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工學碩士學位請求論文

측면전장효과를 고려한 VA-LCD의

전기광학적 특성에 관한 연구

A Study on the Electro-optical Characteristics

of VA-LCDs considering the lateral field effect

2008年 8月

仁荷大學校 大學院

電子工學科(情報工學 專攻)

李 同 鎬

工學碩士學位請求論文

측면전장효과를 고려한 VA-LCD의

전기광학적 특성에 관한 연구

A Study on the Electro-optical Characteristics

of VA-LCDs considering the lateral field effect

2008年 8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)

李 同 鎬

이 論文을 李同鎬의 碩士學位 論文으로 認定함

2008년 8월

主審 ☖

副審 ☖

委員 ☖

- I -

요 약

본 연구에서는 VA-LCD의 문제점인 화소 가장자리 부분에서 발

생하는 전경선(disclination line)에 의한 투과율 저하에 대하여 분석

하고, 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안을 VA-LCD에 적용시켜

전기광학적 특성을 개선한다. VA-LCD의 투과율 저하를 개선하기

위해 전경선 발생의 원인이 되는 화소 가장자리 부분에서의 강한

측면전장에 의한 방향자의 왜곡을 분석하고, 이러한 강한 측면전장

을 완화하기 위해 유전체 막대 삽입법(dielectric rib insertion

method)을 사선패턴 VA-LCD에 적용하였다. 이를 바탕으로 시뮬레

이션을 수행한 결과 유전체 막대 삽입법을 적용한 사선패턴

VA-LCD의 경우에 기존의 사선패턴 VA-LCD에 비해서 전경선 발

생 현상이 개선되었음을 확인할 수 있었다. 또한 개선된 모드의 투

과율이 0.2666으로 기존 모드의 투과율 0.2514에 비해 약 6.1%의 투

과율 향상을 확인할 수 있었다.

- II -

Abstract

In this thesis, we first analyze how the transmissivity from the

edge of the pixel is reduced, due to the disclination line. Also, we

the propose a solution to overcome this problem by improving

the electro-optical characteristics of VA(vertical alignment)-LCDs.

In order to investigate the director distortion and increase the

transmissivity, we apply the dielectric rib insertion method to an

oblique patterned VA-LCDs. From the simulation results, we can

show that the transmissivity in the new VA mode is higher than

that of conventional oblique patterned VA mode. It is

quantitatively prove that it should be noted that the new VA

mode had a transmissivity of 0.2666 while the conventional VA

mode is only 0.2514, which leads to approximately a 6.1%

improvement in transmissivity.

- III -

목 차

제 1 장 서 론································································ 1

제 2 장 액정의 분자배열 해석 및 투과율 계산················· 4

2. 1 액정의 분자배열 분포 방정식··································· 4

2. 2 수치 해석적 계산 기법············································ 8

2. 3 광투과율 계산······················································· 10

제 3 장 다중영역 VA-LCD의 전기광학적 특성 개선 방안

및 시뮬레이션················································ 20

3. 1 VA-LCD의 동작원리 및 문제점 ······························ 20

3. 2 VA-LCD의 전기광학적 특성 개선 방안····················· 24

3. 3 시뮬레이션 결과 및 논의········································· 25

3. 3. 1. 사선패턴 VA-LCD의 최적화 시뮬레이션·················· 25

3. 3. 2. 유전체 막대 삽입법을 적용한 사선패턴 VA-LCD의 시뮬레

이션····························································· 30

3. 3. 3. 시뮬레이션 결과 분석········································· 34

제 4 장 결 론······························································· 36

참 고 문 헌···································································· 37

- IV -

그 림 목 차

그림 1. 방향자의 tilt각과 twist각의 정의

그림 2. 시뮬레이션의 순서도

그림 3. 광투과율을 계산하기 위한 입사광과 좌표계의 정의

그림 4. 액정의 다중 층 구조

그림 5. 입사파와 투과파의 정의

그림 6. VA-LCD의 구조와 전압에 따른 액정분자의 거동

그림 7. 측면전장효과

(a) 측면전장효과의 원리

(b) 측면전장효과의 예

그림 8. 사선패턴 VA-LCD에서의 측면전장효과

(a) 분자배열분포도

(b) 투과도

그림 9. 유전체 막대 삽입법의 원리

그림 10. 사선패턴 VA-LCD의 전극 구조

그림 11. 사선패턴 VA-LCD의 공통전극 슬릿 간격

그림 12. 사선패턴 VA-LCD의 슬릿 간격별 시간에 따른 투과율

그림 13. 사선패턴 VA-LCD의 슬릿 간격별 투과율

그림 14. 사선패턴 VA-LCD

(a) 분자배열분포도

(b) 투과도

그림 15. 유전체 막대 구조

그림 16. 유전체 막대 높이

- V -

그림 17. 유전체 막대를 적용한 사선패턴 VA-LCD의 유전체 막대

높이별 투과율

그림 18. 전계 분포

(a) 사선패턴 VA-LCD

(b) 유전체 막대를 적용한 사선패턴 VA-LCD

그림 19. 투과도

(a) 사선패턴 VA-LCD

(b) 유전체 막대를 적용한 사선패턴 VA-LCD

- VI -

표 목 차

표 1. 전극의 슬릿 간격별 사선패턴 VA-LCD의 시뮬레이션 계획

표 2. 전극의 슬릿 간격별 사선패턴 VA-LCD의 시뮬레이션 결과

표 3. 유전체 막대 높이별 사선패턴 VA-LCD의 시뮬레이션 계획

표 4. 유전체 막대 높이별 사선패턴 VA-LCD의 시뮬레이션 결과

- 1 -

제 1 장 서 론

디스플레이는 인간과 기계의 인터페이스로써 인류의 문화적 발전

에 상당한 공헌을 하고 있다. 과거 약 100년간은 CRT(cathode ray

tube) 디스플레이가 주류였지만, 현재는 평판 디스플레이(FPD ; flat

panel display)가 그 자리를 빠르게 대체하고 있다. 다양한 평판디스

플레이 중에서도 경량, 박형의 특성을 만족하며 저전압, 저전력 구

동이 가능할 뿐만 아니라 해상도, 명암대비, 색재현성, 시야각등에

있어서도 CRT에 필적하는 표시품질을 지닌 박막트랜지스터 액정표

시소자(TFT-LCD ; thin film transistor liquid crystal display)가

PDP(plasma display panel)나 OLED(organic light emitting diodes)

에 비해 빠르게 성장하였다. 이러한 우수한 품질 때문에 데스크톱

모니터는 물론 노트북, 홈시어터용 벽걸이 텔레비전 등과 같은 대면

적 디스플레이에 폭넓게 채택되고 있을 뿐만 아니라, 초고정세를 달

성함으로써 휴대폰, PDA (personal data assistant)에 이르는 이동식

디스플레이로 그 응용 범위가 확대되고 있어, 향후 관련 산업의 지

속적인 확대가 예상된다.

TFT-LCD의 개발에는 고휘도화, 저전력화, 고화질화, 대형화, 경

량 박형화 등의 조건을 만족하는 고품질의 제품이 저 가격으로 실

현되어야 하며 이를 위해서는 이들 특성과 관련된 많은 파라미터

(parameter)들을 최적화 하는 것이 필수적이다. 그러나 이렇게 방대

한 파라미터들을 실험적으로 최적화하는 것은 불가능하기 때문에

실제적으로는 약간의 검증실험을 포함한 컴퓨터 시뮬레이션

(computer simulation)기법을 적용하여 적은 노력과 시간으로 최적

설계를 수행하고 있다. 1974년 베르만(Berreman)이 액정의 시간에

- 2 -

따른 분자 거동을 규명하기 위하여 제안한 시뮬레이터를 시작으로

현재까지 학문적, 혹은 응용상의 목적으로 다양한 시뮬레이터가 개

발되어왔다[1,2].

본 연구에서는 광시야각과 빠른 응답속도를 구현할 수 있는

IPS-LCD(in-plane switching liquid crystal display), VA-LCD

(vertically aligned liquid crystal display), FFS-LCD(fringe field

switching liquid crystal display)등 다양한 모드 중에서 고명암대비

비를 가지는 VA-LCD 모드에 대해 해석하였다. VA-LCD는 러빙

(rubbing) 공정을 하지 않는 장점이 있으나, 액정 분자의 초기 경사

각이 없어, 응답속도 및 액정 화소의 각 도메인의 크기가 불규칙적

인 단점을 가지고 있다[3]. 이런 문제점을 해결하기 위해서는 도메

인을 형성시켜야 하는데 도메인을 형성시키는 방법은 자외선 처리

를 통한 경사각을 주는 방법[4], 삼각돌기(protrusion)를 이용하는 방

법[5,6], 유전체를 삽입하는 방법[7～10], 전극 패턴을 이용하는 방법

[11～14] 등 다양하며 현재 많은 연구가 이루어지고 있다.

이러한 VA-LCD는 디스플레이소자로써 많은 장점이 있지만 화소

패턴에서 측면전장효과(lateral field effect)에 의해 화소의 가장자리

부분에서 방향자의 왜곡이 발생하고 또한 투과율의 저하가 일어난

다는 단점이 있다. 이러한 단점을 개선하기 위해 본 연구에서는 화

소의 가장자리 부분에서의 방향자의 왜곡을 분석하고 투과율을 향

상시킬 수 있는 방안을 소개하고 시뮬레이션을 하여 결과를 검증하

였다. 이때 VA-LCD의 동작을 해석하기 위해서 액정분자의 동적

특성에 근거하여 그 전기광학적 특성을 수치 해석적 기법으로 계산

하였다. 또한 액정 셀(cell)의 동특성을 분석함에 있어서는 에릭슨-

레슬리(Ericksen-Leslie) 운동방정식으로부터 분자배열분포를 얻었으

- 3 -

며, 라플라스(Laplace)의 전위분포방정식으로부터 전위분포를 얻었

다. 수치 해석적 기법으로는 유한차분법(FDM ; finite difference

method)을 적용하여 계산하였다. 또한, 투과도 및 시야각 특성 등

광 투과 특성 해석을 위해 계산된 분자분포를 가지고 베르만

(Berreman)의 4☓4 행렬법을 적용하였다.

- 4 -

제 2 장 액정의 분자배열 해석 및 투과율 계산

이 장에서는 액정표시소자의 단위 화소에 대한 3차원 시뮬레이션

을 하기 위해 사용되는 액정의 분자배열 분포 방정식과 전위 분포

방정식에 대하여 논의하고, 수치 해석적 접근 방법에 대하여 기술하

였다. 또한 위의 결과로 구해진 액정의 분자 분포를 이용하여 광투

과도 계산에 사용된 베르만 4☓4 행렬법에 대하여 기술하였다.

2. 1 액정의 분자배열 분포 방정식

단위 화소내의 액정의 운동과 방향자의 분포를 해석하기 위해 적

용된 이론적 모델은 액정의 내부 운동량(inertial momentum)을 무

시한 에릭슨-레슬리 이론에 기초한다. 이때, 깁스 자유 에너지

(Gibb's free energy : )를 에릭슨-레슬리 방정식에 적용하면 다음

과 같은 운동 방정식을 얻을 수 있다[15].

(1)

여기서 는 회전 점성계수를, 는 방향자의 직교성분을, 는

, 즉 방향자가 단위벡터임을 내포하는 라그랑즈(Lagrange) 승

수를 나타낸다. 그리고 는 오일러-라그랑즈(Euler-Lagrange)

방정식으로써 다음과 같이 표현된다.

(2)

- 5 -

이때 액정의 자유 에너지는 화소 내부의 탄성에너지와 외

부에서 공급한 정전에너지의 차이로 표현된다.

(3)

일반적으로 깁스 자유 에너지의 탄성에너지 밀도를 표현하는 방법

은 벡터접근법과 텐서접근법이라는 두 가지 방법을 통해 이루어지

고 있다[16].

오신-프랑크(Oseen-Frank) 탄성이론으로부터 액정의 탄성에너지

를 방향자에 대하여 다음과 같이 표현한다.

∇∙

∙∇×

×∇×

(4)

벡터접근법은 ‘액정분자가 평형상태를 벗어나면 원상태로 돌아가

려는 복원력을 가지며, 이러한 액정의 복원력은 변형의 정도에 비례

한다.’라는 탄성체 이론으로부터 정의되었다. 이러한 변형은 크게 스

프레이(splay), 트위스트(twist), 벤드(bend) 변형으로 나타낼 수 있

다. 또한 변형의 크기에 비례하는 상수를 각각 스프레이(), 트위

스트(), 벤드() 상수라 한다. 그리고 는 chirality이다.

이에 반하여, 텐서접근법은 드쟝(de Gennes)의 질서도 텐서(order

tensor)를 이용하여 기술하며, 이때의 탄성에너지는 다음과 같이 나

타낸다.

- 6 -

(5)

이때, 와 는 다음과 같이 표현된다.

,

,

(order tensor) (6)

여기서 아래 첨자는 아인슈타인(Einstein)의 표기법에 따른 것이

다. 또한 는 치환 기호(permutation symbol)를 의미한다.

다음으로 주어진 화소의 각종 전극에 인가되는 전압에 의하여 형

성되는 전기 에너지밀도는 다음과 같다.

(7)

위의 식에서 는 액정의 화소 및 각종 전극에 인가된 전압

에 의해 형성된 전위분포를 나타내며, 은 비유전율 텐서로서,

⊥ ∆으로 표현되며, 는 자유공간에서의 유전율이

다. 또한, ∆ ⊥로서 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전

율의 차를 나타낸다. 여기서 전위분포함수 는 적절한 경계

조건에 대하여, 맥스웰 방정식으로부터 유도된 식 (8)의 라플라스

- 7 -

방정식을 시뮬레이션 하여 얻을 수 있다[17].

(8)

이로부터 식 (4)와 (7)을 식 (1)에 대입함으로써, 벡터접근법에 기

초한 액정 방향자의 운동방정식을 얻을 수 있다. 그러나 벡터접근법

에 대한 운동방정식은 매우 복잡하기 때문에 편의상 탄성계수가 등

방인 모델, 즉 로 단순화 하면 운동방정식은 다

음과 같이 표현된다.

⊥ (9)

반면 텐서접근법으로부터 유도되는 액정 방향자의 운동 방정식은

이방 탄성계수 모델에 대하여 텐서 표기법으로 나타낼 수 있기 때

문에 다음과 같이 표현된다.

∆

(10)

여기서 액정 방향자 은 방위각 와 경사각 에 대하여 다음과

같이 표현할 수 있다.

- 8 -

(11)

그림 1. 방향자의 tilt각과 twist각의 정의

Fig. 1. Definition of twist and tilt angle of LC director.

2. 2 수치 해석적 계산 기법

앞 절에서 논의한 운동방정식 및 전위분포 방정식을 계산함에 있

어 식 (1)과 (8)을 동시에 시뮬레이션 하여야 한다. 또한 방정식들이

비선형이기 때문에 반복 계산 과정을 적용하여 정상 상태가 될 때

까지의 최종 시간에 대하여 주어진 분자 분포에 대한 전위 분포와

그에 따른 분자 분포를 서로 번갈아서 계산을 수행한다.

- 9 -

그림 2. 시뮬레이션의 순서도

Fig. 2. Flow chart of simulation.

수치해석 방법은 복잡하고, 고차 비선형 방정식인 점을 고려하여

유한차분법(Finite Difference Method : FDM)을 적용하였다. 유한차

분법을 적용하기 위해서 공간적으로 격자는 균일 격자간격을 사용

하였다. 또한 중앙차분법(central space scheme)을 사용하였다. 경계

조건으로, 본 연구에서는 강한 앵커링(anchoring)을 가정하였기 때

문에 상하기판에의 방향자는 러빙 방향과 초기경사각에 의해 정의

되고, 항상 고정되어 있다고 가정하여 디리슐레(Dirichlet) 경계조건

이 적용되었다. 특히 전위분포의 계산에 효율성을 위하여 축 방향

의 양 끝에서 노이만(Neumann) 경계조건을 적용하였다. 또한 방향

자와 전위 분포 모두에 있어, 와 방향에 대해서는 주기 경계조건

을 적용하였다.

시간적으로는 내삽법(implicit method)의 경우 운동방정식의 비선

형성으로 인한 많은 문제가 야기되므로, 외삽법(explicit method)을

- 10 -

사용하여 시간 적분을 계산하였다[14].

또한 라그랑즈 승수 는 매 시간증가시 재계산된 방향 성분이 액

정방향자의 기본 조건인

을 만족시키기 위한 목

적으로 사용되었으며, 계산의 편의를 위하여 번째 방향자를 계

산함에 있어 를 제거한 뒤 번째 방향자를 계산하고 이를 다시

재 정규화 함으로써, 방향자를 단위 벡터로 유지하였다.

한편 전위 분포 시뮬레이션에서는 적절한 경계조건에 대하여 연속

과도완화법(successive over relaxation : SOR) 방법이 적용되었다.

이때 정확한 계산을 위해 매 시간 단계에 대해 전위 분포 시뮬레이

션이 수행 되어야 하나, 많은 계산 시간이 요구되어지므로 전체 해

에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 액정의 반응 속도에 따라 적절

한 횟수로 줄여서 시뮬레이션 한다.

2. 3 광투과율 계산

액정은 장축과 단축의 굴절률이 다른 비등방 매질이며 불균일 매

질이다. 따라서 액정의 광투과 특성을 분석하기 위해서는 일반적으

로 베르만 4☓4 행렬법을 적용한다[1,18～20]. 이러한 불균일성에 대

하여 액정 셀을 무수히 얇은 다중 층으로 설정하며, 이렇게 설정된

각 층에서는 액정이 균일한 매질이라는 가정 하에 각 층의 전파행

렬을 계산함으로써 전체 전파특성 행렬을 계산할 수 있다. 각 층에

서는 액정이 균일하다고 가정하였으므로 굴절률에 대한 유전율 텐

서를 알면 각 층에서의 전자장의 전파관계가 표현된다.

- 11 -

그림 3. 광투과율을 계산하기 위한 입사광과 좌표계의 정의

Fig. 3. Definition of incident light and coordinate systems for

transmission calculation.

∂∂z

E xH yE y

-H x

=iω

c

△ 11 △ 12 △ 13 0△ 21 △ 11 △ 23 00 0 0 1△ 23 △ 13 △ 43 0

E xH yE y

-H x

(12)

여기서 행렬 요소 는 다음과 같다.

△ 11= -Xε13

ε33

, △ 12= 1-X2 1

ε33

,

△ 13= -Xε23

ε33

, △ 21= ε 11-Xε132

ε33

, (13)

△ 23= ε 12-ε13

ε23

ε33

, △ 43= ε 22-ε23

ε33-X

2

여기에서 ⊥∆로 표현된다. 이 식에서 와 ⊥는 각

각 액정의 장축 방향과 단축 방향의 비유전율을 나타내고, 은 이

- 12 -

둘의 차를 나타낸다. 또한 액정의 굴절률과는 ⊥ , 의

관계가 있다. 는 축 방향으로의 전파상수와 관련된 값으로

로 나타낼 수 있다. 전파행렬 는 그림 4에서 각층에 대한

광학투과특성을 나타내며, 일계 미분방정식 (12)식으로부터 다음과

같이 정의한다. 즉 에서 사이의 균일 매질을 전파하는 전자기장

벡터의 관계는 다음 식과 같이 정의 할 수 있다.

(14)

(14)식에서 전자기장 벡터는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(15)

그림 4. 액정의 다중 층 구조

Fig. 4. Multi-layer structure of LC layer.

베르만은 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 균일한 매질에서 전파

행렬을 계산하고, 광투과 특성을 분석하는 방법을 기술하였다. 본

- 13 -

연구에서는 이를 액정에 적용함으로써 해석적인 방법으로 고유벡터

를 계산한다.

만약 ∆행렬이 미소구간 에 대해 독립적이라면, (15)식은 다음과

같은 일반해를 가질 것이다. 이것은 일반적으로 파동의 전파에 따른

위상 변화를 나타내고 있다.

(16)

여기서 의 관계가 성립된다. 이식을 (15)식에 대입하면 다

음과 같은 식을 얻을 수 있다.

∆ (17)

여기서 이므로 위 식은 다음과 같이 정리 할 수 있다.

∆ (18)

는 ∆행렬의 고유값(eigenvalue), 는 이 ∆행렬의 고유벡터

이다.

∆가 4☓4행렬이므로 는 4개의 근이 되고, 고유벡터도 4개의 기

저를 가질 것이다. 따라서 고유값을 위의 ∆행렬에 대입하고 고유벡

터를 계산하면 다음과 같다.

- 14 -

∆ ∆∙∆∙∆∙∙∆∙

(19.a)

∆∆ ∆∆∙ (19.b)

∆∆ ∆ ∙ ∆ (19.c)

는 정규화 계수(normalizing coefficient)이다. 이렇게 정의된 4

개의 고유벡터를 이용하여 행렬을 만들 수 있다.

(20)

만큼 진행한 후의 진행파의 위상변화를 나타내는 대각행렬인

행렬을 대각요소가 다음과 같은 값을 갖는 행렬로 정의하자.

(21)

이때 다음과 같은 행렬식이 성립된다.

(22)

따라서 우리가 구하고자 하는 전파행렬은 다음과 같은 식으로 계

산 할 수 있다.

- 15 -

∙∙ (23)

이제 위에서 베르만 4☓4 행렬법을 바탕으로 액정 셀의 각층에 대

한 전파행렬을 계산하는 방법을 논의하였고, 이를 바탕으로 액정 셀

의 전체 투과율을 구하는 방법을 논의하고자 한다.

투과율을 계산하기 위해서는 그림 4와 같이 액정 셀을 축에 대

해 층으로 나누어 각각의 층에 대한 전파행렬 을 구하고 각각

의 전파행렬의 곱으로 전체 투과행렬 를 계산하여야 한다. 즉, 는

의 곱으로 표현된다.

∙∙∙ (24)

그림 5와 같이 두께가 인 액정 셀에 빛이 기판 위에 입사한다면

입사측과 투과측의 전자기장 벡터 , 를 다음과 같이 나타낼

수 있다.

(25)

그림 5에서 액정이 인 두 매질 사이에 위치하고 입사광, 반

사광 및 투과광의 전자기장 벡터를 라 하면 다음과 같은

식이 성립한다.

(26.a)

(26.b)

- 16 -

그림 5. 입사파와 투과파의 정의

Fig. 5. Definition of incident and transmitted waves.

투과광 계산중 매질의 경계에서의 접선 방향 전기장 와 자기장

벡터 는 연속이므로

도 연속이다. 따라서 액

정 층의 투과율 계산시 경계면에서의 전기장 벡터는 등방성인 주변

매질 1, 2에서의 전자기장 벡터를 이용한다. 등방성 매질에서 자기

장 벡터는 전기장 벡터와 굴절률 및 입사각을 포함하는 함수관계를

갖고 있으므로 는 전기장 벡터 성분으로 아래와 같은 표시가 가능

하다.

(27)

- 17 -

(28)

여기서 , , , 는 반사 전기장 벡터의 , 성분과 투과

전기장 벡터의 , 성분을 나타낸다. (27)～(28)식으로부터 액정 셀

의 투과방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다.

(29)

이 식으로부터 , 를 제거하고 , 와 , 의 관계만을

설정하면, , 와 , 의 관계는 다음과 같은 2☓2행렬로 정의

된다.

(30)

(31.a)

- 18 -

(31.b)

(31.c)

그러나 전체 투과율을 계산하기 위하여, 다시 , 와 , 를

, 와 , 로 변환해 주어야 하며, 입사면이 평면상에 존재

한다고 가정하면 이고 이므로 다음과 같은 식

이 성립한다.

(32)

입사광의 임의 편광상태에 대하여 입사광을 다음과 같이 정의하고,

(33)

입사측과 투과측의 매질이 동일하다고 할 때, 전체 투과율은 다음

과 같이 나타난다.

- 19 -

(34)

위의 식으로부터 액정 셀의 광학 투과율을 얻을 수 있다.

- 20 -

제 3 장 다중영역 VA-LCD의 전기광학적 특성 개선

방안 및 시뮬레이션

이 장에서는 VA-LCD의 동작원리와 문제점에 대해서 논의 한 후

VA-LCD에 나타나는 문제점을 어떻게 해결할 것인가에 대해 논의

할 것이다. 또한 논의된 해결책을 사선패턴 VA 모드에 적용시켜 시

뮬레이션을 수행함으로써 문제점이 개선되었는지를 검증 할 것이다.

3. 1 VA-LCD의 동작원리 및 문제점

그림 6. VA-LCD의 구조와 전압에 따른 액정분자의 거동

Fig. 6. Structure of VA-LCD and behavior of LC molecules with

applied voltage

VA-LCD는 상·하 유리 기판 내부에 고분자 막을 처리하여 액정

분자를 배향하기 때문에, 초기 액정 분자가 상·하판 전극에 수직하

게 배열되어 있다. 그림 6은 VA-LCD 단위 화소의 구조와 전압 인

가에 따른 액정 분자의 거동을 보여준다. 우선 편광자(polarizer)와

- 21 -

검광자(analyzer)가 수직으로 부착되어 있기 때문에 노말리 블랙 모

드(normally black mode)이다. 초기 전압을 인가하지 않은 상태에서

패널에 수직하게 배열된 액정분자는 입사광의 편광상태를 변화시키

지 못하기 때문에 투과되지 못하고, 또한 전압 미인가 상태에서 투

과도가 거의 0이기 때문에 고명암대비비를 가진다. VA-LCD에는

단축의 유전율이 장축의 유전율보다 큰 음의 액정(negative liquid

crystal)을 사용하기 때문에 전계를 가해주면 패널과 나란한 방향으

로 배열된다.

VA-LCD는 다른 구조와 달리 러빙공정(rubbing process)을 하지

않기 때문에 간단한 공정과 셀의 내부가 러빙에 의해 발생될 수 있

는 문제인 불순물, 마찰에 의한 정전하의 축적 등이 없는 장점을 가

지고 있다. 또한 TN모드나 IPS모드와 달리 전극의 구조상 패널에

수직한 전기장에 의해서 액정이 거동하므로 빠른 응답속도를 가진

다. 하지만 러빙공정이 없기 때문에 초기 액정 분자 배열분포에 경

사각이 없어, 화소의 전체 영역에서 액정 분자가 거동하지 못하고

측면전장 효과에 의해 화소의 가장자리 부분에서 먼저 거동하기 시

작하여 화소 전체 영역으로 퍼져나가는 특징을 가지고 있다. 이러한

이유로 VA-LCD는 왜곡된 전계 효과(fringe field effect)를 이용하

여 액정의 거동방향을 제어하며 도메인을 형성하는 방식인

PVA-LCD와 MVA-LCD로 주로 사용된다. 하지만 VA-LCD는 화

소의 가장자리 부분에서 생기는 측면전장효과를 완벽하게 제어하지

못하는 단점이 있다. 따라서 VA-LCD의 화소 가장자리 부분에서의

투과율 저하 현상이 일어나는 것이다. 이런 측면전장효과를 효과적

으로 제어할 수 있다면 투과율의 저하를 막을 수 있다.

- 22 -

(a)

(b)

그림 7. 측면전장효과

(a) 측면전장효과의 원리 (b) 측면전장효과의 예

Fig. 7. Lateral field effect

(a) Principle of lateral field effect (b) Example of lateral field effect

위의 그림은 측면전장 효과의 원리와 그 예이다. 이상적인 경우라

면 전계가 패널에 수직하게 형성되고 액정 셀 내의 모든 액정은 패

널과 나란한 방향으로 배열되어야 한다. 하지만 그림 7에서 볼 수

있듯이 화소 가장자리 부분에서 전계가 하판의 공통전극이 아닌 데

이터라인이나 게이트라인으로 형성되어 액정분자가 패널에 수직하

게 배열되는 현상을 측면전장효과라고 부른다. 이렇게 액정분자가

- 23 -

패널에 수직하게 배열되면, 패널의 스위치-온 상태에서 화소의 가장

자리 부분에서 빛이 통과하지 못하기 때문에 투과율은 낮아지게 되

며 아래의 그림 8에서도 확인 할 수 있다.

(a) (b)

그림 8. 사선패턴 VA-LCD에서의 측면전장효과

(a) 분자배열분포도 (b) 투과도

Fig. 8. Lateral field effect on oblique pattern VA-LCD

(a) LC molecules distribution (b) Transmittance

- 24 -

3. 2 VA-LCD의 전기광학적 특성 개선 방안

앞 절에서 논의했던 측면전장효과 즉, 화소 가장자리 부분에서의

측면전장을 약화시키기 위해서 본 논문에서는 이에 대한 개선 방법

으로 유전체 막대 삽입법(method of dielectric rib insertion)을 사용

했다. 아래의 그림 9는 유전체 막대 삽입법의 원리로써 원으로 표시

한 부분을 보면 화소전극과 데이터라인이나 게이트라인 사이의 공

간에 유전체 막대를 삽입함으로써 전계의 형성이 변화하는 것을 볼

수 있다.

그림 9. 유전체 막대 삽입법의 원리

Fig. 9. Principle of dielectric rib insertion method

화소의 가장자리 부분에서 데이터라인이나 게이트라인으로 형성되

던 전계가 부도체 성질을 가진 유전체 막대를 만나게 되면 데이터

라인이나 게이트라인을 향해 최단거리로 형성되지 못하고 돌아 나

오면서 일부 공통전극으로 형성되는 전계가 발생하게 된다. 따라서

패널에 수직하게 형성되는 이상적인 경우의 전계의 크기가 커지게

되고, 이를 따라 액정분자 또한 패널과 나란한 방향으로 배열된다.

따라서 기존에 화소의 가장자리 부분에서 발생하던 디스클리네이션

- 25 -

현상이 완화되고 투과율의 향상을 얻게 된다. 또한 유전체 막대 삽

입법은 유전체 막대의 위치가 기존의 블랙메트릭스의 영역을 벗어

나지 않기 때문에 개구율의 저하를 발생시키지 않는 장점이 있다.

3. 3 시뮬레이션 결과 및 논의

이번 절에서는 앞 절에서 논의 했던 VA-LCD의 문제점 즉, 화소

가장자리 부분에서의 측면전장효과로 인해 발생하는 디스클리네이

션 라인 현상에 의한 투과율 저하를 확인하고, 그 문제점을 해결하

기 위한 유전체 막대 삽입법을 사선패턴 VA-LCD에 적용시켜 시뮬

레이션을 수행하고 그 결과를 분석하였다.

3. 3. 1. 사선패턴 VA-LCD의 최적화 시뮬레이션

최적화된 사선패턴 VA-LCD에서 발생하는 디스클리네이션 라인

현상을 확인하기 위해 우선 사선패턴 VA-LCD의 최적화를 수행하

였다. 사선패턴 VA-LCD에서 화소전극과 공통전극에 각각 전압이

인가되면 화소전극에서 공통전극을 향하여 전계가 형성된다. 이때

슬릿간의 간격 차이에 따라 전계의 형성이 달라지고, 액정의 거동에

영향을 끼쳐 투과율의 차이를 보이게 된다. 따라서 사선패턴

VA-LCD의 최적화를 수행함에 있어서 전극의 슬릿 간격은 반드시

고려되어야 한다.

그림 10은 사선패턴 VA-LCD의 전극 구조를 나타낸 그림이고, 그

림 11은 사선패턴 VA-LCD의 공통전극의 슬릿 간격을 나타낸 그림

이다.

- 26 -

그림 10. 사선패턴 VA-LCD의 전극 구조

Fig. 10. Electrode structure of oblique pattern VA-LCD

그림 11. 사선패턴 VA-LCD의 공통전극 슬릿 간격

Fig. 11. Slit width on common electrode

of oblique pattern VA-LCD

- 27 -

아래의 표 1과 같이 전극의 슬릿 간격을 고려한 사선패턴

VA-LCD의 최적화를 위한 시뮬레이션 수행 계획을 세운 뒤 연구실

자체 개발 3차원 시뮬레이터를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였으

며 그에 따른 결과는 다음의 표 2와 같다.

슬릿 간격

12um

13um

14um

15um

16um

표 1. 전극의 슬릿 간격별 사선패턴 VA-LCD의 시뮬레이션 계획

Table 1. Simulation plan of oblique pattern VA-LCD

considering slit width

슬릿 간격 투 과 율

12um 0.2409

13um 0.2479

14um 0.2514

15um 0.2507

16um 0.2543

표 2. 전극의 슬릿 간격별 사선패턴 VA-LCD의 시뮬레이션 결과

Table 2. Simulation result of oblique pattern VA-LCD

considering slit width

- 28 -

0 5 10 15 20 25 30

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

12um 13um 14um 15um 16um

Tra

nsm

itta

nce

Time [ms]

그림 12. 사선패턴 VA-LCD의 슬릿 간격별 시간에 따른 투과율

Fig. 12. Transmittance of oblique pattern VA-LCD

considering time to slit width

12 13 14 15 160.240

0.242

0.244

0.246

0.248

0.250

0.252

Tra

nsm

itta

nce

Slit Width [um]

그림 13. 사선패턴 VA-LCD의 슬릿 간격별 투과율

Fig. 13. Transmittance of oblique pattern VA-LCD

considering slit width

- 29 -

그림 12는 화소에 전압 인가가 시작된 시점으로부터 스위치-오프

된 시점까지 시간에 따른 투과율을 나타낸 그래프이고, 그림 13에서

는 25ms에서의 슬릿 간격별 투과율 비교를 나타내었다.

시뮬레이션의 결과 전극의 슬릿 간격이 14um일 때 가장 큰 투과

율을 보였다. 14um일 때의 투과율이 0.2514로써 각각 12um대비 약

4.3%, 13um대비 약 1.4%, 15um대비 약 0.3%, 16um대비 약 2.4%의

투과율 우수를 확인하였다.

(a) (b)

그림 14. 사선패턴 VA-LCD

(a) 분자배열분포도 (b) 투과도

Fig. 14. Oblique pattern VA-LCD

(a) LC molecules distribution (b) Transmittance

- 30 -

그림 14는 슬릿 간격이 14um일 때의 최적화된 사선패턴

VA-LCD의 액정 분자배열분포도와 투과도를 보여주고 있다. 사선

패턴 VA-LCD를 최적화 하였음에도 불구하고, 앞서 VA-LCD의 문

제점에서 언급한 화소 가장자리 부분에서의 강한 측면전장효과로

인해 액정분자들이 제대로 거동하지 못하면서 빛이 투과되지 못하

게 되는 디스클리네이션 라인 현상이 발생하는 것을 확인할 수 있

다. 이렇게 발생된 디스클리네이션 라인은 VA-LCD의 투과율을 저

하시키는 원인이 된다. 따라서 다음 절에서는 이러한 문제점을 개선

시키기 위한 방법에 대해 논의 할 것이다.

3. 3. 2. 유전체 막대 삽입법을 적용한 사선패턴 VA-LCD

의 시뮬레이션

측면전장효과를 억제하기 위하여 사선패턴 VA-LCD의 화소전극

둘레를 따라 유전체 막대를 삽입하였다. 유전체 막대 삽입법을 적용

하게 되면 셀 내부의 전계분포가 바뀌고 그에 따라 분자배열이 바

뀌게 된다. 이때 유전체 막대의 높이가 측면전장효과를 줄이는데 있

어서 중요한 고려 요소이기 때문에 유전체 막대 삽입법을 적용함에

있어 반드시 이점을 고려해야 한다. 따라서 유전체 막대의 높이를

변화시키면서 시뮬레이션을 수행한 후 투과율이 최적화되는 조건을

찾아내야 한다. 그림 15는 유전체 막대 삽입법을 적용한 유전체의

전체 구조를 나타낸 그림이고 그림 16에는 유전체 막대의 높이가

표시되어있다.

- 31 -

그림 15. 유전체 막대 구조

Fig. 15. Structure of dielectric rib

그림 16. 유전체 막대 높이

Fig. 16. Dielectric rib height

앞에서도 언급했듯이 그림 16에 나와 있는 유전체 막대의 높이가

분자의 배열에 영향을 미치기 때문에 특성치인 투과율과 깊은 관계

가 있다. 따라서 시뮬레이션을 진행할 때 이를 고려하여 표 3과 같

이 계획을 세운 뒤 시뮬레이션을 수행하였다. 유전체 막대의 높이를

각각 0.1um, 0.2um, 0.3um, 0.4um, 0.5um, 0.6um로 설정하여 총 6번

의 시뮬레이션을 통하여 유전체 막대 삽입법을 적용시킨 사선패턴

VA-LCD를 최적화 하였다.

- 32 -

Dielectric Rib

height

0.1um

0.2um

0.3um

0.4um

0.5um

0.6um

표 3. 유전체 막대 높이별 사선패턴 VA-LCD의 시뮬레이션 계획

Table 3. Simulation plan of oblique pattern VA-LCD

with dielectric rib

위의 표 3과 같은 시뮬레이션 수행 계획을 세운 뒤 연구실 자체개

발 3차원 시뮬레이터를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였으며 그에

따른 결과는 다음의 표 4와 같다.

Dielectric Rib

height투 과 율

0.1um 0.2565

0.2um 0.2628

0.3um 0.2666

0.4um 0.2671

0.5um 0.2672

0.6um 0.2673

표 4. 유전체 막대 높이별 사선패턴 VA-LCD의 시뮬레이션 결과

Table 4. Simulation result of oblique pattern VA-LCD

with dielectric rib

- 33 -

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

0.256

0.258

0.260

0.262

0.264

0.266

0.268

Tra

nsm

itta

nce

Dielectric rib height [um]

그림 17. 유전체 막대를 적용한 사선패턴 VA-LCD의

유전체 막대 높이별 투과율

Fig. 17. Transmittance of oblique pattern VA-LCD

with dielectric rib

그림 17은 25ms에서의 유전체 막대의 높이 별 투과율을 나타낸

그래프이다. 시뮬레이션의 결과 유전체 막대의 높이가 0.3um일 때의

투과율이 0.2666으로써 각각 0.1um대비 약 3.9%, 0.2um대비 약

1.5%의 투과율 상승폭이 있지만, 그 이상이 되면 투과율의 차이가

미미함을 확인할 수 있었다. 유전체의 높이가 커질수록 공정시간이

증가하기 때문에 유전체 막대의 높이가 0.3um일 때 공정시간 대비

가장 최적의 투과율을 보인다고 할 수 있다.

- 34 -

3. 3. 3. 시뮬레이션 결과 분석

시뮬레이션의 결과 전극의 슬릿간격이 14um, 유전체 막대의 높이

가 0.3um일 때 최적의 투과율을 보였다. 유전체 막대를 삽입하지 않

은 사선패턴의 경우 최대 투과율이 0.2514이었으나 유전체 막대를

삽입한 경우에는 투과율이 0.2666으로 증가함으로써 약 6.1%의 투과

율 향상을 얻었다.

그림 18은 최적화된 사선패턴 VA-LCD와 유전체 막대 삽입법을

적용한 사선패턴 VA-LCD의 전계분포를 나타낸 그림이다. 화소의

모서리 부분에서 형성되는 전계의 등전위선을 비교해보면 측면전장

효과가 완화되었음을 확인할 수 있다.

(a) (b)

그림 18. 전계 분포

(a) 사선패턴 VA-LCD (b) 유전체 막대를 적용한 사선패턴 VA-LCD

Fig. 18. Potential distribution

(a) Oblique pattern VA-LCD (b) Oblique pattern VA-LCD with

dielectric rib

- 35 -

또한 그림 18에서 볼 수 있듯이 유전체 막대를 삽입하지 않은 경

우의 투과도에서는 측면전장효과에 의한 디스클리네이션 라인이 가

장자리 부분에서 화소의 안쪽으로 형성되었으나 유전체 막대를 적

용한 경우의 투과율에서는 디스클리네이션 라인이 화소의 바깥쪽으

로 이동함으로써 투과율이 개선되었음을 확인 할 수 있었다.

(a) (b)

그림 18. 투과도

(a) 사선패턴 VA-LCD (b) 유전체 막대를 적용한 사선패턴 VA-LCD

Fig. 18. Transmittance

(a) Oblique pattern VA-LCD (b) Oblique pattern VA-LCD with

dielectric rib

- 36 -

제 4 장 결 론

측면전장효과는 화소 가장자리 부분의 전계가 하판의 공통전극이

아닌 데이터라인이나 게이트라인으로 형성되어 액정분자가 패널에

수직하게 배열하게 되는 현상을 말하는데, 이렇게 액정분자가 패널

에 수직하게 배열하게 되면 패널의 스위치-온 상태에서의 화소 가

장자리 부분에서 빛이 통과하지 못하게 되어 투과율은 낮아지게 된

다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 본 연구에서는 다중영역

VA-LCD의 전기광학적 특성 개선 방안에 대하여 논의하고 이를 시

뮬레이션하여 검증하였다. 특히, VA-LCD의 전기광학적 특성 개선

방안을 논의하기 위하여 우선 VA-LCD의 동작원리에 대하여 고찰

한 뒤 VA-LCD의 문제점인 측면전장효과에 대하여 분석하였다. 그

리고 이러한 측면전장효과를 억제하기 위하여 유전체 막대 삽입법

을 사선패턴 VA-LCD에 적용하였다. 유전체 막대 삽입법을 적용함

으로써 화소 가장자리 부분에서의 측면전장효과로 인해 데이터라인

이나 게이트라인으로 형성되던 전계의 일부를 공통전극으로 형성함

으로써 투과율 저하의 원인이 되는 디스클리네이션 현상을 개선 할

수 있었고, 개선된 모드의 투과율이 0.2666으로써 기존 모드의 투과

율 0.2514에 비해 약 6.1%의 투과율 향상을 확인하였다. 한편, 다중

영역 VA-LCD의 전기광학적 특성개선 방안에 대한 검증은 시뮬레

이션만으로 진행되었기 때문에 앞으로 실제 제작에 의한 실험적인

검증이 이루어져야 할 것으로 생각된다.

- 37 -

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목차제 1 장 서 론제 2 장 액정의 분자배열 해석 및 투과율 계산2. 1 액정의 분자배열 분포 방정식2. 2 수치 해석적 계산 기법2. 3 광투과율 계산

제 3 장 다중영역 VA-LCD의 전기광학적 특성 개선 방안 및 시뮬레이션3. 1 VA-LCD의 동작원리 및 문제점3. 2 VA-LCD의 전기광학적 특성 개선 방안3. 3 시뮬레이션 결과 및 논의3. 3. 1. 사선패턴 VA-LCD의 최적화 시뮬레이션3. 3. 2. 유전체 막대 삽입법을 적용한 사선패턴 VA-LCD의 시뮬레이션3. 3. 3. 시뮬레이션 결과 분석

제 4 장 결 론참 고 문 헌