minusrarr(0 ) = λ jψj
minusrarr(0 ) (18)
λj는 ∆행렬의 고유값(eigenvalue) ψj
minusrarr(0 )는 이 ∆행렬의 고유벡터이다
∆가 44행렬이므로 λi는 4개의 근이 되고 고유벡터도 4개의 기저를 가질 것이다 따라서 고유값을 위의 ∆행렬에 대입하고 고유벡터를 계산하면 다음과 같다
ψj
minusrarr= Nj
bj (∆11 minusλj)minus∆23 aj
minus∆21 bj
∆21 aj
λ ∆21 aj
(19a)
aj = ∆12∆23 minus∆13 (∆11 minus λj) (19b) bj = ∆13∆23 minus (∆11 minusλj) (∆43 minus λ2
j ) (19c)
Nj는 정규화 계수(normalizing coefficient)이다 이렇게 정의된 4개의 고유벡터를 이용하여 Ψ행렬을 만들 수 있다
Ψ=
ψ11 ψ12 ψ13 ψ14
ψ21 ψ22 ψ23 ψ24
ψ31 ψ32 ψ33 ψ34
ψ41 ψ42 ψ43 ψ44
(20)
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h만큼 진행한 후의 진행파의 위상변화를 나타내는 대각행렬인 K행렬을 대각요소가 다음과 같은 값을 갖는 행렬로 정의하자
Kjj = e iqjh (21)
이때 다음과 같은 행렬식이 성립된다
ΨK = PΨ (22)
따라서 우리가 구하고자 하는 전파행렬은 다음과 같은 식으로 계산 할 수 있다
P = Ψ K Ψminus 1 (23)
이제 위에서 베르만 44 행렬법을 바탕으로 액정 셀의 각층에 대한 전파행렬을 계산하는 방법을 논의하였고 이를 바탕으로 액정 셀의 전체 투과율을 구하는 방법을 논의하고자 한다
투과율을 계산하기 위해서는 Fig 4와 같이 액정 셀을 y축에 대해 층으로 나누어 각각의 층에 대한 전파행렬 P (y h )을 구하고 각각의 전파행렬의 곱으로 전체 투과행렬 F를 계산하여야 한다 즉 F는 P의 곱으로 표현된다
F = P (Nminus 1 )h h ) P (Nminus 2 )h h ) P h h P h 0 (24)
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Fig 5와 같이 두께가 d인 액정 셀에 빛이 기판위에 입사한다면 입사측과 투과측의 전자기장 벡터 ψrarr(0 ) ψrarr(d )를 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr(d ) = F ψrarr
(0 ) (25)
Fig 5에서 액정이 n1 n2인 두 매질 사이에 위치하고 입사광 반사광 및 투과광의 전자기장 벡터를 ψi
minusrarr ψ r
minusrarr ψ t
minusrarr라 하면 다음과 같은 식이 성립한다
ψrarr(0 ) = ψi
minusrarr(z = 0 ) + ψr
minusrarr(z = 0 ) (26a)
ψrarr(d ) = ψt
minusrarr(z = d ) (26b)
Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
투과광 계산중 매질의 경계에서의 접선 방향 전기장 Et
minusrarr와 자기장 벡터 Ht
minusrarr
- 16 -
는 연속이므로 ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T도 연속이다 따라서 액정 층의 투과율
계산시 경계면에서의 전기장 벡터는 등방성인 주변매질 1 2에서의 전자기장 벡터를 이용한다 등방성 매질에서 자기장 벡터는 전기장 벡터와 굴절률 및 입사각을 포함하는 함수관계를 갖고 있으므로 ψrarr는 전기장 벡터 성분으로 아래와 같은 표시가 가능하다
ψi
rarr=
Ex
rxEx
Ez
rzEz
ψr
minusrarr=
Rx
minus rxRx
Rz
minusrzRz
ψt
rarr=
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(27)
rx =n1
cos θ1
rz = n1cos θ1
rx =n2
cos θ2
rz = n2cos θ2
θ2 = sin minus 1 [n1
n2
sin θ1 ] (28)
여기서 Rx Rz Tx Tz는 반사 전기장 벡터의 x z성분과 투과 전기장 벡터의 x z성분을 나타낸다 (27)~(28)식으로부터 액정 셀의 투과방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다
Ex + Rx
rx (Ex minusRx )Ez + Rz
rz (EzminusRz)
= F
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(29)
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이 식으로부터 Rx Rz를 제거하고 Ex Ez와 Tx Tz의 관계만을 설정하면 Ex Ez와 Tx Tz의 관계는 다음과 같은 22행렬로 정의된다
Tx
Tz=
a11 a12
a21 a22
Ex
Ez(30)
a11 =g32 + g42
D a12 =minus
g12 + g22
D
a21 =minusg31 + g41
D a22 =g11 + g21
D (31a)
g11 =(F11 + F12rx )
2 g12 =
(F13 + F14rz )
2
g21 =(F21 + F22rx )
2rx g22 =
(F23 + F24rz )
2rx
g31 =(F31 + F32rx )
2 g32 =
(F33 + F34rz )
2
g41 =(F41 + F42rx )
2rz g42 =
(F43 + F44rz )
2rz (31b)
D = (g11 + g21 )(g32 + g42 )minus (g21 + g22 )(g31 + g41 ) (31c)
그러나 전체 투과율을 계산하기 위하여 다시 Ex Ey와 Tx Ty를 Es Ep와 Ts Tp로 변환해 주어야 하며 입사면이 xz평면상에 존재한다고 가정하면 s = z이고 p = (cos θi sin θi 0 )이므로 다음과 같은 식이 성립한다
Es
Ep=
0 11 cos θi 0
Ex
Ez(32)
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입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고
Es
Ep=
1radic2
E0
e jα1
e jα2(33)
입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때 전체 투과율은 다음과 같이 나타난다
T =12
a112 +
a122
cos 2θi
+ a212cos 2 θi + a22
2 (34)
위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다
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제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
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Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
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제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 37 -
3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
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다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
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(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
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가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
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Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
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참 고 문 헌
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[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
그림 목차
Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC directorFig 2 Flow chart of simulationFig 3 Definition of incident light and coordinate systems for
optical transmission calculationFig 4 Multi-layer structure of LC layerFig 5 Definition of incident and transmitted wavesFig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with
applied voltageFig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatmentFig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b)
OnFig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric
(a) Off (b) OnFig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrodeFig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with
patterned-electrodeFig 12 Structure of VA-LCDsFig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of
equi-potential (b) LC director profiles
Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatmentFig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profilesFig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV
treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12msFig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of
MVA-LCDs with UV treatmentFig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) OnFig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structureFig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of
MVA-LCDs with insertion of dielectricFig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrodeFig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common
electrodeFig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm
(c) 12micromFig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit widthFig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b)
30microm (c) 34micromFig 31 Comparison with average transmittance for spacing slitFig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel
electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
Fig 34 Structure of optimal unit pixelFig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profilesFig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with
patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
표 목차
Table Ⅰ Physical parameters used in the simulationTable Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
- 1 -
제 1 장 서 론
인터넷 및 유무선 통신망의 발달은 인간의 생활에 필요한 정보를 제공하고 이러한 정보는 서로 공유되어야 한다 이러한 정보화 사회에서 정보를 수집 처리 저장하는 기술도 중요하지만 정보를 표시하는 장치인 디스플레이 장치는 정보 전달에 있어 가장 중요한 부분을 차지하고 있다 우리의 일상생활에서 정보 매체로서 휴대폰 PDA 컴퓨터 TV등 디스플레이가 차지하는 부분은 매우 광범위하다 특히 최근 모바일 및 미디어 산업의 급격한 발전으로 인하여 경량 박형의 평판 표시소자에 대한 수요가 급증하고 있으며 이중 액정표시장치(Liquid Crystal Display LCD)는 저전압 저전력 구동이 가능하기 때문에 많이 사용되고 있다 더욱이 박막 트랜지스터(Thin-Film Transistor TFT)를 이용한 구동방식은 해상도 명암대비비 색재현성 시인성등에서 우수한 특성을 보임으로서 각종 디스플레이에 폭넓게 채택되고 있다 이와 같이 액정표시장치의 사용 범위가 확대됨에 따라 시야각 응답속도 고명암대비비 밝기 개조 용량(gray-scale capability)등 전기광학적 특성을 개선하기 위한 노력이 활발히 진행되고 있다 또한 액정표시장치의 수요가 HDTV와 같은 동화상 구현으로 확대되면서 총천연색 빠른 응답속도 광시야각의 조건을 만족하는 액정표시장치 모드에 대한 연구가 반드시 필요하다
이에 고명암대비비를 가지는 Vertically Aligned(VA)-LCD에 대한 많은 연구가 수행되고 있다 VA-LCD는 러빙(rubbing) 공정을 하지 않는 장점이 있으나 액정 분자의 초기경사각이 없어 응답속도 및 액정 화소의 각 도메인의 크기가 불규칙적인 단점을 가지고 있다[1] 이러한 이유로 VA-LCD는 여러 가지 구조로 응용되어 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성시키는 Multi-domain Vertically Aligned(MVA)- LCD로 사용하고 있다 MVA-
- 2 -
LCD는 VA-LCD의 특징인 고명암대비비는 물론 빠른 응답속도와 광시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 도메인을 형성시키는 방법은 자외선(Ultra-Violet UV) 처리를 통한 방법[2] 삼각돌기(protrusion)을 이용하는 방법[3] [4] 유전체 삽입 방법[5]~[8] 전극 패턴을 이용하는 방법[9]~[12] 등 다양하며 현재 많은 연구가 이루어지고 있다 이들 구조 중 화소전극 및 공통전극에 패턴을 하여 도메인을 형성하는 방법은 간단한 공정으로 완벽한 네개의 도메인을 가지기 때문에 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 보이며 패턴된 전극 근방에서 왜곡된 전기장이 측면전장효과와 동일하여 빠른 응답속도 특성을 가지기 때문에 차세대 대면적 디스플레이에 많은 적용이 기대된다 이러한 디스플레이의 고부가가치를 위해서 고품질의 제품이 저가격으로 실현되어야 하고 이를 위해 고명암대비비 높은 투과도 광시야각 빠른 응답속도 등 전기광학적 특성과 관련된 수많은 파라미터에 대한 특성 변화를 밝히고 최적화 하는 것은 필수적이다 그러나 방대한 파라미터들을 실험적으로 수행하는 것은 불가능하기 때문에 실제적으로는 약간의 검증 실험을 포함한 시뮬레이션 기법을 적용하여 적은 노력과 시간으로 최적 설계를 수행하고 있다
본 연구에서는 MVA-LCD의 최적 설계 조건을 얻기 위하여 액정분자의 동적 특성에 근거하여 그 전기광학 특성을 수치해석적 기법으로 계산하였다 액정 셀(cell)의 동특성을 분석함에 있어서는 에릭슨-레슬리(Ericksen-Leslie) 운동방정식으로부터 분자배열분포를 얻었으며 라플라스(Laplace)의 전위분포방정식으로부터 전위분포를 얻었다 수치해석적 기법으로는 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하여 계산하였다 또한 투과도 및 시야각 특성 등 광투과 특성 해석을 위해 계산된 분자분포를 가지고 베르만(Berreman)의 44 행렬법을 적용하였다
- 3 -
제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
이 장에서는 액정표시소자의 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 하기 위해 사용되는 액정의 분자분포 방정식과 전위 분포 방정식에 대하여 논의하고 수치해석적 접근 방법에 대하여 기술하였다 또한 위의 결과로 구해진 액정의 분자 분포를 이용하여 광투과도 계산에 사용된 베르만 44 행렬법에 대하여 기술하였다
제 1 절 액정의 분자분포 방정식
단위 화소내의 액정의 운동과 방향자의 분포를 해석하기 위해 적용된 이론적 모델은 액정의 내부 운동량(inertial momentum)을 무시한 에릭슨-레슬리 이론에 기초한다 이때 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy fg)를 에릭슨-레슬리 방정식에 적용하면 다음과 같은 운동 방정식을 얻을 수 있다[13]
γ partpartt
ni = minus [fg ]n i+ λni i = x y z (1)
여기서 γ 는 회전 점성계수를 ni는 방향자의 직교성분을 λ는 n rarr
= 1 즉 방향자가 단위벡터 임을 내포하는 라그랑즈(Lagrange) 승수를 나타낸다 그리고 [fg ]ni
는 오일러-라그랑즈(Euler-Lagrangian) 방정식으로써 다음과 같이 표현된다
[fg ]ni=
partfgpartni
minusddx
(partf g
partnix
) minusddy
(partfgpartniy
) minusddz
(partf g
partniz
) (2)
- 4 -
이때 액정의 자유 에너지(fg)는 화소 내부의 탄성에너지(fs )와 외부에서 공급한 정전에너지(fe )의 차로 표현된다
fg = fs minus fe (3)
일반적으로 깁스 자유 에너지의 탄성에너지 밀도를 표현하는 방법은 벡터접근법과 텐서접근법이라는 두가지 방법을 통해 이루어지고 있다[14]
오슨-프랑크(Oseen-Frank) 탄성이론으로부터 액정의 탄성에너지를 방향자 nrarr 에 대하여 다음과 같이 표현한다
fs =
12
K 1 1 (nabla nrarr) 2 +
12
K 22 (nrarr nabla n
rarr+ q0 )2
+12
K 33 (nrarr nabla n
rarr)2
(4)
벡터접근법은 lsquo액정분자가 평형상태를 벗어나면 원상태로 돌아가려는 복원력을 가지며 이러한 액정의 복원력은 변형의 정도에 비례한다rsquo라는 탄성 이론으로부터 정의되었다 이러한 변형은 크게 스프레이(splay) 트위스트(twist) 벤드(bend) 변형으로 나타낼 수 있다 또한 변형의 크기에 비례하는 상수를 각각 스프레이(K11) 트위스트(K22) 벤드(K33) 상수라 한다 그리고 q0는 chirality이다
이에 반하여 텐서접근법은 드 쟝(de Gennes)의 질서도 텐서(order tensor)를 이용하여 기술하며 이때의 탄성에너지는 다음과 같이 나타낸다
- 5 -
fs = (minus
K 11
12+
K22
4+
K33
12)G ( 2 )
1 (K11 minus K22
2)G (2 )
2
+K 33 minus K 11
4)G (3 )
6 + q0K22G(2 )
4
(5)
이때 G와 Q는 다음과 같이 표현된다
G (2 )1 = QijkQijk
G (2 )2 = QijkQikk
G (2 )4 = eijkQilQjlk
G (3 )6 = QijQkliQklj
Qij = ninj minusij
3 (order tensor) (6)
여기서 아래 첨자는 아인슈타인(Einstein)의 표기법에 따른 것이다 또한 eijk는 치환 기호(permutation symbol)를 의미한다
다음으로 주어진 화소의 각종 전극에 인가되는 전압에 의하여 형성되는 전기 에너지밀도는 다음과 같다
fe =12 0φ l lmφ m (7)
위의 식에서 φ (x y z )는 액정의 화소 및 각종 전극에 인가된 전압에 의해 형성된 전위분포를 나타내며 lm은 비유전율 텐서로서 lm = perp lm + ∆ nlnm
- 6 -
으로 표현되며 0는 자유공간에서의 유전율이다 또한 ∆ = minus perp로서 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율의 차를 나타낸다 여기서 전위분포함수 φ (x y z )는 적절한 경계조건에 대하여 맥스웰 방정식으로부터 유도된 식 (8)의 라플라스 방정식을 시뮬레이션하여 얻을 수 있다[15]
ij(xy z)φ (xy z)j i= 0 (8)
이로부터 식 (4)와 (7)을 식 (1)에 대입함으로써 벡터접근법에 기초한 액정 방향자의 운동방정식을 얻을 수 있다 그러나 벡터접근법에 대한 운동방정식은 매우 복잡하기 때문에 편의상 탄성계수가 등방인 모델 즉 K11 = K22 = K33 = K로 단순화 하면 운동방정식은 다음과 같이 표현된다
γ partni
partt= K (
part2ni
partx 2+
part2ni
party 2+
part2ni
partz 2) + 0 ( minus perp )njφ jφ i + λni (9)
반면 텐서접근법으로부터 유도되는 액정 방향자의 운동 방정식은 이방 탄성계수 모델에 대하여 텐서 표기법으로 나타낼 수 있기 때문에 다음과 같이 표현된다
γpartni
partt=
13
(minus K 11 + 3K 22 + K33 )(njQjil l ) + (K11 minus K22 )nj (Qil lj + Qjlli )
+ (K33 minus K 11
2)nj [(2QlmmQji l + 2QlmQji lm minus QlmiQlmj )]
+ 2q0K22nj (eimlQljm + ejmlQlim ) + 0∆ njφ jφ i + λni
(10)
- 7 -
여기서 액정 방향자 nrarr 은 방위각 φ와 경사각 θ에 대하여 다음과 같이 표현할 수 있다
nrarr= (cos θ cos φ cos θ sin φ sinθ ) (11)
Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- 8 -
제 2 절 수치해석적 계산 기법
앞절에서 논의한 운동방정식 및 전위분포 방정식을 계산함에 있어 식 (1)과 (8)를 동시에 시뮬레이션 하여야 한다 또한 방정식들이 비선형이기 때문에 반복 계산 과정을 적용하여 정상 상태가 될 때까지의 최종 시간에 대하여 주어진 분자 분포에 대한 전위 분포와 그에 따른 분자 분포를 서로 교번하여 계산을 수행한다
Fig 2 Flow chart of simulation
수치해석 방법은 복잡하고 고차 비선형 방정식인 점을 고려하여 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하였다 유한차분법을 적용하기 위해서 공간적으로 격자는 균일 격자간격을 사용하였다 또한 중앙차분법(central space scheme)을 사용하였다 경계조건으로 본 연구에서는 강한
- 9 -
앵커링(anchoring)을 가정하였기 때문에 상하기판에의 방향자는 러빙 방향과 초기경사각에 의해 정의되고 항상 고정되어 있다고 가정하여 디리슐레(Dirichlet) 경계조건이 적용되었다 특히 전위분포의 계산에 효율성을 위하여 z축 방향의 양 끝에서 노이만(Neumann) 경계조건을 적용하였다 또한 방향자와 전위 분포 모두에 있어 x와 y방향에 대해서는 주기 경계조건을 적용하였다
시간적으로는 내삽법(implicit method)의 경우 운동방정식의 비선형성으로 인한 많은 문제가 야기되므로 외삽법(explicit method)을 사용하여 시간 적분을 계산하였다[12]
또한 라그랑즈 승수 λ는 매 시간증가시 재계산된 방향 성분이 액정방향자의 기본 조건인 n
rarr = n 2
x + n 2y + n 2
z = 1을 만족시키기 위한 목적으로 사용되었으며 계산의 편의를 위하여 k + 1번째 방향자를 계산함에 있어 λ를 제거한 뒤 k + 1번째 방향자를 계산하고 이를 다시 재 정규화 함으로써 방향자를 단위 벡터로 유지하였다
한편 전위 분포 시뮬레이션에서는 적절한 경계조건에 대하여 연속과도완화법(successive over relaxation SOR) 방법이 적용되었다 이때 정확한 계산을 위해 매 시간 단계에 대해 전위 분포 시뮬레이션이 수행 되어야 하나 많은 계산 시간이 요구되어지므로 전체 해에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 액정의 반응 속도에 따라 적절한 횟수로 줄여서 시뮬레이션 한다
- 10 -
제 3 절 광투과율 계산
액정은 장축과 단축의 굴절율이 다른 비등방 매질이며 불균일 매질이다 따라서 액정의 광투과 특성을 분석하기 위해서는 일반적으로 베르만 44 행렬법을 적용한다[16]~[19] 이러한 불균일성에 대하여 액정 셀을 무수히 얇은 다중층으로 설정하며 이렇게 설정된 각 층에서는 액정이 균일한 매질이라는 가정하에 각 층의 전파행렬을 계산함으로써 전체 전파특성 행렬을 계산할 수 있다 각 층에서는 액정이 균일하다고 가정하였으므로 굴절율에 대한 유전율 텐서를 알면 각 층에서의 전자장의 전파관계가 표현된다
Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
partparty
Ex
Hz
Ez
minusHx
=iwc
∆11 ∆12 ∆13 0∆21 ∆11 ∆23 00 0 0 1
∆23 ∆13 ∆43 0
Ex
Hz
Ez
minus Hx
(12)
- 11 -
여기서 행렬 요소 ∆ij는 다음과 같다
∆11 =minus X 13
33
∆12 = 1 minus X 2 1
33
∆13 =minus X 23
33
∆21 = 11 minus X213
33
∆23 = 12 minus13 23
33 ∆43 = 22 minus
23
33
minus X 2 (13)
여기에서 ij = perp ij + ∆ ninj로 표현된다 이 식에서 와 perp는 각각 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율을 나타내고 ∆ 은 이 둘의 차를 나타낸다 또한 액정의 굴절률과는 no =
radicperp ne =
radic 의 관계가 있다 X는 x축 방향으로의 전파상수와 관련된 값으로 X =
cξw
로 나타낼 수 있다 전파행렬 P 는 Fig 4에서 각층에 대한 광학투과특성을 나타내며 일계 미분방정식 식(12)로부터 다음과 같이 정의한다 즉 y1에서 y2사이의 균일 매질을 전파하는 전자기장 벡터의 관계는 다음 식과 같이 정의 할 수 있다
ψrarr(y2 ) = P(y1 y2 )ψrarr
(y1 ) (14)
(14)식에서 전자기장 벡터는 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T (15)
- 12 -
Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
베르만은 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 균일한 매질에서 전파 행렬을 계산하고 광투과 특성을 분석하는 방법을 기술하였다 본 연구에서는 이를 액정에 적용함으로써 해석적인 방법으로 고유벡터를 계산한다
만약 ∆행렬이 미소구간 y에 대해 독립적이라면 (15)는 다음과 같은 일반해를 가질 것이다 이것은 일반적으로 파동의 전파에 따른 위상 변화를 나타내고 있다
ψj
minusrarr(y ) = e iqjyψj
minusrarr(0 ) (16)
여기서 qj = λjwc
의 관계가 성립된다 이식을 (15)식에 대입하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다
iqjψ j
minusrarr(0 ) = i
wc∆ψj
minusrarr(0 ) (17)
- 13 -
여기서 λj = qjcw
이므로 위 식은 다음과 같이 정리 할 수 있다
∆ψj
minusrarr(0 ) = λ jψj
minusrarr(0 ) (18)
λj는 ∆행렬의 고유값(eigenvalue) ψj
minusrarr(0 )는 이 ∆행렬의 고유벡터이다
∆가 44행렬이므로 λi는 4개의 근이 되고 고유벡터도 4개의 기저를 가질 것이다 따라서 고유값을 위의 ∆행렬에 대입하고 고유벡터를 계산하면 다음과 같다
ψj
minusrarr= Nj
bj (∆11 minusλj)minus∆23 aj
minus∆21 bj
∆21 aj
λ ∆21 aj
(19a)
aj = ∆12∆23 minus∆13 (∆11 minus λj) (19b) bj = ∆13∆23 minus (∆11 minusλj) (∆43 minus λ2
j ) (19c)
Nj는 정규화 계수(normalizing coefficient)이다 이렇게 정의된 4개의 고유벡터를 이용하여 Ψ행렬을 만들 수 있다
Ψ=
ψ11 ψ12 ψ13 ψ14
ψ21 ψ22 ψ23 ψ24
ψ31 ψ32 ψ33 ψ34
ψ41 ψ42 ψ43 ψ44
(20)
- 14 -
h만큼 진행한 후의 진행파의 위상변화를 나타내는 대각행렬인 K행렬을 대각요소가 다음과 같은 값을 갖는 행렬로 정의하자
Kjj = e iqjh (21)
이때 다음과 같은 행렬식이 성립된다
ΨK = PΨ (22)
따라서 우리가 구하고자 하는 전파행렬은 다음과 같은 식으로 계산 할 수 있다
P = Ψ K Ψminus 1 (23)
이제 위에서 베르만 44 행렬법을 바탕으로 액정 셀의 각층에 대한 전파행렬을 계산하는 방법을 논의하였고 이를 바탕으로 액정 셀의 전체 투과율을 구하는 방법을 논의하고자 한다
투과율을 계산하기 위해서는 Fig 4와 같이 액정 셀을 y축에 대해 층으로 나누어 각각의 층에 대한 전파행렬 P (y h )을 구하고 각각의 전파행렬의 곱으로 전체 투과행렬 F를 계산하여야 한다 즉 F는 P의 곱으로 표현된다
F = P (Nminus 1 )h h ) P (Nminus 2 )h h ) P h h P h 0 (24)
- 15 -
Fig 5와 같이 두께가 d인 액정 셀에 빛이 기판위에 입사한다면 입사측과 투과측의 전자기장 벡터 ψrarr(0 ) ψrarr(d )를 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr(d ) = F ψrarr
(0 ) (25)
Fig 5에서 액정이 n1 n2인 두 매질 사이에 위치하고 입사광 반사광 및 투과광의 전자기장 벡터를 ψi
minusrarr ψ r
minusrarr ψ t
minusrarr라 하면 다음과 같은 식이 성립한다
ψrarr(0 ) = ψi
minusrarr(z = 0 ) + ψr
minusrarr(z = 0 ) (26a)
ψrarr(d ) = ψt
minusrarr(z = d ) (26b)
Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
투과광 계산중 매질의 경계에서의 접선 방향 전기장 Et
minusrarr와 자기장 벡터 Ht
minusrarr
- 16 -
는 연속이므로 ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T도 연속이다 따라서 액정 층의 투과율
계산시 경계면에서의 전기장 벡터는 등방성인 주변매질 1 2에서의 전자기장 벡터를 이용한다 등방성 매질에서 자기장 벡터는 전기장 벡터와 굴절률 및 입사각을 포함하는 함수관계를 갖고 있으므로 ψrarr는 전기장 벡터 성분으로 아래와 같은 표시가 가능하다
ψi
rarr=
Ex
rxEx
Ez
rzEz
ψr
minusrarr=
Rx
minus rxRx
Rz
minusrzRz
ψt
rarr=
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(27)
rx =n1
cos θ1
rz = n1cos θ1
rx =n2
cos θ2
rz = n2cos θ2
θ2 = sin minus 1 [n1
n2
sin θ1 ] (28)
여기서 Rx Rz Tx Tz는 반사 전기장 벡터의 x z성분과 투과 전기장 벡터의 x z성분을 나타낸다 (27)~(28)식으로부터 액정 셀의 투과방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다
Ex + Rx
rx (Ex minusRx )Ez + Rz
rz (EzminusRz)
= F
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(29)
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이 식으로부터 Rx Rz를 제거하고 Ex Ez와 Tx Tz의 관계만을 설정하면 Ex Ez와 Tx Tz의 관계는 다음과 같은 22행렬로 정의된다
Tx
Tz=
a11 a12
a21 a22
Ex
Ez(30)
a11 =g32 + g42
D a12 =minus
g12 + g22
D
a21 =minusg31 + g41
D a22 =g11 + g21
D (31a)
g11 =(F11 + F12rx )
2 g12 =
(F13 + F14rz )
2
g21 =(F21 + F22rx )
2rx g22 =
(F23 + F24rz )
2rx
g31 =(F31 + F32rx )
2 g32 =
(F33 + F34rz )
2
g41 =(F41 + F42rx )
2rz g42 =
(F43 + F44rz )
2rz (31b)
D = (g11 + g21 )(g32 + g42 )minus (g21 + g22 )(g31 + g41 ) (31c)
그러나 전체 투과율을 계산하기 위하여 다시 Ex Ey와 Tx Ty를 Es Ep와 Ts Tp로 변환해 주어야 하며 입사면이 xz평면상에 존재한다고 가정하면 s = z이고 p = (cos θi sin θi 0 )이므로 다음과 같은 식이 성립한다
Es
Ep=
0 11 cos θi 0
Ex
Ez(32)
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입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고
Es
Ep=
1radic2
E0
e jα1
e jα2(33)
입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때 전체 투과율은 다음과 같이 나타난다
T =12
a112 +
a122
cos 2θi
+ a212cos 2 θi + a22
2 (34)
위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다
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제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
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Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
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제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
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Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
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[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatmentFig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profilesFig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV
treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12msFig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of
MVA-LCDs with UV treatmentFig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) OnFig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structureFig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of
MVA-LCDs with insertion of dielectricFig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrodeFig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common
electrodeFig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm
(c) 12micromFig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit widthFig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b)
30microm (c) 34micromFig 31 Comparison with average transmittance for spacing slitFig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel
electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
Fig 34 Structure of optimal unit pixelFig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profilesFig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with
patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
표 목차
Table Ⅰ Physical parameters used in the simulationTable Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
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제 1 장 서 론
인터넷 및 유무선 통신망의 발달은 인간의 생활에 필요한 정보를 제공하고 이러한 정보는 서로 공유되어야 한다 이러한 정보화 사회에서 정보를 수집 처리 저장하는 기술도 중요하지만 정보를 표시하는 장치인 디스플레이 장치는 정보 전달에 있어 가장 중요한 부분을 차지하고 있다 우리의 일상생활에서 정보 매체로서 휴대폰 PDA 컴퓨터 TV등 디스플레이가 차지하는 부분은 매우 광범위하다 특히 최근 모바일 및 미디어 산업의 급격한 발전으로 인하여 경량 박형의 평판 표시소자에 대한 수요가 급증하고 있으며 이중 액정표시장치(Liquid Crystal Display LCD)는 저전압 저전력 구동이 가능하기 때문에 많이 사용되고 있다 더욱이 박막 트랜지스터(Thin-Film Transistor TFT)를 이용한 구동방식은 해상도 명암대비비 색재현성 시인성등에서 우수한 특성을 보임으로서 각종 디스플레이에 폭넓게 채택되고 있다 이와 같이 액정표시장치의 사용 범위가 확대됨에 따라 시야각 응답속도 고명암대비비 밝기 개조 용량(gray-scale capability)등 전기광학적 특성을 개선하기 위한 노력이 활발히 진행되고 있다 또한 액정표시장치의 수요가 HDTV와 같은 동화상 구현으로 확대되면서 총천연색 빠른 응답속도 광시야각의 조건을 만족하는 액정표시장치 모드에 대한 연구가 반드시 필요하다
이에 고명암대비비를 가지는 Vertically Aligned(VA)-LCD에 대한 많은 연구가 수행되고 있다 VA-LCD는 러빙(rubbing) 공정을 하지 않는 장점이 있으나 액정 분자의 초기경사각이 없어 응답속도 및 액정 화소의 각 도메인의 크기가 불규칙적인 단점을 가지고 있다[1] 이러한 이유로 VA-LCD는 여러 가지 구조로 응용되어 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성시키는 Multi-domain Vertically Aligned(MVA)- LCD로 사용하고 있다 MVA-
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LCD는 VA-LCD의 특징인 고명암대비비는 물론 빠른 응답속도와 광시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 도메인을 형성시키는 방법은 자외선(Ultra-Violet UV) 처리를 통한 방법[2] 삼각돌기(protrusion)을 이용하는 방법[3] [4] 유전체 삽입 방법[5]~[8] 전극 패턴을 이용하는 방법[9]~[12] 등 다양하며 현재 많은 연구가 이루어지고 있다 이들 구조 중 화소전극 및 공통전극에 패턴을 하여 도메인을 형성하는 방법은 간단한 공정으로 완벽한 네개의 도메인을 가지기 때문에 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 보이며 패턴된 전극 근방에서 왜곡된 전기장이 측면전장효과와 동일하여 빠른 응답속도 특성을 가지기 때문에 차세대 대면적 디스플레이에 많은 적용이 기대된다 이러한 디스플레이의 고부가가치를 위해서 고품질의 제품이 저가격으로 실현되어야 하고 이를 위해 고명암대비비 높은 투과도 광시야각 빠른 응답속도 등 전기광학적 특성과 관련된 수많은 파라미터에 대한 특성 변화를 밝히고 최적화 하는 것은 필수적이다 그러나 방대한 파라미터들을 실험적으로 수행하는 것은 불가능하기 때문에 실제적으로는 약간의 검증 실험을 포함한 시뮬레이션 기법을 적용하여 적은 노력과 시간으로 최적 설계를 수행하고 있다
본 연구에서는 MVA-LCD의 최적 설계 조건을 얻기 위하여 액정분자의 동적 특성에 근거하여 그 전기광학 특성을 수치해석적 기법으로 계산하였다 액정 셀(cell)의 동특성을 분석함에 있어서는 에릭슨-레슬리(Ericksen-Leslie) 운동방정식으로부터 분자배열분포를 얻었으며 라플라스(Laplace)의 전위분포방정식으로부터 전위분포를 얻었다 수치해석적 기법으로는 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하여 계산하였다 또한 투과도 및 시야각 특성 등 광투과 특성 해석을 위해 계산된 분자분포를 가지고 베르만(Berreman)의 44 행렬법을 적용하였다
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제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
이 장에서는 액정표시소자의 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 하기 위해 사용되는 액정의 분자분포 방정식과 전위 분포 방정식에 대하여 논의하고 수치해석적 접근 방법에 대하여 기술하였다 또한 위의 결과로 구해진 액정의 분자 분포를 이용하여 광투과도 계산에 사용된 베르만 44 행렬법에 대하여 기술하였다
제 1 절 액정의 분자분포 방정식
단위 화소내의 액정의 운동과 방향자의 분포를 해석하기 위해 적용된 이론적 모델은 액정의 내부 운동량(inertial momentum)을 무시한 에릭슨-레슬리 이론에 기초한다 이때 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy fg)를 에릭슨-레슬리 방정식에 적용하면 다음과 같은 운동 방정식을 얻을 수 있다[13]
γ partpartt
ni = minus [fg ]n i+ λni i = x y z (1)
여기서 γ 는 회전 점성계수를 ni는 방향자의 직교성분을 λ는 n rarr
= 1 즉 방향자가 단위벡터 임을 내포하는 라그랑즈(Lagrange) 승수를 나타낸다 그리고 [fg ]ni
는 오일러-라그랑즈(Euler-Lagrangian) 방정식으로써 다음과 같이 표현된다
[fg ]ni=
partfgpartni
minusddx
(partf g
partnix
) minusddy
(partfgpartniy
) minusddz
(partf g
partniz
) (2)
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이때 액정의 자유 에너지(fg)는 화소 내부의 탄성에너지(fs )와 외부에서 공급한 정전에너지(fe )의 차로 표현된다
fg = fs minus fe (3)
일반적으로 깁스 자유 에너지의 탄성에너지 밀도를 표현하는 방법은 벡터접근법과 텐서접근법이라는 두가지 방법을 통해 이루어지고 있다[14]
오슨-프랑크(Oseen-Frank) 탄성이론으로부터 액정의 탄성에너지를 방향자 nrarr 에 대하여 다음과 같이 표현한다
fs =
12
K 1 1 (nabla nrarr) 2 +
12
K 22 (nrarr nabla n
rarr+ q0 )2
+12
K 33 (nrarr nabla n
rarr)2
(4)
벡터접근법은 lsquo액정분자가 평형상태를 벗어나면 원상태로 돌아가려는 복원력을 가지며 이러한 액정의 복원력은 변형의 정도에 비례한다rsquo라는 탄성 이론으로부터 정의되었다 이러한 변형은 크게 스프레이(splay) 트위스트(twist) 벤드(bend) 변형으로 나타낼 수 있다 또한 변형의 크기에 비례하는 상수를 각각 스프레이(K11) 트위스트(K22) 벤드(K33) 상수라 한다 그리고 q0는 chirality이다
이에 반하여 텐서접근법은 드 쟝(de Gennes)의 질서도 텐서(order tensor)를 이용하여 기술하며 이때의 탄성에너지는 다음과 같이 나타낸다
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fs = (minus
K 11
12+
K22
4+
K33
12)G ( 2 )
1 (K11 minus K22
2)G (2 )
2
+K 33 minus K 11
4)G (3 )
6 + q0K22G(2 )
4
(5)
이때 G와 Q는 다음과 같이 표현된다
G (2 )1 = QijkQijk
G (2 )2 = QijkQikk
G (2 )4 = eijkQilQjlk
G (3 )6 = QijQkliQklj
Qij = ninj minusij
3 (order tensor) (6)
여기서 아래 첨자는 아인슈타인(Einstein)의 표기법에 따른 것이다 또한 eijk는 치환 기호(permutation symbol)를 의미한다
다음으로 주어진 화소의 각종 전극에 인가되는 전압에 의하여 형성되는 전기 에너지밀도는 다음과 같다
fe =12 0φ l lmφ m (7)
위의 식에서 φ (x y z )는 액정의 화소 및 각종 전극에 인가된 전압에 의해 형성된 전위분포를 나타내며 lm은 비유전율 텐서로서 lm = perp lm + ∆ nlnm
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으로 표현되며 0는 자유공간에서의 유전율이다 또한 ∆ = minus perp로서 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율의 차를 나타낸다 여기서 전위분포함수 φ (x y z )는 적절한 경계조건에 대하여 맥스웰 방정식으로부터 유도된 식 (8)의 라플라스 방정식을 시뮬레이션하여 얻을 수 있다[15]
ij(xy z)φ (xy z)j i= 0 (8)
이로부터 식 (4)와 (7)을 식 (1)에 대입함으로써 벡터접근법에 기초한 액정 방향자의 운동방정식을 얻을 수 있다 그러나 벡터접근법에 대한 운동방정식은 매우 복잡하기 때문에 편의상 탄성계수가 등방인 모델 즉 K11 = K22 = K33 = K로 단순화 하면 운동방정식은 다음과 같이 표현된다
γ partni
partt= K (
part2ni
partx 2+
part2ni
party 2+
part2ni
partz 2) + 0 ( minus perp )njφ jφ i + λni (9)
반면 텐서접근법으로부터 유도되는 액정 방향자의 운동 방정식은 이방 탄성계수 모델에 대하여 텐서 표기법으로 나타낼 수 있기 때문에 다음과 같이 표현된다
γpartni
partt=
13
(minus K 11 + 3K 22 + K33 )(njQjil l ) + (K11 minus K22 )nj (Qil lj + Qjlli )
+ (K33 minus K 11
2)nj [(2QlmmQji l + 2QlmQji lm minus QlmiQlmj )]
+ 2q0K22nj (eimlQljm + ejmlQlim ) + 0∆ njφ jφ i + λni
(10)
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여기서 액정 방향자 nrarr 은 방위각 φ와 경사각 θ에 대하여 다음과 같이 표현할 수 있다
nrarr= (cos θ cos φ cos θ sin φ sinθ ) (11)
Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
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제 2 절 수치해석적 계산 기법
앞절에서 논의한 운동방정식 및 전위분포 방정식을 계산함에 있어 식 (1)과 (8)를 동시에 시뮬레이션 하여야 한다 또한 방정식들이 비선형이기 때문에 반복 계산 과정을 적용하여 정상 상태가 될 때까지의 최종 시간에 대하여 주어진 분자 분포에 대한 전위 분포와 그에 따른 분자 분포를 서로 교번하여 계산을 수행한다
Fig 2 Flow chart of simulation
수치해석 방법은 복잡하고 고차 비선형 방정식인 점을 고려하여 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하였다 유한차분법을 적용하기 위해서 공간적으로 격자는 균일 격자간격을 사용하였다 또한 중앙차분법(central space scheme)을 사용하였다 경계조건으로 본 연구에서는 강한
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앵커링(anchoring)을 가정하였기 때문에 상하기판에의 방향자는 러빙 방향과 초기경사각에 의해 정의되고 항상 고정되어 있다고 가정하여 디리슐레(Dirichlet) 경계조건이 적용되었다 특히 전위분포의 계산에 효율성을 위하여 z축 방향의 양 끝에서 노이만(Neumann) 경계조건을 적용하였다 또한 방향자와 전위 분포 모두에 있어 x와 y방향에 대해서는 주기 경계조건을 적용하였다
시간적으로는 내삽법(implicit method)의 경우 운동방정식의 비선형성으로 인한 많은 문제가 야기되므로 외삽법(explicit method)을 사용하여 시간 적분을 계산하였다[12]
또한 라그랑즈 승수 λ는 매 시간증가시 재계산된 방향 성분이 액정방향자의 기본 조건인 n
rarr = n 2
x + n 2y + n 2
z = 1을 만족시키기 위한 목적으로 사용되었으며 계산의 편의를 위하여 k + 1번째 방향자를 계산함에 있어 λ를 제거한 뒤 k + 1번째 방향자를 계산하고 이를 다시 재 정규화 함으로써 방향자를 단위 벡터로 유지하였다
한편 전위 분포 시뮬레이션에서는 적절한 경계조건에 대하여 연속과도완화법(successive over relaxation SOR) 방법이 적용되었다 이때 정확한 계산을 위해 매 시간 단계에 대해 전위 분포 시뮬레이션이 수행 되어야 하나 많은 계산 시간이 요구되어지므로 전체 해에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 액정의 반응 속도에 따라 적절한 횟수로 줄여서 시뮬레이션 한다
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제 3 절 광투과율 계산
액정은 장축과 단축의 굴절율이 다른 비등방 매질이며 불균일 매질이다 따라서 액정의 광투과 특성을 분석하기 위해서는 일반적으로 베르만 44 행렬법을 적용한다[16]~[19] 이러한 불균일성에 대하여 액정 셀을 무수히 얇은 다중층으로 설정하며 이렇게 설정된 각 층에서는 액정이 균일한 매질이라는 가정하에 각 층의 전파행렬을 계산함으로써 전체 전파특성 행렬을 계산할 수 있다 각 층에서는 액정이 균일하다고 가정하였으므로 굴절율에 대한 유전율 텐서를 알면 각 층에서의 전자장의 전파관계가 표현된다
Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
partparty
Ex
Hz
Ez
minusHx
=iwc
∆11 ∆12 ∆13 0∆21 ∆11 ∆23 00 0 0 1
∆23 ∆13 ∆43 0
Ex
Hz
Ez
minus Hx
(12)
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여기서 행렬 요소 ∆ij는 다음과 같다
∆11 =minus X 13
33
∆12 = 1 minus X 2 1
33
∆13 =minus X 23
33
∆21 = 11 minus X213
33
∆23 = 12 minus13 23
33 ∆43 = 22 minus
23
33
minus X 2 (13)
여기에서 ij = perp ij + ∆ ninj로 표현된다 이 식에서 와 perp는 각각 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율을 나타내고 ∆ 은 이 둘의 차를 나타낸다 또한 액정의 굴절률과는 no =
radicperp ne =
radic 의 관계가 있다 X는 x축 방향으로의 전파상수와 관련된 값으로 X =
cξw
로 나타낼 수 있다 전파행렬 P 는 Fig 4에서 각층에 대한 광학투과특성을 나타내며 일계 미분방정식 식(12)로부터 다음과 같이 정의한다 즉 y1에서 y2사이의 균일 매질을 전파하는 전자기장 벡터의 관계는 다음 식과 같이 정의 할 수 있다
ψrarr(y2 ) = P(y1 y2 )ψrarr
(y1 ) (14)
(14)식에서 전자기장 벡터는 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T (15)
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Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
베르만은 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 균일한 매질에서 전파 행렬을 계산하고 광투과 특성을 분석하는 방법을 기술하였다 본 연구에서는 이를 액정에 적용함으로써 해석적인 방법으로 고유벡터를 계산한다
만약 ∆행렬이 미소구간 y에 대해 독립적이라면 (15)는 다음과 같은 일반해를 가질 것이다 이것은 일반적으로 파동의 전파에 따른 위상 변화를 나타내고 있다
ψj
minusrarr(y ) = e iqjyψj
minusrarr(0 ) (16)
여기서 qj = λjwc
의 관계가 성립된다 이식을 (15)식에 대입하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다
iqjψ j
minusrarr(0 ) = i
wc∆ψj
minusrarr(0 ) (17)
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여기서 λj = qjcw
이므로 위 식은 다음과 같이 정리 할 수 있다
∆ψj
minusrarr(0 ) = λ jψj
minusrarr(0 ) (18)
λj는 ∆행렬의 고유값(eigenvalue) ψj
minusrarr(0 )는 이 ∆행렬의 고유벡터이다
∆가 44행렬이므로 λi는 4개의 근이 되고 고유벡터도 4개의 기저를 가질 것이다 따라서 고유값을 위의 ∆행렬에 대입하고 고유벡터를 계산하면 다음과 같다
ψj
minusrarr= Nj
bj (∆11 minusλj)minus∆23 aj
minus∆21 bj
∆21 aj
λ ∆21 aj
(19a)
aj = ∆12∆23 minus∆13 (∆11 minus λj) (19b) bj = ∆13∆23 minus (∆11 minusλj) (∆43 minus λ2
j ) (19c)
Nj는 정규화 계수(normalizing coefficient)이다 이렇게 정의된 4개의 고유벡터를 이용하여 Ψ행렬을 만들 수 있다
Ψ=
ψ11 ψ12 ψ13 ψ14
ψ21 ψ22 ψ23 ψ24
ψ31 ψ32 ψ33 ψ34
ψ41 ψ42 ψ43 ψ44
(20)
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h만큼 진행한 후의 진행파의 위상변화를 나타내는 대각행렬인 K행렬을 대각요소가 다음과 같은 값을 갖는 행렬로 정의하자
Kjj = e iqjh (21)
이때 다음과 같은 행렬식이 성립된다
ΨK = PΨ (22)
따라서 우리가 구하고자 하는 전파행렬은 다음과 같은 식으로 계산 할 수 있다
P = Ψ K Ψminus 1 (23)
이제 위에서 베르만 44 행렬법을 바탕으로 액정 셀의 각층에 대한 전파행렬을 계산하는 방법을 논의하였고 이를 바탕으로 액정 셀의 전체 투과율을 구하는 방법을 논의하고자 한다
투과율을 계산하기 위해서는 Fig 4와 같이 액정 셀을 y축에 대해 층으로 나누어 각각의 층에 대한 전파행렬 P (y h )을 구하고 각각의 전파행렬의 곱으로 전체 투과행렬 F를 계산하여야 한다 즉 F는 P의 곱으로 표현된다
F = P (Nminus 1 )h h ) P (Nminus 2 )h h ) P h h P h 0 (24)
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Fig 5와 같이 두께가 d인 액정 셀에 빛이 기판위에 입사한다면 입사측과 투과측의 전자기장 벡터 ψrarr(0 ) ψrarr(d )를 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr(d ) = F ψrarr
(0 ) (25)
Fig 5에서 액정이 n1 n2인 두 매질 사이에 위치하고 입사광 반사광 및 투과광의 전자기장 벡터를 ψi
minusrarr ψ r
minusrarr ψ t
minusrarr라 하면 다음과 같은 식이 성립한다
ψrarr(0 ) = ψi
minusrarr(z = 0 ) + ψr
minusrarr(z = 0 ) (26a)
ψrarr(d ) = ψt
minusrarr(z = d ) (26b)
Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
투과광 계산중 매질의 경계에서의 접선 방향 전기장 Et
minusrarr와 자기장 벡터 Ht
minusrarr
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는 연속이므로 ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T도 연속이다 따라서 액정 층의 투과율
계산시 경계면에서의 전기장 벡터는 등방성인 주변매질 1 2에서의 전자기장 벡터를 이용한다 등방성 매질에서 자기장 벡터는 전기장 벡터와 굴절률 및 입사각을 포함하는 함수관계를 갖고 있으므로 ψrarr는 전기장 벡터 성분으로 아래와 같은 표시가 가능하다
ψi
rarr=
Ex
rxEx
Ez
rzEz
ψr
minusrarr=
Rx
minus rxRx
Rz
minusrzRz
ψt
rarr=
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(27)
rx =n1
cos θ1
rz = n1cos θ1
rx =n2
cos θ2
rz = n2cos θ2
θ2 = sin minus 1 [n1
n2
sin θ1 ] (28)
여기서 Rx Rz Tx Tz는 반사 전기장 벡터의 x z성분과 투과 전기장 벡터의 x z성분을 나타낸다 (27)~(28)식으로부터 액정 셀의 투과방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다
Ex + Rx
rx (Ex minusRx )Ez + Rz
rz (EzminusRz)
= F
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(29)
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이 식으로부터 Rx Rz를 제거하고 Ex Ez와 Tx Tz의 관계만을 설정하면 Ex Ez와 Tx Tz의 관계는 다음과 같은 22행렬로 정의된다
Tx
Tz=
a11 a12
a21 a22
Ex
Ez(30)
a11 =g32 + g42
D a12 =minus
g12 + g22
D
a21 =minusg31 + g41
D a22 =g11 + g21
D (31a)
g11 =(F11 + F12rx )
2 g12 =
(F13 + F14rz )
2
g21 =(F21 + F22rx )
2rx g22 =
(F23 + F24rz )
2rx
g31 =(F31 + F32rx )
2 g32 =
(F33 + F34rz )
2
g41 =(F41 + F42rx )
2rz g42 =
(F43 + F44rz )
2rz (31b)
D = (g11 + g21 )(g32 + g42 )minus (g21 + g22 )(g31 + g41 ) (31c)
그러나 전체 투과율을 계산하기 위하여 다시 Ex Ey와 Tx Ty를 Es Ep와 Ts Tp로 변환해 주어야 하며 입사면이 xz평면상에 존재한다고 가정하면 s = z이고 p = (cos θi sin θi 0 )이므로 다음과 같은 식이 성립한다
Es
Ep=
0 11 cos θi 0
Ex
Ez(32)
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입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고
Es
Ep=
1radic2
E0
e jα1
e jα2(33)
입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때 전체 투과율은 다음과 같이 나타난다
T =12
a112 +
a122
cos 2θi
+ a212cos 2 θi + a22
2 (34)
위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다
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제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
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Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
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제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
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다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
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(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
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가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
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Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
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[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
MVA-LCDs with insertion of dielectricFig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrodeFig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common
electrodeFig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm
(c) 12micromFig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit widthFig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b)
30microm (c) 34micromFig 31 Comparison with average transmittance for spacing slitFig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel
electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
Fig 34 Structure of optimal unit pixelFig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profilesFig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with
patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
표 목차
Table Ⅰ Physical parameters used in the simulationTable Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
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제 1 장 서 론
인터넷 및 유무선 통신망의 발달은 인간의 생활에 필요한 정보를 제공하고 이러한 정보는 서로 공유되어야 한다 이러한 정보화 사회에서 정보를 수집 처리 저장하는 기술도 중요하지만 정보를 표시하는 장치인 디스플레이 장치는 정보 전달에 있어 가장 중요한 부분을 차지하고 있다 우리의 일상생활에서 정보 매체로서 휴대폰 PDA 컴퓨터 TV등 디스플레이가 차지하는 부분은 매우 광범위하다 특히 최근 모바일 및 미디어 산업의 급격한 발전으로 인하여 경량 박형의 평판 표시소자에 대한 수요가 급증하고 있으며 이중 액정표시장치(Liquid Crystal Display LCD)는 저전압 저전력 구동이 가능하기 때문에 많이 사용되고 있다 더욱이 박막 트랜지스터(Thin-Film Transistor TFT)를 이용한 구동방식은 해상도 명암대비비 색재현성 시인성등에서 우수한 특성을 보임으로서 각종 디스플레이에 폭넓게 채택되고 있다 이와 같이 액정표시장치의 사용 범위가 확대됨에 따라 시야각 응답속도 고명암대비비 밝기 개조 용량(gray-scale capability)등 전기광학적 특성을 개선하기 위한 노력이 활발히 진행되고 있다 또한 액정표시장치의 수요가 HDTV와 같은 동화상 구현으로 확대되면서 총천연색 빠른 응답속도 광시야각의 조건을 만족하는 액정표시장치 모드에 대한 연구가 반드시 필요하다
이에 고명암대비비를 가지는 Vertically Aligned(VA)-LCD에 대한 많은 연구가 수행되고 있다 VA-LCD는 러빙(rubbing) 공정을 하지 않는 장점이 있으나 액정 분자의 초기경사각이 없어 응답속도 및 액정 화소의 각 도메인의 크기가 불규칙적인 단점을 가지고 있다[1] 이러한 이유로 VA-LCD는 여러 가지 구조로 응용되어 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성시키는 Multi-domain Vertically Aligned(MVA)- LCD로 사용하고 있다 MVA-
- 2 -
LCD는 VA-LCD의 특징인 고명암대비비는 물론 빠른 응답속도와 광시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 도메인을 형성시키는 방법은 자외선(Ultra-Violet UV) 처리를 통한 방법[2] 삼각돌기(protrusion)을 이용하는 방법[3] [4] 유전체 삽입 방법[5]~[8] 전극 패턴을 이용하는 방법[9]~[12] 등 다양하며 현재 많은 연구가 이루어지고 있다 이들 구조 중 화소전극 및 공통전극에 패턴을 하여 도메인을 형성하는 방법은 간단한 공정으로 완벽한 네개의 도메인을 가지기 때문에 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 보이며 패턴된 전극 근방에서 왜곡된 전기장이 측면전장효과와 동일하여 빠른 응답속도 특성을 가지기 때문에 차세대 대면적 디스플레이에 많은 적용이 기대된다 이러한 디스플레이의 고부가가치를 위해서 고품질의 제품이 저가격으로 실현되어야 하고 이를 위해 고명암대비비 높은 투과도 광시야각 빠른 응답속도 등 전기광학적 특성과 관련된 수많은 파라미터에 대한 특성 변화를 밝히고 최적화 하는 것은 필수적이다 그러나 방대한 파라미터들을 실험적으로 수행하는 것은 불가능하기 때문에 실제적으로는 약간의 검증 실험을 포함한 시뮬레이션 기법을 적용하여 적은 노력과 시간으로 최적 설계를 수행하고 있다
본 연구에서는 MVA-LCD의 최적 설계 조건을 얻기 위하여 액정분자의 동적 특성에 근거하여 그 전기광학 특성을 수치해석적 기법으로 계산하였다 액정 셀(cell)의 동특성을 분석함에 있어서는 에릭슨-레슬리(Ericksen-Leslie) 운동방정식으로부터 분자배열분포를 얻었으며 라플라스(Laplace)의 전위분포방정식으로부터 전위분포를 얻었다 수치해석적 기법으로는 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하여 계산하였다 또한 투과도 및 시야각 특성 등 광투과 특성 해석을 위해 계산된 분자분포를 가지고 베르만(Berreman)의 44 행렬법을 적용하였다
- 3 -
제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
이 장에서는 액정표시소자의 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 하기 위해 사용되는 액정의 분자분포 방정식과 전위 분포 방정식에 대하여 논의하고 수치해석적 접근 방법에 대하여 기술하였다 또한 위의 결과로 구해진 액정의 분자 분포를 이용하여 광투과도 계산에 사용된 베르만 44 행렬법에 대하여 기술하였다
제 1 절 액정의 분자분포 방정식
단위 화소내의 액정의 운동과 방향자의 분포를 해석하기 위해 적용된 이론적 모델은 액정의 내부 운동량(inertial momentum)을 무시한 에릭슨-레슬리 이론에 기초한다 이때 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy fg)를 에릭슨-레슬리 방정식에 적용하면 다음과 같은 운동 방정식을 얻을 수 있다[13]
γ partpartt
ni = minus [fg ]n i+ λni i = x y z (1)
여기서 γ 는 회전 점성계수를 ni는 방향자의 직교성분을 λ는 n rarr
= 1 즉 방향자가 단위벡터 임을 내포하는 라그랑즈(Lagrange) 승수를 나타낸다 그리고 [fg ]ni
는 오일러-라그랑즈(Euler-Lagrangian) 방정식으로써 다음과 같이 표현된다
[fg ]ni=
partfgpartni
minusddx
(partf g
partnix
) minusddy
(partfgpartniy
) minusddz
(partf g
partniz
) (2)
- 4 -
이때 액정의 자유 에너지(fg)는 화소 내부의 탄성에너지(fs )와 외부에서 공급한 정전에너지(fe )의 차로 표현된다
fg = fs minus fe (3)
일반적으로 깁스 자유 에너지의 탄성에너지 밀도를 표현하는 방법은 벡터접근법과 텐서접근법이라는 두가지 방법을 통해 이루어지고 있다[14]
오슨-프랑크(Oseen-Frank) 탄성이론으로부터 액정의 탄성에너지를 방향자 nrarr 에 대하여 다음과 같이 표현한다
fs =
12
K 1 1 (nabla nrarr) 2 +
12
K 22 (nrarr nabla n
rarr+ q0 )2
+12
K 33 (nrarr nabla n
rarr)2
(4)
벡터접근법은 lsquo액정분자가 평형상태를 벗어나면 원상태로 돌아가려는 복원력을 가지며 이러한 액정의 복원력은 변형의 정도에 비례한다rsquo라는 탄성 이론으로부터 정의되었다 이러한 변형은 크게 스프레이(splay) 트위스트(twist) 벤드(bend) 변형으로 나타낼 수 있다 또한 변형의 크기에 비례하는 상수를 각각 스프레이(K11) 트위스트(K22) 벤드(K33) 상수라 한다 그리고 q0는 chirality이다
이에 반하여 텐서접근법은 드 쟝(de Gennes)의 질서도 텐서(order tensor)를 이용하여 기술하며 이때의 탄성에너지는 다음과 같이 나타낸다
- 5 -
fs = (minus
K 11
12+
K22
4+
K33
12)G ( 2 )
1 (K11 minus K22
2)G (2 )
2
+K 33 minus K 11
4)G (3 )
6 + q0K22G(2 )
4
(5)
이때 G와 Q는 다음과 같이 표현된다
G (2 )1 = QijkQijk
G (2 )2 = QijkQikk
G (2 )4 = eijkQilQjlk
G (3 )6 = QijQkliQklj
Qij = ninj minusij
3 (order tensor) (6)
여기서 아래 첨자는 아인슈타인(Einstein)의 표기법에 따른 것이다 또한 eijk는 치환 기호(permutation symbol)를 의미한다
다음으로 주어진 화소의 각종 전극에 인가되는 전압에 의하여 형성되는 전기 에너지밀도는 다음과 같다
fe =12 0φ l lmφ m (7)
위의 식에서 φ (x y z )는 액정의 화소 및 각종 전극에 인가된 전압에 의해 형성된 전위분포를 나타내며 lm은 비유전율 텐서로서 lm = perp lm + ∆ nlnm
- 6 -
으로 표현되며 0는 자유공간에서의 유전율이다 또한 ∆ = minus perp로서 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율의 차를 나타낸다 여기서 전위분포함수 φ (x y z )는 적절한 경계조건에 대하여 맥스웰 방정식으로부터 유도된 식 (8)의 라플라스 방정식을 시뮬레이션하여 얻을 수 있다[15]
ij(xy z)φ (xy z)j i= 0 (8)
이로부터 식 (4)와 (7)을 식 (1)에 대입함으로써 벡터접근법에 기초한 액정 방향자의 운동방정식을 얻을 수 있다 그러나 벡터접근법에 대한 운동방정식은 매우 복잡하기 때문에 편의상 탄성계수가 등방인 모델 즉 K11 = K22 = K33 = K로 단순화 하면 운동방정식은 다음과 같이 표현된다
γ partni
partt= K (
part2ni
partx 2+
part2ni
party 2+
part2ni
partz 2) + 0 ( minus perp )njφ jφ i + λni (9)
반면 텐서접근법으로부터 유도되는 액정 방향자의 운동 방정식은 이방 탄성계수 모델에 대하여 텐서 표기법으로 나타낼 수 있기 때문에 다음과 같이 표현된다
γpartni
partt=
13
(minus K 11 + 3K 22 + K33 )(njQjil l ) + (K11 minus K22 )nj (Qil lj + Qjlli )
+ (K33 minus K 11
2)nj [(2QlmmQji l + 2QlmQji lm minus QlmiQlmj )]
+ 2q0K22nj (eimlQljm + ejmlQlim ) + 0∆ njφ jφ i + λni
(10)
- 7 -
여기서 액정 방향자 nrarr 은 방위각 φ와 경사각 θ에 대하여 다음과 같이 표현할 수 있다
nrarr= (cos θ cos φ cos θ sin φ sinθ ) (11)
Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- 8 -
제 2 절 수치해석적 계산 기법
앞절에서 논의한 운동방정식 및 전위분포 방정식을 계산함에 있어 식 (1)과 (8)를 동시에 시뮬레이션 하여야 한다 또한 방정식들이 비선형이기 때문에 반복 계산 과정을 적용하여 정상 상태가 될 때까지의 최종 시간에 대하여 주어진 분자 분포에 대한 전위 분포와 그에 따른 분자 분포를 서로 교번하여 계산을 수행한다
Fig 2 Flow chart of simulation
수치해석 방법은 복잡하고 고차 비선형 방정식인 점을 고려하여 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하였다 유한차분법을 적용하기 위해서 공간적으로 격자는 균일 격자간격을 사용하였다 또한 중앙차분법(central space scheme)을 사용하였다 경계조건으로 본 연구에서는 강한
- 9 -
앵커링(anchoring)을 가정하였기 때문에 상하기판에의 방향자는 러빙 방향과 초기경사각에 의해 정의되고 항상 고정되어 있다고 가정하여 디리슐레(Dirichlet) 경계조건이 적용되었다 특히 전위분포의 계산에 효율성을 위하여 z축 방향의 양 끝에서 노이만(Neumann) 경계조건을 적용하였다 또한 방향자와 전위 분포 모두에 있어 x와 y방향에 대해서는 주기 경계조건을 적용하였다
시간적으로는 내삽법(implicit method)의 경우 운동방정식의 비선형성으로 인한 많은 문제가 야기되므로 외삽법(explicit method)을 사용하여 시간 적분을 계산하였다[12]
또한 라그랑즈 승수 λ는 매 시간증가시 재계산된 방향 성분이 액정방향자의 기본 조건인 n
rarr = n 2
x + n 2y + n 2
z = 1을 만족시키기 위한 목적으로 사용되었으며 계산의 편의를 위하여 k + 1번째 방향자를 계산함에 있어 λ를 제거한 뒤 k + 1번째 방향자를 계산하고 이를 다시 재 정규화 함으로써 방향자를 단위 벡터로 유지하였다
한편 전위 분포 시뮬레이션에서는 적절한 경계조건에 대하여 연속과도완화법(successive over relaxation SOR) 방법이 적용되었다 이때 정확한 계산을 위해 매 시간 단계에 대해 전위 분포 시뮬레이션이 수행 되어야 하나 많은 계산 시간이 요구되어지므로 전체 해에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 액정의 반응 속도에 따라 적절한 횟수로 줄여서 시뮬레이션 한다
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제 3 절 광투과율 계산
액정은 장축과 단축의 굴절율이 다른 비등방 매질이며 불균일 매질이다 따라서 액정의 광투과 특성을 분석하기 위해서는 일반적으로 베르만 44 행렬법을 적용한다[16]~[19] 이러한 불균일성에 대하여 액정 셀을 무수히 얇은 다중층으로 설정하며 이렇게 설정된 각 층에서는 액정이 균일한 매질이라는 가정하에 각 층의 전파행렬을 계산함으로써 전체 전파특성 행렬을 계산할 수 있다 각 층에서는 액정이 균일하다고 가정하였으므로 굴절율에 대한 유전율 텐서를 알면 각 층에서의 전자장의 전파관계가 표현된다
Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
partparty
Ex
Hz
Ez
minusHx
=iwc
∆11 ∆12 ∆13 0∆21 ∆11 ∆23 00 0 0 1
∆23 ∆13 ∆43 0
Ex
Hz
Ez
minus Hx
(12)
- 11 -
여기서 행렬 요소 ∆ij는 다음과 같다
∆11 =minus X 13
33
∆12 = 1 minus X 2 1
33
∆13 =minus X 23
33
∆21 = 11 minus X213
33
∆23 = 12 minus13 23
33 ∆43 = 22 minus
23
33
minus X 2 (13)
여기에서 ij = perp ij + ∆ ninj로 표현된다 이 식에서 와 perp는 각각 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율을 나타내고 ∆ 은 이 둘의 차를 나타낸다 또한 액정의 굴절률과는 no =
radicperp ne =
radic 의 관계가 있다 X는 x축 방향으로의 전파상수와 관련된 값으로 X =
cξw
로 나타낼 수 있다 전파행렬 P 는 Fig 4에서 각층에 대한 광학투과특성을 나타내며 일계 미분방정식 식(12)로부터 다음과 같이 정의한다 즉 y1에서 y2사이의 균일 매질을 전파하는 전자기장 벡터의 관계는 다음 식과 같이 정의 할 수 있다
ψrarr(y2 ) = P(y1 y2 )ψrarr
(y1 ) (14)
(14)식에서 전자기장 벡터는 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T (15)
- 12 -
Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
베르만은 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 균일한 매질에서 전파 행렬을 계산하고 광투과 특성을 분석하는 방법을 기술하였다 본 연구에서는 이를 액정에 적용함으로써 해석적인 방법으로 고유벡터를 계산한다
만약 ∆행렬이 미소구간 y에 대해 독립적이라면 (15)는 다음과 같은 일반해를 가질 것이다 이것은 일반적으로 파동의 전파에 따른 위상 변화를 나타내고 있다
ψj
minusrarr(y ) = e iqjyψj
minusrarr(0 ) (16)
여기서 qj = λjwc
의 관계가 성립된다 이식을 (15)식에 대입하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다
iqjψ j
minusrarr(0 ) = i
wc∆ψj
minusrarr(0 ) (17)
- 13 -
여기서 λj = qjcw
이므로 위 식은 다음과 같이 정리 할 수 있다
∆ψj
minusrarr(0 ) = λ jψj
minusrarr(0 ) (18)
λj는 ∆행렬의 고유값(eigenvalue) ψj
minusrarr(0 )는 이 ∆행렬의 고유벡터이다
∆가 44행렬이므로 λi는 4개의 근이 되고 고유벡터도 4개의 기저를 가질 것이다 따라서 고유값을 위의 ∆행렬에 대입하고 고유벡터를 계산하면 다음과 같다
ψj
minusrarr= Nj
bj (∆11 minusλj)minus∆23 aj
minus∆21 bj
∆21 aj
λ ∆21 aj
(19a)
aj = ∆12∆23 minus∆13 (∆11 minus λj) (19b) bj = ∆13∆23 minus (∆11 minusλj) (∆43 minus λ2
j ) (19c)
Nj는 정규화 계수(normalizing coefficient)이다 이렇게 정의된 4개의 고유벡터를 이용하여 Ψ행렬을 만들 수 있다
Ψ=
ψ11 ψ12 ψ13 ψ14
ψ21 ψ22 ψ23 ψ24
ψ31 ψ32 ψ33 ψ34
ψ41 ψ42 ψ43 ψ44
(20)
- 14 -
h만큼 진행한 후의 진행파의 위상변화를 나타내는 대각행렬인 K행렬을 대각요소가 다음과 같은 값을 갖는 행렬로 정의하자
Kjj = e iqjh (21)
이때 다음과 같은 행렬식이 성립된다
ΨK = PΨ (22)
따라서 우리가 구하고자 하는 전파행렬은 다음과 같은 식으로 계산 할 수 있다
P = Ψ K Ψminus 1 (23)
이제 위에서 베르만 44 행렬법을 바탕으로 액정 셀의 각층에 대한 전파행렬을 계산하는 방법을 논의하였고 이를 바탕으로 액정 셀의 전체 투과율을 구하는 방법을 논의하고자 한다
투과율을 계산하기 위해서는 Fig 4와 같이 액정 셀을 y축에 대해 층으로 나누어 각각의 층에 대한 전파행렬 P (y h )을 구하고 각각의 전파행렬의 곱으로 전체 투과행렬 F를 계산하여야 한다 즉 F는 P의 곱으로 표현된다
F = P (Nminus 1 )h h ) P (Nminus 2 )h h ) P h h P h 0 (24)
- 15 -
Fig 5와 같이 두께가 d인 액정 셀에 빛이 기판위에 입사한다면 입사측과 투과측의 전자기장 벡터 ψrarr(0 ) ψrarr(d )를 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr(d ) = F ψrarr
(0 ) (25)
Fig 5에서 액정이 n1 n2인 두 매질 사이에 위치하고 입사광 반사광 및 투과광의 전자기장 벡터를 ψi
minusrarr ψ r
minusrarr ψ t
minusrarr라 하면 다음과 같은 식이 성립한다
ψrarr(0 ) = ψi
minusrarr(z = 0 ) + ψr
minusrarr(z = 0 ) (26a)
ψrarr(d ) = ψt
minusrarr(z = d ) (26b)
Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
투과광 계산중 매질의 경계에서의 접선 방향 전기장 Et
minusrarr와 자기장 벡터 Ht
minusrarr
- 16 -
는 연속이므로 ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T도 연속이다 따라서 액정 층의 투과율
계산시 경계면에서의 전기장 벡터는 등방성인 주변매질 1 2에서의 전자기장 벡터를 이용한다 등방성 매질에서 자기장 벡터는 전기장 벡터와 굴절률 및 입사각을 포함하는 함수관계를 갖고 있으므로 ψrarr는 전기장 벡터 성분으로 아래와 같은 표시가 가능하다
ψi
rarr=
Ex
rxEx
Ez
rzEz
ψr
minusrarr=
Rx
minus rxRx
Rz
minusrzRz
ψt
rarr=
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(27)
rx =n1
cos θ1
rz = n1cos θ1
rx =n2
cos θ2
rz = n2cos θ2
θ2 = sin minus 1 [n1
n2
sin θ1 ] (28)
여기서 Rx Rz Tx Tz는 반사 전기장 벡터의 x z성분과 투과 전기장 벡터의 x z성분을 나타낸다 (27)~(28)식으로부터 액정 셀의 투과방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다
Ex + Rx
rx (Ex minusRx )Ez + Rz
rz (EzminusRz)
= F
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(29)
- 17 -
이 식으로부터 Rx Rz를 제거하고 Ex Ez와 Tx Tz의 관계만을 설정하면 Ex Ez와 Tx Tz의 관계는 다음과 같은 22행렬로 정의된다
Tx
Tz=
a11 a12
a21 a22
Ex
Ez(30)
a11 =g32 + g42
D a12 =minus
g12 + g22
D
a21 =minusg31 + g41
D a22 =g11 + g21
D (31a)
g11 =(F11 + F12rx )
2 g12 =
(F13 + F14rz )
2
g21 =(F21 + F22rx )
2rx g22 =
(F23 + F24rz )
2rx
g31 =(F31 + F32rx )
2 g32 =
(F33 + F34rz )
2
g41 =(F41 + F42rx )
2rz g42 =
(F43 + F44rz )
2rz (31b)
D = (g11 + g21 )(g32 + g42 )minus (g21 + g22 )(g31 + g41 ) (31c)
그러나 전체 투과율을 계산하기 위하여 다시 Ex Ey와 Tx Ty를 Es Ep와 Ts Tp로 변환해 주어야 하며 입사면이 xz평면상에 존재한다고 가정하면 s = z이고 p = (cos θi sin θi 0 )이므로 다음과 같은 식이 성립한다
Es
Ep=
0 11 cos θi 0
Ex
Ez(32)
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입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고
Es
Ep=
1radic2
E0
e jα1
e jα2(33)
입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때 전체 투과율은 다음과 같이 나타난다
T =12
a112 +
a122
cos 2θi
+ a212cos 2 θi + a22
2 (34)
위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다
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제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
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Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
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제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 37 -
3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
- 46 -
0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
- 48 -
26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
표 목차
Table Ⅰ Physical parameters used in the simulationTable Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
- 1 -
제 1 장 서 론
인터넷 및 유무선 통신망의 발달은 인간의 생활에 필요한 정보를 제공하고 이러한 정보는 서로 공유되어야 한다 이러한 정보화 사회에서 정보를 수집 처리 저장하는 기술도 중요하지만 정보를 표시하는 장치인 디스플레이 장치는 정보 전달에 있어 가장 중요한 부분을 차지하고 있다 우리의 일상생활에서 정보 매체로서 휴대폰 PDA 컴퓨터 TV등 디스플레이가 차지하는 부분은 매우 광범위하다 특히 최근 모바일 및 미디어 산업의 급격한 발전으로 인하여 경량 박형의 평판 표시소자에 대한 수요가 급증하고 있으며 이중 액정표시장치(Liquid Crystal Display LCD)는 저전압 저전력 구동이 가능하기 때문에 많이 사용되고 있다 더욱이 박막 트랜지스터(Thin-Film Transistor TFT)를 이용한 구동방식은 해상도 명암대비비 색재현성 시인성등에서 우수한 특성을 보임으로서 각종 디스플레이에 폭넓게 채택되고 있다 이와 같이 액정표시장치의 사용 범위가 확대됨에 따라 시야각 응답속도 고명암대비비 밝기 개조 용량(gray-scale capability)등 전기광학적 특성을 개선하기 위한 노력이 활발히 진행되고 있다 또한 액정표시장치의 수요가 HDTV와 같은 동화상 구현으로 확대되면서 총천연색 빠른 응답속도 광시야각의 조건을 만족하는 액정표시장치 모드에 대한 연구가 반드시 필요하다
이에 고명암대비비를 가지는 Vertically Aligned(VA)-LCD에 대한 많은 연구가 수행되고 있다 VA-LCD는 러빙(rubbing) 공정을 하지 않는 장점이 있으나 액정 분자의 초기경사각이 없어 응답속도 및 액정 화소의 각 도메인의 크기가 불규칙적인 단점을 가지고 있다[1] 이러한 이유로 VA-LCD는 여러 가지 구조로 응용되어 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성시키는 Multi-domain Vertically Aligned(MVA)- LCD로 사용하고 있다 MVA-
- 2 -
LCD는 VA-LCD의 특징인 고명암대비비는 물론 빠른 응답속도와 광시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 도메인을 형성시키는 방법은 자외선(Ultra-Violet UV) 처리를 통한 방법[2] 삼각돌기(protrusion)을 이용하는 방법[3] [4] 유전체 삽입 방법[5]~[8] 전극 패턴을 이용하는 방법[9]~[12] 등 다양하며 현재 많은 연구가 이루어지고 있다 이들 구조 중 화소전극 및 공통전극에 패턴을 하여 도메인을 형성하는 방법은 간단한 공정으로 완벽한 네개의 도메인을 가지기 때문에 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 보이며 패턴된 전극 근방에서 왜곡된 전기장이 측면전장효과와 동일하여 빠른 응답속도 특성을 가지기 때문에 차세대 대면적 디스플레이에 많은 적용이 기대된다 이러한 디스플레이의 고부가가치를 위해서 고품질의 제품이 저가격으로 실현되어야 하고 이를 위해 고명암대비비 높은 투과도 광시야각 빠른 응답속도 등 전기광학적 특성과 관련된 수많은 파라미터에 대한 특성 변화를 밝히고 최적화 하는 것은 필수적이다 그러나 방대한 파라미터들을 실험적으로 수행하는 것은 불가능하기 때문에 실제적으로는 약간의 검증 실험을 포함한 시뮬레이션 기법을 적용하여 적은 노력과 시간으로 최적 설계를 수행하고 있다
본 연구에서는 MVA-LCD의 최적 설계 조건을 얻기 위하여 액정분자의 동적 특성에 근거하여 그 전기광학 특성을 수치해석적 기법으로 계산하였다 액정 셀(cell)의 동특성을 분석함에 있어서는 에릭슨-레슬리(Ericksen-Leslie) 운동방정식으로부터 분자배열분포를 얻었으며 라플라스(Laplace)의 전위분포방정식으로부터 전위분포를 얻었다 수치해석적 기법으로는 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하여 계산하였다 또한 투과도 및 시야각 특성 등 광투과 특성 해석을 위해 계산된 분자분포를 가지고 베르만(Berreman)의 44 행렬법을 적용하였다
- 3 -
제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
이 장에서는 액정표시소자의 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 하기 위해 사용되는 액정의 분자분포 방정식과 전위 분포 방정식에 대하여 논의하고 수치해석적 접근 방법에 대하여 기술하였다 또한 위의 결과로 구해진 액정의 분자 분포를 이용하여 광투과도 계산에 사용된 베르만 44 행렬법에 대하여 기술하였다
제 1 절 액정의 분자분포 방정식
단위 화소내의 액정의 운동과 방향자의 분포를 해석하기 위해 적용된 이론적 모델은 액정의 내부 운동량(inertial momentum)을 무시한 에릭슨-레슬리 이론에 기초한다 이때 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy fg)를 에릭슨-레슬리 방정식에 적용하면 다음과 같은 운동 방정식을 얻을 수 있다[13]
γ partpartt
ni = minus [fg ]n i+ λni i = x y z (1)
여기서 γ 는 회전 점성계수를 ni는 방향자의 직교성분을 λ는 n rarr
= 1 즉 방향자가 단위벡터 임을 내포하는 라그랑즈(Lagrange) 승수를 나타낸다 그리고 [fg ]ni
는 오일러-라그랑즈(Euler-Lagrangian) 방정식으로써 다음과 같이 표현된다
[fg ]ni=
partfgpartni
minusddx
(partf g
partnix
) minusddy
(partfgpartniy
) minusddz
(partf g
partniz
) (2)
- 4 -
이때 액정의 자유 에너지(fg)는 화소 내부의 탄성에너지(fs )와 외부에서 공급한 정전에너지(fe )의 차로 표현된다
fg = fs minus fe (3)
일반적으로 깁스 자유 에너지의 탄성에너지 밀도를 표현하는 방법은 벡터접근법과 텐서접근법이라는 두가지 방법을 통해 이루어지고 있다[14]
오슨-프랑크(Oseen-Frank) 탄성이론으로부터 액정의 탄성에너지를 방향자 nrarr 에 대하여 다음과 같이 표현한다
fs =
12
K 1 1 (nabla nrarr) 2 +
12
K 22 (nrarr nabla n
rarr+ q0 )2
+12
K 33 (nrarr nabla n
rarr)2
(4)
벡터접근법은 lsquo액정분자가 평형상태를 벗어나면 원상태로 돌아가려는 복원력을 가지며 이러한 액정의 복원력은 변형의 정도에 비례한다rsquo라는 탄성 이론으로부터 정의되었다 이러한 변형은 크게 스프레이(splay) 트위스트(twist) 벤드(bend) 변형으로 나타낼 수 있다 또한 변형의 크기에 비례하는 상수를 각각 스프레이(K11) 트위스트(K22) 벤드(K33) 상수라 한다 그리고 q0는 chirality이다
이에 반하여 텐서접근법은 드 쟝(de Gennes)의 질서도 텐서(order tensor)를 이용하여 기술하며 이때의 탄성에너지는 다음과 같이 나타낸다
- 5 -
fs = (minus
K 11
12+
K22
4+
K33
12)G ( 2 )
1 (K11 minus K22
2)G (2 )
2
+K 33 minus K 11
4)G (3 )
6 + q0K22G(2 )
4
(5)
이때 G와 Q는 다음과 같이 표현된다
G (2 )1 = QijkQijk
G (2 )2 = QijkQikk
G (2 )4 = eijkQilQjlk
G (3 )6 = QijQkliQklj
Qij = ninj minusij
3 (order tensor) (6)
여기서 아래 첨자는 아인슈타인(Einstein)의 표기법에 따른 것이다 또한 eijk는 치환 기호(permutation symbol)를 의미한다
다음으로 주어진 화소의 각종 전극에 인가되는 전압에 의하여 형성되는 전기 에너지밀도는 다음과 같다
fe =12 0φ l lmφ m (7)
위의 식에서 φ (x y z )는 액정의 화소 및 각종 전극에 인가된 전압에 의해 형성된 전위분포를 나타내며 lm은 비유전율 텐서로서 lm = perp lm + ∆ nlnm
- 6 -
으로 표현되며 0는 자유공간에서의 유전율이다 또한 ∆ = minus perp로서 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율의 차를 나타낸다 여기서 전위분포함수 φ (x y z )는 적절한 경계조건에 대하여 맥스웰 방정식으로부터 유도된 식 (8)의 라플라스 방정식을 시뮬레이션하여 얻을 수 있다[15]
ij(xy z)φ (xy z)j i= 0 (8)
이로부터 식 (4)와 (7)을 식 (1)에 대입함으로써 벡터접근법에 기초한 액정 방향자의 운동방정식을 얻을 수 있다 그러나 벡터접근법에 대한 운동방정식은 매우 복잡하기 때문에 편의상 탄성계수가 등방인 모델 즉 K11 = K22 = K33 = K로 단순화 하면 운동방정식은 다음과 같이 표현된다
γ partni
partt= K (
part2ni
partx 2+
part2ni
party 2+
part2ni
partz 2) + 0 ( minus perp )njφ jφ i + λni (9)
반면 텐서접근법으로부터 유도되는 액정 방향자의 운동 방정식은 이방 탄성계수 모델에 대하여 텐서 표기법으로 나타낼 수 있기 때문에 다음과 같이 표현된다
γpartni
partt=
13
(minus K 11 + 3K 22 + K33 )(njQjil l ) + (K11 minus K22 )nj (Qil lj + Qjlli )
+ (K33 minus K 11
2)nj [(2QlmmQji l + 2QlmQji lm minus QlmiQlmj )]
+ 2q0K22nj (eimlQljm + ejmlQlim ) + 0∆ njφ jφ i + λni
(10)
- 7 -
여기서 액정 방향자 nrarr 은 방위각 φ와 경사각 θ에 대하여 다음과 같이 표현할 수 있다
nrarr= (cos θ cos φ cos θ sin φ sinθ ) (11)
Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- 8 -
제 2 절 수치해석적 계산 기법
앞절에서 논의한 운동방정식 및 전위분포 방정식을 계산함에 있어 식 (1)과 (8)를 동시에 시뮬레이션 하여야 한다 또한 방정식들이 비선형이기 때문에 반복 계산 과정을 적용하여 정상 상태가 될 때까지의 최종 시간에 대하여 주어진 분자 분포에 대한 전위 분포와 그에 따른 분자 분포를 서로 교번하여 계산을 수행한다
Fig 2 Flow chart of simulation
수치해석 방법은 복잡하고 고차 비선형 방정식인 점을 고려하여 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하였다 유한차분법을 적용하기 위해서 공간적으로 격자는 균일 격자간격을 사용하였다 또한 중앙차분법(central space scheme)을 사용하였다 경계조건으로 본 연구에서는 강한
- 9 -
앵커링(anchoring)을 가정하였기 때문에 상하기판에의 방향자는 러빙 방향과 초기경사각에 의해 정의되고 항상 고정되어 있다고 가정하여 디리슐레(Dirichlet) 경계조건이 적용되었다 특히 전위분포의 계산에 효율성을 위하여 z축 방향의 양 끝에서 노이만(Neumann) 경계조건을 적용하였다 또한 방향자와 전위 분포 모두에 있어 x와 y방향에 대해서는 주기 경계조건을 적용하였다
시간적으로는 내삽법(implicit method)의 경우 운동방정식의 비선형성으로 인한 많은 문제가 야기되므로 외삽법(explicit method)을 사용하여 시간 적분을 계산하였다[12]
또한 라그랑즈 승수 λ는 매 시간증가시 재계산된 방향 성분이 액정방향자의 기본 조건인 n
rarr = n 2
x + n 2y + n 2
z = 1을 만족시키기 위한 목적으로 사용되었으며 계산의 편의를 위하여 k + 1번째 방향자를 계산함에 있어 λ를 제거한 뒤 k + 1번째 방향자를 계산하고 이를 다시 재 정규화 함으로써 방향자를 단위 벡터로 유지하였다
한편 전위 분포 시뮬레이션에서는 적절한 경계조건에 대하여 연속과도완화법(successive over relaxation SOR) 방법이 적용되었다 이때 정확한 계산을 위해 매 시간 단계에 대해 전위 분포 시뮬레이션이 수행 되어야 하나 많은 계산 시간이 요구되어지므로 전체 해에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 액정의 반응 속도에 따라 적절한 횟수로 줄여서 시뮬레이션 한다
- 10 -
제 3 절 광투과율 계산
액정은 장축과 단축의 굴절율이 다른 비등방 매질이며 불균일 매질이다 따라서 액정의 광투과 특성을 분석하기 위해서는 일반적으로 베르만 44 행렬법을 적용한다[16]~[19] 이러한 불균일성에 대하여 액정 셀을 무수히 얇은 다중층으로 설정하며 이렇게 설정된 각 층에서는 액정이 균일한 매질이라는 가정하에 각 층의 전파행렬을 계산함으로써 전체 전파특성 행렬을 계산할 수 있다 각 층에서는 액정이 균일하다고 가정하였으므로 굴절율에 대한 유전율 텐서를 알면 각 층에서의 전자장의 전파관계가 표현된다
Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
partparty
Ex
Hz
Ez
minusHx
=iwc
∆11 ∆12 ∆13 0∆21 ∆11 ∆23 00 0 0 1
∆23 ∆13 ∆43 0
Ex
Hz
Ez
minus Hx
(12)
- 11 -
여기서 행렬 요소 ∆ij는 다음과 같다
∆11 =minus X 13
33
∆12 = 1 minus X 2 1
33
∆13 =minus X 23
33
∆21 = 11 minus X213
33
∆23 = 12 minus13 23
33 ∆43 = 22 minus
23
33
minus X 2 (13)
여기에서 ij = perp ij + ∆ ninj로 표현된다 이 식에서 와 perp는 각각 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율을 나타내고 ∆ 은 이 둘의 차를 나타낸다 또한 액정의 굴절률과는 no =
radicperp ne =
radic 의 관계가 있다 X는 x축 방향으로의 전파상수와 관련된 값으로 X =
cξw
로 나타낼 수 있다 전파행렬 P 는 Fig 4에서 각층에 대한 광학투과특성을 나타내며 일계 미분방정식 식(12)로부터 다음과 같이 정의한다 즉 y1에서 y2사이의 균일 매질을 전파하는 전자기장 벡터의 관계는 다음 식과 같이 정의 할 수 있다
ψrarr(y2 ) = P(y1 y2 )ψrarr
(y1 ) (14)
(14)식에서 전자기장 벡터는 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T (15)
- 12 -
Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
베르만은 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 균일한 매질에서 전파 행렬을 계산하고 광투과 특성을 분석하는 방법을 기술하였다 본 연구에서는 이를 액정에 적용함으로써 해석적인 방법으로 고유벡터를 계산한다
만약 ∆행렬이 미소구간 y에 대해 독립적이라면 (15)는 다음과 같은 일반해를 가질 것이다 이것은 일반적으로 파동의 전파에 따른 위상 변화를 나타내고 있다
ψj
minusrarr(y ) = e iqjyψj
minusrarr(0 ) (16)
여기서 qj = λjwc
의 관계가 성립된다 이식을 (15)식에 대입하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다
iqjψ j
minusrarr(0 ) = i
wc∆ψj
minusrarr(0 ) (17)
- 13 -
여기서 λj = qjcw
이므로 위 식은 다음과 같이 정리 할 수 있다
∆ψj
minusrarr(0 ) = λ jψj
minusrarr(0 ) (18)
λj는 ∆행렬의 고유값(eigenvalue) ψj
minusrarr(0 )는 이 ∆행렬의 고유벡터이다
∆가 44행렬이므로 λi는 4개의 근이 되고 고유벡터도 4개의 기저를 가질 것이다 따라서 고유값을 위의 ∆행렬에 대입하고 고유벡터를 계산하면 다음과 같다
ψj
minusrarr= Nj
bj (∆11 minusλj)minus∆23 aj
minus∆21 bj
∆21 aj
λ ∆21 aj
(19a)
aj = ∆12∆23 minus∆13 (∆11 minus λj) (19b) bj = ∆13∆23 minus (∆11 minusλj) (∆43 minus λ2
j ) (19c)
Nj는 정규화 계수(normalizing coefficient)이다 이렇게 정의된 4개의 고유벡터를 이용하여 Ψ행렬을 만들 수 있다
Ψ=
ψ11 ψ12 ψ13 ψ14
ψ21 ψ22 ψ23 ψ24
ψ31 ψ32 ψ33 ψ34
ψ41 ψ42 ψ43 ψ44
(20)
- 14 -
h만큼 진행한 후의 진행파의 위상변화를 나타내는 대각행렬인 K행렬을 대각요소가 다음과 같은 값을 갖는 행렬로 정의하자
Kjj = e iqjh (21)
이때 다음과 같은 행렬식이 성립된다
ΨK = PΨ (22)
따라서 우리가 구하고자 하는 전파행렬은 다음과 같은 식으로 계산 할 수 있다
P = Ψ K Ψminus 1 (23)
이제 위에서 베르만 44 행렬법을 바탕으로 액정 셀의 각층에 대한 전파행렬을 계산하는 방법을 논의하였고 이를 바탕으로 액정 셀의 전체 투과율을 구하는 방법을 논의하고자 한다
투과율을 계산하기 위해서는 Fig 4와 같이 액정 셀을 y축에 대해 층으로 나누어 각각의 층에 대한 전파행렬 P (y h )을 구하고 각각의 전파행렬의 곱으로 전체 투과행렬 F를 계산하여야 한다 즉 F는 P의 곱으로 표현된다
F = P (Nminus 1 )h h ) P (Nminus 2 )h h ) P h h P h 0 (24)
- 15 -
Fig 5와 같이 두께가 d인 액정 셀에 빛이 기판위에 입사한다면 입사측과 투과측의 전자기장 벡터 ψrarr(0 ) ψrarr(d )를 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr(d ) = F ψrarr
(0 ) (25)
Fig 5에서 액정이 n1 n2인 두 매질 사이에 위치하고 입사광 반사광 및 투과광의 전자기장 벡터를 ψi
minusrarr ψ r
minusrarr ψ t
minusrarr라 하면 다음과 같은 식이 성립한다
ψrarr(0 ) = ψi
minusrarr(z = 0 ) + ψr
minusrarr(z = 0 ) (26a)
ψrarr(d ) = ψt
minusrarr(z = d ) (26b)
Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
투과광 계산중 매질의 경계에서의 접선 방향 전기장 Et
minusrarr와 자기장 벡터 Ht
minusrarr
- 16 -
는 연속이므로 ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T도 연속이다 따라서 액정 층의 투과율
계산시 경계면에서의 전기장 벡터는 등방성인 주변매질 1 2에서의 전자기장 벡터를 이용한다 등방성 매질에서 자기장 벡터는 전기장 벡터와 굴절률 및 입사각을 포함하는 함수관계를 갖고 있으므로 ψrarr는 전기장 벡터 성분으로 아래와 같은 표시가 가능하다
ψi
rarr=
Ex
rxEx
Ez
rzEz
ψr
minusrarr=
Rx
minus rxRx
Rz
minusrzRz
ψt
rarr=
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(27)
rx =n1
cos θ1
rz = n1cos θ1
rx =n2
cos θ2
rz = n2cos θ2
θ2 = sin minus 1 [n1
n2
sin θ1 ] (28)
여기서 Rx Rz Tx Tz는 반사 전기장 벡터의 x z성분과 투과 전기장 벡터의 x z성분을 나타낸다 (27)~(28)식으로부터 액정 셀의 투과방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다
Ex + Rx
rx (Ex minusRx )Ez + Rz
rz (EzminusRz)
= F
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(29)
- 17 -
이 식으로부터 Rx Rz를 제거하고 Ex Ez와 Tx Tz의 관계만을 설정하면 Ex Ez와 Tx Tz의 관계는 다음과 같은 22행렬로 정의된다
Tx
Tz=
a11 a12
a21 a22
Ex
Ez(30)
a11 =g32 + g42
D a12 =minus
g12 + g22
D
a21 =minusg31 + g41
D a22 =g11 + g21
D (31a)
g11 =(F11 + F12rx )
2 g12 =
(F13 + F14rz )
2
g21 =(F21 + F22rx )
2rx g22 =
(F23 + F24rz )
2rx
g31 =(F31 + F32rx )
2 g32 =
(F33 + F34rz )
2
g41 =(F41 + F42rx )
2rz g42 =
(F43 + F44rz )
2rz (31b)
D = (g11 + g21 )(g32 + g42 )minus (g21 + g22 )(g31 + g41 ) (31c)
그러나 전체 투과율을 계산하기 위하여 다시 Ex Ey와 Tx Ty를 Es Ep와 Ts Tp로 변환해 주어야 하며 입사면이 xz평면상에 존재한다고 가정하면 s = z이고 p = (cos θi sin θi 0 )이므로 다음과 같은 식이 성립한다
Es
Ep=
0 11 cos θi 0
Ex
Ez(32)
- 18 -
입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고
Es
Ep=
1radic2
E0
e jα1
e jα2(33)
입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때 전체 투과율은 다음과 같이 나타난다
T =12
a112 +
a122
cos 2θi
+ a212cos 2 θi + a22
2 (34)
위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다
- 19 -
제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- 20 -
Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
- 21 -
제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
- 22 -
한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 30 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- 31 -
Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- 32 -
3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- 33 -
Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 34 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 35 -
Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- 36 -
Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 37 -
3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
- 38 -
(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
- 39 -
또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 41 -
Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- 42 -
Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 43 -
3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
- 44 -
석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
- 45 -
우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
- 48 -
26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
참 고 문 헌
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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제 1 장 서 론
인터넷 및 유무선 통신망의 발달은 인간의 생활에 필요한 정보를 제공하고 이러한 정보는 서로 공유되어야 한다 이러한 정보화 사회에서 정보를 수집 처리 저장하는 기술도 중요하지만 정보를 표시하는 장치인 디스플레이 장치는 정보 전달에 있어 가장 중요한 부분을 차지하고 있다 우리의 일상생활에서 정보 매체로서 휴대폰 PDA 컴퓨터 TV등 디스플레이가 차지하는 부분은 매우 광범위하다 특히 최근 모바일 및 미디어 산업의 급격한 발전으로 인하여 경량 박형의 평판 표시소자에 대한 수요가 급증하고 있으며 이중 액정표시장치(Liquid Crystal Display LCD)는 저전압 저전력 구동이 가능하기 때문에 많이 사용되고 있다 더욱이 박막 트랜지스터(Thin-Film Transistor TFT)를 이용한 구동방식은 해상도 명암대비비 색재현성 시인성등에서 우수한 특성을 보임으로서 각종 디스플레이에 폭넓게 채택되고 있다 이와 같이 액정표시장치의 사용 범위가 확대됨에 따라 시야각 응답속도 고명암대비비 밝기 개조 용량(gray-scale capability)등 전기광학적 특성을 개선하기 위한 노력이 활발히 진행되고 있다 또한 액정표시장치의 수요가 HDTV와 같은 동화상 구현으로 확대되면서 총천연색 빠른 응답속도 광시야각의 조건을 만족하는 액정표시장치 모드에 대한 연구가 반드시 필요하다
이에 고명암대비비를 가지는 Vertically Aligned(VA)-LCD에 대한 많은 연구가 수행되고 있다 VA-LCD는 러빙(rubbing) 공정을 하지 않는 장점이 있으나 액정 분자의 초기경사각이 없어 응답속도 및 액정 화소의 각 도메인의 크기가 불규칙적인 단점을 가지고 있다[1] 이러한 이유로 VA-LCD는 여러 가지 구조로 응용되어 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성시키는 Multi-domain Vertically Aligned(MVA)- LCD로 사용하고 있다 MVA-
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LCD는 VA-LCD의 특징인 고명암대비비는 물론 빠른 응답속도와 광시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 도메인을 형성시키는 방법은 자외선(Ultra-Violet UV) 처리를 통한 방법[2] 삼각돌기(protrusion)을 이용하는 방법[3] [4] 유전체 삽입 방법[5]~[8] 전극 패턴을 이용하는 방법[9]~[12] 등 다양하며 현재 많은 연구가 이루어지고 있다 이들 구조 중 화소전극 및 공통전극에 패턴을 하여 도메인을 형성하는 방법은 간단한 공정으로 완벽한 네개의 도메인을 가지기 때문에 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 보이며 패턴된 전극 근방에서 왜곡된 전기장이 측면전장효과와 동일하여 빠른 응답속도 특성을 가지기 때문에 차세대 대면적 디스플레이에 많은 적용이 기대된다 이러한 디스플레이의 고부가가치를 위해서 고품질의 제품이 저가격으로 실현되어야 하고 이를 위해 고명암대비비 높은 투과도 광시야각 빠른 응답속도 등 전기광학적 특성과 관련된 수많은 파라미터에 대한 특성 변화를 밝히고 최적화 하는 것은 필수적이다 그러나 방대한 파라미터들을 실험적으로 수행하는 것은 불가능하기 때문에 실제적으로는 약간의 검증 실험을 포함한 시뮬레이션 기법을 적용하여 적은 노력과 시간으로 최적 설계를 수행하고 있다
본 연구에서는 MVA-LCD의 최적 설계 조건을 얻기 위하여 액정분자의 동적 특성에 근거하여 그 전기광학 특성을 수치해석적 기법으로 계산하였다 액정 셀(cell)의 동특성을 분석함에 있어서는 에릭슨-레슬리(Ericksen-Leslie) 운동방정식으로부터 분자배열분포를 얻었으며 라플라스(Laplace)의 전위분포방정식으로부터 전위분포를 얻었다 수치해석적 기법으로는 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하여 계산하였다 또한 투과도 및 시야각 특성 등 광투과 특성 해석을 위해 계산된 분자분포를 가지고 베르만(Berreman)의 44 행렬법을 적용하였다
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제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
이 장에서는 액정표시소자의 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 하기 위해 사용되는 액정의 분자분포 방정식과 전위 분포 방정식에 대하여 논의하고 수치해석적 접근 방법에 대하여 기술하였다 또한 위의 결과로 구해진 액정의 분자 분포를 이용하여 광투과도 계산에 사용된 베르만 44 행렬법에 대하여 기술하였다
제 1 절 액정의 분자분포 방정식
단위 화소내의 액정의 운동과 방향자의 분포를 해석하기 위해 적용된 이론적 모델은 액정의 내부 운동량(inertial momentum)을 무시한 에릭슨-레슬리 이론에 기초한다 이때 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy fg)를 에릭슨-레슬리 방정식에 적용하면 다음과 같은 운동 방정식을 얻을 수 있다[13]
γ partpartt
ni = minus [fg ]n i+ λni i = x y z (1)
여기서 γ 는 회전 점성계수를 ni는 방향자의 직교성분을 λ는 n rarr
= 1 즉 방향자가 단위벡터 임을 내포하는 라그랑즈(Lagrange) 승수를 나타낸다 그리고 [fg ]ni
는 오일러-라그랑즈(Euler-Lagrangian) 방정식으로써 다음과 같이 표현된다
[fg ]ni=
partfgpartni
minusddx
(partf g
partnix
) minusddy
(partfgpartniy
) minusddz
(partf g
partniz
) (2)
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이때 액정의 자유 에너지(fg)는 화소 내부의 탄성에너지(fs )와 외부에서 공급한 정전에너지(fe )의 차로 표현된다
fg = fs minus fe (3)
일반적으로 깁스 자유 에너지의 탄성에너지 밀도를 표현하는 방법은 벡터접근법과 텐서접근법이라는 두가지 방법을 통해 이루어지고 있다[14]
오슨-프랑크(Oseen-Frank) 탄성이론으로부터 액정의 탄성에너지를 방향자 nrarr 에 대하여 다음과 같이 표현한다
fs =
12
K 1 1 (nabla nrarr) 2 +
12
K 22 (nrarr nabla n
rarr+ q0 )2
+12
K 33 (nrarr nabla n
rarr)2
(4)
벡터접근법은 lsquo액정분자가 평형상태를 벗어나면 원상태로 돌아가려는 복원력을 가지며 이러한 액정의 복원력은 변형의 정도에 비례한다rsquo라는 탄성 이론으로부터 정의되었다 이러한 변형은 크게 스프레이(splay) 트위스트(twist) 벤드(bend) 변형으로 나타낼 수 있다 또한 변형의 크기에 비례하는 상수를 각각 스프레이(K11) 트위스트(K22) 벤드(K33) 상수라 한다 그리고 q0는 chirality이다
이에 반하여 텐서접근법은 드 쟝(de Gennes)의 질서도 텐서(order tensor)를 이용하여 기술하며 이때의 탄성에너지는 다음과 같이 나타낸다
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fs = (minus
K 11
12+
K22
4+
K33
12)G ( 2 )
1 (K11 minus K22
2)G (2 )
2
+K 33 minus K 11
4)G (3 )
6 + q0K22G(2 )
4
(5)
이때 G와 Q는 다음과 같이 표현된다
G (2 )1 = QijkQijk
G (2 )2 = QijkQikk
G (2 )4 = eijkQilQjlk
G (3 )6 = QijQkliQklj
Qij = ninj minusij
3 (order tensor) (6)
여기서 아래 첨자는 아인슈타인(Einstein)의 표기법에 따른 것이다 또한 eijk는 치환 기호(permutation symbol)를 의미한다
다음으로 주어진 화소의 각종 전극에 인가되는 전압에 의하여 형성되는 전기 에너지밀도는 다음과 같다
fe =12 0φ l lmφ m (7)
위의 식에서 φ (x y z )는 액정의 화소 및 각종 전극에 인가된 전압에 의해 형성된 전위분포를 나타내며 lm은 비유전율 텐서로서 lm = perp lm + ∆ nlnm
- 6 -
으로 표현되며 0는 자유공간에서의 유전율이다 또한 ∆ = minus perp로서 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율의 차를 나타낸다 여기서 전위분포함수 φ (x y z )는 적절한 경계조건에 대하여 맥스웰 방정식으로부터 유도된 식 (8)의 라플라스 방정식을 시뮬레이션하여 얻을 수 있다[15]
ij(xy z)φ (xy z)j i= 0 (8)
이로부터 식 (4)와 (7)을 식 (1)에 대입함으로써 벡터접근법에 기초한 액정 방향자의 운동방정식을 얻을 수 있다 그러나 벡터접근법에 대한 운동방정식은 매우 복잡하기 때문에 편의상 탄성계수가 등방인 모델 즉 K11 = K22 = K33 = K로 단순화 하면 운동방정식은 다음과 같이 표현된다
γ partni
partt= K (
part2ni
partx 2+
part2ni
party 2+
part2ni
partz 2) + 0 ( minus perp )njφ jφ i + λni (9)
반면 텐서접근법으로부터 유도되는 액정 방향자의 운동 방정식은 이방 탄성계수 모델에 대하여 텐서 표기법으로 나타낼 수 있기 때문에 다음과 같이 표현된다
γpartni
partt=
13
(minus K 11 + 3K 22 + K33 )(njQjil l ) + (K11 minus K22 )nj (Qil lj + Qjlli )
+ (K33 minus K 11
2)nj [(2QlmmQji l + 2QlmQji lm minus QlmiQlmj )]
+ 2q0K22nj (eimlQljm + ejmlQlim ) + 0∆ njφ jφ i + λni
(10)
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여기서 액정 방향자 nrarr 은 방위각 φ와 경사각 θ에 대하여 다음과 같이 표현할 수 있다
nrarr= (cos θ cos φ cos θ sin φ sinθ ) (11)
Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
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제 2 절 수치해석적 계산 기법
앞절에서 논의한 운동방정식 및 전위분포 방정식을 계산함에 있어 식 (1)과 (8)를 동시에 시뮬레이션 하여야 한다 또한 방정식들이 비선형이기 때문에 반복 계산 과정을 적용하여 정상 상태가 될 때까지의 최종 시간에 대하여 주어진 분자 분포에 대한 전위 분포와 그에 따른 분자 분포를 서로 교번하여 계산을 수행한다
Fig 2 Flow chart of simulation
수치해석 방법은 복잡하고 고차 비선형 방정식인 점을 고려하여 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하였다 유한차분법을 적용하기 위해서 공간적으로 격자는 균일 격자간격을 사용하였다 또한 중앙차분법(central space scheme)을 사용하였다 경계조건으로 본 연구에서는 강한
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앵커링(anchoring)을 가정하였기 때문에 상하기판에의 방향자는 러빙 방향과 초기경사각에 의해 정의되고 항상 고정되어 있다고 가정하여 디리슐레(Dirichlet) 경계조건이 적용되었다 특히 전위분포의 계산에 효율성을 위하여 z축 방향의 양 끝에서 노이만(Neumann) 경계조건을 적용하였다 또한 방향자와 전위 분포 모두에 있어 x와 y방향에 대해서는 주기 경계조건을 적용하였다
시간적으로는 내삽법(implicit method)의 경우 운동방정식의 비선형성으로 인한 많은 문제가 야기되므로 외삽법(explicit method)을 사용하여 시간 적분을 계산하였다[12]
또한 라그랑즈 승수 λ는 매 시간증가시 재계산된 방향 성분이 액정방향자의 기본 조건인 n
rarr = n 2
x + n 2y + n 2
z = 1을 만족시키기 위한 목적으로 사용되었으며 계산의 편의를 위하여 k + 1번째 방향자를 계산함에 있어 λ를 제거한 뒤 k + 1번째 방향자를 계산하고 이를 다시 재 정규화 함으로써 방향자를 단위 벡터로 유지하였다
한편 전위 분포 시뮬레이션에서는 적절한 경계조건에 대하여 연속과도완화법(successive over relaxation SOR) 방법이 적용되었다 이때 정확한 계산을 위해 매 시간 단계에 대해 전위 분포 시뮬레이션이 수행 되어야 하나 많은 계산 시간이 요구되어지므로 전체 해에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 액정의 반응 속도에 따라 적절한 횟수로 줄여서 시뮬레이션 한다
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제 3 절 광투과율 계산
액정은 장축과 단축의 굴절율이 다른 비등방 매질이며 불균일 매질이다 따라서 액정의 광투과 특성을 분석하기 위해서는 일반적으로 베르만 44 행렬법을 적용한다[16]~[19] 이러한 불균일성에 대하여 액정 셀을 무수히 얇은 다중층으로 설정하며 이렇게 설정된 각 층에서는 액정이 균일한 매질이라는 가정하에 각 층의 전파행렬을 계산함으로써 전체 전파특성 행렬을 계산할 수 있다 각 층에서는 액정이 균일하다고 가정하였으므로 굴절율에 대한 유전율 텐서를 알면 각 층에서의 전자장의 전파관계가 표현된다
Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
partparty
Ex
Hz
Ez
minusHx
=iwc
∆11 ∆12 ∆13 0∆21 ∆11 ∆23 00 0 0 1
∆23 ∆13 ∆43 0
Ex
Hz
Ez
minus Hx
(12)
- 11 -
여기서 행렬 요소 ∆ij는 다음과 같다
∆11 =minus X 13
33
∆12 = 1 minus X 2 1
33
∆13 =minus X 23
33
∆21 = 11 minus X213
33
∆23 = 12 minus13 23
33 ∆43 = 22 minus
23
33
minus X 2 (13)
여기에서 ij = perp ij + ∆ ninj로 표현된다 이 식에서 와 perp는 각각 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율을 나타내고 ∆ 은 이 둘의 차를 나타낸다 또한 액정의 굴절률과는 no =
radicperp ne =
radic 의 관계가 있다 X는 x축 방향으로의 전파상수와 관련된 값으로 X =
cξw
로 나타낼 수 있다 전파행렬 P 는 Fig 4에서 각층에 대한 광학투과특성을 나타내며 일계 미분방정식 식(12)로부터 다음과 같이 정의한다 즉 y1에서 y2사이의 균일 매질을 전파하는 전자기장 벡터의 관계는 다음 식과 같이 정의 할 수 있다
ψrarr(y2 ) = P(y1 y2 )ψrarr
(y1 ) (14)
(14)식에서 전자기장 벡터는 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T (15)
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Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
베르만은 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 균일한 매질에서 전파 행렬을 계산하고 광투과 특성을 분석하는 방법을 기술하였다 본 연구에서는 이를 액정에 적용함으로써 해석적인 방법으로 고유벡터를 계산한다
만약 ∆행렬이 미소구간 y에 대해 독립적이라면 (15)는 다음과 같은 일반해를 가질 것이다 이것은 일반적으로 파동의 전파에 따른 위상 변화를 나타내고 있다
ψj
minusrarr(y ) = e iqjyψj
minusrarr(0 ) (16)
여기서 qj = λjwc
의 관계가 성립된다 이식을 (15)식에 대입하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다
iqjψ j
minusrarr(0 ) = i
wc∆ψj
minusrarr(0 ) (17)
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여기서 λj = qjcw
이므로 위 식은 다음과 같이 정리 할 수 있다
∆ψj
minusrarr(0 ) = λ jψj
minusrarr(0 ) (18)
λj는 ∆행렬의 고유값(eigenvalue) ψj
minusrarr(0 )는 이 ∆행렬의 고유벡터이다
∆가 44행렬이므로 λi는 4개의 근이 되고 고유벡터도 4개의 기저를 가질 것이다 따라서 고유값을 위의 ∆행렬에 대입하고 고유벡터를 계산하면 다음과 같다
ψj
minusrarr= Nj
bj (∆11 minusλj)minus∆23 aj
minus∆21 bj
∆21 aj
λ ∆21 aj
(19a)
aj = ∆12∆23 minus∆13 (∆11 minus λj) (19b) bj = ∆13∆23 minus (∆11 minusλj) (∆43 minus λ2
j ) (19c)
Nj는 정규화 계수(normalizing coefficient)이다 이렇게 정의된 4개의 고유벡터를 이용하여 Ψ행렬을 만들 수 있다
Ψ=
ψ11 ψ12 ψ13 ψ14
ψ21 ψ22 ψ23 ψ24
ψ31 ψ32 ψ33 ψ34
ψ41 ψ42 ψ43 ψ44
(20)
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h만큼 진행한 후의 진행파의 위상변화를 나타내는 대각행렬인 K행렬을 대각요소가 다음과 같은 값을 갖는 행렬로 정의하자
Kjj = e iqjh (21)
이때 다음과 같은 행렬식이 성립된다
ΨK = PΨ (22)
따라서 우리가 구하고자 하는 전파행렬은 다음과 같은 식으로 계산 할 수 있다
P = Ψ K Ψminus 1 (23)
이제 위에서 베르만 44 행렬법을 바탕으로 액정 셀의 각층에 대한 전파행렬을 계산하는 방법을 논의하였고 이를 바탕으로 액정 셀의 전체 투과율을 구하는 방법을 논의하고자 한다
투과율을 계산하기 위해서는 Fig 4와 같이 액정 셀을 y축에 대해 층으로 나누어 각각의 층에 대한 전파행렬 P (y h )을 구하고 각각의 전파행렬의 곱으로 전체 투과행렬 F를 계산하여야 한다 즉 F는 P의 곱으로 표현된다
F = P (Nminus 1 )h h ) P (Nminus 2 )h h ) P h h P h 0 (24)
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Fig 5와 같이 두께가 d인 액정 셀에 빛이 기판위에 입사한다면 입사측과 투과측의 전자기장 벡터 ψrarr(0 ) ψrarr(d )를 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr(d ) = F ψrarr
(0 ) (25)
Fig 5에서 액정이 n1 n2인 두 매질 사이에 위치하고 입사광 반사광 및 투과광의 전자기장 벡터를 ψi
minusrarr ψ r
minusrarr ψ t
minusrarr라 하면 다음과 같은 식이 성립한다
ψrarr(0 ) = ψi
minusrarr(z = 0 ) + ψr
minusrarr(z = 0 ) (26a)
ψrarr(d ) = ψt
minusrarr(z = d ) (26b)
Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
투과광 계산중 매질의 경계에서의 접선 방향 전기장 Et
minusrarr와 자기장 벡터 Ht
minusrarr
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는 연속이므로 ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T도 연속이다 따라서 액정 층의 투과율
계산시 경계면에서의 전기장 벡터는 등방성인 주변매질 1 2에서의 전자기장 벡터를 이용한다 등방성 매질에서 자기장 벡터는 전기장 벡터와 굴절률 및 입사각을 포함하는 함수관계를 갖고 있으므로 ψrarr는 전기장 벡터 성분으로 아래와 같은 표시가 가능하다
ψi
rarr=
Ex
rxEx
Ez
rzEz
ψr
minusrarr=
Rx
minus rxRx
Rz
minusrzRz
ψt
rarr=
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(27)
rx =n1
cos θ1
rz = n1cos θ1
rx =n2
cos θ2
rz = n2cos θ2
θ2 = sin minus 1 [n1
n2
sin θ1 ] (28)
여기서 Rx Rz Tx Tz는 반사 전기장 벡터의 x z성분과 투과 전기장 벡터의 x z성분을 나타낸다 (27)~(28)식으로부터 액정 셀의 투과방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다
Ex + Rx
rx (Ex minusRx )Ez + Rz
rz (EzminusRz)
= F
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(29)
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이 식으로부터 Rx Rz를 제거하고 Ex Ez와 Tx Tz의 관계만을 설정하면 Ex Ez와 Tx Tz의 관계는 다음과 같은 22행렬로 정의된다
Tx
Tz=
a11 a12
a21 a22
Ex
Ez(30)
a11 =g32 + g42
D a12 =minus
g12 + g22
D
a21 =minusg31 + g41
D a22 =g11 + g21
D (31a)
g11 =(F11 + F12rx )
2 g12 =
(F13 + F14rz )
2
g21 =(F21 + F22rx )
2rx g22 =
(F23 + F24rz )
2rx
g31 =(F31 + F32rx )
2 g32 =
(F33 + F34rz )
2
g41 =(F41 + F42rx )
2rz g42 =
(F43 + F44rz )
2rz (31b)
D = (g11 + g21 )(g32 + g42 )minus (g21 + g22 )(g31 + g41 ) (31c)
그러나 전체 투과율을 계산하기 위하여 다시 Ex Ey와 Tx Ty를 Es Ep와 Ts Tp로 변환해 주어야 하며 입사면이 xz평면상에 존재한다고 가정하면 s = z이고 p = (cos θi sin θi 0 )이므로 다음과 같은 식이 성립한다
Es
Ep=
0 11 cos θi 0
Ex
Ez(32)
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입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고
Es
Ep=
1radic2
E0
e jα1
e jα2(33)
입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때 전체 투과율은 다음과 같이 나타난다
T =12
a112 +
a122
cos 2θi
+ a212cos 2 θi + a22
2 (34)
위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다
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제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
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Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
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제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
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다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
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(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
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가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 2 -
LCD는 VA-LCD의 특징인 고명암대비비는 물론 빠른 응답속도와 광시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 도메인을 형성시키는 방법은 자외선(Ultra-Violet UV) 처리를 통한 방법[2] 삼각돌기(protrusion)을 이용하는 방법[3] [4] 유전체 삽입 방법[5]~[8] 전극 패턴을 이용하는 방법[9]~[12] 등 다양하며 현재 많은 연구가 이루어지고 있다 이들 구조 중 화소전극 및 공통전극에 패턴을 하여 도메인을 형성하는 방법은 간단한 공정으로 완벽한 네개의 도메인을 가지기 때문에 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 보이며 패턴된 전극 근방에서 왜곡된 전기장이 측면전장효과와 동일하여 빠른 응답속도 특성을 가지기 때문에 차세대 대면적 디스플레이에 많은 적용이 기대된다 이러한 디스플레이의 고부가가치를 위해서 고품질의 제품이 저가격으로 실현되어야 하고 이를 위해 고명암대비비 높은 투과도 광시야각 빠른 응답속도 등 전기광학적 특성과 관련된 수많은 파라미터에 대한 특성 변화를 밝히고 최적화 하는 것은 필수적이다 그러나 방대한 파라미터들을 실험적으로 수행하는 것은 불가능하기 때문에 실제적으로는 약간의 검증 실험을 포함한 시뮬레이션 기법을 적용하여 적은 노력과 시간으로 최적 설계를 수행하고 있다
본 연구에서는 MVA-LCD의 최적 설계 조건을 얻기 위하여 액정분자의 동적 특성에 근거하여 그 전기광학 특성을 수치해석적 기법으로 계산하였다 액정 셀(cell)의 동특성을 분석함에 있어서는 에릭슨-레슬리(Ericksen-Leslie) 운동방정식으로부터 분자배열분포를 얻었으며 라플라스(Laplace)의 전위분포방정식으로부터 전위분포를 얻었다 수치해석적 기법으로는 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하여 계산하였다 또한 투과도 및 시야각 특성 등 광투과 특성 해석을 위해 계산된 분자분포를 가지고 베르만(Berreman)의 44 행렬법을 적용하였다
- 3 -
제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
이 장에서는 액정표시소자의 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 하기 위해 사용되는 액정의 분자분포 방정식과 전위 분포 방정식에 대하여 논의하고 수치해석적 접근 방법에 대하여 기술하였다 또한 위의 결과로 구해진 액정의 분자 분포를 이용하여 광투과도 계산에 사용된 베르만 44 행렬법에 대하여 기술하였다
제 1 절 액정의 분자분포 방정식
단위 화소내의 액정의 운동과 방향자의 분포를 해석하기 위해 적용된 이론적 모델은 액정의 내부 운동량(inertial momentum)을 무시한 에릭슨-레슬리 이론에 기초한다 이때 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy fg)를 에릭슨-레슬리 방정식에 적용하면 다음과 같은 운동 방정식을 얻을 수 있다[13]
γ partpartt
ni = minus [fg ]n i+ λni i = x y z (1)
여기서 γ 는 회전 점성계수를 ni는 방향자의 직교성분을 λ는 n rarr
= 1 즉 방향자가 단위벡터 임을 내포하는 라그랑즈(Lagrange) 승수를 나타낸다 그리고 [fg ]ni
는 오일러-라그랑즈(Euler-Lagrangian) 방정식으로써 다음과 같이 표현된다
[fg ]ni=
partfgpartni
minusddx
(partf g
partnix
) minusddy
(partfgpartniy
) minusddz
(partf g
partniz
) (2)
- 4 -
이때 액정의 자유 에너지(fg)는 화소 내부의 탄성에너지(fs )와 외부에서 공급한 정전에너지(fe )의 차로 표현된다
fg = fs minus fe (3)
일반적으로 깁스 자유 에너지의 탄성에너지 밀도를 표현하는 방법은 벡터접근법과 텐서접근법이라는 두가지 방법을 통해 이루어지고 있다[14]
오슨-프랑크(Oseen-Frank) 탄성이론으로부터 액정의 탄성에너지를 방향자 nrarr 에 대하여 다음과 같이 표현한다
fs =
12
K 1 1 (nabla nrarr) 2 +
12
K 22 (nrarr nabla n
rarr+ q0 )2
+12
K 33 (nrarr nabla n
rarr)2
(4)
벡터접근법은 lsquo액정분자가 평형상태를 벗어나면 원상태로 돌아가려는 복원력을 가지며 이러한 액정의 복원력은 변형의 정도에 비례한다rsquo라는 탄성 이론으로부터 정의되었다 이러한 변형은 크게 스프레이(splay) 트위스트(twist) 벤드(bend) 변형으로 나타낼 수 있다 또한 변형의 크기에 비례하는 상수를 각각 스프레이(K11) 트위스트(K22) 벤드(K33) 상수라 한다 그리고 q0는 chirality이다
이에 반하여 텐서접근법은 드 쟝(de Gennes)의 질서도 텐서(order tensor)를 이용하여 기술하며 이때의 탄성에너지는 다음과 같이 나타낸다
- 5 -
fs = (minus
K 11
12+
K22
4+
K33
12)G ( 2 )
1 (K11 minus K22
2)G (2 )
2
+K 33 minus K 11
4)G (3 )
6 + q0K22G(2 )
4
(5)
이때 G와 Q는 다음과 같이 표현된다
G (2 )1 = QijkQijk
G (2 )2 = QijkQikk
G (2 )4 = eijkQilQjlk
G (3 )6 = QijQkliQklj
Qij = ninj minusij
3 (order tensor) (6)
여기서 아래 첨자는 아인슈타인(Einstein)의 표기법에 따른 것이다 또한 eijk는 치환 기호(permutation symbol)를 의미한다
다음으로 주어진 화소의 각종 전극에 인가되는 전압에 의하여 형성되는 전기 에너지밀도는 다음과 같다
fe =12 0φ l lmφ m (7)
위의 식에서 φ (x y z )는 액정의 화소 및 각종 전극에 인가된 전압에 의해 형성된 전위분포를 나타내며 lm은 비유전율 텐서로서 lm = perp lm + ∆ nlnm
- 6 -
으로 표현되며 0는 자유공간에서의 유전율이다 또한 ∆ = minus perp로서 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율의 차를 나타낸다 여기서 전위분포함수 φ (x y z )는 적절한 경계조건에 대하여 맥스웰 방정식으로부터 유도된 식 (8)의 라플라스 방정식을 시뮬레이션하여 얻을 수 있다[15]
ij(xy z)φ (xy z)j i= 0 (8)
이로부터 식 (4)와 (7)을 식 (1)에 대입함으로써 벡터접근법에 기초한 액정 방향자의 운동방정식을 얻을 수 있다 그러나 벡터접근법에 대한 운동방정식은 매우 복잡하기 때문에 편의상 탄성계수가 등방인 모델 즉 K11 = K22 = K33 = K로 단순화 하면 운동방정식은 다음과 같이 표현된다
γ partni
partt= K (
part2ni
partx 2+
part2ni
party 2+
part2ni
partz 2) + 0 ( minus perp )njφ jφ i + λni (9)
반면 텐서접근법으로부터 유도되는 액정 방향자의 운동 방정식은 이방 탄성계수 모델에 대하여 텐서 표기법으로 나타낼 수 있기 때문에 다음과 같이 표현된다
γpartni
partt=
13
(minus K 11 + 3K 22 + K33 )(njQjil l ) + (K11 minus K22 )nj (Qil lj + Qjlli )
+ (K33 minus K 11
2)nj [(2QlmmQji l + 2QlmQji lm minus QlmiQlmj )]
+ 2q0K22nj (eimlQljm + ejmlQlim ) + 0∆ njφ jφ i + λni
(10)
- 7 -
여기서 액정 방향자 nrarr 은 방위각 φ와 경사각 θ에 대하여 다음과 같이 표현할 수 있다
nrarr= (cos θ cos φ cos θ sin φ sinθ ) (11)
Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- 8 -
제 2 절 수치해석적 계산 기법
앞절에서 논의한 운동방정식 및 전위분포 방정식을 계산함에 있어 식 (1)과 (8)를 동시에 시뮬레이션 하여야 한다 또한 방정식들이 비선형이기 때문에 반복 계산 과정을 적용하여 정상 상태가 될 때까지의 최종 시간에 대하여 주어진 분자 분포에 대한 전위 분포와 그에 따른 분자 분포를 서로 교번하여 계산을 수행한다
Fig 2 Flow chart of simulation
수치해석 방법은 복잡하고 고차 비선형 방정식인 점을 고려하여 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하였다 유한차분법을 적용하기 위해서 공간적으로 격자는 균일 격자간격을 사용하였다 또한 중앙차분법(central space scheme)을 사용하였다 경계조건으로 본 연구에서는 강한
- 9 -
앵커링(anchoring)을 가정하였기 때문에 상하기판에의 방향자는 러빙 방향과 초기경사각에 의해 정의되고 항상 고정되어 있다고 가정하여 디리슐레(Dirichlet) 경계조건이 적용되었다 특히 전위분포의 계산에 효율성을 위하여 z축 방향의 양 끝에서 노이만(Neumann) 경계조건을 적용하였다 또한 방향자와 전위 분포 모두에 있어 x와 y방향에 대해서는 주기 경계조건을 적용하였다
시간적으로는 내삽법(implicit method)의 경우 운동방정식의 비선형성으로 인한 많은 문제가 야기되므로 외삽법(explicit method)을 사용하여 시간 적분을 계산하였다[12]
또한 라그랑즈 승수 λ는 매 시간증가시 재계산된 방향 성분이 액정방향자의 기본 조건인 n
rarr = n 2
x + n 2y + n 2
z = 1을 만족시키기 위한 목적으로 사용되었으며 계산의 편의를 위하여 k + 1번째 방향자를 계산함에 있어 λ를 제거한 뒤 k + 1번째 방향자를 계산하고 이를 다시 재 정규화 함으로써 방향자를 단위 벡터로 유지하였다
한편 전위 분포 시뮬레이션에서는 적절한 경계조건에 대하여 연속과도완화법(successive over relaxation SOR) 방법이 적용되었다 이때 정확한 계산을 위해 매 시간 단계에 대해 전위 분포 시뮬레이션이 수행 되어야 하나 많은 계산 시간이 요구되어지므로 전체 해에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 액정의 반응 속도에 따라 적절한 횟수로 줄여서 시뮬레이션 한다
- 10 -
제 3 절 광투과율 계산
액정은 장축과 단축의 굴절율이 다른 비등방 매질이며 불균일 매질이다 따라서 액정의 광투과 특성을 분석하기 위해서는 일반적으로 베르만 44 행렬법을 적용한다[16]~[19] 이러한 불균일성에 대하여 액정 셀을 무수히 얇은 다중층으로 설정하며 이렇게 설정된 각 층에서는 액정이 균일한 매질이라는 가정하에 각 층의 전파행렬을 계산함으로써 전체 전파특성 행렬을 계산할 수 있다 각 층에서는 액정이 균일하다고 가정하였으므로 굴절율에 대한 유전율 텐서를 알면 각 층에서의 전자장의 전파관계가 표현된다
Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
partparty
Ex
Hz
Ez
minusHx
=iwc
∆11 ∆12 ∆13 0∆21 ∆11 ∆23 00 0 0 1
∆23 ∆13 ∆43 0
Ex
Hz
Ez
minus Hx
(12)
- 11 -
여기서 행렬 요소 ∆ij는 다음과 같다
∆11 =minus X 13
33
∆12 = 1 minus X 2 1
33
∆13 =minus X 23
33
∆21 = 11 minus X213
33
∆23 = 12 minus13 23
33 ∆43 = 22 minus
23
33
minus X 2 (13)
여기에서 ij = perp ij + ∆ ninj로 표현된다 이 식에서 와 perp는 각각 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율을 나타내고 ∆ 은 이 둘의 차를 나타낸다 또한 액정의 굴절률과는 no =
radicperp ne =
radic 의 관계가 있다 X는 x축 방향으로의 전파상수와 관련된 값으로 X =
cξw
로 나타낼 수 있다 전파행렬 P 는 Fig 4에서 각층에 대한 광학투과특성을 나타내며 일계 미분방정식 식(12)로부터 다음과 같이 정의한다 즉 y1에서 y2사이의 균일 매질을 전파하는 전자기장 벡터의 관계는 다음 식과 같이 정의 할 수 있다
ψrarr(y2 ) = P(y1 y2 )ψrarr
(y1 ) (14)
(14)식에서 전자기장 벡터는 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T (15)
- 12 -
Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
베르만은 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 균일한 매질에서 전파 행렬을 계산하고 광투과 특성을 분석하는 방법을 기술하였다 본 연구에서는 이를 액정에 적용함으로써 해석적인 방법으로 고유벡터를 계산한다
만약 ∆행렬이 미소구간 y에 대해 독립적이라면 (15)는 다음과 같은 일반해를 가질 것이다 이것은 일반적으로 파동의 전파에 따른 위상 변화를 나타내고 있다
ψj
minusrarr(y ) = e iqjyψj
minusrarr(0 ) (16)
여기서 qj = λjwc
의 관계가 성립된다 이식을 (15)식에 대입하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다
iqjψ j
minusrarr(0 ) = i
wc∆ψj
minusrarr(0 ) (17)
- 13 -
여기서 λj = qjcw
이므로 위 식은 다음과 같이 정리 할 수 있다
∆ψj
minusrarr(0 ) = λ jψj
minusrarr(0 ) (18)
λj는 ∆행렬의 고유값(eigenvalue) ψj
minusrarr(0 )는 이 ∆행렬의 고유벡터이다
∆가 44행렬이므로 λi는 4개의 근이 되고 고유벡터도 4개의 기저를 가질 것이다 따라서 고유값을 위의 ∆행렬에 대입하고 고유벡터를 계산하면 다음과 같다
ψj
minusrarr= Nj
bj (∆11 minusλj)minus∆23 aj
minus∆21 bj
∆21 aj
λ ∆21 aj
(19a)
aj = ∆12∆23 minus∆13 (∆11 minus λj) (19b) bj = ∆13∆23 minus (∆11 minusλj) (∆43 minus λ2
j ) (19c)
Nj는 정규화 계수(normalizing coefficient)이다 이렇게 정의된 4개의 고유벡터를 이용하여 Ψ행렬을 만들 수 있다
Ψ=
ψ11 ψ12 ψ13 ψ14
ψ21 ψ22 ψ23 ψ24
ψ31 ψ32 ψ33 ψ34
ψ41 ψ42 ψ43 ψ44
(20)
- 14 -
h만큼 진행한 후의 진행파의 위상변화를 나타내는 대각행렬인 K행렬을 대각요소가 다음과 같은 값을 갖는 행렬로 정의하자
Kjj = e iqjh (21)
이때 다음과 같은 행렬식이 성립된다
ΨK = PΨ (22)
따라서 우리가 구하고자 하는 전파행렬은 다음과 같은 식으로 계산 할 수 있다
P = Ψ K Ψminus 1 (23)
이제 위에서 베르만 44 행렬법을 바탕으로 액정 셀의 각층에 대한 전파행렬을 계산하는 방법을 논의하였고 이를 바탕으로 액정 셀의 전체 투과율을 구하는 방법을 논의하고자 한다
투과율을 계산하기 위해서는 Fig 4와 같이 액정 셀을 y축에 대해 층으로 나누어 각각의 층에 대한 전파행렬 P (y h )을 구하고 각각의 전파행렬의 곱으로 전체 투과행렬 F를 계산하여야 한다 즉 F는 P의 곱으로 표현된다
F = P (Nminus 1 )h h ) P (Nminus 2 )h h ) P h h P h 0 (24)
- 15 -
Fig 5와 같이 두께가 d인 액정 셀에 빛이 기판위에 입사한다면 입사측과 투과측의 전자기장 벡터 ψrarr(0 ) ψrarr(d )를 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr(d ) = F ψrarr
(0 ) (25)
Fig 5에서 액정이 n1 n2인 두 매질 사이에 위치하고 입사광 반사광 및 투과광의 전자기장 벡터를 ψi
minusrarr ψ r
minusrarr ψ t
minusrarr라 하면 다음과 같은 식이 성립한다
ψrarr(0 ) = ψi
minusrarr(z = 0 ) + ψr
minusrarr(z = 0 ) (26a)
ψrarr(d ) = ψt
minusrarr(z = d ) (26b)
Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
투과광 계산중 매질의 경계에서의 접선 방향 전기장 Et
minusrarr와 자기장 벡터 Ht
minusrarr
- 16 -
는 연속이므로 ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T도 연속이다 따라서 액정 층의 투과율
계산시 경계면에서의 전기장 벡터는 등방성인 주변매질 1 2에서의 전자기장 벡터를 이용한다 등방성 매질에서 자기장 벡터는 전기장 벡터와 굴절률 및 입사각을 포함하는 함수관계를 갖고 있으므로 ψrarr는 전기장 벡터 성분으로 아래와 같은 표시가 가능하다
ψi
rarr=
Ex
rxEx
Ez
rzEz
ψr
minusrarr=
Rx
minus rxRx
Rz
minusrzRz
ψt
rarr=
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(27)
rx =n1
cos θ1
rz = n1cos θ1
rx =n2
cos θ2
rz = n2cos θ2
θ2 = sin minus 1 [n1
n2
sin θ1 ] (28)
여기서 Rx Rz Tx Tz는 반사 전기장 벡터의 x z성분과 투과 전기장 벡터의 x z성분을 나타낸다 (27)~(28)식으로부터 액정 셀의 투과방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다
Ex + Rx
rx (Ex minusRx )Ez + Rz
rz (EzminusRz)
= F
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(29)
- 17 -
이 식으로부터 Rx Rz를 제거하고 Ex Ez와 Tx Tz의 관계만을 설정하면 Ex Ez와 Tx Tz의 관계는 다음과 같은 22행렬로 정의된다
Tx
Tz=
a11 a12
a21 a22
Ex
Ez(30)
a11 =g32 + g42
D a12 =minus
g12 + g22
D
a21 =minusg31 + g41
D a22 =g11 + g21
D (31a)
g11 =(F11 + F12rx )
2 g12 =
(F13 + F14rz )
2
g21 =(F21 + F22rx )
2rx g22 =
(F23 + F24rz )
2rx
g31 =(F31 + F32rx )
2 g32 =
(F33 + F34rz )
2
g41 =(F41 + F42rx )
2rz g42 =
(F43 + F44rz )
2rz (31b)
D = (g11 + g21 )(g32 + g42 )minus (g21 + g22 )(g31 + g41 ) (31c)
그러나 전체 투과율을 계산하기 위하여 다시 Ex Ey와 Tx Ty를 Es Ep와 Ts Tp로 변환해 주어야 하며 입사면이 xz평면상에 존재한다고 가정하면 s = z이고 p = (cos θi sin θi 0 )이므로 다음과 같은 식이 성립한다
Es
Ep=
0 11 cos θi 0
Ex
Ez(32)
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입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고
Es
Ep=
1radic2
E0
e jα1
e jα2(33)
입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때 전체 투과율은 다음과 같이 나타난다
T =12
a112 +
a122
cos 2θi
+ a212cos 2 θi + a22
2 (34)
위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다
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제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
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Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
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제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 37 -
3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
- 45 -
우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
- 46 -
0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
- 48 -
26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 3 -
제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
이 장에서는 액정표시소자의 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 하기 위해 사용되는 액정의 분자분포 방정식과 전위 분포 방정식에 대하여 논의하고 수치해석적 접근 방법에 대하여 기술하였다 또한 위의 결과로 구해진 액정의 분자 분포를 이용하여 광투과도 계산에 사용된 베르만 44 행렬법에 대하여 기술하였다
제 1 절 액정의 분자분포 방정식
단위 화소내의 액정의 운동과 방향자의 분포를 해석하기 위해 적용된 이론적 모델은 액정의 내부 운동량(inertial momentum)을 무시한 에릭슨-레슬리 이론에 기초한다 이때 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy fg)를 에릭슨-레슬리 방정식에 적용하면 다음과 같은 운동 방정식을 얻을 수 있다[13]
γ partpartt
ni = minus [fg ]n i+ λni i = x y z (1)
여기서 γ 는 회전 점성계수를 ni는 방향자의 직교성분을 λ는 n rarr
= 1 즉 방향자가 단위벡터 임을 내포하는 라그랑즈(Lagrange) 승수를 나타낸다 그리고 [fg ]ni
는 오일러-라그랑즈(Euler-Lagrangian) 방정식으로써 다음과 같이 표현된다
[fg ]ni=
partfgpartni
minusddx
(partf g
partnix
) minusddy
(partfgpartniy
) minusddz
(partf g
partniz
) (2)
- 4 -
이때 액정의 자유 에너지(fg)는 화소 내부의 탄성에너지(fs )와 외부에서 공급한 정전에너지(fe )의 차로 표현된다
fg = fs minus fe (3)
일반적으로 깁스 자유 에너지의 탄성에너지 밀도를 표현하는 방법은 벡터접근법과 텐서접근법이라는 두가지 방법을 통해 이루어지고 있다[14]
오슨-프랑크(Oseen-Frank) 탄성이론으로부터 액정의 탄성에너지를 방향자 nrarr 에 대하여 다음과 같이 표현한다
fs =
12
K 1 1 (nabla nrarr) 2 +
12
K 22 (nrarr nabla n
rarr+ q0 )2
+12
K 33 (nrarr nabla n
rarr)2
(4)
벡터접근법은 lsquo액정분자가 평형상태를 벗어나면 원상태로 돌아가려는 복원력을 가지며 이러한 액정의 복원력은 변형의 정도에 비례한다rsquo라는 탄성 이론으로부터 정의되었다 이러한 변형은 크게 스프레이(splay) 트위스트(twist) 벤드(bend) 변형으로 나타낼 수 있다 또한 변형의 크기에 비례하는 상수를 각각 스프레이(K11) 트위스트(K22) 벤드(K33) 상수라 한다 그리고 q0는 chirality이다
이에 반하여 텐서접근법은 드 쟝(de Gennes)의 질서도 텐서(order tensor)를 이용하여 기술하며 이때의 탄성에너지는 다음과 같이 나타낸다
- 5 -
fs = (minus
K 11
12+
K22
4+
K33
12)G ( 2 )
1 (K11 minus K22
2)G (2 )
2
+K 33 minus K 11
4)G (3 )
6 + q0K22G(2 )
4
(5)
이때 G와 Q는 다음과 같이 표현된다
G (2 )1 = QijkQijk
G (2 )2 = QijkQikk
G (2 )4 = eijkQilQjlk
G (3 )6 = QijQkliQklj
Qij = ninj minusij
3 (order tensor) (6)
여기서 아래 첨자는 아인슈타인(Einstein)의 표기법에 따른 것이다 또한 eijk는 치환 기호(permutation symbol)를 의미한다
다음으로 주어진 화소의 각종 전극에 인가되는 전압에 의하여 형성되는 전기 에너지밀도는 다음과 같다
fe =12 0φ l lmφ m (7)
위의 식에서 φ (x y z )는 액정의 화소 및 각종 전극에 인가된 전압에 의해 형성된 전위분포를 나타내며 lm은 비유전율 텐서로서 lm = perp lm + ∆ nlnm
- 6 -
으로 표현되며 0는 자유공간에서의 유전율이다 또한 ∆ = minus perp로서 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율의 차를 나타낸다 여기서 전위분포함수 φ (x y z )는 적절한 경계조건에 대하여 맥스웰 방정식으로부터 유도된 식 (8)의 라플라스 방정식을 시뮬레이션하여 얻을 수 있다[15]
ij(xy z)φ (xy z)j i= 0 (8)
이로부터 식 (4)와 (7)을 식 (1)에 대입함으로써 벡터접근법에 기초한 액정 방향자의 운동방정식을 얻을 수 있다 그러나 벡터접근법에 대한 운동방정식은 매우 복잡하기 때문에 편의상 탄성계수가 등방인 모델 즉 K11 = K22 = K33 = K로 단순화 하면 운동방정식은 다음과 같이 표현된다
γ partni
partt= K (
part2ni
partx 2+
part2ni
party 2+
part2ni
partz 2) + 0 ( minus perp )njφ jφ i + λni (9)
반면 텐서접근법으로부터 유도되는 액정 방향자의 운동 방정식은 이방 탄성계수 모델에 대하여 텐서 표기법으로 나타낼 수 있기 때문에 다음과 같이 표현된다
γpartni
partt=
13
(minus K 11 + 3K 22 + K33 )(njQjil l ) + (K11 minus K22 )nj (Qil lj + Qjlli )
+ (K33 minus K 11
2)nj [(2QlmmQji l + 2QlmQji lm minus QlmiQlmj )]
+ 2q0K22nj (eimlQljm + ejmlQlim ) + 0∆ njφ jφ i + λni
(10)
- 7 -
여기서 액정 방향자 nrarr 은 방위각 φ와 경사각 θ에 대하여 다음과 같이 표현할 수 있다
nrarr= (cos θ cos φ cos θ sin φ sinθ ) (11)
Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
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제 2 절 수치해석적 계산 기법
앞절에서 논의한 운동방정식 및 전위분포 방정식을 계산함에 있어 식 (1)과 (8)를 동시에 시뮬레이션 하여야 한다 또한 방정식들이 비선형이기 때문에 반복 계산 과정을 적용하여 정상 상태가 될 때까지의 최종 시간에 대하여 주어진 분자 분포에 대한 전위 분포와 그에 따른 분자 분포를 서로 교번하여 계산을 수행한다
Fig 2 Flow chart of simulation
수치해석 방법은 복잡하고 고차 비선형 방정식인 점을 고려하여 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하였다 유한차분법을 적용하기 위해서 공간적으로 격자는 균일 격자간격을 사용하였다 또한 중앙차분법(central space scheme)을 사용하였다 경계조건으로 본 연구에서는 강한
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앵커링(anchoring)을 가정하였기 때문에 상하기판에의 방향자는 러빙 방향과 초기경사각에 의해 정의되고 항상 고정되어 있다고 가정하여 디리슐레(Dirichlet) 경계조건이 적용되었다 특히 전위분포의 계산에 효율성을 위하여 z축 방향의 양 끝에서 노이만(Neumann) 경계조건을 적용하였다 또한 방향자와 전위 분포 모두에 있어 x와 y방향에 대해서는 주기 경계조건을 적용하였다
시간적으로는 내삽법(implicit method)의 경우 운동방정식의 비선형성으로 인한 많은 문제가 야기되므로 외삽법(explicit method)을 사용하여 시간 적분을 계산하였다[12]
또한 라그랑즈 승수 λ는 매 시간증가시 재계산된 방향 성분이 액정방향자의 기본 조건인 n
rarr = n 2
x + n 2y + n 2
z = 1을 만족시키기 위한 목적으로 사용되었으며 계산의 편의를 위하여 k + 1번째 방향자를 계산함에 있어 λ를 제거한 뒤 k + 1번째 방향자를 계산하고 이를 다시 재 정규화 함으로써 방향자를 단위 벡터로 유지하였다
한편 전위 분포 시뮬레이션에서는 적절한 경계조건에 대하여 연속과도완화법(successive over relaxation SOR) 방법이 적용되었다 이때 정확한 계산을 위해 매 시간 단계에 대해 전위 분포 시뮬레이션이 수행 되어야 하나 많은 계산 시간이 요구되어지므로 전체 해에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 액정의 반응 속도에 따라 적절한 횟수로 줄여서 시뮬레이션 한다
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제 3 절 광투과율 계산
액정은 장축과 단축의 굴절율이 다른 비등방 매질이며 불균일 매질이다 따라서 액정의 광투과 특성을 분석하기 위해서는 일반적으로 베르만 44 행렬법을 적용한다[16]~[19] 이러한 불균일성에 대하여 액정 셀을 무수히 얇은 다중층으로 설정하며 이렇게 설정된 각 층에서는 액정이 균일한 매질이라는 가정하에 각 층의 전파행렬을 계산함으로써 전체 전파특성 행렬을 계산할 수 있다 각 층에서는 액정이 균일하다고 가정하였으므로 굴절율에 대한 유전율 텐서를 알면 각 층에서의 전자장의 전파관계가 표현된다
Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
partparty
Ex
Hz
Ez
minusHx
=iwc
∆11 ∆12 ∆13 0∆21 ∆11 ∆23 00 0 0 1
∆23 ∆13 ∆43 0
Ex
Hz
Ez
minus Hx
(12)
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여기서 행렬 요소 ∆ij는 다음과 같다
∆11 =minus X 13
33
∆12 = 1 minus X 2 1
33
∆13 =minus X 23
33
∆21 = 11 minus X213
33
∆23 = 12 minus13 23
33 ∆43 = 22 minus
23
33
minus X 2 (13)
여기에서 ij = perp ij + ∆ ninj로 표현된다 이 식에서 와 perp는 각각 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율을 나타내고 ∆ 은 이 둘의 차를 나타낸다 또한 액정의 굴절률과는 no =
radicperp ne =
radic 의 관계가 있다 X는 x축 방향으로의 전파상수와 관련된 값으로 X =
cξw
로 나타낼 수 있다 전파행렬 P 는 Fig 4에서 각층에 대한 광학투과특성을 나타내며 일계 미분방정식 식(12)로부터 다음과 같이 정의한다 즉 y1에서 y2사이의 균일 매질을 전파하는 전자기장 벡터의 관계는 다음 식과 같이 정의 할 수 있다
ψrarr(y2 ) = P(y1 y2 )ψrarr
(y1 ) (14)
(14)식에서 전자기장 벡터는 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T (15)
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Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
베르만은 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 균일한 매질에서 전파 행렬을 계산하고 광투과 특성을 분석하는 방법을 기술하였다 본 연구에서는 이를 액정에 적용함으로써 해석적인 방법으로 고유벡터를 계산한다
만약 ∆행렬이 미소구간 y에 대해 독립적이라면 (15)는 다음과 같은 일반해를 가질 것이다 이것은 일반적으로 파동의 전파에 따른 위상 변화를 나타내고 있다
ψj
minusrarr(y ) = e iqjyψj
minusrarr(0 ) (16)
여기서 qj = λjwc
의 관계가 성립된다 이식을 (15)식에 대입하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다
iqjψ j
minusrarr(0 ) = i
wc∆ψj
minusrarr(0 ) (17)
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여기서 λj = qjcw
이므로 위 식은 다음과 같이 정리 할 수 있다
∆ψj
minusrarr(0 ) = λ jψj
minusrarr(0 ) (18)
λj는 ∆행렬의 고유값(eigenvalue) ψj
minusrarr(0 )는 이 ∆행렬의 고유벡터이다
∆가 44행렬이므로 λi는 4개의 근이 되고 고유벡터도 4개의 기저를 가질 것이다 따라서 고유값을 위의 ∆행렬에 대입하고 고유벡터를 계산하면 다음과 같다
ψj
minusrarr= Nj
bj (∆11 minusλj)minus∆23 aj
minus∆21 bj
∆21 aj
λ ∆21 aj
(19a)
aj = ∆12∆23 minus∆13 (∆11 minus λj) (19b) bj = ∆13∆23 minus (∆11 minusλj) (∆43 minus λ2
j ) (19c)
Nj는 정규화 계수(normalizing coefficient)이다 이렇게 정의된 4개의 고유벡터를 이용하여 Ψ행렬을 만들 수 있다
Ψ=
ψ11 ψ12 ψ13 ψ14
ψ21 ψ22 ψ23 ψ24
ψ31 ψ32 ψ33 ψ34
ψ41 ψ42 ψ43 ψ44
(20)
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h만큼 진행한 후의 진행파의 위상변화를 나타내는 대각행렬인 K행렬을 대각요소가 다음과 같은 값을 갖는 행렬로 정의하자
Kjj = e iqjh (21)
이때 다음과 같은 행렬식이 성립된다
ΨK = PΨ (22)
따라서 우리가 구하고자 하는 전파행렬은 다음과 같은 식으로 계산 할 수 있다
P = Ψ K Ψminus 1 (23)
이제 위에서 베르만 44 행렬법을 바탕으로 액정 셀의 각층에 대한 전파행렬을 계산하는 방법을 논의하였고 이를 바탕으로 액정 셀의 전체 투과율을 구하는 방법을 논의하고자 한다
투과율을 계산하기 위해서는 Fig 4와 같이 액정 셀을 y축에 대해 층으로 나누어 각각의 층에 대한 전파행렬 P (y h )을 구하고 각각의 전파행렬의 곱으로 전체 투과행렬 F를 계산하여야 한다 즉 F는 P의 곱으로 표현된다
F = P (Nminus 1 )h h ) P (Nminus 2 )h h ) P h h P h 0 (24)
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Fig 5와 같이 두께가 d인 액정 셀에 빛이 기판위에 입사한다면 입사측과 투과측의 전자기장 벡터 ψrarr(0 ) ψrarr(d )를 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr(d ) = F ψrarr
(0 ) (25)
Fig 5에서 액정이 n1 n2인 두 매질 사이에 위치하고 입사광 반사광 및 투과광의 전자기장 벡터를 ψi
minusrarr ψ r
minusrarr ψ t
minusrarr라 하면 다음과 같은 식이 성립한다
ψrarr(0 ) = ψi
minusrarr(z = 0 ) + ψr
minusrarr(z = 0 ) (26a)
ψrarr(d ) = ψt
minusrarr(z = d ) (26b)
Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
투과광 계산중 매질의 경계에서의 접선 방향 전기장 Et
minusrarr와 자기장 벡터 Ht
minusrarr
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는 연속이므로 ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T도 연속이다 따라서 액정 층의 투과율
계산시 경계면에서의 전기장 벡터는 등방성인 주변매질 1 2에서의 전자기장 벡터를 이용한다 등방성 매질에서 자기장 벡터는 전기장 벡터와 굴절률 및 입사각을 포함하는 함수관계를 갖고 있으므로 ψrarr는 전기장 벡터 성분으로 아래와 같은 표시가 가능하다
ψi
rarr=
Ex
rxEx
Ez
rzEz
ψr
minusrarr=
Rx
minus rxRx
Rz
minusrzRz
ψt
rarr=
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(27)
rx =n1
cos θ1
rz = n1cos θ1
rx =n2
cos θ2
rz = n2cos θ2
θ2 = sin minus 1 [n1
n2
sin θ1 ] (28)
여기서 Rx Rz Tx Tz는 반사 전기장 벡터의 x z성분과 투과 전기장 벡터의 x z성분을 나타낸다 (27)~(28)식으로부터 액정 셀의 투과방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다
Ex + Rx
rx (Ex minusRx )Ez + Rz
rz (EzminusRz)
= F
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(29)
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이 식으로부터 Rx Rz를 제거하고 Ex Ez와 Tx Tz의 관계만을 설정하면 Ex Ez와 Tx Tz의 관계는 다음과 같은 22행렬로 정의된다
Tx
Tz=
a11 a12
a21 a22
Ex
Ez(30)
a11 =g32 + g42
D a12 =minus
g12 + g22
D
a21 =minusg31 + g41
D a22 =g11 + g21
D (31a)
g11 =(F11 + F12rx )
2 g12 =
(F13 + F14rz )
2
g21 =(F21 + F22rx )
2rx g22 =
(F23 + F24rz )
2rx
g31 =(F31 + F32rx )
2 g32 =
(F33 + F34rz )
2
g41 =(F41 + F42rx )
2rz g42 =
(F43 + F44rz )
2rz (31b)
D = (g11 + g21 )(g32 + g42 )minus (g21 + g22 )(g31 + g41 ) (31c)
그러나 전체 투과율을 계산하기 위하여 다시 Ex Ey와 Tx Ty를 Es Ep와 Ts Tp로 변환해 주어야 하며 입사면이 xz평면상에 존재한다고 가정하면 s = z이고 p = (cos θi sin θi 0 )이므로 다음과 같은 식이 성립한다
Es
Ep=
0 11 cos θi 0
Ex
Ez(32)
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입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고
Es
Ep=
1radic2
E0
e jα1
e jα2(33)
입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때 전체 투과율은 다음과 같이 나타난다
T =12
a112 +
a122
cos 2θi
+ a212cos 2 θi + a22
2 (34)
위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다
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제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
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Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
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제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 37 -
3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
- 38 -
(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
- 39 -
또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 41 -
Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- 42 -
Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 43 -
3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
- 44 -
석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
- 45 -
우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
- 48 -
26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
참 고 문 헌
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 4 -
이때 액정의 자유 에너지(fg)는 화소 내부의 탄성에너지(fs )와 외부에서 공급한 정전에너지(fe )의 차로 표현된다
fg = fs minus fe (3)
일반적으로 깁스 자유 에너지의 탄성에너지 밀도를 표현하는 방법은 벡터접근법과 텐서접근법이라는 두가지 방법을 통해 이루어지고 있다[14]
오슨-프랑크(Oseen-Frank) 탄성이론으로부터 액정의 탄성에너지를 방향자 nrarr 에 대하여 다음과 같이 표현한다
fs =
12
K 1 1 (nabla nrarr) 2 +
12
K 22 (nrarr nabla n
rarr+ q0 )2
+12
K 33 (nrarr nabla n
rarr)2
(4)
벡터접근법은 lsquo액정분자가 평형상태를 벗어나면 원상태로 돌아가려는 복원력을 가지며 이러한 액정의 복원력은 변형의 정도에 비례한다rsquo라는 탄성 이론으로부터 정의되었다 이러한 변형은 크게 스프레이(splay) 트위스트(twist) 벤드(bend) 변형으로 나타낼 수 있다 또한 변형의 크기에 비례하는 상수를 각각 스프레이(K11) 트위스트(K22) 벤드(K33) 상수라 한다 그리고 q0는 chirality이다
이에 반하여 텐서접근법은 드 쟝(de Gennes)의 질서도 텐서(order tensor)를 이용하여 기술하며 이때의 탄성에너지는 다음과 같이 나타낸다
- 5 -
fs = (minus
K 11
12+
K22
4+
K33
12)G ( 2 )
1 (K11 minus K22
2)G (2 )
2
+K 33 minus K 11
4)G (3 )
6 + q0K22G(2 )
4
(5)
이때 G와 Q는 다음과 같이 표현된다
G (2 )1 = QijkQijk
G (2 )2 = QijkQikk
G (2 )4 = eijkQilQjlk
G (3 )6 = QijQkliQklj
Qij = ninj minusij
3 (order tensor) (6)
여기서 아래 첨자는 아인슈타인(Einstein)의 표기법에 따른 것이다 또한 eijk는 치환 기호(permutation symbol)를 의미한다
다음으로 주어진 화소의 각종 전극에 인가되는 전압에 의하여 형성되는 전기 에너지밀도는 다음과 같다
fe =12 0φ l lmφ m (7)
위의 식에서 φ (x y z )는 액정의 화소 및 각종 전극에 인가된 전압에 의해 형성된 전위분포를 나타내며 lm은 비유전율 텐서로서 lm = perp lm + ∆ nlnm
- 6 -
으로 표현되며 0는 자유공간에서의 유전율이다 또한 ∆ = minus perp로서 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율의 차를 나타낸다 여기서 전위분포함수 φ (x y z )는 적절한 경계조건에 대하여 맥스웰 방정식으로부터 유도된 식 (8)의 라플라스 방정식을 시뮬레이션하여 얻을 수 있다[15]
ij(xy z)φ (xy z)j i= 0 (8)
이로부터 식 (4)와 (7)을 식 (1)에 대입함으로써 벡터접근법에 기초한 액정 방향자의 운동방정식을 얻을 수 있다 그러나 벡터접근법에 대한 운동방정식은 매우 복잡하기 때문에 편의상 탄성계수가 등방인 모델 즉 K11 = K22 = K33 = K로 단순화 하면 운동방정식은 다음과 같이 표현된다
γ partni
partt= K (
part2ni
partx 2+
part2ni
party 2+
part2ni
partz 2) + 0 ( minus perp )njφ jφ i + λni (9)
반면 텐서접근법으로부터 유도되는 액정 방향자의 운동 방정식은 이방 탄성계수 모델에 대하여 텐서 표기법으로 나타낼 수 있기 때문에 다음과 같이 표현된다
γpartni
partt=
13
(minus K 11 + 3K 22 + K33 )(njQjil l ) + (K11 minus K22 )nj (Qil lj + Qjlli )
+ (K33 minus K 11
2)nj [(2QlmmQji l + 2QlmQji lm minus QlmiQlmj )]
+ 2q0K22nj (eimlQljm + ejmlQlim ) + 0∆ njφ jφ i + λni
(10)
- 7 -
여기서 액정 방향자 nrarr 은 방위각 φ와 경사각 θ에 대하여 다음과 같이 표현할 수 있다
nrarr= (cos θ cos φ cos θ sin φ sinθ ) (11)
Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- 8 -
제 2 절 수치해석적 계산 기법
앞절에서 논의한 운동방정식 및 전위분포 방정식을 계산함에 있어 식 (1)과 (8)를 동시에 시뮬레이션 하여야 한다 또한 방정식들이 비선형이기 때문에 반복 계산 과정을 적용하여 정상 상태가 될 때까지의 최종 시간에 대하여 주어진 분자 분포에 대한 전위 분포와 그에 따른 분자 분포를 서로 교번하여 계산을 수행한다
Fig 2 Flow chart of simulation
수치해석 방법은 복잡하고 고차 비선형 방정식인 점을 고려하여 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하였다 유한차분법을 적용하기 위해서 공간적으로 격자는 균일 격자간격을 사용하였다 또한 중앙차분법(central space scheme)을 사용하였다 경계조건으로 본 연구에서는 강한
- 9 -
앵커링(anchoring)을 가정하였기 때문에 상하기판에의 방향자는 러빙 방향과 초기경사각에 의해 정의되고 항상 고정되어 있다고 가정하여 디리슐레(Dirichlet) 경계조건이 적용되었다 특히 전위분포의 계산에 효율성을 위하여 z축 방향의 양 끝에서 노이만(Neumann) 경계조건을 적용하였다 또한 방향자와 전위 분포 모두에 있어 x와 y방향에 대해서는 주기 경계조건을 적용하였다
시간적으로는 내삽법(implicit method)의 경우 운동방정식의 비선형성으로 인한 많은 문제가 야기되므로 외삽법(explicit method)을 사용하여 시간 적분을 계산하였다[12]
또한 라그랑즈 승수 λ는 매 시간증가시 재계산된 방향 성분이 액정방향자의 기본 조건인 n
rarr = n 2
x + n 2y + n 2
z = 1을 만족시키기 위한 목적으로 사용되었으며 계산의 편의를 위하여 k + 1번째 방향자를 계산함에 있어 λ를 제거한 뒤 k + 1번째 방향자를 계산하고 이를 다시 재 정규화 함으로써 방향자를 단위 벡터로 유지하였다
한편 전위 분포 시뮬레이션에서는 적절한 경계조건에 대하여 연속과도완화법(successive over relaxation SOR) 방법이 적용되었다 이때 정확한 계산을 위해 매 시간 단계에 대해 전위 분포 시뮬레이션이 수행 되어야 하나 많은 계산 시간이 요구되어지므로 전체 해에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 액정의 반응 속도에 따라 적절한 횟수로 줄여서 시뮬레이션 한다
- 10 -
제 3 절 광투과율 계산
액정은 장축과 단축의 굴절율이 다른 비등방 매질이며 불균일 매질이다 따라서 액정의 광투과 특성을 분석하기 위해서는 일반적으로 베르만 44 행렬법을 적용한다[16]~[19] 이러한 불균일성에 대하여 액정 셀을 무수히 얇은 다중층으로 설정하며 이렇게 설정된 각 층에서는 액정이 균일한 매질이라는 가정하에 각 층의 전파행렬을 계산함으로써 전체 전파특성 행렬을 계산할 수 있다 각 층에서는 액정이 균일하다고 가정하였으므로 굴절율에 대한 유전율 텐서를 알면 각 층에서의 전자장의 전파관계가 표현된다
Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
partparty
Ex
Hz
Ez
minusHx
=iwc
∆11 ∆12 ∆13 0∆21 ∆11 ∆23 00 0 0 1
∆23 ∆13 ∆43 0
Ex
Hz
Ez
minus Hx
(12)
- 11 -
여기서 행렬 요소 ∆ij는 다음과 같다
∆11 =minus X 13
33
∆12 = 1 minus X 2 1
33
∆13 =minus X 23
33
∆21 = 11 minus X213
33
∆23 = 12 minus13 23
33 ∆43 = 22 minus
23
33
minus X 2 (13)
여기에서 ij = perp ij + ∆ ninj로 표현된다 이 식에서 와 perp는 각각 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율을 나타내고 ∆ 은 이 둘의 차를 나타낸다 또한 액정의 굴절률과는 no =
radicperp ne =
radic 의 관계가 있다 X는 x축 방향으로의 전파상수와 관련된 값으로 X =
cξw
로 나타낼 수 있다 전파행렬 P 는 Fig 4에서 각층에 대한 광학투과특성을 나타내며 일계 미분방정식 식(12)로부터 다음과 같이 정의한다 즉 y1에서 y2사이의 균일 매질을 전파하는 전자기장 벡터의 관계는 다음 식과 같이 정의 할 수 있다
ψrarr(y2 ) = P(y1 y2 )ψrarr
(y1 ) (14)
(14)식에서 전자기장 벡터는 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T (15)
- 12 -
Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
베르만은 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 균일한 매질에서 전파 행렬을 계산하고 광투과 특성을 분석하는 방법을 기술하였다 본 연구에서는 이를 액정에 적용함으로써 해석적인 방법으로 고유벡터를 계산한다
만약 ∆행렬이 미소구간 y에 대해 독립적이라면 (15)는 다음과 같은 일반해를 가질 것이다 이것은 일반적으로 파동의 전파에 따른 위상 변화를 나타내고 있다
ψj
minusrarr(y ) = e iqjyψj
minusrarr(0 ) (16)
여기서 qj = λjwc
의 관계가 성립된다 이식을 (15)식에 대입하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다
iqjψ j
minusrarr(0 ) = i
wc∆ψj
minusrarr(0 ) (17)
- 13 -
여기서 λj = qjcw
이므로 위 식은 다음과 같이 정리 할 수 있다
∆ψj
minusrarr(0 ) = λ jψj
minusrarr(0 ) (18)
λj는 ∆행렬의 고유값(eigenvalue) ψj
minusrarr(0 )는 이 ∆행렬의 고유벡터이다
∆가 44행렬이므로 λi는 4개의 근이 되고 고유벡터도 4개의 기저를 가질 것이다 따라서 고유값을 위의 ∆행렬에 대입하고 고유벡터를 계산하면 다음과 같다
ψj
minusrarr= Nj
bj (∆11 minusλj)minus∆23 aj
minus∆21 bj
∆21 aj
λ ∆21 aj
(19a)
aj = ∆12∆23 minus∆13 (∆11 minus λj) (19b) bj = ∆13∆23 minus (∆11 minusλj) (∆43 minus λ2
j ) (19c)
Nj는 정규화 계수(normalizing coefficient)이다 이렇게 정의된 4개의 고유벡터를 이용하여 Ψ행렬을 만들 수 있다
Ψ=
ψ11 ψ12 ψ13 ψ14
ψ21 ψ22 ψ23 ψ24
ψ31 ψ32 ψ33 ψ34
ψ41 ψ42 ψ43 ψ44
(20)
- 14 -
h만큼 진행한 후의 진행파의 위상변화를 나타내는 대각행렬인 K행렬을 대각요소가 다음과 같은 값을 갖는 행렬로 정의하자
Kjj = e iqjh (21)
이때 다음과 같은 행렬식이 성립된다
ΨK = PΨ (22)
따라서 우리가 구하고자 하는 전파행렬은 다음과 같은 식으로 계산 할 수 있다
P = Ψ K Ψminus 1 (23)
이제 위에서 베르만 44 행렬법을 바탕으로 액정 셀의 각층에 대한 전파행렬을 계산하는 방법을 논의하였고 이를 바탕으로 액정 셀의 전체 투과율을 구하는 방법을 논의하고자 한다
투과율을 계산하기 위해서는 Fig 4와 같이 액정 셀을 y축에 대해 층으로 나누어 각각의 층에 대한 전파행렬 P (y h )을 구하고 각각의 전파행렬의 곱으로 전체 투과행렬 F를 계산하여야 한다 즉 F는 P의 곱으로 표현된다
F = P (Nminus 1 )h h ) P (Nminus 2 )h h ) P h h P h 0 (24)
- 15 -
Fig 5와 같이 두께가 d인 액정 셀에 빛이 기판위에 입사한다면 입사측과 투과측의 전자기장 벡터 ψrarr(0 ) ψrarr(d )를 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr(d ) = F ψrarr
(0 ) (25)
Fig 5에서 액정이 n1 n2인 두 매질 사이에 위치하고 입사광 반사광 및 투과광의 전자기장 벡터를 ψi
minusrarr ψ r
minusrarr ψ t
minusrarr라 하면 다음과 같은 식이 성립한다
ψrarr(0 ) = ψi
minusrarr(z = 0 ) + ψr
minusrarr(z = 0 ) (26a)
ψrarr(d ) = ψt
minusrarr(z = d ) (26b)
Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
투과광 계산중 매질의 경계에서의 접선 방향 전기장 Et
minusrarr와 자기장 벡터 Ht
minusrarr
- 16 -
는 연속이므로 ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T도 연속이다 따라서 액정 층의 투과율
계산시 경계면에서의 전기장 벡터는 등방성인 주변매질 1 2에서의 전자기장 벡터를 이용한다 등방성 매질에서 자기장 벡터는 전기장 벡터와 굴절률 및 입사각을 포함하는 함수관계를 갖고 있으므로 ψrarr는 전기장 벡터 성분으로 아래와 같은 표시가 가능하다
ψi
rarr=
Ex
rxEx
Ez
rzEz
ψr
minusrarr=
Rx
minus rxRx
Rz
minusrzRz
ψt
rarr=
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(27)
rx =n1
cos θ1
rz = n1cos θ1
rx =n2
cos θ2
rz = n2cos θ2
θ2 = sin minus 1 [n1
n2
sin θ1 ] (28)
여기서 Rx Rz Tx Tz는 반사 전기장 벡터의 x z성분과 투과 전기장 벡터의 x z성분을 나타낸다 (27)~(28)식으로부터 액정 셀의 투과방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다
Ex + Rx
rx (Ex minusRx )Ez + Rz
rz (EzminusRz)
= F
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(29)
- 17 -
이 식으로부터 Rx Rz를 제거하고 Ex Ez와 Tx Tz의 관계만을 설정하면 Ex Ez와 Tx Tz의 관계는 다음과 같은 22행렬로 정의된다
Tx
Tz=
a11 a12
a21 a22
Ex
Ez(30)
a11 =g32 + g42
D a12 =minus
g12 + g22
D
a21 =minusg31 + g41
D a22 =g11 + g21
D (31a)
g11 =(F11 + F12rx )
2 g12 =
(F13 + F14rz )
2
g21 =(F21 + F22rx )
2rx g22 =
(F23 + F24rz )
2rx
g31 =(F31 + F32rx )
2 g32 =
(F33 + F34rz )
2
g41 =(F41 + F42rx )
2rz g42 =
(F43 + F44rz )
2rz (31b)
D = (g11 + g21 )(g32 + g42 )minus (g21 + g22 )(g31 + g41 ) (31c)
그러나 전체 투과율을 계산하기 위하여 다시 Ex Ey와 Tx Ty를 Es Ep와 Ts Tp로 변환해 주어야 하며 입사면이 xz평면상에 존재한다고 가정하면 s = z이고 p = (cos θi sin θi 0 )이므로 다음과 같은 식이 성립한다
Es
Ep=
0 11 cos θi 0
Ex
Ez(32)
- 18 -
입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고
Es
Ep=
1radic2
E0
e jα1
e jα2(33)
입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때 전체 투과율은 다음과 같이 나타난다
T =12
a112 +
a122
cos 2θi
+ a212cos 2 θi + a22
2 (34)
위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다
- 19 -
제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- 20 -
Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
- 21 -
제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 37 -
3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
- 38 -
(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
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가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
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Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
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- 제 4 장 결 론
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- 표목차
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- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
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- 그림목차
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- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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fs = (minus
K 11
12+
K22
4+
K33
12)G ( 2 )
1 (K11 minus K22
2)G (2 )
2
+K 33 minus K 11
4)G (3 )
6 + q0K22G(2 )
4
(5)
이때 G와 Q는 다음과 같이 표현된다
G (2 )1 = QijkQijk
G (2 )2 = QijkQikk
G (2 )4 = eijkQilQjlk
G (3 )6 = QijQkliQklj
Qij = ninj minusij
3 (order tensor) (6)
여기서 아래 첨자는 아인슈타인(Einstein)의 표기법에 따른 것이다 또한 eijk는 치환 기호(permutation symbol)를 의미한다
다음으로 주어진 화소의 각종 전극에 인가되는 전압에 의하여 형성되는 전기 에너지밀도는 다음과 같다
fe =12 0φ l lmφ m (7)
위의 식에서 φ (x y z )는 액정의 화소 및 각종 전극에 인가된 전압에 의해 형성된 전위분포를 나타내며 lm은 비유전율 텐서로서 lm = perp lm + ∆ nlnm
- 6 -
으로 표현되며 0는 자유공간에서의 유전율이다 또한 ∆ = minus perp로서 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율의 차를 나타낸다 여기서 전위분포함수 φ (x y z )는 적절한 경계조건에 대하여 맥스웰 방정식으로부터 유도된 식 (8)의 라플라스 방정식을 시뮬레이션하여 얻을 수 있다[15]
ij(xy z)φ (xy z)j i= 0 (8)
이로부터 식 (4)와 (7)을 식 (1)에 대입함으로써 벡터접근법에 기초한 액정 방향자의 운동방정식을 얻을 수 있다 그러나 벡터접근법에 대한 운동방정식은 매우 복잡하기 때문에 편의상 탄성계수가 등방인 모델 즉 K11 = K22 = K33 = K로 단순화 하면 운동방정식은 다음과 같이 표현된다
γ partni
partt= K (
part2ni
partx 2+
part2ni
party 2+
part2ni
partz 2) + 0 ( minus perp )njφ jφ i + λni (9)
반면 텐서접근법으로부터 유도되는 액정 방향자의 운동 방정식은 이방 탄성계수 모델에 대하여 텐서 표기법으로 나타낼 수 있기 때문에 다음과 같이 표현된다
γpartni
partt=
13
(minus K 11 + 3K 22 + K33 )(njQjil l ) + (K11 minus K22 )nj (Qil lj + Qjlli )
+ (K33 minus K 11
2)nj [(2QlmmQji l + 2QlmQji lm minus QlmiQlmj )]
+ 2q0K22nj (eimlQljm + ejmlQlim ) + 0∆ njφ jφ i + λni
(10)
- 7 -
여기서 액정 방향자 nrarr 은 방위각 φ와 경사각 θ에 대하여 다음과 같이 표현할 수 있다
nrarr= (cos θ cos φ cos θ sin φ sinθ ) (11)
Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- 8 -
제 2 절 수치해석적 계산 기법
앞절에서 논의한 운동방정식 및 전위분포 방정식을 계산함에 있어 식 (1)과 (8)를 동시에 시뮬레이션 하여야 한다 또한 방정식들이 비선형이기 때문에 반복 계산 과정을 적용하여 정상 상태가 될 때까지의 최종 시간에 대하여 주어진 분자 분포에 대한 전위 분포와 그에 따른 분자 분포를 서로 교번하여 계산을 수행한다
Fig 2 Flow chart of simulation
수치해석 방법은 복잡하고 고차 비선형 방정식인 점을 고려하여 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하였다 유한차분법을 적용하기 위해서 공간적으로 격자는 균일 격자간격을 사용하였다 또한 중앙차분법(central space scheme)을 사용하였다 경계조건으로 본 연구에서는 강한
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앵커링(anchoring)을 가정하였기 때문에 상하기판에의 방향자는 러빙 방향과 초기경사각에 의해 정의되고 항상 고정되어 있다고 가정하여 디리슐레(Dirichlet) 경계조건이 적용되었다 특히 전위분포의 계산에 효율성을 위하여 z축 방향의 양 끝에서 노이만(Neumann) 경계조건을 적용하였다 또한 방향자와 전위 분포 모두에 있어 x와 y방향에 대해서는 주기 경계조건을 적용하였다
시간적으로는 내삽법(implicit method)의 경우 운동방정식의 비선형성으로 인한 많은 문제가 야기되므로 외삽법(explicit method)을 사용하여 시간 적분을 계산하였다[12]
또한 라그랑즈 승수 λ는 매 시간증가시 재계산된 방향 성분이 액정방향자의 기본 조건인 n
rarr = n 2
x + n 2y + n 2
z = 1을 만족시키기 위한 목적으로 사용되었으며 계산의 편의를 위하여 k + 1번째 방향자를 계산함에 있어 λ를 제거한 뒤 k + 1번째 방향자를 계산하고 이를 다시 재 정규화 함으로써 방향자를 단위 벡터로 유지하였다
한편 전위 분포 시뮬레이션에서는 적절한 경계조건에 대하여 연속과도완화법(successive over relaxation SOR) 방법이 적용되었다 이때 정확한 계산을 위해 매 시간 단계에 대해 전위 분포 시뮬레이션이 수행 되어야 하나 많은 계산 시간이 요구되어지므로 전체 해에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 액정의 반응 속도에 따라 적절한 횟수로 줄여서 시뮬레이션 한다
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제 3 절 광투과율 계산
액정은 장축과 단축의 굴절율이 다른 비등방 매질이며 불균일 매질이다 따라서 액정의 광투과 특성을 분석하기 위해서는 일반적으로 베르만 44 행렬법을 적용한다[16]~[19] 이러한 불균일성에 대하여 액정 셀을 무수히 얇은 다중층으로 설정하며 이렇게 설정된 각 층에서는 액정이 균일한 매질이라는 가정하에 각 층의 전파행렬을 계산함으로써 전체 전파특성 행렬을 계산할 수 있다 각 층에서는 액정이 균일하다고 가정하였으므로 굴절율에 대한 유전율 텐서를 알면 각 층에서의 전자장의 전파관계가 표현된다
Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
partparty
Ex
Hz
Ez
minusHx
=iwc
∆11 ∆12 ∆13 0∆21 ∆11 ∆23 00 0 0 1
∆23 ∆13 ∆43 0
Ex
Hz
Ez
minus Hx
(12)
- 11 -
여기서 행렬 요소 ∆ij는 다음과 같다
∆11 =minus X 13
33
∆12 = 1 minus X 2 1
33
∆13 =minus X 23
33
∆21 = 11 minus X213
33
∆23 = 12 minus13 23
33 ∆43 = 22 minus
23
33
minus X 2 (13)
여기에서 ij = perp ij + ∆ ninj로 표현된다 이 식에서 와 perp는 각각 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율을 나타내고 ∆ 은 이 둘의 차를 나타낸다 또한 액정의 굴절률과는 no =
radicperp ne =
radic 의 관계가 있다 X는 x축 방향으로의 전파상수와 관련된 값으로 X =
cξw
로 나타낼 수 있다 전파행렬 P 는 Fig 4에서 각층에 대한 광학투과특성을 나타내며 일계 미분방정식 식(12)로부터 다음과 같이 정의한다 즉 y1에서 y2사이의 균일 매질을 전파하는 전자기장 벡터의 관계는 다음 식과 같이 정의 할 수 있다
ψrarr(y2 ) = P(y1 y2 )ψrarr
(y1 ) (14)
(14)식에서 전자기장 벡터는 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T (15)
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Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
베르만은 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 균일한 매질에서 전파 행렬을 계산하고 광투과 특성을 분석하는 방법을 기술하였다 본 연구에서는 이를 액정에 적용함으로써 해석적인 방법으로 고유벡터를 계산한다
만약 ∆행렬이 미소구간 y에 대해 독립적이라면 (15)는 다음과 같은 일반해를 가질 것이다 이것은 일반적으로 파동의 전파에 따른 위상 변화를 나타내고 있다
ψj
minusrarr(y ) = e iqjyψj
minusrarr(0 ) (16)
여기서 qj = λjwc
의 관계가 성립된다 이식을 (15)식에 대입하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다
iqjψ j
minusrarr(0 ) = i
wc∆ψj
minusrarr(0 ) (17)
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여기서 λj = qjcw
이므로 위 식은 다음과 같이 정리 할 수 있다
∆ψj
minusrarr(0 ) = λ jψj
minusrarr(0 ) (18)
λj는 ∆행렬의 고유값(eigenvalue) ψj
minusrarr(0 )는 이 ∆행렬의 고유벡터이다
∆가 44행렬이므로 λi는 4개의 근이 되고 고유벡터도 4개의 기저를 가질 것이다 따라서 고유값을 위의 ∆행렬에 대입하고 고유벡터를 계산하면 다음과 같다
ψj
minusrarr= Nj
bj (∆11 minusλj)minus∆23 aj
minus∆21 bj
∆21 aj
λ ∆21 aj
(19a)
aj = ∆12∆23 minus∆13 (∆11 minus λj) (19b) bj = ∆13∆23 minus (∆11 minusλj) (∆43 minus λ2
j ) (19c)
Nj는 정규화 계수(normalizing coefficient)이다 이렇게 정의된 4개의 고유벡터를 이용하여 Ψ행렬을 만들 수 있다
Ψ=
ψ11 ψ12 ψ13 ψ14
ψ21 ψ22 ψ23 ψ24
ψ31 ψ32 ψ33 ψ34
ψ41 ψ42 ψ43 ψ44
(20)
- 14 -
h만큼 진행한 후의 진행파의 위상변화를 나타내는 대각행렬인 K행렬을 대각요소가 다음과 같은 값을 갖는 행렬로 정의하자
Kjj = e iqjh (21)
이때 다음과 같은 행렬식이 성립된다
ΨK = PΨ (22)
따라서 우리가 구하고자 하는 전파행렬은 다음과 같은 식으로 계산 할 수 있다
P = Ψ K Ψminus 1 (23)
이제 위에서 베르만 44 행렬법을 바탕으로 액정 셀의 각층에 대한 전파행렬을 계산하는 방법을 논의하였고 이를 바탕으로 액정 셀의 전체 투과율을 구하는 방법을 논의하고자 한다
투과율을 계산하기 위해서는 Fig 4와 같이 액정 셀을 y축에 대해 층으로 나누어 각각의 층에 대한 전파행렬 P (y h )을 구하고 각각의 전파행렬의 곱으로 전체 투과행렬 F를 계산하여야 한다 즉 F는 P의 곱으로 표현된다
F = P (Nminus 1 )h h ) P (Nminus 2 )h h ) P h h P h 0 (24)
- 15 -
Fig 5와 같이 두께가 d인 액정 셀에 빛이 기판위에 입사한다면 입사측과 투과측의 전자기장 벡터 ψrarr(0 ) ψrarr(d )를 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr(d ) = F ψrarr
(0 ) (25)
Fig 5에서 액정이 n1 n2인 두 매질 사이에 위치하고 입사광 반사광 및 투과광의 전자기장 벡터를 ψi
minusrarr ψ r
minusrarr ψ t
minusrarr라 하면 다음과 같은 식이 성립한다
ψrarr(0 ) = ψi
minusrarr(z = 0 ) + ψr
minusrarr(z = 0 ) (26a)
ψrarr(d ) = ψt
minusrarr(z = d ) (26b)
Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
투과광 계산중 매질의 경계에서의 접선 방향 전기장 Et
minusrarr와 자기장 벡터 Ht
minusrarr
- 16 -
는 연속이므로 ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T도 연속이다 따라서 액정 층의 투과율
계산시 경계면에서의 전기장 벡터는 등방성인 주변매질 1 2에서의 전자기장 벡터를 이용한다 등방성 매질에서 자기장 벡터는 전기장 벡터와 굴절률 및 입사각을 포함하는 함수관계를 갖고 있으므로 ψrarr는 전기장 벡터 성분으로 아래와 같은 표시가 가능하다
ψi
rarr=
Ex
rxEx
Ez
rzEz
ψr
minusrarr=
Rx
minus rxRx
Rz
minusrzRz
ψt
rarr=
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(27)
rx =n1
cos θ1
rz = n1cos θ1
rx =n2
cos θ2
rz = n2cos θ2
θ2 = sin minus 1 [n1
n2
sin θ1 ] (28)
여기서 Rx Rz Tx Tz는 반사 전기장 벡터의 x z성분과 투과 전기장 벡터의 x z성분을 나타낸다 (27)~(28)식으로부터 액정 셀의 투과방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다
Ex + Rx
rx (Ex minusRx )Ez + Rz
rz (EzminusRz)
= F
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(29)
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이 식으로부터 Rx Rz를 제거하고 Ex Ez와 Tx Tz의 관계만을 설정하면 Ex Ez와 Tx Tz의 관계는 다음과 같은 22행렬로 정의된다
Tx
Tz=
a11 a12
a21 a22
Ex
Ez(30)
a11 =g32 + g42
D a12 =minus
g12 + g22
D
a21 =minusg31 + g41
D a22 =g11 + g21
D (31a)
g11 =(F11 + F12rx )
2 g12 =
(F13 + F14rz )
2
g21 =(F21 + F22rx )
2rx g22 =
(F23 + F24rz )
2rx
g31 =(F31 + F32rx )
2 g32 =
(F33 + F34rz )
2
g41 =(F41 + F42rx )
2rz g42 =
(F43 + F44rz )
2rz (31b)
D = (g11 + g21 )(g32 + g42 )minus (g21 + g22 )(g31 + g41 ) (31c)
그러나 전체 투과율을 계산하기 위하여 다시 Ex Ey와 Tx Ty를 Es Ep와 Ts Tp로 변환해 주어야 하며 입사면이 xz평면상에 존재한다고 가정하면 s = z이고 p = (cos θi sin θi 0 )이므로 다음과 같은 식이 성립한다
Es
Ep=
0 11 cos θi 0
Ex
Ez(32)
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입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고
Es
Ep=
1radic2
E0
e jα1
e jα2(33)
입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때 전체 투과율은 다음과 같이 나타난다
T =12
a112 +
a122
cos 2θi
+ a212cos 2 θi + a22
2 (34)
위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다
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제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
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Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
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제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
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다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
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(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
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가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
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Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
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참 고 문 헌
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
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- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 6 -
으로 표현되며 0는 자유공간에서의 유전율이다 또한 ∆ = minus perp로서 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율의 차를 나타낸다 여기서 전위분포함수 φ (x y z )는 적절한 경계조건에 대하여 맥스웰 방정식으로부터 유도된 식 (8)의 라플라스 방정식을 시뮬레이션하여 얻을 수 있다[15]
ij(xy z)φ (xy z)j i= 0 (8)
이로부터 식 (4)와 (7)을 식 (1)에 대입함으로써 벡터접근법에 기초한 액정 방향자의 운동방정식을 얻을 수 있다 그러나 벡터접근법에 대한 운동방정식은 매우 복잡하기 때문에 편의상 탄성계수가 등방인 모델 즉 K11 = K22 = K33 = K로 단순화 하면 운동방정식은 다음과 같이 표현된다
γ partni
partt= K (
part2ni
partx 2+
part2ni
party 2+
part2ni
partz 2) + 0 ( minus perp )njφ jφ i + λni (9)
반면 텐서접근법으로부터 유도되는 액정 방향자의 운동 방정식은 이방 탄성계수 모델에 대하여 텐서 표기법으로 나타낼 수 있기 때문에 다음과 같이 표현된다
γpartni
partt=
13
(minus K 11 + 3K 22 + K33 )(njQjil l ) + (K11 minus K22 )nj (Qil lj + Qjlli )
+ (K33 minus K 11
2)nj [(2QlmmQji l + 2QlmQji lm minus QlmiQlmj )]
+ 2q0K22nj (eimlQljm + ejmlQlim ) + 0∆ njφ jφ i + λni
(10)
- 7 -
여기서 액정 방향자 nrarr 은 방위각 φ와 경사각 θ에 대하여 다음과 같이 표현할 수 있다
nrarr= (cos θ cos φ cos θ sin φ sinθ ) (11)
Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- 8 -
제 2 절 수치해석적 계산 기법
앞절에서 논의한 운동방정식 및 전위분포 방정식을 계산함에 있어 식 (1)과 (8)를 동시에 시뮬레이션 하여야 한다 또한 방정식들이 비선형이기 때문에 반복 계산 과정을 적용하여 정상 상태가 될 때까지의 최종 시간에 대하여 주어진 분자 분포에 대한 전위 분포와 그에 따른 분자 분포를 서로 교번하여 계산을 수행한다
Fig 2 Flow chart of simulation
수치해석 방법은 복잡하고 고차 비선형 방정식인 점을 고려하여 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하였다 유한차분법을 적용하기 위해서 공간적으로 격자는 균일 격자간격을 사용하였다 또한 중앙차분법(central space scheme)을 사용하였다 경계조건으로 본 연구에서는 강한
- 9 -
앵커링(anchoring)을 가정하였기 때문에 상하기판에의 방향자는 러빙 방향과 초기경사각에 의해 정의되고 항상 고정되어 있다고 가정하여 디리슐레(Dirichlet) 경계조건이 적용되었다 특히 전위분포의 계산에 효율성을 위하여 z축 방향의 양 끝에서 노이만(Neumann) 경계조건을 적용하였다 또한 방향자와 전위 분포 모두에 있어 x와 y방향에 대해서는 주기 경계조건을 적용하였다
시간적으로는 내삽법(implicit method)의 경우 운동방정식의 비선형성으로 인한 많은 문제가 야기되므로 외삽법(explicit method)을 사용하여 시간 적분을 계산하였다[12]
또한 라그랑즈 승수 λ는 매 시간증가시 재계산된 방향 성분이 액정방향자의 기본 조건인 n
rarr = n 2
x + n 2y + n 2
z = 1을 만족시키기 위한 목적으로 사용되었으며 계산의 편의를 위하여 k + 1번째 방향자를 계산함에 있어 λ를 제거한 뒤 k + 1번째 방향자를 계산하고 이를 다시 재 정규화 함으로써 방향자를 단위 벡터로 유지하였다
한편 전위 분포 시뮬레이션에서는 적절한 경계조건에 대하여 연속과도완화법(successive over relaxation SOR) 방법이 적용되었다 이때 정확한 계산을 위해 매 시간 단계에 대해 전위 분포 시뮬레이션이 수행 되어야 하나 많은 계산 시간이 요구되어지므로 전체 해에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 액정의 반응 속도에 따라 적절한 횟수로 줄여서 시뮬레이션 한다
- 10 -
제 3 절 광투과율 계산
액정은 장축과 단축의 굴절율이 다른 비등방 매질이며 불균일 매질이다 따라서 액정의 광투과 특성을 분석하기 위해서는 일반적으로 베르만 44 행렬법을 적용한다[16]~[19] 이러한 불균일성에 대하여 액정 셀을 무수히 얇은 다중층으로 설정하며 이렇게 설정된 각 층에서는 액정이 균일한 매질이라는 가정하에 각 층의 전파행렬을 계산함으로써 전체 전파특성 행렬을 계산할 수 있다 각 층에서는 액정이 균일하다고 가정하였으므로 굴절율에 대한 유전율 텐서를 알면 각 층에서의 전자장의 전파관계가 표현된다
Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
partparty
Ex
Hz
Ez
minusHx
=iwc
∆11 ∆12 ∆13 0∆21 ∆11 ∆23 00 0 0 1
∆23 ∆13 ∆43 0
Ex
Hz
Ez
minus Hx
(12)
- 11 -
여기서 행렬 요소 ∆ij는 다음과 같다
∆11 =minus X 13
33
∆12 = 1 minus X 2 1
33
∆13 =minus X 23
33
∆21 = 11 minus X213
33
∆23 = 12 minus13 23
33 ∆43 = 22 minus
23
33
minus X 2 (13)
여기에서 ij = perp ij + ∆ ninj로 표현된다 이 식에서 와 perp는 각각 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율을 나타내고 ∆ 은 이 둘의 차를 나타낸다 또한 액정의 굴절률과는 no =
radicperp ne =
radic 의 관계가 있다 X는 x축 방향으로의 전파상수와 관련된 값으로 X =
cξw
로 나타낼 수 있다 전파행렬 P 는 Fig 4에서 각층에 대한 광학투과특성을 나타내며 일계 미분방정식 식(12)로부터 다음과 같이 정의한다 즉 y1에서 y2사이의 균일 매질을 전파하는 전자기장 벡터의 관계는 다음 식과 같이 정의 할 수 있다
ψrarr(y2 ) = P(y1 y2 )ψrarr
(y1 ) (14)
(14)식에서 전자기장 벡터는 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T (15)
- 12 -
Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
베르만은 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 균일한 매질에서 전파 행렬을 계산하고 광투과 특성을 분석하는 방법을 기술하였다 본 연구에서는 이를 액정에 적용함으로써 해석적인 방법으로 고유벡터를 계산한다
만약 ∆행렬이 미소구간 y에 대해 독립적이라면 (15)는 다음과 같은 일반해를 가질 것이다 이것은 일반적으로 파동의 전파에 따른 위상 변화를 나타내고 있다
ψj
minusrarr(y ) = e iqjyψj
minusrarr(0 ) (16)
여기서 qj = λjwc
의 관계가 성립된다 이식을 (15)식에 대입하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다
iqjψ j
minusrarr(0 ) = i
wc∆ψj
minusrarr(0 ) (17)
- 13 -
여기서 λj = qjcw
이므로 위 식은 다음과 같이 정리 할 수 있다
∆ψj
minusrarr(0 ) = λ jψj
minusrarr(0 ) (18)
λj는 ∆행렬의 고유값(eigenvalue) ψj
minusrarr(0 )는 이 ∆행렬의 고유벡터이다
∆가 44행렬이므로 λi는 4개의 근이 되고 고유벡터도 4개의 기저를 가질 것이다 따라서 고유값을 위의 ∆행렬에 대입하고 고유벡터를 계산하면 다음과 같다
ψj
minusrarr= Nj
bj (∆11 minusλj)minus∆23 aj
minus∆21 bj
∆21 aj
λ ∆21 aj
(19a)
aj = ∆12∆23 minus∆13 (∆11 minus λj) (19b) bj = ∆13∆23 minus (∆11 minusλj) (∆43 minus λ2
j ) (19c)
Nj는 정규화 계수(normalizing coefficient)이다 이렇게 정의된 4개의 고유벡터를 이용하여 Ψ행렬을 만들 수 있다
Ψ=
ψ11 ψ12 ψ13 ψ14
ψ21 ψ22 ψ23 ψ24
ψ31 ψ32 ψ33 ψ34
ψ41 ψ42 ψ43 ψ44
(20)
- 14 -
h만큼 진행한 후의 진행파의 위상변화를 나타내는 대각행렬인 K행렬을 대각요소가 다음과 같은 값을 갖는 행렬로 정의하자
Kjj = e iqjh (21)
이때 다음과 같은 행렬식이 성립된다
ΨK = PΨ (22)
따라서 우리가 구하고자 하는 전파행렬은 다음과 같은 식으로 계산 할 수 있다
P = Ψ K Ψminus 1 (23)
이제 위에서 베르만 44 행렬법을 바탕으로 액정 셀의 각층에 대한 전파행렬을 계산하는 방법을 논의하였고 이를 바탕으로 액정 셀의 전체 투과율을 구하는 방법을 논의하고자 한다
투과율을 계산하기 위해서는 Fig 4와 같이 액정 셀을 y축에 대해 층으로 나누어 각각의 층에 대한 전파행렬 P (y h )을 구하고 각각의 전파행렬의 곱으로 전체 투과행렬 F를 계산하여야 한다 즉 F는 P의 곱으로 표현된다
F = P (Nminus 1 )h h ) P (Nminus 2 )h h ) P h h P h 0 (24)
- 15 -
Fig 5와 같이 두께가 d인 액정 셀에 빛이 기판위에 입사한다면 입사측과 투과측의 전자기장 벡터 ψrarr(0 ) ψrarr(d )를 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr(d ) = F ψrarr
(0 ) (25)
Fig 5에서 액정이 n1 n2인 두 매질 사이에 위치하고 입사광 반사광 및 투과광의 전자기장 벡터를 ψi
minusrarr ψ r
minusrarr ψ t
minusrarr라 하면 다음과 같은 식이 성립한다
ψrarr(0 ) = ψi
minusrarr(z = 0 ) + ψr
minusrarr(z = 0 ) (26a)
ψrarr(d ) = ψt
minusrarr(z = d ) (26b)
Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
투과광 계산중 매질의 경계에서의 접선 방향 전기장 Et
minusrarr와 자기장 벡터 Ht
minusrarr
- 16 -
는 연속이므로 ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T도 연속이다 따라서 액정 층의 투과율
계산시 경계면에서의 전기장 벡터는 등방성인 주변매질 1 2에서의 전자기장 벡터를 이용한다 등방성 매질에서 자기장 벡터는 전기장 벡터와 굴절률 및 입사각을 포함하는 함수관계를 갖고 있으므로 ψrarr는 전기장 벡터 성분으로 아래와 같은 표시가 가능하다
ψi
rarr=
Ex
rxEx
Ez
rzEz
ψr
minusrarr=
Rx
minus rxRx
Rz
minusrzRz
ψt
rarr=
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(27)
rx =n1
cos θ1
rz = n1cos θ1
rx =n2
cos θ2
rz = n2cos θ2
θ2 = sin minus 1 [n1
n2
sin θ1 ] (28)
여기서 Rx Rz Tx Tz는 반사 전기장 벡터의 x z성분과 투과 전기장 벡터의 x z성분을 나타낸다 (27)~(28)식으로부터 액정 셀의 투과방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다
Ex + Rx
rx (Ex minusRx )Ez + Rz
rz (EzminusRz)
= F
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(29)
- 17 -
이 식으로부터 Rx Rz를 제거하고 Ex Ez와 Tx Tz의 관계만을 설정하면 Ex Ez와 Tx Tz의 관계는 다음과 같은 22행렬로 정의된다
Tx
Tz=
a11 a12
a21 a22
Ex
Ez(30)
a11 =g32 + g42
D a12 =minus
g12 + g22
D
a21 =minusg31 + g41
D a22 =g11 + g21
D (31a)
g11 =(F11 + F12rx )
2 g12 =
(F13 + F14rz )
2
g21 =(F21 + F22rx )
2rx g22 =
(F23 + F24rz )
2rx
g31 =(F31 + F32rx )
2 g32 =
(F33 + F34rz )
2
g41 =(F41 + F42rx )
2rz g42 =
(F43 + F44rz )
2rz (31b)
D = (g11 + g21 )(g32 + g42 )minus (g21 + g22 )(g31 + g41 ) (31c)
그러나 전체 투과율을 계산하기 위하여 다시 Ex Ey와 Tx Ty를 Es Ep와 Ts Tp로 변환해 주어야 하며 입사면이 xz평면상에 존재한다고 가정하면 s = z이고 p = (cos θi sin θi 0 )이므로 다음과 같은 식이 성립한다
Es
Ep=
0 11 cos θi 0
Ex
Ez(32)
- 18 -
입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고
Es
Ep=
1radic2
E0
e jα1
e jα2(33)
입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때 전체 투과율은 다음과 같이 나타난다
T =12
a112 +
a122
cos 2θi
+ a212cos 2 θi + a22
2 (34)
위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다
- 19 -
제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- 20 -
Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
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제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
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다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
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(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
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가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
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Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 7 -
여기서 액정 방향자 nrarr 은 방위각 φ와 경사각 θ에 대하여 다음과 같이 표현할 수 있다
nrarr= (cos θ cos φ cos θ sin φ sinθ ) (11)
Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- 8 -
제 2 절 수치해석적 계산 기법
앞절에서 논의한 운동방정식 및 전위분포 방정식을 계산함에 있어 식 (1)과 (8)를 동시에 시뮬레이션 하여야 한다 또한 방정식들이 비선형이기 때문에 반복 계산 과정을 적용하여 정상 상태가 될 때까지의 최종 시간에 대하여 주어진 분자 분포에 대한 전위 분포와 그에 따른 분자 분포를 서로 교번하여 계산을 수행한다
Fig 2 Flow chart of simulation
수치해석 방법은 복잡하고 고차 비선형 방정식인 점을 고려하여 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하였다 유한차분법을 적용하기 위해서 공간적으로 격자는 균일 격자간격을 사용하였다 또한 중앙차분법(central space scheme)을 사용하였다 경계조건으로 본 연구에서는 강한
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앵커링(anchoring)을 가정하였기 때문에 상하기판에의 방향자는 러빙 방향과 초기경사각에 의해 정의되고 항상 고정되어 있다고 가정하여 디리슐레(Dirichlet) 경계조건이 적용되었다 특히 전위분포의 계산에 효율성을 위하여 z축 방향의 양 끝에서 노이만(Neumann) 경계조건을 적용하였다 또한 방향자와 전위 분포 모두에 있어 x와 y방향에 대해서는 주기 경계조건을 적용하였다
시간적으로는 내삽법(implicit method)의 경우 운동방정식의 비선형성으로 인한 많은 문제가 야기되므로 외삽법(explicit method)을 사용하여 시간 적분을 계산하였다[12]
또한 라그랑즈 승수 λ는 매 시간증가시 재계산된 방향 성분이 액정방향자의 기본 조건인 n
rarr = n 2
x + n 2y + n 2
z = 1을 만족시키기 위한 목적으로 사용되었으며 계산의 편의를 위하여 k + 1번째 방향자를 계산함에 있어 λ를 제거한 뒤 k + 1번째 방향자를 계산하고 이를 다시 재 정규화 함으로써 방향자를 단위 벡터로 유지하였다
한편 전위 분포 시뮬레이션에서는 적절한 경계조건에 대하여 연속과도완화법(successive over relaxation SOR) 방법이 적용되었다 이때 정확한 계산을 위해 매 시간 단계에 대해 전위 분포 시뮬레이션이 수행 되어야 하나 많은 계산 시간이 요구되어지므로 전체 해에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 액정의 반응 속도에 따라 적절한 횟수로 줄여서 시뮬레이션 한다
- 10 -
제 3 절 광투과율 계산
액정은 장축과 단축의 굴절율이 다른 비등방 매질이며 불균일 매질이다 따라서 액정의 광투과 특성을 분석하기 위해서는 일반적으로 베르만 44 행렬법을 적용한다[16]~[19] 이러한 불균일성에 대하여 액정 셀을 무수히 얇은 다중층으로 설정하며 이렇게 설정된 각 층에서는 액정이 균일한 매질이라는 가정하에 각 층의 전파행렬을 계산함으로써 전체 전파특성 행렬을 계산할 수 있다 각 층에서는 액정이 균일하다고 가정하였으므로 굴절율에 대한 유전율 텐서를 알면 각 층에서의 전자장의 전파관계가 표현된다
Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
partparty
Ex
Hz
Ez
minusHx
=iwc
∆11 ∆12 ∆13 0∆21 ∆11 ∆23 00 0 0 1
∆23 ∆13 ∆43 0
Ex
Hz
Ez
minus Hx
(12)
- 11 -
여기서 행렬 요소 ∆ij는 다음과 같다
∆11 =minus X 13
33
∆12 = 1 minus X 2 1
33
∆13 =minus X 23
33
∆21 = 11 minus X213
33
∆23 = 12 minus13 23
33 ∆43 = 22 minus
23
33
minus X 2 (13)
여기에서 ij = perp ij + ∆ ninj로 표현된다 이 식에서 와 perp는 각각 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율을 나타내고 ∆ 은 이 둘의 차를 나타낸다 또한 액정의 굴절률과는 no =
radicperp ne =
radic 의 관계가 있다 X는 x축 방향으로의 전파상수와 관련된 값으로 X =
cξw
로 나타낼 수 있다 전파행렬 P 는 Fig 4에서 각층에 대한 광학투과특성을 나타내며 일계 미분방정식 식(12)로부터 다음과 같이 정의한다 즉 y1에서 y2사이의 균일 매질을 전파하는 전자기장 벡터의 관계는 다음 식과 같이 정의 할 수 있다
ψrarr(y2 ) = P(y1 y2 )ψrarr
(y1 ) (14)
(14)식에서 전자기장 벡터는 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T (15)
- 12 -
Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
베르만은 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 균일한 매질에서 전파 행렬을 계산하고 광투과 특성을 분석하는 방법을 기술하였다 본 연구에서는 이를 액정에 적용함으로써 해석적인 방법으로 고유벡터를 계산한다
만약 ∆행렬이 미소구간 y에 대해 독립적이라면 (15)는 다음과 같은 일반해를 가질 것이다 이것은 일반적으로 파동의 전파에 따른 위상 변화를 나타내고 있다
ψj
minusrarr(y ) = e iqjyψj
minusrarr(0 ) (16)
여기서 qj = λjwc
의 관계가 성립된다 이식을 (15)식에 대입하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다
iqjψ j
minusrarr(0 ) = i
wc∆ψj
minusrarr(0 ) (17)
- 13 -
여기서 λj = qjcw
이므로 위 식은 다음과 같이 정리 할 수 있다
∆ψj
minusrarr(0 ) = λ jψj
minusrarr(0 ) (18)
λj는 ∆행렬의 고유값(eigenvalue) ψj
minusrarr(0 )는 이 ∆행렬의 고유벡터이다
∆가 44행렬이므로 λi는 4개의 근이 되고 고유벡터도 4개의 기저를 가질 것이다 따라서 고유값을 위의 ∆행렬에 대입하고 고유벡터를 계산하면 다음과 같다
ψj
minusrarr= Nj
bj (∆11 minusλj)minus∆23 aj
minus∆21 bj
∆21 aj
λ ∆21 aj
(19a)
aj = ∆12∆23 minus∆13 (∆11 minus λj) (19b) bj = ∆13∆23 minus (∆11 minusλj) (∆43 minus λ2
j ) (19c)
Nj는 정규화 계수(normalizing coefficient)이다 이렇게 정의된 4개의 고유벡터를 이용하여 Ψ행렬을 만들 수 있다
Ψ=
ψ11 ψ12 ψ13 ψ14
ψ21 ψ22 ψ23 ψ24
ψ31 ψ32 ψ33 ψ34
ψ41 ψ42 ψ43 ψ44
(20)
- 14 -
h만큼 진행한 후의 진행파의 위상변화를 나타내는 대각행렬인 K행렬을 대각요소가 다음과 같은 값을 갖는 행렬로 정의하자
Kjj = e iqjh (21)
이때 다음과 같은 행렬식이 성립된다
ΨK = PΨ (22)
따라서 우리가 구하고자 하는 전파행렬은 다음과 같은 식으로 계산 할 수 있다
P = Ψ K Ψminus 1 (23)
이제 위에서 베르만 44 행렬법을 바탕으로 액정 셀의 각층에 대한 전파행렬을 계산하는 방법을 논의하였고 이를 바탕으로 액정 셀의 전체 투과율을 구하는 방법을 논의하고자 한다
투과율을 계산하기 위해서는 Fig 4와 같이 액정 셀을 y축에 대해 층으로 나누어 각각의 층에 대한 전파행렬 P (y h )을 구하고 각각의 전파행렬의 곱으로 전체 투과행렬 F를 계산하여야 한다 즉 F는 P의 곱으로 표현된다
F = P (Nminus 1 )h h ) P (Nminus 2 )h h ) P h h P h 0 (24)
- 15 -
Fig 5와 같이 두께가 d인 액정 셀에 빛이 기판위에 입사한다면 입사측과 투과측의 전자기장 벡터 ψrarr(0 ) ψrarr(d )를 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr(d ) = F ψrarr
(0 ) (25)
Fig 5에서 액정이 n1 n2인 두 매질 사이에 위치하고 입사광 반사광 및 투과광의 전자기장 벡터를 ψi
minusrarr ψ r
minusrarr ψ t
minusrarr라 하면 다음과 같은 식이 성립한다
ψrarr(0 ) = ψi
minusrarr(z = 0 ) + ψr
minusrarr(z = 0 ) (26a)
ψrarr(d ) = ψt
minusrarr(z = d ) (26b)
Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
투과광 계산중 매질의 경계에서의 접선 방향 전기장 Et
minusrarr와 자기장 벡터 Ht
minusrarr
- 16 -
는 연속이므로 ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T도 연속이다 따라서 액정 층의 투과율
계산시 경계면에서의 전기장 벡터는 등방성인 주변매질 1 2에서의 전자기장 벡터를 이용한다 등방성 매질에서 자기장 벡터는 전기장 벡터와 굴절률 및 입사각을 포함하는 함수관계를 갖고 있으므로 ψrarr는 전기장 벡터 성분으로 아래와 같은 표시가 가능하다
ψi
rarr=
Ex
rxEx
Ez
rzEz
ψr
minusrarr=
Rx
minus rxRx
Rz
minusrzRz
ψt
rarr=
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(27)
rx =n1
cos θ1
rz = n1cos θ1
rx =n2
cos θ2
rz = n2cos θ2
θ2 = sin minus 1 [n1
n2
sin θ1 ] (28)
여기서 Rx Rz Tx Tz는 반사 전기장 벡터의 x z성분과 투과 전기장 벡터의 x z성분을 나타낸다 (27)~(28)식으로부터 액정 셀의 투과방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다
Ex + Rx
rx (Ex minusRx )Ez + Rz
rz (EzminusRz)
= F
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(29)
- 17 -
이 식으로부터 Rx Rz를 제거하고 Ex Ez와 Tx Tz의 관계만을 설정하면 Ex Ez와 Tx Tz의 관계는 다음과 같은 22행렬로 정의된다
Tx
Tz=
a11 a12
a21 a22
Ex
Ez(30)
a11 =g32 + g42
D a12 =minus
g12 + g22
D
a21 =minusg31 + g41
D a22 =g11 + g21
D (31a)
g11 =(F11 + F12rx )
2 g12 =
(F13 + F14rz )
2
g21 =(F21 + F22rx )
2rx g22 =
(F23 + F24rz )
2rx
g31 =(F31 + F32rx )
2 g32 =
(F33 + F34rz )
2
g41 =(F41 + F42rx )
2rz g42 =
(F43 + F44rz )
2rz (31b)
D = (g11 + g21 )(g32 + g42 )minus (g21 + g22 )(g31 + g41 ) (31c)
그러나 전체 투과율을 계산하기 위하여 다시 Ex Ey와 Tx Ty를 Es Ep와 Ts Tp로 변환해 주어야 하며 입사면이 xz평면상에 존재한다고 가정하면 s = z이고 p = (cos θi sin θi 0 )이므로 다음과 같은 식이 성립한다
Es
Ep=
0 11 cos θi 0
Ex
Ez(32)
- 18 -
입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고
Es
Ep=
1radic2
E0
e jα1
e jα2(33)
입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때 전체 투과율은 다음과 같이 나타난다
T =12
a112 +
a122
cos 2θi
+ a212cos 2 θi + a22
2 (34)
위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다
- 19 -
제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
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Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
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제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 37 -
3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
- 38 -
(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
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다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
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가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
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Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 8 -
제 2 절 수치해석적 계산 기법
앞절에서 논의한 운동방정식 및 전위분포 방정식을 계산함에 있어 식 (1)과 (8)를 동시에 시뮬레이션 하여야 한다 또한 방정식들이 비선형이기 때문에 반복 계산 과정을 적용하여 정상 상태가 될 때까지의 최종 시간에 대하여 주어진 분자 분포에 대한 전위 분포와 그에 따른 분자 분포를 서로 교번하여 계산을 수행한다
Fig 2 Flow chart of simulation
수치해석 방법은 복잡하고 고차 비선형 방정식인 점을 고려하여 유한차분법(Finite Difference Method FDM)을 적용하였다 유한차분법을 적용하기 위해서 공간적으로 격자는 균일 격자간격을 사용하였다 또한 중앙차분법(central space scheme)을 사용하였다 경계조건으로 본 연구에서는 강한
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앵커링(anchoring)을 가정하였기 때문에 상하기판에의 방향자는 러빙 방향과 초기경사각에 의해 정의되고 항상 고정되어 있다고 가정하여 디리슐레(Dirichlet) 경계조건이 적용되었다 특히 전위분포의 계산에 효율성을 위하여 z축 방향의 양 끝에서 노이만(Neumann) 경계조건을 적용하였다 또한 방향자와 전위 분포 모두에 있어 x와 y방향에 대해서는 주기 경계조건을 적용하였다
시간적으로는 내삽법(implicit method)의 경우 운동방정식의 비선형성으로 인한 많은 문제가 야기되므로 외삽법(explicit method)을 사용하여 시간 적분을 계산하였다[12]
또한 라그랑즈 승수 λ는 매 시간증가시 재계산된 방향 성분이 액정방향자의 기본 조건인 n
rarr = n 2
x + n 2y + n 2
z = 1을 만족시키기 위한 목적으로 사용되었으며 계산의 편의를 위하여 k + 1번째 방향자를 계산함에 있어 λ를 제거한 뒤 k + 1번째 방향자를 계산하고 이를 다시 재 정규화 함으로써 방향자를 단위 벡터로 유지하였다
한편 전위 분포 시뮬레이션에서는 적절한 경계조건에 대하여 연속과도완화법(successive over relaxation SOR) 방법이 적용되었다 이때 정확한 계산을 위해 매 시간 단계에 대해 전위 분포 시뮬레이션이 수행 되어야 하나 많은 계산 시간이 요구되어지므로 전체 해에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 액정의 반응 속도에 따라 적절한 횟수로 줄여서 시뮬레이션 한다
- 10 -
제 3 절 광투과율 계산
액정은 장축과 단축의 굴절율이 다른 비등방 매질이며 불균일 매질이다 따라서 액정의 광투과 특성을 분석하기 위해서는 일반적으로 베르만 44 행렬법을 적용한다[16]~[19] 이러한 불균일성에 대하여 액정 셀을 무수히 얇은 다중층으로 설정하며 이렇게 설정된 각 층에서는 액정이 균일한 매질이라는 가정하에 각 층의 전파행렬을 계산함으로써 전체 전파특성 행렬을 계산할 수 있다 각 층에서는 액정이 균일하다고 가정하였으므로 굴절율에 대한 유전율 텐서를 알면 각 층에서의 전자장의 전파관계가 표현된다
Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
partparty
Ex
Hz
Ez
minusHx
=iwc
∆11 ∆12 ∆13 0∆21 ∆11 ∆23 00 0 0 1
∆23 ∆13 ∆43 0
Ex
Hz
Ez
minus Hx
(12)
- 11 -
여기서 행렬 요소 ∆ij는 다음과 같다
∆11 =minus X 13
33
∆12 = 1 minus X 2 1
33
∆13 =minus X 23
33
∆21 = 11 minus X213
33
∆23 = 12 minus13 23
33 ∆43 = 22 minus
23
33
minus X 2 (13)
여기에서 ij = perp ij + ∆ ninj로 표현된다 이 식에서 와 perp는 각각 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율을 나타내고 ∆ 은 이 둘의 차를 나타낸다 또한 액정의 굴절률과는 no =
radicperp ne =
radic 의 관계가 있다 X는 x축 방향으로의 전파상수와 관련된 값으로 X =
cξw
로 나타낼 수 있다 전파행렬 P 는 Fig 4에서 각층에 대한 광학투과특성을 나타내며 일계 미분방정식 식(12)로부터 다음과 같이 정의한다 즉 y1에서 y2사이의 균일 매질을 전파하는 전자기장 벡터의 관계는 다음 식과 같이 정의 할 수 있다
ψrarr(y2 ) = P(y1 y2 )ψrarr
(y1 ) (14)
(14)식에서 전자기장 벡터는 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T (15)
- 12 -
Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
베르만은 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 균일한 매질에서 전파 행렬을 계산하고 광투과 특성을 분석하는 방법을 기술하였다 본 연구에서는 이를 액정에 적용함으로써 해석적인 방법으로 고유벡터를 계산한다
만약 ∆행렬이 미소구간 y에 대해 독립적이라면 (15)는 다음과 같은 일반해를 가질 것이다 이것은 일반적으로 파동의 전파에 따른 위상 변화를 나타내고 있다
ψj
minusrarr(y ) = e iqjyψj
minusrarr(0 ) (16)
여기서 qj = λjwc
의 관계가 성립된다 이식을 (15)식에 대입하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다
iqjψ j
minusrarr(0 ) = i
wc∆ψj
minusrarr(0 ) (17)
- 13 -
여기서 λj = qjcw
이므로 위 식은 다음과 같이 정리 할 수 있다
∆ψj
minusrarr(0 ) = λ jψj
minusrarr(0 ) (18)
λj는 ∆행렬의 고유값(eigenvalue) ψj
minusrarr(0 )는 이 ∆행렬의 고유벡터이다
∆가 44행렬이므로 λi는 4개의 근이 되고 고유벡터도 4개의 기저를 가질 것이다 따라서 고유값을 위의 ∆행렬에 대입하고 고유벡터를 계산하면 다음과 같다
ψj
minusrarr= Nj
bj (∆11 minusλj)minus∆23 aj
minus∆21 bj
∆21 aj
λ ∆21 aj
(19a)
aj = ∆12∆23 minus∆13 (∆11 minus λj) (19b) bj = ∆13∆23 minus (∆11 minusλj) (∆43 minus λ2
j ) (19c)
Nj는 정규화 계수(normalizing coefficient)이다 이렇게 정의된 4개의 고유벡터를 이용하여 Ψ행렬을 만들 수 있다
Ψ=
ψ11 ψ12 ψ13 ψ14
ψ21 ψ22 ψ23 ψ24
ψ31 ψ32 ψ33 ψ34
ψ41 ψ42 ψ43 ψ44
(20)
- 14 -
h만큼 진행한 후의 진행파의 위상변화를 나타내는 대각행렬인 K행렬을 대각요소가 다음과 같은 값을 갖는 행렬로 정의하자
Kjj = e iqjh (21)
이때 다음과 같은 행렬식이 성립된다
ΨK = PΨ (22)
따라서 우리가 구하고자 하는 전파행렬은 다음과 같은 식으로 계산 할 수 있다
P = Ψ K Ψminus 1 (23)
이제 위에서 베르만 44 행렬법을 바탕으로 액정 셀의 각층에 대한 전파행렬을 계산하는 방법을 논의하였고 이를 바탕으로 액정 셀의 전체 투과율을 구하는 방법을 논의하고자 한다
투과율을 계산하기 위해서는 Fig 4와 같이 액정 셀을 y축에 대해 층으로 나누어 각각의 층에 대한 전파행렬 P (y h )을 구하고 각각의 전파행렬의 곱으로 전체 투과행렬 F를 계산하여야 한다 즉 F는 P의 곱으로 표현된다
F = P (Nminus 1 )h h ) P (Nminus 2 )h h ) P h h P h 0 (24)
- 15 -
Fig 5와 같이 두께가 d인 액정 셀에 빛이 기판위에 입사한다면 입사측과 투과측의 전자기장 벡터 ψrarr(0 ) ψrarr(d )를 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr(d ) = F ψrarr
(0 ) (25)
Fig 5에서 액정이 n1 n2인 두 매질 사이에 위치하고 입사광 반사광 및 투과광의 전자기장 벡터를 ψi
minusrarr ψ r
minusrarr ψ t
minusrarr라 하면 다음과 같은 식이 성립한다
ψrarr(0 ) = ψi
minusrarr(z = 0 ) + ψr
minusrarr(z = 0 ) (26a)
ψrarr(d ) = ψt
minusrarr(z = d ) (26b)
Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
투과광 계산중 매질의 경계에서의 접선 방향 전기장 Et
minusrarr와 자기장 벡터 Ht
minusrarr
- 16 -
는 연속이므로 ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T도 연속이다 따라서 액정 층의 투과율
계산시 경계면에서의 전기장 벡터는 등방성인 주변매질 1 2에서의 전자기장 벡터를 이용한다 등방성 매질에서 자기장 벡터는 전기장 벡터와 굴절률 및 입사각을 포함하는 함수관계를 갖고 있으므로 ψrarr는 전기장 벡터 성분으로 아래와 같은 표시가 가능하다
ψi
rarr=
Ex
rxEx
Ez
rzEz
ψr
minusrarr=
Rx
minus rxRx
Rz
minusrzRz
ψt
rarr=
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(27)
rx =n1
cos θ1
rz = n1cos θ1
rx =n2
cos θ2
rz = n2cos θ2
θ2 = sin minus 1 [n1
n2
sin θ1 ] (28)
여기서 Rx Rz Tx Tz는 반사 전기장 벡터의 x z성분과 투과 전기장 벡터의 x z성분을 나타낸다 (27)~(28)식으로부터 액정 셀의 투과방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다
Ex + Rx
rx (Ex minusRx )Ez + Rz
rz (EzminusRz)
= F
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(29)
- 17 -
이 식으로부터 Rx Rz를 제거하고 Ex Ez와 Tx Tz의 관계만을 설정하면 Ex Ez와 Tx Tz의 관계는 다음과 같은 22행렬로 정의된다
Tx
Tz=
a11 a12
a21 a22
Ex
Ez(30)
a11 =g32 + g42
D a12 =minus
g12 + g22
D
a21 =minusg31 + g41
D a22 =g11 + g21
D (31a)
g11 =(F11 + F12rx )
2 g12 =
(F13 + F14rz )
2
g21 =(F21 + F22rx )
2rx g22 =
(F23 + F24rz )
2rx
g31 =(F31 + F32rx )
2 g32 =
(F33 + F34rz )
2
g41 =(F41 + F42rx )
2rz g42 =
(F43 + F44rz )
2rz (31b)
D = (g11 + g21 )(g32 + g42 )minus (g21 + g22 )(g31 + g41 ) (31c)
그러나 전체 투과율을 계산하기 위하여 다시 Ex Ey와 Tx Ty를 Es Ep와 Ts Tp로 변환해 주어야 하며 입사면이 xz평면상에 존재한다고 가정하면 s = z이고 p = (cos θi sin θi 0 )이므로 다음과 같은 식이 성립한다
Es
Ep=
0 11 cos θi 0
Ex
Ez(32)
- 18 -
입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고
Es
Ep=
1radic2
E0
e jα1
e jα2(33)
입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때 전체 투과율은 다음과 같이 나타난다
T =12
a112 +
a122
cos 2θi
+ a212cos 2 θi + a22
2 (34)
위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다
- 19 -
제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
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Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
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제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 37 -
3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
- 38 -
(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
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다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
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가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
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Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
참 고 문 헌
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 9 -
앵커링(anchoring)을 가정하였기 때문에 상하기판에의 방향자는 러빙 방향과 초기경사각에 의해 정의되고 항상 고정되어 있다고 가정하여 디리슐레(Dirichlet) 경계조건이 적용되었다 특히 전위분포의 계산에 효율성을 위하여 z축 방향의 양 끝에서 노이만(Neumann) 경계조건을 적용하였다 또한 방향자와 전위 분포 모두에 있어 x와 y방향에 대해서는 주기 경계조건을 적용하였다
시간적으로는 내삽법(implicit method)의 경우 운동방정식의 비선형성으로 인한 많은 문제가 야기되므로 외삽법(explicit method)을 사용하여 시간 적분을 계산하였다[12]
또한 라그랑즈 승수 λ는 매 시간증가시 재계산된 방향 성분이 액정방향자의 기본 조건인 n
rarr = n 2
x + n 2y + n 2
z = 1을 만족시키기 위한 목적으로 사용되었으며 계산의 편의를 위하여 k + 1번째 방향자를 계산함에 있어 λ를 제거한 뒤 k + 1번째 방향자를 계산하고 이를 다시 재 정규화 함으로써 방향자를 단위 벡터로 유지하였다
한편 전위 분포 시뮬레이션에서는 적절한 경계조건에 대하여 연속과도완화법(successive over relaxation SOR) 방법이 적용되었다 이때 정확한 계산을 위해 매 시간 단계에 대해 전위 분포 시뮬레이션이 수행 되어야 하나 많은 계산 시간이 요구되어지므로 전체 해에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 액정의 반응 속도에 따라 적절한 횟수로 줄여서 시뮬레이션 한다
- 10 -
제 3 절 광투과율 계산
액정은 장축과 단축의 굴절율이 다른 비등방 매질이며 불균일 매질이다 따라서 액정의 광투과 특성을 분석하기 위해서는 일반적으로 베르만 44 행렬법을 적용한다[16]~[19] 이러한 불균일성에 대하여 액정 셀을 무수히 얇은 다중층으로 설정하며 이렇게 설정된 각 층에서는 액정이 균일한 매질이라는 가정하에 각 층의 전파행렬을 계산함으로써 전체 전파특성 행렬을 계산할 수 있다 각 층에서는 액정이 균일하다고 가정하였으므로 굴절율에 대한 유전율 텐서를 알면 각 층에서의 전자장의 전파관계가 표현된다
Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
partparty
Ex
Hz
Ez
minusHx
=iwc
∆11 ∆12 ∆13 0∆21 ∆11 ∆23 00 0 0 1
∆23 ∆13 ∆43 0
Ex
Hz
Ez
minus Hx
(12)
- 11 -
여기서 행렬 요소 ∆ij는 다음과 같다
∆11 =minus X 13
33
∆12 = 1 minus X 2 1
33
∆13 =minus X 23
33
∆21 = 11 minus X213
33
∆23 = 12 minus13 23
33 ∆43 = 22 minus
23
33
minus X 2 (13)
여기에서 ij = perp ij + ∆ ninj로 표현된다 이 식에서 와 perp는 각각 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율을 나타내고 ∆ 은 이 둘의 차를 나타낸다 또한 액정의 굴절률과는 no =
radicperp ne =
radic 의 관계가 있다 X는 x축 방향으로의 전파상수와 관련된 값으로 X =
cξw
로 나타낼 수 있다 전파행렬 P 는 Fig 4에서 각층에 대한 광학투과특성을 나타내며 일계 미분방정식 식(12)로부터 다음과 같이 정의한다 즉 y1에서 y2사이의 균일 매질을 전파하는 전자기장 벡터의 관계는 다음 식과 같이 정의 할 수 있다
ψrarr(y2 ) = P(y1 y2 )ψrarr
(y1 ) (14)
(14)식에서 전자기장 벡터는 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T (15)
- 12 -
Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
베르만은 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 균일한 매질에서 전파 행렬을 계산하고 광투과 특성을 분석하는 방법을 기술하였다 본 연구에서는 이를 액정에 적용함으로써 해석적인 방법으로 고유벡터를 계산한다
만약 ∆행렬이 미소구간 y에 대해 독립적이라면 (15)는 다음과 같은 일반해를 가질 것이다 이것은 일반적으로 파동의 전파에 따른 위상 변화를 나타내고 있다
ψj
minusrarr(y ) = e iqjyψj
minusrarr(0 ) (16)
여기서 qj = λjwc
의 관계가 성립된다 이식을 (15)식에 대입하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다
iqjψ j
minusrarr(0 ) = i
wc∆ψj
minusrarr(0 ) (17)
- 13 -
여기서 λj = qjcw
이므로 위 식은 다음과 같이 정리 할 수 있다
∆ψj
minusrarr(0 ) = λ jψj
minusrarr(0 ) (18)
λj는 ∆행렬의 고유값(eigenvalue) ψj
minusrarr(0 )는 이 ∆행렬의 고유벡터이다
∆가 44행렬이므로 λi는 4개의 근이 되고 고유벡터도 4개의 기저를 가질 것이다 따라서 고유값을 위의 ∆행렬에 대입하고 고유벡터를 계산하면 다음과 같다
ψj
minusrarr= Nj
bj (∆11 minusλj)minus∆23 aj
minus∆21 bj
∆21 aj
λ ∆21 aj
(19a)
aj = ∆12∆23 minus∆13 (∆11 minus λj) (19b) bj = ∆13∆23 minus (∆11 minusλj) (∆43 minus λ2
j ) (19c)
Nj는 정규화 계수(normalizing coefficient)이다 이렇게 정의된 4개의 고유벡터를 이용하여 Ψ행렬을 만들 수 있다
Ψ=
ψ11 ψ12 ψ13 ψ14
ψ21 ψ22 ψ23 ψ24
ψ31 ψ32 ψ33 ψ34
ψ41 ψ42 ψ43 ψ44
(20)
- 14 -
h만큼 진행한 후의 진행파의 위상변화를 나타내는 대각행렬인 K행렬을 대각요소가 다음과 같은 값을 갖는 행렬로 정의하자
Kjj = e iqjh (21)
이때 다음과 같은 행렬식이 성립된다
ΨK = PΨ (22)
따라서 우리가 구하고자 하는 전파행렬은 다음과 같은 식으로 계산 할 수 있다
P = Ψ K Ψminus 1 (23)
이제 위에서 베르만 44 행렬법을 바탕으로 액정 셀의 각층에 대한 전파행렬을 계산하는 방법을 논의하였고 이를 바탕으로 액정 셀의 전체 투과율을 구하는 방법을 논의하고자 한다
투과율을 계산하기 위해서는 Fig 4와 같이 액정 셀을 y축에 대해 층으로 나누어 각각의 층에 대한 전파행렬 P (y h )을 구하고 각각의 전파행렬의 곱으로 전체 투과행렬 F를 계산하여야 한다 즉 F는 P의 곱으로 표현된다
F = P (Nminus 1 )h h ) P (Nminus 2 )h h ) P h h P h 0 (24)
- 15 -
Fig 5와 같이 두께가 d인 액정 셀에 빛이 기판위에 입사한다면 입사측과 투과측의 전자기장 벡터 ψrarr(0 ) ψrarr(d )를 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr(d ) = F ψrarr
(0 ) (25)
Fig 5에서 액정이 n1 n2인 두 매질 사이에 위치하고 입사광 반사광 및 투과광의 전자기장 벡터를 ψi
minusrarr ψ r
minusrarr ψ t
minusrarr라 하면 다음과 같은 식이 성립한다
ψrarr(0 ) = ψi
minusrarr(z = 0 ) + ψr
minusrarr(z = 0 ) (26a)
ψrarr(d ) = ψt
minusrarr(z = d ) (26b)
Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
투과광 계산중 매질의 경계에서의 접선 방향 전기장 Et
minusrarr와 자기장 벡터 Ht
minusrarr
- 16 -
는 연속이므로 ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T도 연속이다 따라서 액정 층의 투과율
계산시 경계면에서의 전기장 벡터는 등방성인 주변매질 1 2에서의 전자기장 벡터를 이용한다 등방성 매질에서 자기장 벡터는 전기장 벡터와 굴절률 및 입사각을 포함하는 함수관계를 갖고 있으므로 ψrarr는 전기장 벡터 성분으로 아래와 같은 표시가 가능하다
ψi
rarr=
Ex
rxEx
Ez
rzEz
ψr
minusrarr=
Rx
minus rxRx
Rz
minusrzRz
ψt
rarr=
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(27)
rx =n1
cos θ1
rz = n1cos θ1
rx =n2
cos θ2
rz = n2cos θ2
θ2 = sin minus 1 [n1
n2
sin θ1 ] (28)
여기서 Rx Rz Tx Tz는 반사 전기장 벡터의 x z성분과 투과 전기장 벡터의 x z성분을 나타낸다 (27)~(28)식으로부터 액정 셀의 투과방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다
Ex + Rx
rx (Ex minusRx )Ez + Rz
rz (EzminusRz)
= F
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(29)
- 17 -
이 식으로부터 Rx Rz를 제거하고 Ex Ez와 Tx Tz의 관계만을 설정하면 Ex Ez와 Tx Tz의 관계는 다음과 같은 22행렬로 정의된다
Tx
Tz=
a11 a12
a21 a22
Ex
Ez(30)
a11 =g32 + g42
D a12 =minus
g12 + g22
D
a21 =minusg31 + g41
D a22 =g11 + g21
D (31a)
g11 =(F11 + F12rx )
2 g12 =
(F13 + F14rz )
2
g21 =(F21 + F22rx )
2rx g22 =
(F23 + F24rz )
2rx
g31 =(F31 + F32rx )
2 g32 =
(F33 + F34rz )
2
g41 =(F41 + F42rx )
2rz g42 =
(F43 + F44rz )
2rz (31b)
D = (g11 + g21 )(g32 + g42 )minus (g21 + g22 )(g31 + g41 ) (31c)
그러나 전체 투과율을 계산하기 위하여 다시 Ex Ey와 Tx Ty를 Es Ep와 Ts Tp로 변환해 주어야 하며 입사면이 xz평면상에 존재한다고 가정하면 s = z이고 p = (cos θi sin θi 0 )이므로 다음과 같은 식이 성립한다
Es
Ep=
0 11 cos θi 0
Ex
Ez(32)
- 18 -
입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고
Es
Ep=
1radic2
E0
e jα1
e jα2(33)
입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때 전체 투과율은 다음과 같이 나타난다
T =12
a112 +
a122
cos 2θi
+ a212cos 2 θi + a22
2 (34)
위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다
- 19 -
제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- 20 -
Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
- 21 -
제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
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다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
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(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
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가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
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Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 10 -
제 3 절 광투과율 계산
액정은 장축과 단축의 굴절율이 다른 비등방 매질이며 불균일 매질이다 따라서 액정의 광투과 특성을 분석하기 위해서는 일반적으로 베르만 44 행렬법을 적용한다[16]~[19] 이러한 불균일성에 대하여 액정 셀을 무수히 얇은 다중층으로 설정하며 이렇게 설정된 각 층에서는 액정이 균일한 매질이라는 가정하에 각 층의 전파행렬을 계산함으로써 전체 전파특성 행렬을 계산할 수 있다 각 층에서는 액정이 균일하다고 가정하였으므로 굴절율에 대한 유전율 텐서를 알면 각 층에서의 전자장의 전파관계가 표현된다
Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
partparty
Ex
Hz
Ez
minusHx
=iwc
∆11 ∆12 ∆13 0∆21 ∆11 ∆23 00 0 0 1
∆23 ∆13 ∆43 0
Ex
Hz
Ez
minus Hx
(12)
- 11 -
여기서 행렬 요소 ∆ij는 다음과 같다
∆11 =minus X 13
33
∆12 = 1 minus X 2 1
33
∆13 =minus X 23
33
∆21 = 11 minus X213
33
∆23 = 12 minus13 23
33 ∆43 = 22 minus
23
33
minus X 2 (13)
여기에서 ij = perp ij + ∆ ninj로 표현된다 이 식에서 와 perp는 각각 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율을 나타내고 ∆ 은 이 둘의 차를 나타낸다 또한 액정의 굴절률과는 no =
radicperp ne =
radic 의 관계가 있다 X는 x축 방향으로의 전파상수와 관련된 값으로 X =
cξw
로 나타낼 수 있다 전파행렬 P 는 Fig 4에서 각층에 대한 광학투과특성을 나타내며 일계 미분방정식 식(12)로부터 다음과 같이 정의한다 즉 y1에서 y2사이의 균일 매질을 전파하는 전자기장 벡터의 관계는 다음 식과 같이 정의 할 수 있다
ψrarr(y2 ) = P(y1 y2 )ψrarr
(y1 ) (14)
(14)식에서 전자기장 벡터는 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T (15)
- 12 -
Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
베르만은 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 균일한 매질에서 전파 행렬을 계산하고 광투과 특성을 분석하는 방법을 기술하였다 본 연구에서는 이를 액정에 적용함으로써 해석적인 방법으로 고유벡터를 계산한다
만약 ∆행렬이 미소구간 y에 대해 독립적이라면 (15)는 다음과 같은 일반해를 가질 것이다 이것은 일반적으로 파동의 전파에 따른 위상 변화를 나타내고 있다
ψj
minusrarr(y ) = e iqjyψj
minusrarr(0 ) (16)
여기서 qj = λjwc
의 관계가 성립된다 이식을 (15)식에 대입하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다
iqjψ j
minusrarr(0 ) = i
wc∆ψj
minusrarr(0 ) (17)
- 13 -
여기서 λj = qjcw
이므로 위 식은 다음과 같이 정리 할 수 있다
∆ψj
minusrarr(0 ) = λ jψj
minusrarr(0 ) (18)
λj는 ∆행렬의 고유값(eigenvalue) ψj
minusrarr(0 )는 이 ∆행렬의 고유벡터이다
∆가 44행렬이므로 λi는 4개의 근이 되고 고유벡터도 4개의 기저를 가질 것이다 따라서 고유값을 위의 ∆행렬에 대입하고 고유벡터를 계산하면 다음과 같다
ψj
minusrarr= Nj
bj (∆11 minusλj)minus∆23 aj
minus∆21 bj
∆21 aj
λ ∆21 aj
(19a)
aj = ∆12∆23 minus∆13 (∆11 minus λj) (19b) bj = ∆13∆23 minus (∆11 minusλj) (∆43 minus λ2
j ) (19c)
Nj는 정규화 계수(normalizing coefficient)이다 이렇게 정의된 4개의 고유벡터를 이용하여 Ψ행렬을 만들 수 있다
Ψ=
ψ11 ψ12 ψ13 ψ14
ψ21 ψ22 ψ23 ψ24
ψ31 ψ32 ψ33 ψ34
ψ41 ψ42 ψ43 ψ44
(20)
- 14 -
h만큼 진행한 후의 진행파의 위상변화를 나타내는 대각행렬인 K행렬을 대각요소가 다음과 같은 값을 갖는 행렬로 정의하자
Kjj = e iqjh (21)
이때 다음과 같은 행렬식이 성립된다
ΨK = PΨ (22)
따라서 우리가 구하고자 하는 전파행렬은 다음과 같은 식으로 계산 할 수 있다
P = Ψ K Ψminus 1 (23)
이제 위에서 베르만 44 행렬법을 바탕으로 액정 셀의 각층에 대한 전파행렬을 계산하는 방법을 논의하였고 이를 바탕으로 액정 셀의 전체 투과율을 구하는 방법을 논의하고자 한다
투과율을 계산하기 위해서는 Fig 4와 같이 액정 셀을 y축에 대해 층으로 나누어 각각의 층에 대한 전파행렬 P (y h )을 구하고 각각의 전파행렬의 곱으로 전체 투과행렬 F를 계산하여야 한다 즉 F는 P의 곱으로 표현된다
F = P (Nminus 1 )h h ) P (Nminus 2 )h h ) P h h P h 0 (24)
- 15 -
Fig 5와 같이 두께가 d인 액정 셀에 빛이 기판위에 입사한다면 입사측과 투과측의 전자기장 벡터 ψrarr(0 ) ψrarr(d )를 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr(d ) = F ψrarr
(0 ) (25)
Fig 5에서 액정이 n1 n2인 두 매질 사이에 위치하고 입사광 반사광 및 투과광의 전자기장 벡터를 ψi
minusrarr ψ r
minusrarr ψ t
minusrarr라 하면 다음과 같은 식이 성립한다
ψrarr(0 ) = ψi
minusrarr(z = 0 ) + ψr
minusrarr(z = 0 ) (26a)
ψrarr(d ) = ψt
minusrarr(z = d ) (26b)
Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
투과광 계산중 매질의 경계에서의 접선 방향 전기장 Et
minusrarr와 자기장 벡터 Ht
minusrarr
- 16 -
는 연속이므로 ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T도 연속이다 따라서 액정 층의 투과율
계산시 경계면에서의 전기장 벡터는 등방성인 주변매질 1 2에서의 전자기장 벡터를 이용한다 등방성 매질에서 자기장 벡터는 전기장 벡터와 굴절률 및 입사각을 포함하는 함수관계를 갖고 있으므로 ψrarr는 전기장 벡터 성분으로 아래와 같은 표시가 가능하다
ψi
rarr=
Ex
rxEx
Ez
rzEz
ψr
minusrarr=
Rx
minus rxRx
Rz
minusrzRz
ψt
rarr=
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(27)
rx =n1
cos θ1
rz = n1cos θ1
rx =n2
cos θ2
rz = n2cos θ2
θ2 = sin minus 1 [n1
n2
sin θ1 ] (28)
여기서 Rx Rz Tx Tz는 반사 전기장 벡터의 x z성분과 투과 전기장 벡터의 x z성분을 나타낸다 (27)~(28)식으로부터 액정 셀의 투과방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다
Ex + Rx
rx (Ex minusRx )Ez + Rz
rz (EzminusRz)
= F
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(29)
- 17 -
이 식으로부터 Rx Rz를 제거하고 Ex Ez와 Tx Tz의 관계만을 설정하면 Ex Ez와 Tx Tz의 관계는 다음과 같은 22행렬로 정의된다
Tx
Tz=
a11 a12
a21 a22
Ex
Ez(30)
a11 =g32 + g42
D a12 =minus
g12 + g22
D
a21 =minusg31 + g41
D a22 =g11 + g21
D (31a)
g11 =(F11 + F12rx )
2 g12 =
(F13 + F14rz )
2
g21 =(F21 + F22rx )
2rx g22 =
(F23 + F24rz )
2rx
g31 =(F31 + F32rx )
2 g32 =
(F33 + F34rz )
2
g41 =(F41 + F42rx )
2rz g42 =
(F43 + F44rz )
2rz (31b)
D = (g11 + g21 )(g32 + g42 )minus (g21 + g22 )(g31 + g41 ) (31c)
그러나 전체 투과율을 계산하기 위하여 다시 Ex Ey와 Tx Ty를 Es Ep와 Ts Tp로 변환해 주어야 하며 입사면이 xz평면상에 존재한다고 가정하면 s = z이고 p = (cos θi sin θi 0 )이므로 다음과 같은 식이 성립한다
Es
Ep=
0 11 cos θi 0
Ex
Ez(32)
- 18 -
입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고
Es
Ep=
1radic2
E0
e jα1
e jα2(33)
입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때 전체 투과율은 다음과 같이 나타난다
T =12
a112 +
a122
cos 2θi
+ a212cos 2 θi + a22
2 (34)
위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다
- 19 -
제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- 20 -
Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
- 21 -
제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
- 24 -
왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
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다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
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(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
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가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
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Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
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[12] S Dickmann J Eschler O Cossalter and D A Mlynski Simulation of LCDs including elastic anisotropy and inhomogenous fields SID90 Digest pp102~105 1990
[13] J H Kim S M Jung and W S Park Electro-optical characteristics of multi-domain vertically aligned liquid crystal displays with patterned electrode KLCC2003 pp49 2003
[14] S M Jung and W S Park Study on the validity of the vector and tensor approaches through a 3-dimensional simulation ILCC2002 pP455 2002
- 61 -
[15] M Kitamura Computer simulation of director profiles in three-dimensional elastic fields SID95 Digest pp540~543 1995
[16] D W Berreman Optics in stratified and anisotropic media 44 matrix formulation J Opt Soc Am Vol 62 No 4 pp502~510 1972
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[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 11 -
여기서 행렬 요소 ∆ij는 다음과 같다
∆11 =minus X 13
33
∆12 = 1 minus X 2 1
33
∆13 =minus X 23
33
∆21 = 11 minus X213
33
∆23 = 12 minus13 23
33 ∆43 = 22 minus
23
33
minus X 2 (13)
여기에서 ij = perp ij + ∆ ninj로 표현된다 이 식에서 와 perp는 각각 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율을 나타내고 ∆ 은 이 둘의 차를 나타낸다 또한 액정의 굴절률과는 no =
radicperp ne =
radic 의 관계가 있다 X는 x축 방향으로의 전파상수와 관련된 값으로 X =
cξw
로 나타낼 수 있다 전파행렬 P 는 Fig 4에서 각층에 대한 광학투과특성을 나타내며 일계 미분방정식 식(12)로부터 다음과 같이 정의한다 즉 y1에서 y2사이의 균일 매질을 전파하는 전자기장 벡터의 관계는 다음 식과 같이 정의 할 수 있다
ψrarr(y2 ) = P(y1 y2 )ψrarr
(y1 ) (14)
(14)식에서 전자기장 벡터는 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T (15)
- 12 -
Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
베르만은 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 균일한 매질에서 전파 행렬을 계산하고 광투과 특성을 분석하는 방법을 기술하였다 본 연구에서는 이를 액정에 적용함으로써 해석적인 방법으로 고유벡터를 계산한다
만약 ∆행렬이 미소구간 y에 대해 독립적이라면 (15)는 다음과 같은 일반해를 가질 것이다 이것은 일반적으로 파동의 전파에 따른 위상 변화를 나타내고 있다
ψj
minusrarr(y ) = e iqjyψj
minusrarr(0 ) (16)
여기서 qj = λjwc
의 관계가 성립된다 이식을 (15)식에 대입하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다
iqjψ j
minusrarr(0 ) = i
wc∆ψj
minusrarr(0 ) (17)
- 13 -
여기서 λj = qjcw
이므로 위 식은 다음과 같이 정리 할 수 있다
∆ψj
minusrarr(0 ) = λ jψj
minusrarr(0 ) (18)
λj는 ∆행렬의 고유값(eigenvalue) ψj
minusrarr(0 )는 이 ∆행렬의 고유벡터이다
∆가 44행렬이므로 λi는 4개의 근이 되고 고유벡터도 4개의 기저를 가질 것이다 따라서 고유값을 위의 ∆행렬에 대입하고 고유벡터를 계산하면 다음과 같다
ψj
minusrarr= Nj
bj (∆11 minusλj)minus∆23 aj
minus∆21 bj
∆21 aj
λ ∆21 aj
(19a)
aj = ∆12∆23 minus∆13 (∆11 minus λj) (19b) bj = ∆13∆23 minus (∆11 minusλj) (∆43 minus λ2
j ) (19c)
Nj는 정규화 계수(normalizing coefficient)이다 이렇게 정의된 4개의 고유벡터를 이용하여 Ψ행렬을 만들 수 있다
Ψ=
ψ11 ψ12 ψ13 ψ14
ψ21 ψ22 ψ23 ψ24
ψ31 ψ32 ψ33 ψ34
ψ41 ψ42 ψ43 ψ44
(20)
- 14 -
h만큼 진행한 후의 진행파의 위상변화를 나타내는 대각행렬인 K행렬을 대각요소가 다음과 같은 값을 갖는 행렬로 정의하자
Kjj = e iqjh (21)
이때 다음과 같은 행렬식이 성립된다
ΨK = PΨ (22)
따라서 우리가 구하고자 하는 전파행렬은 다음과 같은 식으로 계산 할 수 있다
P = Ψ K Ψminus 1 (23)
이제 위에서 베르만 44 행렬법을 바탕으로 액정 셀의 각층에 대한 전파행렬을 계산하는 방법을 논의하였고 이를 바탕으로 액정 셀의 전체 투과율을 구하는 방법을 논의하고자 한다
투과율을 계산하기 위해서는 Fig 4와 같이 액정 셀을 y축에 대해 층으로 나누어 각각의 층에 대한 전파행렬 P (y h )을 구하고 각각의 전파행렬의 곱으로 전체 투과행렬 F를 계산하여야 한다 즉 F는 P의 곱으로 표현된다
F = P (Nminus 1 )h h ) P (Nminus 2 )h h ) P h h P h 0 (24)
- 15 -
Fig 5와 같이 두께가 d인 액정 셀에 빛이 기판위에 입사한다면 입사측과 투과측의 전자기장 벡터 ψrarr(0 ) ψrarr(d )를 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr(d ) = F ψrarr
(0 ) (25)
Fig 5에서 액정이 n1 n2인 두 매질 사이에 위치하고 입사광 반사광 및 투과광의 전자기장 벡터를 ψi
minusrarr ψ r
minusrarr ψ t
minusrarr라 하면 다음과 같은 식이 성립한다
ψrarr(0 ) = ψi
minusrarr(z = 0 ) + ψr
minusrarr(z = 0 ) (26a)
ψrarr(d ) = ψt
minusrarr(z = d ) (26b)
Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
투과광 계산중 매질의 경계에서의 접선 방향 전기장 Et
minusrarr와 자기장 벡터 Ht
minusrarr
- 16 -
는 연속이므로 ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T도 연속이다 따라서 액정 층의 투과율
계산시 경계면에서의 전기장 벡터는 등방성인 주변매질 1 2에서의 전자기장 벡터를 이용한다 등방성 매질에서 자기장 벡터는 전기장 벡터와 굴절률 및 입사각을 포함하는 함수관계를 갖고 있으므로 ψrarr는 전기장 벡터 성분으로 아래와 같은 표시가 가능하다
ψi
rarr=
Ex
rxEx
Ez
rzEz
ψr
minusrarr=
Rx
minus rxRx
Rz
minusrzRz
ψt
rarr=
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(27)
rx =n1
cos θ1
rz = n1cos θ1
rx =n2
cos θ2
rz = n2cos θ2
θ2 = sin minus 1 [n1
n2
sin θ1 ] (28)
여기서 Rx Rz Tx Tz는 반사 전기장 벡터의 x z성분과 투과 전기장 벡터의 x z성분을 나타낸다 (27)~(28)식으로부터 액정 셀의 투과방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다
Ex + Rx
rx (Ex minusRx )Ez + Rz
rz (EzminusRz)
= F
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(29)
- 17 -
이 식으로부터 Rx Rz를 제거하고 Ex Ez와 Tx Tz의 관계만을 설정하면 Ex Ez와 Tx Tz의 관계는 다음과 같은 22행렬로 정의된다
Tx
Tz=
a11 a12
a21 a22
Ex
Ez(30)
a11 =g32 + g42
D a12 =minus
g12 + g22
D
a21 =minusg31 + g41
D a22 =g11 + g21
D (31a)
g11 =(F11 + F12rx )
2 g12 =
(F13 + F14rz )
2
g21 =(F21 + F22rx )
2rx g22 =
(F23 + F24rz )
2rx
g31 =(F31 + F32rx )
2 g32 =
(F33 + F34rz )
2
g41 =(F41 + F42rx )
2rz g42 =
(F43 + F44rz )
2rz (31b)
D = (g11 + g21 )(g32 + g42 )minus (g21 + g22 )(g31 + g41 ) (31c)
그러나 전체 투과율을 계산하기 위하여 다시 Ex Ey와 Tx Ty를 Es Ep와 Ts Tp로 변환해 주어야 하며 입사면이 xz평면상에 존재한다고 가정하면 s = z이고 p = (cos θi sin θi 0 )이므로 다음과 같은 식이 성립한다
Es
Ep=
0 11 cos θi 0
Ex
Ez(32)
- 18 -
입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고
Es
Ep=
1radic2
E0
e jα1
e jα2(33)
입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때 전체 투과율은 다음과 같이 나타난다
T =12
a112 +
a122
cos 2θi
+ a212cos 2 θi + a22
2 (34)
위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다
- 19 -
제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- 20 -
Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
- 21 -
제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
- 22 -
한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
- 23 -
삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
- 24 -
왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
- 25 -
왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
- 26 -
Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
- 29 -
셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- 32 -
3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- 33 -
Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 34 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 37 -
3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
- 38 -
(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
- 39 -
또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
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가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
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Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 12 -
Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
베르만은 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 균일한 매질에서 전파 행렬을 계산하고 광투과 특성을 분석하는 방법을 기술하였다 본 연구에서는 이를 액정에 적용함으로써 해석적인 방법으로 고유벡터를 계산한다
만약 ∆행렬이 미소구간 y에 대해 독립적이라면 (15)는 다음과 같은 일반해를 가질 것이다 이것은 일반적으로 파동의 전파에 따른 위상 변화를 나타내고 있다
ψj
minusrarr(y ) = e iqjyψj
minusrarr(0 ) (16)
여기서 qj = λjwc
의 관계가 성립된다 이식을 (15)식에 대입하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다
iqjψ j
minusrarr(0 ) = i
wc∆ψj
minusrarr(0 ) (17)
- 13 -
여기서 λj = qjcw
이므로 위 식은 다음과 같이 정리 할 수 있다
∆ψj
minusrarr(0 ) = λ jψj
minusrarr(0 ) (18)
λj는 ∆행렬의 고유값(eigenvalue) ψj
minusrarr(0 )는 이 ∆행렬의 고유벡터이다
∆가 44행렬이므로 λi는 4개의 근이 되고 고유벡터도 4개의 기저를 가질 것이다 따라서 고유값을 위의 ∆행렬에 대입하고 고유벡터를 계산하면 다음과 같다
ψj
minusrarr= Nj
bj (∆11 minusλj)minus∆23 aj
minus∆21 bj
∆21 aj
λ ∆21 aj
(19a)
aj = ∆12∆23 minus∆13 (∆11 minus λj) (19b) bj = ∆13∆23 minus (∆11 minusλj) (∆43 minus λ2
j ) (19c)
Nj는 정규화 계수(normalizing coefficient)이다 이렇게 정의된 4개의 고유벡터를 이용하여 Ψ행렬을 만들 수 있다
Ψ=
ψ11 ψ12 ψ13 ψ14
ψ21 ψ22 ψ23 ψ24
ψ31 ψ32 ψ33 ψ34
ψ41 ψ42 ψ43 ψ44
(20)
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h만큼 진행한 후의 진행파의 위상변화를 나타내는 대각행렬인 K행렬을 대각요소가 다음과 같은 값을 갖는 행렬로 정의하자
Kjj = e iqjh (21)
이때 다음과 같은 행렬식이 성립된다
ΨK = PΨ (22)
따라서 우리가 구하고자 하는 전파행렬은 다음과 같은 식으로 계산 할 수 있다
P = Ψ K Ψminus 1 (23)
이제 위에서 베르만 44 행렬법을 바탕으로 액정 셀의 각층에 대한 전파행렬을 계산하는 방법을 논의하였고 이를 바탕으로 액정 셀의 전체 투과율을 구하는 방법을 논의하고자 한다
투과율을 계산하기 위해서는 Fig 4와 같이 액정 셀을 y축에 대해 층으로 나누어 각각의 층에 대한 전파행렬 P (y h )을 구하고 각각의 전파행렬의 곱으로 전체 투과행렬 F를 계산하여야 한다 즉 F는 P의 곱으로 표현된다
F = P (Nminus 1 )h h ) P (Nminus 2 )h h ) P h h P h 0 (24)
- 15 -
Fig 5와 같이 두께가 d인 액정 셀에 빛이 기판위에 입사한다면 입사측과 투과측의 전자기장 벡터 ψrarr(0 ) ψrarr(d )를 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr(d ) = F ψrarr
(0 ) (25)
Fig 5에서 액정이 n1 n2인 두 매질 사이에 위치하고 입사광 반사광 및 투과광의 전자기장 벡터를 ψi
minusrarr ψ r
minusrarr ψ t
minusrarr라 하면 다음과 같은 식이 성립한다
ψrarr(0 ) = ψi
minusrarr(z = 0 ) + ψr
minusrarr(z = 0 ) (26a)
ψrarr(d ) = ψt
minusrarr(z = d ) (26b)
Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
투과광 계산중 매질의 경계에서의 접선 방향 전기장 Et
minusrarr와 자기장 벡터 Ht
minusrarr
- 16 -
는 연속이므로 ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T도 연속이다 따라서 액정 층의 투과율
계산시 경계면에서의 전기장 벡터는 등방성인 주변매질 1 2에서의 전자기장 벡터를 이용한다 등방성 매질에서 자기장 벡터는 전기장 벡터와 굴절률 및 입사각을 포함하는 함수관계를 갖고 있으므로 ψrarr는 전기장 벡터 성분으로 아래와 같은 표시가 가능하다
ψi
rarr=
Ex
rxEx
Ez
rzEz
ψr
minusrarr=
Rx
minus rxRx
Rz
minusrzRz
ψt
rarr=
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(27)
rx =n1
cos θ1
rz = n1cos θ1
rx =n2
cos θ2
rz = n2cos θ2
θ2 = sin minus 1 [n1
n2
sin θ1 ] (28)
여기서 Rx Rz Tx Tz는 반사 전기장 벡터의 x z성분과 투과 전기장 벡터의 x z성분을 나타낸다 (27)~(28)식으로부터 액정 셀의 투과방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다
Ex + Rx
rx (Ex minusRx )Ez + Rz
rz (EzminusRz)
= F
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(29)
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이 식으로부터 Rx Rz를 제거하고 Ex Ez와 Tx Tz의 관계만을 설정하면 Ex Ez와 Tx Tz의 관계는 다음과 같은 22행렬로 정의된다
Tx
Tz=
a11 a12
a21 a22
Ex
Ez(30)
a11 =g32 + g42
D a12 =minus
g12 + g22
D
a21 =minusg31 + g41
D a22 =g11 + g21
D (31a)
g11 =(F11 + F12rx )
2 g12 =
(F13 + F14rz )
2
g21 =(F21 + F22rx )
2rx g22 =
(F23 + F24rz )
2rx
g31 =(F31 + F32rx )
2 g32 =
(F33 + F34rz )
2
g41 =(F41 + F42rx )
2rz g42 =
(F43 + F44rz )
2rz (31b)
D = (g11 + g21 )(g32 + g42 )minus (g21 + g22 )(g31 + g41 ) (31c)
그러나 전체 투과율을 계산하기 위하여 다시 Ex Ey와 Tx Ty를 Es Ep와 Ts Tp로 변환해 주어야 하며 입사면이 xz평면상에 존재한다고 가정하면 s = z이고 p = (cos θi sin θi 0 )이므로 다음과 같은 식이 성립한다
Es
Ep=
0 11 cos θi 0
Ex
Ez(32)
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입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고
Es
Ep=
1radic2
E0
e jα1
e jα2(33)
입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때 전체 투과율은 다음과 같이 나타난다
T =12
a112 +
a122
cos 2θi
+ a212cos 2 θi + a22
2 (34)
위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다
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제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
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Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
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제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 41 -
Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- 42 -
Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 43 -
3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
- 44 -
석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
- 45 -
우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
- 46 -
0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
- 48 -
26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 13 -
여기서 λj = qjcw
이므로 위 식은 다음과 같이 정리 할 수 있다
∆ψj
minusrarr(0 ) = λ jψj
minusrarr(0 ) (18)
λj는 ∆행렬의 고유값(eigenvalue) ψj
minusrarr(0 )는 이 ∆행렬의 고유벡터이다
∆가 44행렬이므로 λi는 4개의 근이 되고 고유벡터도 4개의 기저를 가질 것이다 따라서 고유값을 위의 ∆행렬에 대입하고 고유벡터를 계산하면 다음과 같다
ψj
minusrarr= Nj
bj (∆11 minusλj)minus∆23 aj
minus∆21 bj
∆21 aj
λ ∆21 aj
(19a)
aj = ∆12∆23 minus∆13 (∆11 minus λj) (19b) bj = ∆13∆23 minus (∆11 minusλj) (∆43 minus λ2
j ) (19c)
Nj는 정규화 계수(normalizing coefficient)이다 이렇게 정의된 4개의 고유벡터를 이용하여 Ψ행렬을 만들 수 있다
Ψ=
ψ11 ψ12 ψ13 ψ14
ψ21 ψ22 ψ23 ψ24
ψ31 ψ32 ψ33 ψ34
ψ41 ψ42 ψ43 ψ44
(20)
- 14 -
h만큼 진행한 후의 진행파의 위상변화를 나타내는 대각행렬인 K행렬을 대각요소가 다음과 같은 값을 갖는 행렬로 정의하자
Kjj = e iqjh (21)
이때 다음과 같은 행렬식이 성립된다
ΨK = PΨ (22)
따라서 우리가 구하고자 하는 전파행렬은 다음과 같은 식으로 계산 할 수 있다
P = Ψ K Ψminus 1 (23)
이제 위에서 베르만 44 행렬법을 바탕으로 액정 셀의 각층에 대한 전파행렬을 계산하는 방법을 논의하였고 이를 바탕으로 액정 셀의 전체 투과율을 구하는 방법을 논의하고자 한다
투과율을 계산하기 위해서는 Fig 4와 같이 액정 셀을 y축에 대해 층으로 나누어 각각의 층에 대한 전파행렬 P (y h )을 구하고 각각의 전파행렬의 곱으로 전체 투과행렬 F를 계산하여야 한다 즉 F는 P의 곱으로 표현된다
F = P (Nminus 1 )h h ) P (Nminus 2 )h h ) P h h P h 0 (24)
- 15 -
Fig 5와 같이 두께가 d인 액정 셀에 빛이 기판위에 입사한다면 입사측과 투과측의 전자기장 벡터 ψrarr(0 ) ψrarr(d )를 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr(d ) = F ψrarr
(0 ) (25)
Fig 5에서 액정이 n1 n2인 두 매질 사이에 위치하고 입사광 반사광 및 투과광의 전자기장 벡터를 ψi
minusrarr ψ r
minusrarr ψ t
minusrarr라 하면 다음과 같은 식이 성립한다
ψrarr(0 ) = ψi
minusrarr(z = 0 ) + ψr
minusrarr(z = 0 ) (26a)
ψrarr(d ) = ψt
minusrarr(z = d ) (26b)
Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
투과광 계산중 매질의 경계에서의 접선 방향 전기장 Et
minusrarr와 자기장 벡터 Ht
minusrarr
- 16 -
는 연속이므로 ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T도 연속이다 따라서 액정 층의 투과율
계산시 경계면에서의 전기장 벡터는 등방성인 주변매질 1 2에서의 전자기장 벡터를 이용한다 등방성 매질에서 자기장 벡터는 전기장 벡터와 굴절률 및 입사각을 포함하는 함수관계를 갖고 있으므로 ψrarr는 전기장 벡터 성분으로 아래와 같은 표시가 가능하다
ψi
rarr=
Ex
rxEx
Ez
rzEz
ψr
minusrarr=
Rx
minus rxRx
Rz
minusrzRz
ψt
rarr=
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(27)
rx =n1
cos θ1
rz = n1cos θ1
rx =n2
cos θ2
rz = n2cos θ2
θ2 = sin minus 1 [n1
n2
sin θ1 ] (28)
여기서 Rx Rz Tx Tz는 반사 전기장 벡터의 x z성분과 투과 전기장 벡터의 x z성분을 나타낸다 (27)~(28)식으로부터 액정 셀의 투과방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다
Ex + Rx
rx (Ex minusRx )Ez + Rz
rz (EzminusRz)
= F
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(29)
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이 식으로부터 Rx Rz를 제거하고 Ex Ez와 Tx Tz의 관계만을 설정하면 Ex Ez와 Tx Tz의 관계는 다음과 같은 22행렬로 정의된다
Tx
Tz=
a11 a12
a21 a22
Ex
Ez(30)
a11 =g32 + g42
D a12 =minus
g12 + g22
D
a21 =minusg31 + g41
D a22 =g11 + g21
D (31a)
g11 =(F11 + F12rx )
2 g12 =
(F13 + F14rz )
2
g21 =(F21 + F22rx )
2rx g22 =
(F23 + F24rz )
2rx
g31 =(F31 + F32rx )
2 g32 =
(F33 + F34rz )
2
g41 =(F41 + F42rx )
2rz g42 =
(F43 + F44rz )
2rz (31b)
D = (g11 + g21 )(g32 + g42 )minus (g21 + g22 )(g31 + g41 ) (31c)
그러나 전체 투과율을 계산하기 위하여 다시 Ex Ey와 Tx Ty를 Es Ep와 Ts Tp로 변환해 주어야 하며 입사면이 xz평면상에 존재한다고 가정하면 s = z이고 p = (cos θi sin θi 0 )이므로 다음과 같은 식이 성립한다
Es
Ep=
0 11 cos θi 0
Ex
Ez(32)
- 18 -
입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고
Es
Ep=
1radic2
E0
e jα1
e jα2(33)
입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때 전체 투과율은 다음과 같이 나타난다
T =12
a112 +
a122
cos 2θi
+ a212cos 2 θi + a22
2 (34)
위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다
- 19 -
제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
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Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
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제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
- 38 -
(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
- 39 -
또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
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다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
- 48 -
26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 14 -
h만큼 진행한 후의 진행파의 위상변화를 나타내는 대각행렬인 K행렬을 대각요소가 다음과 같은 값을 갖는 행렬로 정의하자
Kjj = e iqjh (21)
이때 다음과 같은 행렬식이 성립된다
ΨK = PΨ (22)
따라서 우리가 구하고자 하는 전파행렬은 다음과 같은 식으로 계산 할 수 있다
P = Ψ K Ψminus 1 (23)
이제 위에서 베르만 44 행렬법을 바탕으로 액정 셀의 각층에 대한 전파행렬을 계산하는 방법을 논의하였고 이를 바탕으로 액정 셀의 전체 투과율을 구하는 방법을 논의하고자 한다
투과율을 계산하기 위해서는 Fig 4와 같이 액정 셀을 y축에 대해 층으로 나누어 각각의 층에 대한 전파행렬 P (y h )을 구하고 각각의 전파행렬의 곱으로 전체 투과행렬 F를 계산하여야 한다 즉 F는 P의 곱으로 표현된다
F = P (Nminus 1 )h h ) P (Nminus 2 )h h ) P h h P h 0 (24)
- 15 -
Fig 5와 같이 두께가 d인 액정 셀에 빛이 기판위에 입사한다면 입사측과 투과측의 전자기장 벡터 ψrarr(0 ) ψrarr(d )를 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr(d ) = F ψrarr
(0 ) (25)
Fig 5에서 액정이 n1 n2인 두 매질 사이에 위치하고 입사광 반사광 및 투과광의 전자기장 벡터를 ψi
minusrarr ψ r
minusrarr ψ t
minusrarr라 하면 다음과 같은 식이 성립한다
ψrarr(0 ) = ψi
minusrarr(z = 0 ) + ψr
minusrarr(z = 0 ) (26a)
ψrarr(d ) = ψt
minusrarr(z = d ) (26b)
Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
투과광 계산중 매질의 경계에서의 접선 방향 전기장 Et
minusrarr와 자기장 벡터 Ht
minusrarr
- 16 -
는 연속이므로 ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T도 연속이다 따라서 액정 층의 투과율
계산시 경계면에서의 전기장 벡터는 등방성인 주변매질 1 2에서의 전자기장 벡터를 이용한다 등방성 매질에서 자기장 벡터는 전기장 벡터와 굴절률 및 입사각을 포함하는 함수관계를 갖고 있으므로 ψrarr는 전기장 벡터 성분으로 아래와 같은 표시가 가능하다
ψi
rarr=
Ex
rxEx
Ez
rzEz
ψr
minusrarr=
Rx
minus rxRx
Rz
minusrzRz
ψt
rarr=
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(27)
rx =n1
cos θ1
rz = n1cos θ1
rx =n2
cos θ2
rz = n2cos θ2
θ2 = sin minus 1 [n1
n2
sin θ1 ] (28)
여기서 Rx Rz Tx Tz는 반사 전기장 벡터의 x z성분과 투과 전기장 벡터의 x z성분을 나타낸다 (27)~(28)식으로부터 액정 셀의 투과방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다
Ex + Rx
rx (Ex minusRx )Ez + Rz
rz (EzminusRz)
= F
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(29)
- 17 -
이 식으로부터 Rx Rz를 제거하고 Ex Ez와 Tx Tz의 관계만을 설정하면 Ex Ez와 Tx Tz의 관계는 다음과 같은 22행렬로 정의된다
Tx
Tz=
a11 a12
a21 a22
Ex
Ez(30)
a11 =g32 + g42
D a12 =minus
g12 + g22
D
a21 =minusg31 + g41
D a22 =g11 + g21
D (31a)
g11 =(F11 + F12rx )
2 g12 =
(F13 + F14rz )
2
g21 =(F21 + F22rx )
2rx g22 =
(F23 + F24rz )
2rx
g31 =(F31 + F32rx )
2 g32 =
(F33 + F34rz )
2
g41 =(F41 + F42rx )
2rz g42 =
(F43 + F44rz )
2rz (31b)
D = (g11 + g21 )(g32 + g42 )minus (g21 + g22 )(g31 + g41 ) (31c)
그러나 전체 투과율을 계산하기 위하여 다시 Ex Ey와 Tx Ty를 Es Ep와 Ts Tp로 변환해 주어야 하며 입사면이 xz평면상에 존재한다고 가정하면 s = z이고 p = (cos θi sin θi 0 )이므로 다음과 같은 식이 성립한다
Es
Ep=
0 11 cos θi 0
Ex
Ez(32)
- 18 -
입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고
Es
Ep=
1radic2
E0
e jα1
e jα2(33)
입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때 전체 투과율은 다음과 같이 나타난다
T =12
a112 +
a122
cos 2θi
+ a212cos 2 θi + a22
2 (34)
위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다
- 19 -
제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- 20 -
Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
- 21 -
제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
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다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
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(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
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가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
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Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
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[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 15 -
Fig 5와 같이 두께가 d인 액정 셀에 빛이 기판위에 입사한다면 입사측과 투과측의 전자기장 벡터 ψrarr(0 ) ψrarr(d )를 다음과 같이 나타낼 수 있다
ψrarr(d ) = F ψrarr
(0 ) (25)
Fig 5에서 액정이 n1 n2인 두 매질 사이에 위치하고 입사광 반사광 및 투과광의 전자기장 벡터를 ψi
minusrarr ψ r
minusrarr ψ t
minusrarr라 하면 다음과 같은 식이 성립한다
ψrarr(0 ) = ψi
minusrarr(z = 0 ) + ψr
minusrarr(z = 0 ) (26a)
ψrarr(d ) = ψt
minusrarr(z = d ) (26b)
Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
투과광 계산중 매질의 경계에서의 접선 방향 전기장 Et
minusrarr와 자기장 벡터 Ht
minusrarr
- 16 -
는 연속이므로 ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T도 연속이다 따라서 액정 층의 투과율
계산시 경계면에서의 전기장 벡터는 등방성인 주변매질 1 2에서의 전자기장 벡터를 이용한다 등방성 매질에서 자기장 벡터는 전기장 벡터와 굴절률 및 입사각을 포함하는 함수관계를 갖고 있으므로 ψrarr는 전기장 벡터 성분으로 아래와 같은 표시가 가능하다
ψi
rarr=
Ex
rxEx
Ez
rzEz
ψr
minusrarr=
Rx
minus rxRx
Rz
minusrzRz
ψt
rarr=
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(27)
rx =n1
cos θ1
rz = n1cos θ1
rx =n2
cos θ2
rz = n2cos θ2
θ2 = sin minus 1 [n1
n2
sin θ1 ] (28)
여기서 Rx Rz Tx Tz는 반사 전기장 벡터의 x z성분과 투과 전기장 벡터의 x z성분을 나타낸다 (27)~(28)식으로부터 액정 셀의 투과방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다
Ex + Rx
rx (Ex minusRx )Ez + Rz
rz (EzminusRz)
= F
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(29)
- 17 -
이 식으로부터 Rx Rz를 제거하고 Ex Ez와 Tx Tz의 관계만을 설정하면 Ex Ez와 Tx Tz의 관계는 다음과 같은 22행렬로 정의된다
Tx
Tz=
a11 a12
a21 a22
Ex
Ez(30)
a11 =g32 + g42
D a12 =minus
g12 + g22
D
a21 =minusg31 + g41
D a22 =g11 + g21
D (31a)
g11 =(F11 + F12rx )
2 g12 =
(F13 + F14rz )
2
g21 =(F21 + F22rx )
2rx g22 =
(F23 + F24rz )
2rx
g31 =(F31 + F32rx )
2 g32 =
(F33 + F34rz )
2
g41 =(F41 + F42rx )
2rz g42 =
(F43 + F44rz )
2rz (31b)
D = (g11 + g21 )(g32 + g42 )minus (g21 + g22 )(g31 + g41 ) (31c)
그러나 전체 투과율을 계산하기 위하여 다시 Ex Ey와 Tx Ty를 Es Ep와 Ts Tp로 변환해 주어야 하며 입사면이 xz평면상에 존재한다고 가정하면 s = z이고 p = (cos θi sin θi 0 )이므로 다음과 같은 식이 성립한다
Es
Ep=
0 11 cos θi 0
Ex
Ez(32)
- 18 -
입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고
Es
Ep=
1radic2
E0
e jα1
e jα2(33)
입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때 전체 투과율은 다음과 같이 나타난다
T =12
a112 +
a122
cos 2θi
+ a212cos 2 θi + a22
2 (34)
위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다
- 19 -
제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
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Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
- 21 -
제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
- 24 -
왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
- 26 -
Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- 32 -
3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- 33 -
Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 34 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- 36 -
Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 37 -
3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
- 38 -
(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
- 39 -
또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 41 -
Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- 42 -
Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 43 -
3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
- 44 -
석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
- 45 -
우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 16 -
는 연속이므로 ψrarr= (ExHz Ezminus Hx )T도 연속이다 따라서 액정 층의 투과율
계산시 경계면에서의 전기장 벡터는 등방성인 주변매질 1 2에서의 전자기장 벡터를 이용한다 등방성 매질에서 자기장 벡터는 전기장 벡터와 굴절률 및 입사각을 포함하는 함수관계를 갖고 있으므로 ψrarr는 전기장 벡터 성분으로 아래와 같은 표시가 가능하다
ψi
rarr=
Ex
rxEx
Ez
rzEz
ψr
minusrarr=
Rx
minus rxRx
Rz
minusrzRz
ψt
rarr=
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(27)
rx =n1
cos θ1
rz = n1cos θ1
rx =n2
cos θ2
rz = n2cos θ2
θ2 = sin minus 1 [n1
n2
sin θ1 ] (28)
여기서 Rx Rz Tx Tz는 반사 전기장 벡터의 x z성분과 투과 전기장 벡터의 x z성분을 나타낸다 (27)~(28)식으로부터 액정 셀의 투과방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다
Ex + Rx
rx (Ex minusRx )Ez + Rz
rz (EzminusRz)
= F
Tx
rxTx
Tz
rzTz
(29)
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이 식으로부터 Rx Rz를 제거하고 Ex Ez와 Tx Tz의 관계만을 설정하면 Ex Ez와 Tx Tz의 관계는 다음과 같은 22행렬로 정의된다
Tx
Tz=
a11 a12
a21 a22
Ex
Ez(30)
a11 =g32 + g42
D a12 =minus
g12 + g22
D
a21 =minusg31 + g41
D a22 =g11 + g21
D (31a)
g11 =(F11 + F12rx )
2 g12 =
(F13 + F14rz )
2
g21 =(F21 + F22rx )
2rx g22 =
(F23 + F24rz )
2rx
g31 =(F31 + F32rx )
2 g32 =
(F33 + F34rz )
2
g41 =(F41 + F42rx )
2rz g42 =
(F43 + F44rz )
2rz (31b)
D = (g11 + g21 )(g32 + g42 )minus (g21 + g22 )(g31 + g41 ) (31c)
그러나 전체 투과율을 계산하기 위하여 다시 Ex Ey와 Tx Ty를 Es Ep와 Ts Tp로 변환해 주어야 하며 입사면이 xz평면상에 존재한다고 가정하면 s = z이고 p = (cos θi sin θi 0 )이므로 다음과 같은 식이 성립한다
Es
Ep=
0 11 cos θi 0
Ex
Ez(32)
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입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고
Es
Ep=
1radic2
E0
e jα1
e jα2(33)
입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때 전체 투과율은 다음과 같이 나타난다
T =12
a112 +
a122
cos 2θi
+ a212cos 2 θi + a22
2 (34)
위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다
- 19 -
제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
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Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
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제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
- 46 -
0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
- 48 -
26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 17 -
이 식으로부터 Rx Rz를 제거하고 Ex Ez와 Tx Tz의 관계만을 설정하면 Ex Ez와 Tx Tz의 관계는 다음과 같은 22행렬로 정의된다
Tx
Tz=
a11 a12
a21 a22
Ex
Ez(30)
a11 =g32 + g42
D a12 =minus
g12 + g22
D
a21 =minusg31 + g41
D a22 =g11 + g21
D (31a)
g11 =(F11 + F12rx )
2 g12 =
(F13 + F14rz )
2
g21 =(F21 + F22rx )
2rx g22 =
(F23 + F24rz )
2rx
g31 =(F31 + F32rx )
2 g32 =
(F33 + F34rz )
2
g41 =(F41 + F42rx )
2rz g42 =
(F43 + F44rz )
2rz (31b)
D = (g11 + g21 )(g32 + g42 )minus (g21 + g22 )(g31 + g41 ) (31c)
그러나 전체 투과율을 계산하기 위하여 다시 Ex Ey와 Tx Ty를 Es Ep와 Ts Tp로 변환해 주어야 하며 입사면이 xz평면상에 존재한다고 가정하면 s = z이고 p = (cos θi sin θi 0 )이므로 다음과 같은 식이 성립한다
Es
Ep=
0 11 cos θi 0
Ex
Ez(32)
- 18 -
입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고
Es
Ep=
1radic2
E0
e jα1
e jα2(33)
입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때 전체 투과율은 다음과 같이 나타난다
T =12
a112 +
a122
cos 2θi
+ a212cos 2 θi + a22
2 (34)
위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다
- 19 -
제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- 20 -
Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
- 21 -
제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
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다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
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(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
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가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
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Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
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- 목차
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- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
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- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
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- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
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- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
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- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
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- 제 4 장 결 론
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- 표목차
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- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
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- 그림목차
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- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
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입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고
Es
Ep=
1radic2
E0
e jα1
e jα2(33)
입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때 전체 투과율은 다음과 같이 나타난다
T =12
a112 +
a122
cos 2θi
+ a212cos 2 θi + a22
2 (34)
위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다
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제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
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Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
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제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
- 39 -
또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 41 -
Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- 42 -
Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 43 -
3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
- 44 -
석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
- 45 -
우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
- 48 -
26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 19 -
제 3 장 다양한 구조에 대한 결과 및 비교
이 장에서는 VA-LCD와 다양한 방법의 MVA-LCD의 구조와 다중 분할영역의 형성 방법에 대하여 논의한 후 각 모드별 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 전기광학적 특성을 분석 비교하였다 또한 전극 패턴법에 대한 최적화 과정을 수행하고 그 결과를 분석하였다
제 1 절 VA-LCD의 구조
VA-LCD는 homeotropic-LCD 라고도 하며 유리 기판 내부에 고분자막을 처리하여 액정분자를 배향하기 때문에 초기액정분자가 유리 기판에 수직하게 배열되어 있다
Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- 20 -
Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
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제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
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다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
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(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
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가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
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[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 20 -
Fig 6은 VA-LCD 단위 화소의 개략적인 구조와 전압 인가에 따른 액정 분자의 거동을 정성적으로 보여준다 화소의 구조를 보면 normally black 모드로 사용하기 위하여 두개의 편광자는 서로 수직으로 부착을 한다 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서 패널에 수직하게 배열된 액정 분자는 입사광의 편광 상태를 변화시키지 못하기 때문에 투과되지 못하며 화소전극에 전압을 인가하면 단축방향 유전율이 장축방향 유전율에 비해 크기 때문에 (∆ = minus perplt 0 ) 패널과 나란한 방향으로 눕게 된다 이때 액정 분자의 배열 상태는 프리드릭츠 셀(Freedericksz cell)의 형태이고 입사광의 편광상태가 변하여 빛이 투과한다 이때 VA-LCD는 전압 미인가 상태에서 투과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다
VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙 공정을 하지 않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있는 문제인 불순물 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가지고 있다 또한 전극 구조상 패널에 수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진다
하지만 러빙 공정이 없기 때문에 Twisted Nematic(TN)-LCD와 같이 초기 액정 분자 배열분포에 초기경사각이 없어 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고 측면 전장 효과에 의해 화소의 모서리 부분에서 먼저 거동하기 시작하여 화소 전체 영역으로 퍼져 나가는 특징을 가지고 있다 이것은 응답 속도의 저하를 가져온다 또한 버스라인의 전압 상태에 따라서 각 도메인의 크기가 불규칙적으로 변화하는 문제가 있다[1] 이러한 이유로 VA- LCD는 임의로 액정의 거동 방향을 제어하여 도메인을 형성하는 방식인 MVA-LCD로 주로 사용된다
- 21 -
제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
- 22 -
한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
- 24 -
왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
- 29 -
셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 30 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- 31 -
Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- 33 -
Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 34 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 35 -
Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- 36 -
Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 37 -
3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
- 38 -
(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
- 39 -
또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 41 -
Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- 42 -
Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 43 -
3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
- 44 -
석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
- 45 -
우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
- 46 -
0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
- 48 -
26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 21 -
제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
1절에서 논의한 VA-LCD의 여러 문제점과 대칭적이고 넓은 시야각 확보를 위해서 복수 영역을 정의하기 위한 다양한 형태의 MVA-LCD에 대한 기술이 개발 연구되고 있다 MVA-LCD는 VA-LCD의 장점인 고명암대비비를 가진다 더불어 MVA-LCD에서 생성되어진 각 도메인은 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 대칭적이면서 넓은 시야각을 확보할 수 있는 장점이 있다 때문에 MVA-LCD의 설계시 생성 될 도메인의 면적이 같도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다
도메인은 전계 인가시 액정 분자가 다른 방위각을 가지고 거동하는 것에 의해서 형성된다 즉 액정 분자가 거동하는 방위각을 제어하면 복수 영역을 정의할 수 있다 MVA-LCD는 화소전극에 전압이 인가되면 액정의 배열 상태는 프리드릭츠 셀이므로 상하 편광자가 수직 상태라면 각 도메인에서 액정의 방위각은 각 편광자 축과 45˚가 되도록 도메인을 형성 시켜야 최대 투과율을 얻을 수 있다
이러한 MVA-LCD의 도메인을 형성하는 기술은 크게 자외선 처리를 통한 방법 왜곡된 전기장(Ridge and Fringe Field RFF)을 이용하는 방법 삼각돌기 삽입방법으로 크게 나누어진다 특히 왜곡된 전기장을 이용하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하는 방법과 화소전극 및 공통전극에 여러 형태의 패턴을 하는 방법으로 나누어진다[2]~[12]
자외선 처리를 통한 방법은 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리한 후 자외선을 조사하여 원하는 영역에 초기 방위각과 경사각을 주는 방식이다 이 경우 초기경사각에 의해 액정의 전체 영역에서 액정분자가 반응하기 때문에 빠른 응답속도를 가진다 또한 주어진 방위각에 의해 액정이 거동하므로 완벽
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
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다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
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(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
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가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
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Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
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- 목차
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- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
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- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
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- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
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- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
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- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
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한 4개의 도메인을 형성하게 되고 이 도메인 형성을 통해 광학적으로 대칭적인 시야각을 확보할 수 있다
Fig 7은 도메인을 형성하기 위한 자외선 조사 공정과 자외선 처리 후 생성되는 각 도메인에서의 액정의 방위각을 보이고 있다
(a) (b)Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of
MVA-LCDs with UV treatment
하지만 이 방법은 어렵고 복잡한 공정과 각 도메인에서 원하는 방위각과 초기경사각을 가지고 배향되기가 어렵고 열에 대한 안정성 및 image sticking 현상의 발생 등 재현성에 문제가 있다
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삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 30 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- 31 -
Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 37 -
3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 23 -
삼각 돌기 방법은 유리 기판 내부에 삼각 돌기를 형성하여 액정의 거동방향을 제어한다 셀 내부에 삼각 돌기를 형성하면 돌기 표면의 초기 액정분자 배열은 Fig 8(a)와 같고 이 액정분자는 초기경사각의 효과가 있으므로 액정의 거동 방향을 제어할 수 있다 이러한 삼각돌기를 여러 형태로 설계하면 전압 인가시 4개의 도메인을 얻을 수 있다
(a)
(b)
Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
하지만 이 방법은 완벽한 삼각 돌기의 형성이 어렵고 형성된 돌기 표면에서의 액정 배향에 문제가 있다 또한 돌기들이 화소에서 차지하는 비율이 많아 개구율이 떨어지는 문제가 있다
- 24 -
왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
- 26 -
Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
- 28 -
3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- 32 -
3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 34 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- 36 -
Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 37 -
3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
- 38 -
(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
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가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
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Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
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- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
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- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
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- 제 4 장 결 론
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- 표목차
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- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
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- 그림목차
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- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 유전체를 삽입하는 방법은 셀 내부에 유전체를 삽입하여 삽입한 유전체의 유전율과 액정의 유전율의 차이에 의해 둘의 영역에서의 전기장의 세기가 달라지는 현상을 이용한 방법이다 Fig 9(b)는 셀에 전압이 인가되었을 때 유전체 근방에서 전기장이 왜곡되어 패널에 수직하지 않은 전기장이 발생하고 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 받는 토크의 방향이 각 영역에서 다름을 보여주고 있다
(a)
(b)
Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric(a) Off (b) On
이 방법 또한 삼각 돌기 방법과 마찬가지로 유전체 표면의 배향과 개구율 감소 등의 문제가 있다
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왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 37 -
3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
- 38 -
(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
- 39 -
또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
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가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
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Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
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[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 25 -
왜곡된 전기장을 이용하는 방법 중 전극 패턴을 이용하는 방법은 이전의 여러 가지 방법 중 가장 간단한 작업만으로도 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 방법이다 이 방법은 Fig 10에서와 같이 틈새를 화소 및 공통전극에 패턴하여 전압 인가시 틈새 근방에서 쉽게 전기장의 왜곡을 얻을 수 있고 이 왜곡된 전기장을 통하여 액정의 거동 방향을 제어할 수 있기 때문에 도메인 형성을 할 수 있다
Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
이 방법은 상하 기판의 전극패턴의 잘못된 정렬로 인한 비대칭적인 시야각 특성 등의 문제점은 있지만 간단한 공정과 셀 내부에 불순물 등의 영향이 없는 장점으로 현재 대면적 디스플레이에 적용되고 있다
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Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- 33 -
Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 37 -
3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
- 46 -
0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
- 48 -
26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 26 -
Fig 11은 본 연구에서 사용한 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전극 구조를 보여주고 있다 공통 전극의 십자형 패턴은 4개의 도메인을 형성하기 위해서 사용되고 화소 전극의 일자형 패턴은 도메인 형성 영역을 키워주기 위한 목적으로 사용된다
Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
본 연구에서는 VA-LCD의 특성을 계산 분석하고 MVA-LCD의 도메인 형성을 위한 여러 기술들 중 도메인 형성 과정이 명확한 방법인 자외선 처리를 이용한 방법 유전체를 삽입하는 방법과 전극을 패턴하는 방법으로 MVA-LCD의 단위 셀을 설계하여 전기광학적 특성과 도메인 형성 과정을 3차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다 특히 가장 간단한 공정만으로도 완벽한 4개의 도메인 형성이 가능한 구조인 공통전극에 십자형 틈새 패턴을 화소전극에 일자형 틈새 패턴을 한 형태를 설계하여 각 파라미터에 대한 최적화를 수행하였다 또한 이들 구조를 비교함으로써 각 구조의 장단점을 분석하였다
- 27 -
제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
- 28 -
3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
- 29 -
셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 30 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- 32 -
3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- 33 -
Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 34 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 35 -
Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- 36 -
Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 37 -
3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
- 38 -
(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
- 39 -
또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 41 -
Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- 42 -
Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 43 -
3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
- 44 -
석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
- 45 -
우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
- 46 -
0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
- 48 -
26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
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제 3 절 결 과 및 논 의
본 연구에서 계산에 사용된 여러가지 파라미터를 다음의 Table Ⅰ에 나타내었다
Table ⅠPhysical parameters used in the simulation
Input parameter ValueCell size 802405 [microm 3 ]
Perpendicular dielectric constant perp 150Parallel dielectric constant 30Ordinary refractive index no 15Extraordinary refractive index ne 1565Splay elastic constant K11 10010-12 [N ]
Twist elastic constant K22 10010-12 [N ]
Bend elastic constant K33 10010-12 [N ]
Input wavelength λ 550 [nm ]
applied voltage ValueGate-bus line -80 [V]Data-bus line 01 [V]Pixel electrode 50 [V]Common electrode 00 [V]
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3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
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셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
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Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
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가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
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Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
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[14] S M Jung and W S Park Study on the validity of the vector and tensor approaches through a 3-dimensional simulation ILCC2002 pP455 2002
- 61 -
[15] M Kitamura Computer simulation of director profiles in three-dimensional elastic fields SID95 Digest pp540~543 1995
[16] D W Berreman Optics in stratified and anisotropic media 44 matrix formulation J Opt Soc Am Vol 62 No 4 pp502~510 1972
[17] H Wohler G Haas M Fritsch and D A Mlynski Faster 44 matrix method for uniaxial inhomogeneous media J Opt Soc Am A Vol 5 No9 pp 1554~1557 1988
[18] G Haas H Wohler M Fritsch and D A Mlynski Polarizer model for liquid crystal devices J Opt Soc Am A Vol5 No 9 pp1571~1575 1988
[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
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- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 28 -
3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
VA-LCD의 전극 구조는 Fig 12와 같다 전극 구조는 TN-LCD와 동일하지만 셀 내부의 초기 액정분자배열분포가 패널에 수직하게 설정되어 있다 이러한 상태를 형성하기 위해서 상하 기판의 초기 분자배열분포를 θ = 90˚로 설정하였다 또한 normally black 모드로 사용하기 위해 상하 편광자를 각각 45˚ 135˚로 설정하였다
Fig 12 Structure of VA-LCDs
Fig 13은 3차원 시뮬레이션 결과 얻어진 전위 분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 전압 인가시 액정분자는 화소전극의 각 변 방향으로 배열함을 확인 할 수 있다 또한 셀의 특성상 y방향이 x방향에 비해 길기 때문에 φ = 0˚ 180˚ 방향으로 정렬한 영역이 더 많음을 확인할 수 있다 Fig 14는 시간에 따른 광투과율 분포를 나타낸 것이다 여기서 VA-LCD의 단위
- 29 -
셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 30 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- 31 -
Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- 32 -
3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- 33 -
Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 34 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 35 -
Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- 36 -
Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 37 -
3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
- 38 -
(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
- 39 -
또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 41 -
Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- 42 -
Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
- 44 -
석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
- 45 -
우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 29 -
셀의 동작은 화소 전극의 옆면에서부터 액정분자의 거동이 일어나기 시작하여 탄성에너지에 의해 셀의 전체 영역으로 확대되는 형태를 가짐을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 13 3-D representation of VA-LCDs
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 30 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- 31 -
Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- 32 -
3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- 33 -
Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 35 -
Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- 36 -
Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 37 -
3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
- 38 -
(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
- 39 -
또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- 42 -
Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
- 45 -
우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 30 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at
8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- 31 -
Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
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3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- 36 -
Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
- 39 -
또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
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다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
- 48 -
26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 31 -
Fig 15는 VA-LCD의 포화 상태에서의 광투과율과 셀의 z축 방향으로 중간 영역의 액정분자의 배열 상태를 보여주고 있다 이때 평균 투과도 계산을 위하여 셀의 화소 전극 부분을 제외한 영역은 블랙 매트릭스(black matrix BM) 처리를 하였다 또한 도메인의 방향을 표시하였다 포화 상태에서의 평균 투과도는 0417로서 높은 편이나 액정 분자의 도메인 형성이 측면 전장의 방향으로 이루어지기 때문에 대칭적인 4개의 도메인을 형성하지 못한다 이는 대칭적인 시야각 형성에 문제가 있다
Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- 32 -
3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- 33 -
Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 34 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 35 -
Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- 36 -
Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 37 -
3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
- 38 -
(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
- 39 -
또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 41 -
Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- 42 -
Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 43 -
3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
- 44 -
석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
- 46 -
0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
- 48 -
26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 32 -
3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 화소의 구조는 Fig 16과 같다 셀의 형태는 일반적인 VA-LCD의 구조와 같지만 각 영역별로 자외선을 조사하여 초기 경사각(θ = 87˚ )을 주되 화소 영역을 네 개로 나누어 각 영역의 방위각을 1번 영역은 φ =minus 135˚ 2번 영역은 φ =minus 45˚ 3번 영역은 φ = 45˚ 4번 영역은 φ = 135˚으로 다르게 설정하였다 화소전극에 전압을 인가하면 각 도메인의 액정분자들은 전계와 수직한 방향으로 정렬하게 되는데 이때 각 도메인에 설정된 방위각 방향으로 초기경사각이 주어져 있으므로 각 도메인에서의 액정 분자는 그 방위각의 방향으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자의 방향은 0˚ 와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- 33 -
Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 34 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 35 -
Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- 36 -
Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 37 -
3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
- 38 -
(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
- 39 -
또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 41 -
Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- 42 -
Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 43 -
3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
- 45 -
우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 33 -
Fig 17은 위의 구조를 시뮬레이션하여 얻은 전위분포와 분자배열분포를 3차원적으로 표현하였다 분자배열분포에서 각 도메인별로 초기 설정된 방위각 방향으로 거동하여 정확히 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있다 액정의 거동 방향은 자외선을 조사한 영역별로 다르게 나타남을 확인할 수 있다
Fig 18은 시간에 따른 투과율 분포를 나타내었다 화소의 전체영역에서 거동이 일어나며 비교적 빠른 시간에 액정 전체 영역이 최대 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다
(a)
(b)Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a)
Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
- 39 -
또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 41 -
Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- 42 -
Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 43 -
3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
- 44 -
석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
- 45 -
우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 34 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- 42 -
Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 35 -
Fig 19는 포화상태에서 투과율 분포와 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 액정의 평균적인 배열 상태인 도메인 형성 방향을 보여주고 있다 그림과 같이 완벽한 4개의 도메인이 형성됨을 확인할 수 있다 포화 상태에서의 평균투과도는 039로 높으며 각 도메인간 약 3microm의 불연속면이 형성됨을 확인할 수 있다
Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
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Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
- 38 -
(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
- 39 -
또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 41 -
Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- 42 -
Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 43 -
3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
- 44 -
석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
- 45 -
우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 36 -
Fig 20은 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타내었다 각 도메인에서 대각 방향의 도메인이 서로 광학 보상을 해 주기 때문에 수직과 수평 방향으로 넓고 대칭적인 시야각 특성을 보이고 있다 Fig 20(a)에서 전압 미인가 상태의 시야각 특성을 보면 φ = 45˚135˚ 225˚315˚방향으로 누설광이 발생함을 확인할 수 있으며 전압 인가시 수직시야각은 약 70˚로 수평시야각 45˚에 비해 좀더 넓은 시야각 특성을 가진다
(a) (b)Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by
viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 41 -
Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- 42 -
Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
- 45 -
우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 37 -
3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성을 3차원적으로 시뮬레이션하여 분석하였다 단위 셀의 전극 구조는 Fig 21(a)와 같고 유전체가 삽입된 형태는 Fig 21(b)와 같다 화소전극쪽 기판(TFT 기판)에는 갈빗대 모양의 유전체를 삽입하고 공통전극쪽 기판(Color Filter 기판 CF 기판)에는 막대 모양을 삽입하여 전기장의 왜곡을 주는 형태이다 유전체의 너비는 4microm이고 높이는 1microm이다 또한 유전체의 비유전율은 액정의 장축 방향 비유전율 보다 큰 17을 사용하였다 상하 편광자는 0˚ 와 90˚로 부착하여 normally black 모드로 사용한다
(a)
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(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
- 39 -
또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 41 -
Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- 42 -
Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 43 -
3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
- 44 -
석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
- 45 -
우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 38 -
(b)Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a)
Electrode structure (b) Dielectric structure
Fig 22는 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 22(a)에서 유전체 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서는 아래쪽으로 공통전극쪽 기판에 부착된 유전체 근방에서 위쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 22(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 23은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 VA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 유전체가 부착된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 응답속도가 개선된다 또한 갈빗대 모양의 유전체의 중심부가 VA-LCD의 달라지는 도메인 크기를 일정하게 만들어 주는 역할도 한다
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또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- 42 -
Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 43 -
3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
참 고 문 헌
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- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 39 -
또한 유전체 근방에서 액정의 정렬 상태는 도메인 형성 방위각과 다른 방위각을 가지기 때문에 많은 영역이 black 상태가 됨을 확인할 수 있다 그에 반하여 유전체 표면에서는 유전체 표면의 액정 분자에 의해 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있다
(a)
(b)
Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 41 -
Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
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(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
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[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 40 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of
dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
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Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
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다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
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02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
참 고 문 헌
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[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 41 -
Fig 24는 포화 상태에서의 투과율 분포와 원안 영역의 액정분자배열분포를 보여주고 있다 또한 도메인이 형성되는 방위각을 보여주고 있다 그 결과 완벽한 4개의 도메인의 형성을 확인할 수 있으며 셀의 전체 영역에서 주기적으로 도메인을 형성하고 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 028이다 이와 같이 투과도가 낮은 이유는 강한 측면전장의 효과로 화소의 테두리 부근에 투과되지 못하는 영역이 많기 때문이다
Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- 42 -
Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
- 44 -
석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
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다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
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(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
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tran
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Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
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024
026
028
030
032
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Ave
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smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
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가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
참 고 문 헌
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[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 42 -
Fig 25는 전압 미인가시와 인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 방향으로 70˚이상으로 수평 시야각 45˚에 비해 넓음을 알 수 있다 전체적인 시야각 특성은 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
(a) (b)Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of
dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
- 44 -
석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
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(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
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가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
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Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
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02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
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참 고 문 헌
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[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 43 -
3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 특성 해석
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 구조는 Fig 26과 같다 화소전극에는 일자형 틈새를 패턴하였고 공통전극에는 십자형 틈새를 패턴하였다 이러한 전극 패턴에 의하여 틈새 근방에서 전기장의 왜곡 현상이 발생하고 그 왜곡된 전기장에 의해서 액정이 각 방위각으로 거동하여 도메인을 형성하게 된다 상하 편광자는 0˚와 90˚로 설정하여 normally black 모드로 사용한다
Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
Fig 27은 화소전극과 공통전극의 패턴된 형태를 보여주고 있다 화소전극 및 공통전극 모두 연결된 형태를 가져야 한다 따라서 화소전극은 연결된 형태를 가지고 있다 하지만 공통전극 영역은 연결하지 않았다 이것은 평균투과도 계산시 화소전극 영역에서의 평균으로 계산하기 때문에 각 버스라인 아래의 영역은 해에 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다 또한 수치해
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석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
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우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
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0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
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가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
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Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
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- 제 1 장 서 론
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- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 44 -
석적으로도 xy평면으로는 주기경계조건을 사용하고 있으므로 전체적인 해에 영향을 미치지 않는다
(a) (b)Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
전극 패턴을 이용한 MVA-LCD를 설계함에 있어 고려해야 할 사항은 도메인이 형성될 영역의 넓이가 같아야 한다 또한 더 나은 특성을 보이기 위하여 여러 파라미터에 대한 최적화를 수행하여야 한다 본 연구에서 수행된 최적화 파라미터는 다음과 같다
(가) 틈새의 폭 최적화(나) 틈새 패턴간 간격에 대한 도메인 형성 영역의 크기 최적화(다) 화소전극의 패턴 수에 대한 평균투과도의 변화
- 45 -
우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
- 46 -
0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
tran
smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
- 48 -
26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
참 고 문 헌
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- 60 -
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[18] G Haas H Wohler M Fritsch and D A Mlynski Polarizer model for liquid crystal devices J Opt Soc Am A Vol5 No 9 pp1571~1575 1988
[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 45 -
우선 틈새 폭의 변화에 대한 응답속도 및 평균투과도를 최적화하였다 비교를 위하여 모두 같은 조건하에서 틈새의 개수는 고정시키고 측면전장의 효과에 의한 도메인 형성이 비교에 영향을 줄 것을 고려하여 측면전장의 영향을 동일한 조건으로 설정하여 시뮬레이션 하였다 그 결과 틈새의 폭이 커질수록 왜곡되는 전기장의 세기가 커지기 때문에 응답속도는 빨라지게 된다 평균투과도는 틈새 폭이 8microm까지는 증가하지만 그 이후로는 감소한다 이것은 틈새가 커짐에 따라 φ = 0˚ 90˚방향으로의 왜곡된 전기장의 세기가 커지게 되어 도메인 형성을 방해하기 때문에 발생한다 또한 타 구조와 달리 각 도메인 간 3microm의 작은 불연속면만이 발생한다 Fig 28은 틈새 폭의 변화에 대한 광투과도의 변화 형태를 보여주고 있다 그림과 같이 틈새의 폭이 작으면 측면 전장의 영향이 커져서 화소 전극의 옆면 쪽에서 φ = 0˚ 180˚로 눕는 액정의 영역이 폭이 커지게 되어 투과도가 감소함을 알 수 있다 Fig 29는 응답속도 및 평균투과도를 비교하였다
(a) (b) (c)Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4microm (b) 8microm (c) 12microm
- 46 -
0 5 10 15 20
000
004
008
012
016
020
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
4microm 6microm 8microm 10microm 12microm
(a)
4 6 8 10 120165
0170
0175
0180
0185
0190
0195
0200
0205
0210
Ave
rage
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smitt
ance
Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
- 48 -
26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
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tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
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ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
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ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
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Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
참 고 문 헌
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[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
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Slit width(microm)
(b)Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with
average transmittance for slit width
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다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
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26 28 30 32 34
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Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
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(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
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1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
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Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
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Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
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가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
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(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
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Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
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ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
참 고 문 헌
[1] S Zhang M Lu and K H Yang ldquoDirect Observation of Disclination Evolution in Vertically Aligned Liquid Crystal Light Valves SID00 Digest pp898~901 2000
[2] H Yoshida Y Tasaka H Chida Y Koike and K Okamoto Dual-domain Vertically Aligned TFT-LCD Developed by Irradiation with Unpolarized UV Light from a Tube-type Light Source SID02 Digest pp758~761 2002
[3] Y Tanaka Y Taniguchi T Sasaki A Takeda Y Koibe and K Okamoto A New Design to Improve Performance and Simplify the Manufacturing Process of High-Quality MVA TFT-LCD Panels SID99 Digest pp206~209 1999
[4] Y Taniguchi H Inoue M Sawasaki Y Tanaka T Hasegawa T Sasaki Y Koike and K Okamoto An Ultra-High-Quality MVA-LCD Using a New Multi-Layer CF Resin Spacer and Black-Matrix SID00 Digest pp378~381 2000
[5] V A Konovalov A A Muravski C N Timofeev and S Ye Yakovenko Multi-Domain Vertically Aligned Mode SID98 Digest pp1127~1130 1998
[6] A Lien R Nunes R A John E Galligan E Colgan and J Wilson Ridge and Fringe-Field Multi-Domain Homeotropic LCD SID98 Digest pp1123~1126 1998
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- 60 -
Yakovenko Pixel Design and Electro-Optic Properties of Multi-Domain Vertically Aligned Mode SID99 Digest pp668~671 1999
[8] J E Anderson P J Bos C Cai and A Lien Three-dimensional modeling of ridge-fringe-field LCDs SID99 Digest pp628~631 1999
[9] S Kataoka A Takeda H Tsuda and Y Koike H Inoue T Fujikawa T Sasabayashi K Okamoto A New MVA-LCD with Jagged Shaped Pixel Electrodes SID01 Digest pp1066~1069 2001
[10] S I Jun W Y Park I G Kim J Y Lee and J H Soul Panel Transmittance Analysis of PVA Mode and a Noble Pixel Design SID02 Digest pp208~211 2002
[11] Y M Tak D G Kim N D Kim and S S Kim A Novel Stitching Design for Large-Area TFT-LCD TV SID03 Digest pp240~243 2003
[12] S Dickmann J Eschler O Cossalter and D A Mlynski Simulation of LCDs including elastic anisotropy and inhomogenous fields SID90 Digest pp102~105 1990
[13] J H Kim S M Jung and W S Park Electro-optical characteristics of multi-domain vertically aligned liquid crystal displays with patterned electrode KLCC2003 pp49 2003
[14] S M Jung and W S Park Study on the validity of the vector and tensor approaches through a 3-dimensional simulation ILCC2002 pP455 2002
- 61 -
[15] M Kitamura Computer simulation of director profiles in three-dimensional elastic fields SID95 Digest pp540~543 1995
[16] D W Berreman Optics in stratified and anisotropic media 44 matrix formulation J Opt Soc Am Vol 62 No 4 pp502~510 1972
[17] H Wohler G Haas M Fritsch and D A Mlynski Faster 44 matrix method for uniaxial inhomogeneous media J Opt Soc Am A Vol 5 No9 pp 1554~1557 1988
[18] G Haas H Wohler M Fritsch and D A Mlynski Polarizer model for liquid crystal devices J Opt Soc Am A Vol5 No 9 pp1571~1575 1988
[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 47 -
다음은 틈새 패턴간 간격에 대한 최적화를 수행하였다 Fig 30은 도메인을 형성하고자 하는 영역의 크기가 달라질 때의 광투과도의 변화를 보여준다 하나의 십자형 틈새는 y방향으로 13microm의 영역만을 원하는 도메인 형성 방위각 방향으로 형성한다 틈새간의 간격 즉 도메인의 크기가 변화하면 도메인의 중간 영역에서 빛이 누설함을 알 수 있고 Fig 31과 같이 누설 현상에 의해서 평균투과도는 증가한다 하지만 이 영역은 도메인 형성에 주된 영역이 아니고 전체 영역으로의 패턴을 하면 최대 투과 영역이 증가하는 것이 전체 화소에서의 평균투과도의 증가를 보이기 때문에 이 최적화 과정에서는 하나의 틈새가 형성하는 도메인의 크기에 대해 중점적으로 살펴봐야 한다
(a) (b) (c)Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26microm (b) 30microm
(c) 34microm
- 48 -
26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
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참 고 문 헌
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[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
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- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 48 -
26 28 30 32 34
02035
02040
02045
02050
02055
02060
02065
02070
02075
Ave
rage
tran
smitt
ance
Domain size (microm)
Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
틈새의 폭에 대한 최적화와 도메인 형성 영역의 크기 변화에 대한 경향성을 가지고 고정된 셀의 크기에 적용하기에는 많은 어려움이 있다 따라서 원하는 영역에 원하는 도메인을 형성하기 위해서는 전체 셀 영역에서의 틈새 패턴의 개수가 무엇보다 중요하다 때문에 화소전극의 패턴 개수를 정의한 후 고정된 셀의 크기에 적용하는 것이 더 합리적이다 Fig 32는 화소전극의 틈새 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 보여주고 있다 도메인 형성 영역의 크기를 등간격으로 설정하고 전체영역에서의 틈새 패턴의 개수를 변화시켰다 그 결과 80 240 5 [microm 3 ] 셀일 경우에 화소전극의 틈새 패턴이 3개 일때 가장 좋은 특성을 보였다 즉 셀의 크기가 변화하면 그에 따라 틈새 패턴 개수가 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다 즉 셀의 크기에 따라서 도메인 형성과 관련하여 틈새간 간격 측면전장 효과의 고려 일자형 틈새의 개수 등을 종합적으로 검토하여 도메인의 크기를 결정해야 됨을 알 수가 있다
- 49 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
참 고 문 헌
[1] S Zhang M Lu and K H Yang ldquoDirect Observation of Disclination Evolution in Vertically Aligned Liquid Crystal Light Valves SID00 Digest pp898~901 2000
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[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
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(a) (b)
(c) (d)Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes
slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
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Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
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03
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tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
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Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
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가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
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Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
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참 고 문 헌
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[5] V A Konovalov A A Muravski C N Timofeev and S Ye Yakovenko Multi-Domain Vertically Aligned Mode SID98 Digest pp1127~1130 1998
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[7] V A Konovalov A A Muravski C N Timofeev and S Ye
- 60 -
Yakovenko Pixel Design and Electro-Optic Properties of Multi-Domain Vertically Aligned Mode SID99 Digest pp668~671 1999
[8] J E Anderson P J Bos C Cai and A Lien Three-dimensional modeling of ridge-fringe-field LCDs SID99 Digest pp628~631 1999
[9] S Kataoka A Takeda H Tsuda and Y Koike H Inoue T Fujikawa T Sasabayashi K Okamoto A New MVA-LCD with Jagged Shaped Pixel Electrodes SID01 Digest pp1066~1069 2001
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[11] Y M Tak D G Kim N D Kim and S S Kim A Novel Stitching Design for Large-Area TFT-LCD TV SID03 Digest pp240~243 2003
[12] S Dickmann J Eschler O Cossalter and D A Mlynski Simulation of LCDs including elastic anisotropy and inhomogenous fields SID90 Digest pp102~105 1990
[13] J H Kim S M Jung and W S Park Electro-optical characteristics of multi-domain vertically aligned liquid crystal displays with patterned electrode KLCC2003 pp49 2003
[14] S M Jung and W S Park Study on the validity of the vector and tensor approaches through a 3-dimensional simulation ILCC2002 pP455 2002
- 61 -
[15] M Kitamura Computer simulation of director profiles in three-dimensional elastic fields SID95 Digest pp540~543 1995
[16] D W Berreman Optics in stratified and anisotropic media 44 matrix formulation J Opt Soc Am Vol 62 No 4 pp502~510 1972
[17] H Wohler G Haas M Fritsch and D A Mlynski Faster 44 matrix method for uniaxial inhomogeneous media J Opt Soc Am A Vol 5 No9 pp 1554~1557 1988
[18] G Haas H Wohler M Fritsch and D A Mlynski Polarizer model for liquid crystal devices J Opt Soc Am A Vol5 No 9 pp1571~1575 1988
[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 50 -
Fig 33은 주어진 셀에서 틈새 패턴의 개수의 변화에 대한 광투과도의 변화를 비교한 결과이다
0 5 10 15 20
00
01
02
03
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time(ms)
1 slit on pixel 2 slit on pixel 3 slit on pixel 4 slit on pixel
(a)
1 2 3 4
020
022
024
026
028
030
032
034
Ave
rage
tran
smitt
ance
Count of slit on pixel
(b)Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes
slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
참 고 문 헌
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[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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- 51 -
Fig 34는 위의 결과로부터 가장 좋은 특성을 보이는 셀을 설계하여 그 전극 구조를 보이고 있다 틈새의 폭은 8microm이고 틈새간 간격 즉 형성하고자 하는 도메인의 크기는 20microm이다
Fig 34 Structure of optimal unit pixel
Fig 35은 전위분포와 액정분자 배열분포를 3차원적으로 보여주고 있다 Fig 35(a)에서 틈새 근방의 등전위면의 왜곡현상을 확인할 수 있으며 화소전극 패턴 근방에서는 위쪽으로 공통전극 패턴 근방에서는 아래쪽으로 왜곡 됨을 확인할 수 있었다 이 왜곡된 전기장에 의해 액정분자가 각 방위각(φ = 45˚135˚ 225˚ 315˚) 방향으로 거동을 하며 도메인을 형성한다 그 결과 Fig 35(b)와 같이 도메인이 형성됨을 확인 할 수 있다
Fig 36은 시간에 따른 광투과율 변화를 보여주고 있다 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD와 마찬가지로 화소전극의 모서리부터 거동하기 시작하며 틈새 패턴된 부근에서도 동시에 거동을 하기 때문에 VA-LCD에 비해 응답속도
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
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ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
참 고 문 헌
[1] S Zhang M Lu and K H Yang ldquoDirect Observation of Disclination Evolution in Vertically Aligned Liquid Crystal Light Valves SID00 Digest pp898~901 2000
[2] H Yoshida Y Tasaka H Chida Y Koike and K Okamoto Dual-domain Vertically Aligned TFT-LCD Developed by Irradiation with Unpolarized UV Light from a Tube-type Light Source SID02 Digest pp758~761 2002
[3] Y Tanaka Y Taniguchi T Sasaki A Takeda Y Koibe and K Okamoto A New Design to Improve Performance and Simplify the Manufacturing Process of High-Quality MVA TFT-LCD Panels SID99 Digest pp206~209 1999
[4] Y Taniguchi H Inoue M Sawasaki Y Tanaka T Hasegawa T Sasaki Y Koike and K Okamoto An Ultra-High-Quality MVA-LCD Using a New Multi-Layer CF Resin Spacer and Black-Matrix SID00 Digest pp378~381 2000
[5] V A Konovalov A A Muravski C N Timofeev and S Ye Yakovenko Multi-Domain Vertically Aligned Mode SID98 Digest pp1127~1130 1998
[6] A Lien R Nunes R A John E Galligan E Colgan and J Wilson Ridge and Fringe-Field Multi-Domain Homeotropic LCD SID98 Digest pp1123~1126 1998
[7] V A Konovalov A A Muravski C N Timofeev and S Ye
- 60 -
Yakovenko Pixel Design and Electro-Optic Properties of Multi-Domain Vertically Aligned Mode SID99 Digest pp668~671 1999
[8] J E Anderson P J Bos C Cai and A Lien Three-dimensional modeling of ridge-fringe-field LCDs SID99 Digest pp628~631 1999
[9] S Kataoka A Takeda H Tsuda and Y Koike H Inoue T Fujikawa T Sasabayashi K Okamoto A New MVA-LCD with Jagged Shaped Pixel Electrodes SID01 Digest pp1066~1069 2001
[10] S I Jun W Y Park I G Kim J Y Lee and J H Soul Panel Transmittance Analysis of PVA Mode and a Noble Pixel Design SID02 Digest pp208~211 2002
[11] Y M Tak D G Kim N D Kim and S S Kim A Novel Stitching Design for Large-Area TFT-LCD TV SID03 Digest pp240~243 2003
[12] S Dickmann J Eschler O Cossalter and D A Mlynski Simulation of LCDs including elastic anisotropy and inhomogenous fields SID90 Digest pp102~105 1990
[13] J H Kim S M Jung and W S Park Electro-optical characteristics of multi-domain vertically aligned liquid crystal displays with patterned electrode KLCC2003 pp49 2003
[14] S M Jung and W S Park Study on the validity of the vector and tensor approaches through a 3-dimensional simulation ILCC2002 pP455 2002
- 61 -
[15] M Kitamura Computer simulation of director profiles in three-dimensional elastic fields SID95 Digest pp540~543 1995
[16] D W Berreman Optics in stratified and anisotropic media 44 matrix formulation J Opt Soc Am Vol 62 No 4 pp502~510 1972
[17] H Wohler G Haas M Fritsch and D A Mlynski Faster 44 matrix method for uniaxial inhomogeneous media J Opt Soc Am A Vol 5 No9 pp 1554~1557 1988
[18] G Haas H Wohler M Fritsch and D A Mlynski Polarizer model for liquid crystal devices J Opt Soc Am A Vol5 No 9 pp1571~1575 1988
[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 52 -
가 개선된다 또한 십자형 틈새의 중심부가 각 도메인의 중심점이 되어 도메인의 크기를 고정 시킬 수 있다
(a)
(b)Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode
(a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- 53 -
(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
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참 고 문 헌
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[2] H Yoshida Y Tasaka H Chida Y Koike and K Okamoto Dual-domain Vertically Aligned TFT-LCD Developed by Irradiation with Unpolarized UV Light from a Tube-type Light Source SID02 Digest pp758~761 2002
[3] Y Tanaka Y Taniguchi T Sasaki A Takeda Y Koibe and K Okamoto A New Design to Improve Performance and Simplify the Manufacturing Process of High-Quality MVA TFT-LCD Panels SID99 Digest pp206~209 1999
[4] Y Taniguchi H Inoue M Sawasaki Y Tanaka T Hasegawa T Sasaki Y Koike and K Okamoto An Ultra-High-Quality MVA-LCD Using a New Multi-Layer CF Resin Spacer and Black-Matrix SID00 Digest pp378~381 2000
[5] V A Konovalov A A Muravski C N Timofeev and S Ye Yakovenko Multi-Domain Vertically Aligned Mode SID98 Digest pp1127~1130 1998
[6] A Lien R Nunes R A John E Galligan E Colgan and J Wilson Ridge and Fringe-Field Multi-Domain Homeotropic LCD SID98 Digest pp1123~1126 1998
[7] V A Konovalov A A Muravski C N Timofeev and S Ye
- 60 -
Yakovenko Pixel Design and Electro-Optic Properties of Multi-Domain Vertically Aligned Mode SID99 Digest pp668~671 1999
[8] J E Anderson P J Bos C Cai and A Lien Three-dimensional modeling of ridge-fringe-field LCDs SID99 Digest pp628~631 1999
[9] S Kataoka A Takeda H Tsuda and Y Koike H Inoue T Fujikawa T Sasabayashi K Okamoto A New MVA-LCD with Jagged Shaped Pixel Electrodes SID01 Digest pp1066~1069 2001
[10] S I Jun W Y Park I G Kim J Y Lee and J H Soul Panel Transmittance Analysis of PVA Mode and a Noble Pixel Design SID02 Digest pp208~211 2002
[11] Y M Tak D G Kim N D Kim and S S Kim A Novel Stitching Design for Large-Area TFT-LCD TV SID03 Digest pp240~243 2003
[12] S Dickmann J Eschler O Cossalter and D A Mlynski Simulation of LCDs including elastic anisotropy and inhomogenous fields SID90 Digest pp102~105 1990
[13] J H Kim S M Jung and W S Park Electro-optical characteristics of multi-domain vertically aligned liquid crystal displays with patterned electrode KLCC2003 pp49 2003
[14] S M Jung and W S Park Study on the validity of the vector and tensor approaches through a 3-dimensional simulation ILCC2002 pP455 2002
- 61 -
[15] M Kitamura Computer simulation of director profiles in three-dimensional elastic fields SID95 Digest pp540~543 1995
[16] D W Berreman Optics in stratified and anisotropic media 44 matrix formulation J Opt Soc Am Vol 62 No 4 pp502~510 1972
[17] H Wohler G Haas M Fritsch and D A Mlynski Faster 44 matrix method for uniaxial inhomogeneous media J Opt Soc Am A Vol 5 No9 pp 1554~1557 1988
[18] G Haas H Wohler M Fritsch and D A Mlynski Polarizer model for liquid crystal devices J Opt Soc Am A Vol5 No 9 pp1571~1575 1988
[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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(a) (b)
(c) (d)Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned-
electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
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Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
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Ave
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smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
참 고 문 헌
[1] S Zhang M Lu and K H Yang ldquoDirect Observation of Disclination Evolution in Vertically Aligned Liquid Crystal Light Valves SID00 Digest pp898~901 2000
[2] H Yoshida Y Tasaka H Chida Y Koike and K Okamoto Dual-domain Vertically Aligned TFT-LCD Developed by Irradiation with Unpolarized UV Light from a Tube-type Light Source SID02 Digest pp758~761 2002
[3] Y Tanaka Y Taniguchi T Sasaki A Takeda Y Koibe and K Okamoto A New Design to Improve Performance and Simplify the Manufacturing Process of High-Quality MVA TFT-LCD Panels SID99 Digest pp206~209 1999
[4] Y Taniguchi H Inoue M Sawasaki Y Tanaka T Hasegawa T Sasaki Y Koike and K Okamoto An Ultra-High-Quality MVA-LCD Using a New Multi-Layer CF Resin Spacer and Black-Matrix SID00 Digest pp378~381 2000
[5] V A Konovalov A A Muravski C N Timofeev and S Ye Yakovenko Multi-Domain Vertically Aligned Mode SID98 Digest pp1127~1130 1998
[6] A Lien R Nunes R A John E Galligan E Colgan and J Wilson Ridge and Fringe-Field Multi-Domain Homeotropic LCD SID98 Digest pp1123~1126 1998
[7] V A Konovalov A A Muravski C N Timofeev and S Ye
- 60 -
Yakovenko Pixel Design and Electro-Optic Properties of Multi-Domain Vertically Aligned Mode SID99 Digest pp668~671 1999
[8] J E Anderson P J Bos C Cai and A Lien Three-dimensional modeling of ridge-fringe-field LCDs SID99 Digest pp628~631 1999
[9] S Kataoka A Takeda H Tsuda and Y Koike H Inoue T Fujikawa T Sasabayashi K Okamoto A New MVA-LCD with Jagged Shaped Pixel Electrodes SID01 Digest pp1066~1069 2001
[10] S I Jun W Y Park I G Kim J Y Lee and J H Soul Panel Transmittance Analysis of PVA Mode and a Noble Pixel Design SID02 Digest pp208~211 2002
[11] Y M Tak D G Kim N D Kim and S S Kim A Novel Stitching Design for Large-Area TFT-LCD TV SID03 Digest pp240~243 2003
[12] S Dickmann J Eschler O Cossalter and D A Mlynski Simulation of LCDs including elastic anisotropy and inhomogenous fields SID90 Digest pp102~105 1990
[13] J H Kim S M Jung and W S Park Electro-optical characteristics of multi-domain vertically aligned liquid crystal displays with patterned electrode KLCC2003 pp49 2003
[14] S M Jung and W S Park Study on the validity of the vector and tensor approaches through a 3-dimensional simulation ILCC2002 pP455 2002
- 61 -
[15] M Kitamura Computer simulation of director profiles in three-dimensional elastic fields SID95 Digest pp540~543 1995
[16] D W Berreman Optics in stratified and anisotropic media 44 matrix formulation J Opt Soc Am Vol 62 No 4 pp502~510 1972
[17] H Wohler G Haas M Fritsch and D A Mlynski Faster 44 matrix method for uniaxial inhomogeneous media J Opt Soc Am A Vol 5 No9 pp 1554~1557 1988
[18] G Haas H Wohler M Fritsch and D A Mlynski Polarizer model for liquid crystal devices J Opt Soc Am A Vol5 No 9 pp1571~1575 1988
[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 54 -
Fig 38은 포화상태에서의 투과율 분포와 원안의 액정분자배열분포 및 도메인 형성 상태를 보여주고 있다 완벽한 4개의 도메인이 형성되어 있음을 확인할 수 있다 또한 평균투과도는 033으로 유전체 삽입법에 비해 높다 또한 유전체 삽입법에 비해 불연속면이 얇고 단순한 전극 패턴만으로도 좋은 투과도 및 응답속도 특성을 얻을 수 있다
Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- 55 -
Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
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참 고 문 헌
[1] S Zhang M Lu and K H Yang ldquoDirect Observation of Disclination Evolution in Vertically Aligned Liquid Crystal Light Valves SID00 Digest pp898~901 2000
[2] H Yoshida Y Tasaka H Chida Y Koike and K Okamoto Dual-domain Vertically Aligned TFT-LCD Developed by Irradiation with Unpolarized UV Light from a Tube-type Light Source SID02 Digest pp758~761 2002
[3] Y Tanaka Y Taniguchi T Sasaki A Takeda Y Koibe and K Okamoto A New Design to Improve Performance and Simplify the Manufacturing Process of High-Quality MVA TFT-LCD Panels SID99 Digest pp206~209 1999
[4] Y Taniguchi H Inoue M Sawasaki Y Tanaka T Hasegawa T Sasaki Y Koike and K Okamoto An Ultra-High-Quality MVA-LCD Using a New Multi-Layer CF Resin Spacer and Black-Matrix SID00 Digest pp378~381 2000
[5] V A Konovalov A A Muravski C N Timofeev and S Ye Yakovenko Multi-Domain Vertically Aligned Mode SID98 Digest pp1127~1130 1998
[6] A Lien R Nunes R A John E Galligan E Colgan and J Wilson Ridge and Fringe-Field Multi-Domain Homeotropic LCD SID98 Digest pp1123~1126 1998
[7] V A Konovalov A A Muravski C N Timofeev and S Ye
- 60 -
Yakovenko Pixel Design and Electro-Optic Properties of Multi-Domain Vertically Aligned Mode SID99 Digest pp668~671 1999
[8] J E Anderson P J Bos C Cai and A Lien Three-dimensional modeling of ridge-fringe-field LCDs SID99 Digest pp628~631 1999
[9] S Kataoka A Takeda H Tsuda and Y Koike H Inoue T Fujikawa T Sasabayashi K Okamoto A New MVA-LCD with Jagged Shaped Pixel Electrodes SID01 Digest pp1066~1069 2001
[10] S I Jun W Y Park I G Kim J Y Lee and J H Soul Panel Transmittance Analysis of PVA Mode and a Noble Pixel Design SID02 Digest pp208~211 2002
[11] Y M Tak D G Kim N D Kim and S S Kim A Novel Stitching Design for Large-Area TFT-LCD TV SID03 Digest pp240~243 2003
[12] S Dickmann J Eschler O Cossalter and D A Mlynski Simulation of LCDs including elastic anisotropy and inhomogenous fields SID90 Digest pp102~105 1990
[13] J H Kim S M Jung and W S Park Electro-optical characteristics of multi-domain vertically aligned liquid crystal displays with patterned electrode KLCC2003 pp49 2003
[14] S M Jung and W S Park Study on the validity of the vector and tensor approaches through a 3-dimensional simulation ILCC2002 pP455 2002
- 61 -
[15] M Kitamura Computer simulation of director profiles in three-dimensional elastic fields SID95 Digest pp540~543 1995
[16] D W Berreman Optics in stratified and anisotropic media 44 matrix formulation J Opt Soc Am Vol 62 No 4 pp502~510 1972
[17] H Wohler G Haas M Fritsch and D A Mlynski Faster 44 matrix method for uniaxial inhomogeneous media J Opt Soc Am A Vol 5 No9 pp 1554~1557 1988
[18] G Haas H Wohler M Fritsch and D A Mlynski Polarizer model for liquid crystal devices J Opt Soc Am A Vol5 No 9 pp1571~1575 1988
[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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Fig 25는 전압 인가시와 미인가시의 시야각 특성을 나타낸다 이 구조 역시 수직 시야각은 60˚이상이고 수평 시야각 역시 45˚이상으로 매우 넓고 대칭적인 시야각을 가진다
Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
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3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
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Ave
rage
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Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
참 고 문 헌
[1] S Zhang M Lu and K H Yang ldquoDirect Observation of Disclination Evolution in Vertically Aligned Liquid Crystal Light Valves SID00 Digest pp898~901 2000
[2] H Yoshida Y Tasaka H Chida Y Koike and K Okamoto Dual-domain Vertically Aligned TFT-LCD Developed by Irradiation with Unpolarized UV Light from a Tube-type Light Source SID02 Digest pp758~761 2002
[3] Y Tanaka Y Taniguchi T Sasaki A Takeda Y Koibe and K Okamoto A New Design to Improve Performance and Simplify the Manufacturing Process of High-Quality MVA TFT-LCD Panels SID99 Digest pp206~209 1999
[4] Y Taniguchi H Inoue M Sawasaki Y Tanaka T Hasegawa T Sasaki Y Koike and K Okamoto An Ultra-High-Quality MVA-LCD Using a New Multi-Layer CF Resin Spacer and Black-Matrix SID00 Digest pp378~381 2000
[5] V A Konovalov A A Muravski C N Timofeev and S Ye Yakovenko Multi-Domain Vertically Aligned Mode SID98 Digest pp1127~1130 1998
[6] A Lien R Nunes R A John E Galligan E Colgan and J Wilson Ridge and Fringe-Field Multi-Domain Homeotropic LCD SID98 Digest pp1123~1126 1998
[7] V A Konovalov A A Muravski C N Timofeev and S Ye
- 60 -
Yakovenko Pixel Design and Electro-Optic Properties of Multi-Domain Vertically Aligned Mode SID99 Digest pp668~671 1999
[8] J E Anderson P J Bos C Cai and A Lien Three-dimensional modeling of ridge-fringe-field LCDs SID99 Digest pp628~631 1999
[9] S Kataoka A Takeda H Tsuda and Y Koike H Inoue T Fujikawa T Sasabayashi K Okamoto A New MVA-LCD with Jagged Shaped Pixel Electrodes SID01 Digest pp1066~1069 2001
[10] S I Jun W Y Park I G Kim J Y Lee and J H Soul Panel Transmittance Analysis of PVA Mode and a Noble Pixel Design SID02 Digest pp208~211 2002
[11] Y M Tak D G Kim N D Kim and S S Kim A Novel Stitching Design for Large-Area TFT-LCD TV SID03 Digest pp240~243 2003
[12] S Dickmann J Eschler O Cossalter and D A Mlynski Simulation of LCDs including elastic anisotropy and inhomogenous fields SID90 Digest pp102~105 1990
[13] J H Kim S M Jung and W S Park Electro-optical characteristics of multi-domain vertically aligned liquid crystal displays with patterned electrode KLCC2003 pp49 2003
[14] S M Jung and W S Park Study on the validity of the vector and tensor approaches through a 3-dimensional simulation ILCC2002 pP455 2002
- 61 -
[15] M Kitamura Computer simulation of director profiles in three-dimensional elastic fields SID95 Digest pp540~543 1995
[16] D W Berreman Optics in stratified and anisotropic media 44 matrix formulation J Opt Soc Am Vol 62 No 4 pp502~510 1972
[17] H Wohler G Haas M Fritsch and D A Mlynski Faster 44 matrix method for uniaxial inhomogeneous media J Opt Soc Am A Vol 5 No9 pp 1554~1557 1988
[18] G Haas H Wohler M Fritsch and D A Mlynski Polarizer model for liquid crystal devices J Opt Soc Am A Vol5 No 9 pp1571~1575 1988
[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 56 -
3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
앞 절에서 여러 가지 방법을 이용한 MVA-LCD의 특성을 살펴보았다 여러 가지 셀들은 각각 장sdot단점을 지니고 있다 Fig 39는 각 방법별 응답 속도 및 평균 투과도를 보여주고 있다 VA-LCD의 경우 04이상의 높은 투과도를 보이지만 응답 속도가 12ms로 타 구조에 비하여 느리다 또한 완벽한 4개의 도메인 형성이 안된다 그에 반하여 타 구조들은 4개의 완벽한 도메인이 형성되지만 전체적인 투과도가 낮다 그중 자외선 처리를 통한 방법은 응답 속도가 4ms로 빠르고 VA-LCD에 필적하는 광투과도를 가진다 하지만 공정상의 많은 어려움과 여러 가지 문제점 때문에 대면적 디스플레이로의 적용은 힘들다 그에 반하여 전극 패턴을 이용하는 방법은 VA-LCD에 비해 20의 투과도 손실은 있지만 응답 속도에서 30의 이득이 있다 또한 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보인다 더욱이 간단한 공정만으로 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다
0 4 8 12 16
00
01
02
03
04
05
Ave
rage
tran
smitt
ance
Time (ms)
VA-LCD MVA-LCD with UV MVA-LCD with rib MVA-LCD with pattern
Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
- 57 -
각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
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참 고 문 헌
[1] S Zhang M Lu and K H Yang ldquoDirect Observation of Disclination Evolution in Vertically Aligned Liquid Crystal Light Valves SID00 Digest pp898~901 2000
[2] H Yoshida Y Tasaka H Chida Y Koike and K Okamoto Dual-domain Vertically Aligned TFT-LCD Developed by Irradiation with Unpolarized UV Light from a Tube-type Light Source SID02 Digest pp758~761 2002
[3] Y Tanaka Y Taniguchi T Sasaki A Takeda Y Koibe and K Okamoto A New Design to Improve Performance and Simplify the Manufacturing Process of High-Quality MVA TFT-LCD Panels SID99 Digest pp206~209 1999
[4] Y Taniguchi H Inoue M Sawasaki Y Tanaka T Hasegawa T Sasaki Y Koike and K Okamoto An Ultra-High-Quality MVA-LCD Using a New Multi-Layer CF Resin Spacer and Black-Matrix SID00 Digest pp378~381 2000
[5] V A Konovalov A A Muravski C N Timofeev and S Ye Yakovenko Multi-Domain Vertically Aligned Mode SID98 Digest pp1127~1130 1998
[6] A Lien R Nunes R A John E Galligan E Colgan and J Wilson Ridge and Fringe-Field Multi-Domain Homeotropic LCD SID98 Digest pp1123~1126 1998
[7] V A Konovalov A A Muravski C N Timofeev and S Ye
- 60 -
Yakovenko Pixel Design and Electro-Optic Properties of Multi-Domain Vertically Aligned Mode SID99 Digest pp668~671 1999
[8] J E Anderson P J Bos C Cai and A Lien Three-dimensional modeling of ridge-fringe-field LCDs SID99 Digest pp628~631 1999
[9] S Kataoka A Takeda H Tsuda and Y Koike H Inoue T Fujikawa T Sasabayashi K Okamoto A New MVA-LCD with Jagged Shaped Pixel Electrodes SID01 Digest pp1066~1069 2001
[10] S I Jun W Y Park I G Kim J Y Lee and J H Soul Panel Transmittance Analysis of PVA Mode and a Noble Pixel Design SID02 Digest pp208~211 2002
[11] Y M Tak D G Kim N D Kim and S S Kim A Novel Stitching Design for Large-Area TFT-LCD TV SID03 Digest pp240~243 2003
[12] S Dickmann J Eschler O Cossalter and D A Mlynski Simulation of LCDs including elastic anisotropy and inhomogenous fields SID90 Digest pp102~105 1990
[13] J H Kim S M Jung and W S Park Electro-optical characteristics of multi-domain vertically aligned liquid crystal displays with patterned electrode KLCC2003 pp49 2003
[14] S M Jung and W S Park Study on the validity of the vector and tensor approaches through a 3-dimensional simulation ILCC2002 pP455 2002
- 61 -
[15] M Kitamura Computer simulation of director profiles in three-dimensional elastic fields SID95 Digest pp540~543 1995
[16] D W Berreman Optics in stratified and anisotropic media 44 matrix formulation J Opt Soc Am Vol 62 No 4 pp502~510 1972
[17] H Wohler G Haas M Fritsch and D A Mlynski Faster 44 matrix method for uniaxial inhomogeneous media J Opt Soc Am A Vol 5 No9 pp 1554~1557 1988
[18] G Haas H Wohler M Fritsch and D A Mlynski Polarizer model for liquid crystal devices J Opt Soc Am A Vol5 No 9 pp1571~1575 1988
[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
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- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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각 구조를 비교 분석한 결과를 Table Ⅱ에서 비교 분석하였다 응답속도에 있어서 자외선 처리법이 5ms 이하로 매우 우수한 특성을 보였으나 전극 패턴법의 응답 속도는 8ms 이하로 동영상 구현에 충분한 빠르기를 가지면서도 공정상 매우 유리함을 확인하였다 또한 투과율에 있어서도 역시 전극 패턴법은 같은 왜곡된 전기장을 이용하는 방법인 유전체 삽입법에 비해 10 이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다 또한 VA-LCD와 달리 완벽한 4개의 도메인을 형성함을 확인할 수 있었다
Table ⅡComparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
VA-LCD MVA-LCD자외선 처리법 유전체 삽입법 전극 패턴법
응답 속도 lt 11ms lt 5ms lt 8ms lt 8ms
광투과도 gt 80 lt 80 lt 60 lt 70multi-domain
공정 ( 매우좋음 좋음 보통 나쁨)
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제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
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참 고 문 헌
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[13] J H Kim S M Jung and W S Park Electro-optical characteristics of multi-domain vertically aligned liquid crystal displays with patterned electrode KLCC2003 pp49 2003
[14] S M Jung and W S Park Study on the validity of the vector and tensor approaches through a 3-dimensional simulation ILCC2002 pP455 2002
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[15] M Kitamura Computer simulation of director profiles in three-dimensional elastic fields SID95 Digest pp540~543 1995
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[18] G Haas H Wohler M Fritsch and D A Mlynski Polarizer model for liquid crystal devices J Opt Soc Am A Vol5 No 9 pp1571~1575 1988
[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
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- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 58 -
제 4 장 결 론
본 연구에서는 복수영역을 정의하기 위한 다양한 방법의 MVA-LCD 중 자외선 처리법 유전체 삽입법 그리고 전극구조 패턴법에 대한 방향자 및 전위분포를 3차원 시뮬레이션 기법으로부터 얻어냄으로써 도메인 형성의 원리 및 과정을 분석하였다
고명암대비비와 빠른 응답속도를 동시에 만족함과 동시에 광시야각 구현이 가능한 여러 가지 방법의 MVA-LCD를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다 우선 빠른 응답속도와 높은 투과도 완벽한 4개의 도메인을 가지는 구조는 자외선 처리법이다 그러나 전극 패턴법은 단순한 공정만으로 동화상 구현에 충분한 응답속도를 가지고 있었으며 투과도 역시 유전체 삽입법에 비해 10이상의 밝기를 가지는 것을 확인하였다
또한 여러 방법 중 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD는 단순한 공정만으로도 쉽게 완벽한 4개의 도메인을 얻을 수 있고 VA-LCD와 비교하여 30의 응답속도 개선과 타 MVA-LCD에 비해 우수한 광투과도를 보이는 것으로 확인되었다 또한 수직으로 60˚이상 수평으로 45˚이상의 대칭적이고 넓은 시야각 특성을 가지고 있다 이로부터 전극 패턴법을 이용하면 셀의 크기에 따라 다양한 전극 구조를 설계함으로써 고품질의 디스플레이 구현이 가능할 것으로 기대된다
- 59 -
참 고 문 헌
[1] S Zhang M Lu and K H Yang ldquoDirect Observation of Disclination Evolution in Vertically Aligned Liquid Crystal Light Valves SID00 Digest pp898~901 2000
[2] H Yoshida Y Tasaka H Chida Y Koike and K Okamoto Dual-domain Vertically Aligned TFT-LCD Developed by Irradiation with Unpolarized UV Light from a Tube-type Light Source SID02 Digest pp758~761 2002
[3] Y Tanaka Y Taniguchi T Sasaki A Takeda Y Koibe and K Okamoto A New Design to Improve Performance and Simplify the Manufacturing Process of High-Quality MVA TFT-LCD Panels SID99 Digest pp206~209 1999
[4] Y Taniguchi H Inoue M Sawasaki Y Tanaka T Hasegawa T Sasaki Y Koike and K Okamoto An Ultra-High-Quality MVA-LCD Using a New Multi-Layer CF Resin Spacer and Black-Matrix SID00 Digest pp378~381 2000
[5] V A Konovalov A A Muravski C N Timofeev and S Ye Yakovenko Multi-Domain Vertically Aligned Mode SID98 Digest pp1127~1130 1998
[6] A Lien R Nunes R A John E Galligan E Colgan and J Wilson Ridge and Fringe-Field Multi-Domain Homeotropic LCD SID98 Digest pp1123~1126 1998
[7] V A Konovalov A A Muravski C N Timofeev and S Ye
- 60 -
Yakovenko Pixel Design and Electro-Optic Properties of Multi-Domain Vertically Aligned Mode SID99 Digest pp668~671 1999
[8] J E Anderson P J Bos C Cai and A Lien Three-dimensional modeling of ridge-fringe-field LCDs SID99 Digest pp628~631 1999
[9] S Kataoka A Takeda H Tsuda and Y Koike H Inoue T Fujikawa T Sasabayashi K Okamoto A New MVA-LCD with Jagged Shaped Pixel Electrodes SID01 Digest pp1066~1069 2001
[10] S I Jun W Y Park I G Kim J Y Lee and J H Soul Panel Transmittance Analysis of PVA Mode and a Noble Pixel Design SID02 Digest pp208~211 2002
[11] Y M Tak D G Kim N D Kim and S S Kim A Novel Stitching Design for Large-Area TFT-LCD TV SID03 Digest pp240~243 2003
[12] S Dickmann J Eschler O Cossalter and D A Mlynski Simulation of LCDs including elastic anisotropy and inhomogenous fields SID90 Digest pp102~105 1990
[13] J H Kim S M Jung and W S Park Electro-optical characteristics of multi-domain vertically aligned liquid crystal displays with patterned electrode KLCC2003 pp49 2003
[14] S M Jung and W S Park Study on the validity of the vector and tensor approaches through a 3-dimensional simulation ILCC2002 pP455 2002
- 61 -
[15] M Kitamura Computer simulation of director profiles in three-dimensional elastic fields SID95 Digest pp540~543 1995
[16] D W Berreman Optics in stratified and anisotropic media 44 matrix formulation J Opt Soc Am Vol 62 No 4 pp502~510 1972
[17] H Wohler G Haas M Fritsch and D A Mlynski Faster 44 matrix method for uniaxial inhomogeneous media J Opt Soc Am A Vol 5 No9 pp 1554~1557 1988
[18] G Haas H Wohler M Fritsch and D A Mlynski Polarizer model for liquid crystal devices J Opt Soc Am A Vol5 No 9 pp1571~1575 1988
[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 59 -
참 고 문 헌
[1] S Zhang M Lu and K H Yang ldquoDirect Observation of Disclination Evolution in Vertically Aligned Liquid Crystal Light Valves SID00 Digest pp898~901 2000
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[7] V A Konovalov A A Muravski C N Timofeev and S Ye
- 60 -
Yakovenko Pixel Design and Electro-Optic Properties of Multi-Domain Vertically Aligned Mode SID99 Digest pp668~671 1999
[8] J E Anderson P J Bos C Cai and A Lien Three-dimensional modeling of ridge-fringe-field LCDs SID99 Digest pp628~631 1999
[9] S Kataoka A Takeda H Tsuda and Y Koike H Inoue T Fujikawa T Sasabayashi K Okamoto A New MVA-LCD with Jagged Shaped Pixel Electrodes SID01 Digest pp1066~1069 2001
[10] S I Jun W Y Park I G Kim J Y Lee and J H Soul Panel Transmittance Analysis of PVA Mode and a Noble Pixel Design SID02 Digest pp208~211 2002
[11] Y M Tak D G Kim N D Kim and S S Kim A Novel Stitching Design for Large-Area TFT-LCD TV SID03 Digest pp240~243 2003
[12] S Dickmann J Eschler O Cossalter and D A Mlynski Simulation of LCDs including elastic anisotropy and inhomogenous fields SID90 Digest pp102~105 1990
[13] J H Kim S M Jung and W S Park Electro-optical characteristics of multi-domain vertically aligned liquid crystal displays with patterned electrode KLCC2003 pp49 2003
[14] S M Jung and W S Park Study on the validity of the vector and tensor approaches through a 3-dimensional simulation ILCC2002 pP455 2002
- 61 -
[15] M Kitamura Computer simulation of director profiles in three-dimensional elastic fields SID95 Digest pp540~543 1995
[16] D W Berreman Optics in stratified and anisotropic media 44 matrix formulation J Opt Soc Am Vol 62 No 4 pp502~510 1972
[17] H Wohler G Haas M Fritsch and D A Mlynski Faster 44 matrix method for uniaxial inhomogeneous media J Opt Soc Am A Vol 5 No9 pp 1554~1557 1988
[18] G Haas H Wohler M Fritsch and D A Mlynski Polarizer model for liquid crystal devices J Opt Soc Am A Vol5 No 9 pp1571~1575 1988
[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 60 -
Yakovenko Pixel Design and Electro-Optic Properties of Multi-Domain Vertically Aligned Mode SID99 Digest pp668~671 1999
[8] J E Anderson P J Bos C Cai and A Lien Three-dimensional modeling of ridge-fringe-field LCDs SID99 Digest pp628~631 1999
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[12] S Dickmann J Eschler O Cossalter and D A Mlynski Simulation of LCDs including elastic anisotropy and inhomogenous fields SID90 Digest pp102~105 1990
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[14] S M Jung and W S Park Study on the validity of the vector and tensor approaches through a 3-dimensional simulation ILCC2002 pP455 2002
- 61 -
[15] M Kitamura Computer simulation of director profiles in three-dimensional elastic fields SID95 Digest pp540~543 1995
[16] D W Berreman Optics in stratified and anisotropic media 44 matrix formulation J Opt Soc Am Vol 62 No 4 pp502~510 1972
[17] H Wohler G Haas M Fritsch and D A Mlynski Faster 44 matrix method for uniaxial inhomogeneous media J Opt Soc Am A Vol 5 No9 pp 1554~1557 1988
[18] G Haas H Wohler M Fritsch and D A Mlynski Polarizer model for liquid crystal devices J Opt Soc Am A Vol5 No 9 pp1571~1575 1988
[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
-
- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
-
- 표목차
-
- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
-
- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
-
- 61 -
[15] M Kitamura Computer simulation of director profiles in three-dimensional elastic fields SID95 Digest pp540~543 1995
[16] D W Berreman Optics in stratified and anisotropic media 44 matrix formulation J Opt Soc Am Vol 62 No 4 pp502~510 1972
[17] H Wohler G Haas M Fritsch and D A Mlynski Faster 44 matrix method for uniaxial inhomogeneous media J Opt Soc Am A Vol 5 No9 pp 1554~1557 1988
[18] G Haas H Wohler M Fritsch and D A Mlynski Polarizer model for liquid crystal devices J Opt Soc Am A Vol5 No 9 pp1571~1575 1988
[19] S M Jung and W S Park Improved method for electro-optical simulation of liquid crystal displays J Kor Phys Soc Vol34 pp546~550 1999
- 목차
-
- 제 1 장 서 론
- 제 2 장 액정의 동특성 및 광학적 특성
-
- 제 1 절 액정의 분자분포 방정식
- 제 2 절 수치해석적 계산 기법
- 제 3 절 광투과율 계산
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- 제 3 장 다양한 구조에 대한 계산 결과 및 비교
-
- 제 1 절 VA-LCD의 구조
- 제 2 절 다양한 형태의 MVA-LCD
- 제 3 절 결과 및 논의
-
- 3 3 1 VA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 2 자외선 처리를 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 3 유전체 삽입을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 4 전극 패턴을 이용한 MVA-LCD의 전기광학적 특성
- 3 3 5 MVA-LCD의 특성 비교
-
- 제 4 장 결 론
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- 표목차
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- Table Ⅰ Physical parameters used in the simulation
- Table Ⅱ Comparison with VA-LCDs and various MVA-LCDs
-
- 그림목차
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- Fig 1 Definition of azimuth and tilt angle of LC director
- Fig 2 Flow chart of simulation
- Fig 3 Definition of incident light and coordinate systems for optical transmission calculation
- Fig 4 Multi-layer structure of LC layer
- Fig 5 Definition of incident and transmitted waves
- Fig 6 Structure of VA-LCDs and behavior of LC molecules with applied voltage
- Fig 7 (a) Process of UV treatment (b) Domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 8 Driving principle of MVA-LCDs with protrusion (a) Off (b) On
- Fig 9 Driving principle of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Off (b) On
- Fig 10 Driving principle of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 11 Electrode structure of MVA-LCDs unit cell with patterned-electrode
- Fig 12 Structure of VA-LCDs
- Fig 13 3-D representation of VA-LCDs (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 14 Optical transmittance profiles of VA-LCDs (a) at 4ms (b) at 8ms (c) at 12ms (d) at 16ms
- Fig 15 Optical transmittance on saturation and domain creation of VA-LCDs
- Fig 16 Structure of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 17 3-D representation of MVA-LCDs with UV treatment (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 18 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with UV treatment (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 19 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with UV treatment
- Fig 20 Average transmittance of MVA-LCDs with UV treatment by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 21 Structure of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Electrode structure (b) Dielectric structure
- Fig 22 3-D representation of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 23 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with insertion of dielectric (a) at 3ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 24 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with insertion of dielectric
- Fig 25 Average transmittance of MVA-LCDs with insertion of dielectric by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 26 Structure of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 27 Electrode pattern (a) Pixel electrode (b) Common electrode
- Fig 28 Transmittance profiles with slit width (a) 4 (b) 8 (c) 12
- Fig 29 Comparison (a) with response time for slit width (b) with average transmittance for slit width
- Fig 30 Transmittance profiles with spacing slit (a) 26 (b) 30 (c) 34
- Fig 31 Comparison with average transmittance for spacing slit
- Fig 32 Transmittance profiles with the number of pixel electrodes slit (a) 1 (b) 2 (c) 3 (d) 4
- Fig 33 Comparison (a) with response time for the number of pixel electrodes slit (b) with average transmittance for the number of pixel electrodes slit
- Fig 34 Structure of optimal unit pixel
- Fig 35 3-D representation of MVA-LCDs with patterned-electrode (a) Contour of equi-potential (b) LC director profiles
- Fig 36 Optical transmittance profiles of MVA-LCDs with patterned- electrode (a) at 4ms (b) at 6ms (c) at 9ms (d) at 12ms
- Fig 37 Optical transmittance on saturation and domain creation of MVA-LCDs with patterned-electrode
- Fig 38 Average transmittance of MVA-LCDs with patterned- electrode by viewing and azimuth angle (a) Off (b) On
- Fig 39 Comparison with response time and average transmittance of each mode
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