JP4579184B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置に関し、特に、透過型液晶表示装置を通じて反射モードを具現するようにした液晶表示装置に関する。

近年、液晶表示装置は、消費電力が低く携帯性が良好で、付加価置の高い次世代先端表示装置素子として脚光を浴びている。

一般に、液晶表示装置は、電界生成電極がそれぞれ形成されている二つの基板を二つの電極が形成されている面が対向するように配置して二つの基板の間に液晶物質を挿入した後、二つの電極に電圧を印加して生成される電場によって液晶分子を動かすことによって液晶分子の動きによって変わる光の透過率によって画像を表現する装置である。

液晶表示装置の中でも、各画素を開閉するスイッチング素子である薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＴＦＴ）が画素ごとに配置される能動行列方式液晶表示装置（ＡＭ−ＬＣＤ、Ａｃｔｉｖｅ Ｍａｔｒｉｘ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）は、解像度及び動画具現能力が優れており、注目されている液晶表示装置である。

以下、一般的な液晶表示装置の積層構造について図面を参照して説明する。

図１は一般的な液晶表示装置に対する概略的な斜視図で、第１基板１０と第２基板３０とがお互いに対向されるように配置され、第１基板１０の第２基板と対向する面には、複数のゲート配線１２及びデータ配線１４がお互いに交差されるように形成されている。ゲート配線１２及びデータ配線１４の交差地点には薄膜トランジスタＴが形成されており、ゲート配線１２及びデータ配線１４の交差領域に定義される画素領域Ｐには薄膜トランジスタＴと連結されて画素電極１６が形成されている。

また、前記各画素領域にはデータ配線１４を通じて印加されるデータ信号を一フレーム区間の間保存させるストレージキャパシタＣｓｔ（図示せず）が具備され、ストレージキャパシタＣｓｔは、ゲート配線１２と平行に配列される第１電極（図示せず）及び前記第１電極上部に絶縁層を介在して形成される第２電極（図示せず）で形成される。

そして、第２基板３０の第１基板１０と対向する面にはカラーフィルタ層３２と共通電極３４とが順次に形成されており、画素電極１６と共通電極３４との間には液晶層５０が介在されている。

また、カラーフィルタ層３２にブラックマトリックス（Ｂｌａｃｋ Ｍａｔｒｉｘ、ＢＭ）が形成されている。このブラックマトリックスは、例えば、第１基板１０の薄膜トランジスタＴ領域とストレージキャパシタＣｓｔ領域に対応する部分とに対してそれぞれ形成されることで光が漏れることを防止している。

また、第１基板１０、第２基板３０の背面には、第１偏光板５２、第２偏光板５４がそれぞれ配置されており、第１偏光板５２の背面には光を供給する光源装置であるバックライト（図示はしない）が配置されている。

しかし、このような従来の液晶表示装置は、前記バックライトから生成された光が液晶表示装置の各セル、すなわち、画素領域を通過しながら実際に画面上には７％ほど透過される。したがって、高輝度の液晶表示装置を提供するためには、バックライトをさらに明るくしなければならないので電力消耗量が大きくなるという問題点がある。

そこで、十分なバックライトの電源供給用としてバッテリーを使用することも考えられるが、使用時間に制限があるという問題点がある。

このような問題点を解決するために、バックライト光を利用する透過モードと外部光を利用する反射モードを兼用する半透過型液晶表示装置が研究・開発されている。

前記反射透過型液晶表示装置は、透過型液晶表示装置及び反射型液晶表示装置の機能を有し、バックライトの光と外部の自然光源または人工的な光源をすべて利用することができるので、周辺環境に制限されることなく、電力消費を減らすことができるという利点がある。

しかし、従来の反射透過型液晶表示装置は、第１基板上の各画素領域中の一部の領域に対して反射部を成す反射電極を追加形成しなければならず、偏光板とパネルとの間に位相差板（ｒｅｔａｒｄａｔｉｏｎ ｆｉｌｍ Ｑｕａｒｔｅｒ Ｗａｖｅ Ｐｌａｔｅ（λ／４ｐｌａｔｅ）、ＱＷＰ）をさらに具備されなければならないという問題点がある。

一方、前記従来の液晶表示装置及びその駆動方法に関する技術を記載した文献としては、下記特許文献１等がある。
大韓民国特開第１０−２００２−００１０７４７号公報

本発明は、前記問題点を解決するために成されたものであって、反射電極及び位相差板を追加具備しなくて反射モードを具現することができる液晶表示装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するための本発明に係る液晶表示装置は、画素電極、薄膜トランジスタ、及びストレージキャパシタが形成された第１基板と、カラーフィルタ、ブラックマトリックス、ならびに前記カラーフィルタ及び前記ブラックマトリックス上に位置する透明な共通電極が形成された第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に形成された液晶層と、前記第２基板の下部に位置する第１偏光板と、前記第１基板の上部に位置する第２偏光板と、を備え、透過モードと反射モードとが選択的に駆動され、反射モード時に、前記薄膜トランジスタに含まれるドレイン電極と前記ストレージキャパシタを構成する電極とが反射電極として機能する液晶表示装置であって、前記カラーフィルタと前記ブラックマトリックスとは、離隔されており、前記カラーフィルタと前記ブラックマトリックスとの間の領域と、前記薄膜トランジスタに含まれるドレイン電極とは、完全にオーバーラップされる。

ここで、前記領域は、前記透明な共通電極により埋め込まれる。前記薄膜トランジスタのソース電極は、前記ブラックマトリックスとオーバーラップされる。

前記液晶層は、位相差がλ／２になるように設定される。

前記第１基板の前記第２基板と対向する面には第１配向膜が形成され、前記第２基板の前記第１基板と対向する面には第２配向膜が形成される。前記第１配向膜及び第２配向膜は、反平行（ａｎｔｉ−ｐａｒａｌｌｅｌ）するように配向される。また、前記配向膜の間に配向される液晶は、ＥＣＢ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モードである。

前記液晶表示装置は、第１基板の下部に配置され、透過モード動作時に光を供給する光源装置であるバックライトをさらに備える。前記薄膜トランジスタは、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極、及びアクティブ層で構成され、前記ソース電極は、データ配線と連結されており、前記ゲート電極は、前記データ配線と交差して前記画素領域を定義するゲート配線と連結されるように構成される。

前記液晶表示装置は、前記ゲート配線と平行に形成されるストレージキャパシタの第１電極と、絶縁層及び前記ドレイン電極と一体的に形成される第２電極と、をさらに備え、前記第２電極は、前記第１電極上に形成され、ストレージキャパシタを構成する。

以上のように構成された本発明に係る液晶表示装置によれば、透過型液晶表示装置の基本構造を利用して反射電極及び位相差板を追加具備しなくて反射モードを具現することができ、製造コストを低減し、またこれを通じてバックライトの光と外部の自然光源または人工的な光源をすべて利用して、周辺環境の制限を受けることなく、電力消費（ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）を減らすことができる。

以下、添付された図面を参照して本発明の実施形態をより詳しく説明する。

図２は、本発明の実施形態に係る液晶表示装置の概略構成を示す平面図で、図３は図２のＩ−Ｉ’、ＩＩ−ＩＩ’に沿う断面図である。

図２及び図３に示すように、本発明の実施形態に係る液晶表示装置は、画素領域Ｐ、画素領域Ｐ上に形成された画素電極１２０、薄膜トランジスタＴ、及びストレージキャパシタＣｓｔを含むアレイ配線が形成された第１基板１００、各画素領域Ｐに対応される領域に形成されるカラーフィルタ２２０、一のカラーフィルタ２２０と隣接する他のカラーフィルタ２２０との間及び前記薄膜トランジスタＴの一の部分に対応される領域に形成されるブラックマトリックス２１０、カラーフィルタ２２０及びブラックマトリックス２１０上に透明な共通電極２３０が形成された第２基板２００で構成され、第１基板１００と第２基板２００との間には液晶３００（必要に応じて「液晶層」と称する）が充填されている。

ここで、第１基板１００の第２基板２００と対向する面には第１配向膜１４０が、第２基板２００の第１基板１００と対向する面には第２配向膜２４０が形成されている。
液晶３００は、第１配向膜１４０、第２配向膜２４０によって初期の配向方向が決定される。

前記スイッチング素子である薄膜トランジスタＴは、マトリックス形態（ｍａｔｒｉｘ ｔｙｐｅ）で各画素領域Ｐの一側に位置し、このような複数の薄膜トランジスタＴを交差して延長されるゲート配線９０とデータ配線９２とが形成される。画素領域Ｐは、ゲート配線９０とデータ配線９２とが交差して定義される領域である。画素領域Ｐ上に形成される画素電極１２０は、インジウム−チン−オキサイド（ｉｎｄｉｕｍ−ｔｉｎ−ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）のように光の透過率が比較的すぐれた透明導電性金属を使用する。

このような液晶表示装置は、画素電極１２０上に位置した液晶層３００が薄膜トランジスタＴから印加された信号によって配向され、液晶層３００の配向の程度によって液晶層３００を透過する光の量を調節する方式で画像を具現することができる。

ゲート配線９０は、薄膜トランジスタＴの第１電極であるゲート電極１１０を駆動するパルス電圧を伝達し、データ配線９２は薄膜トランジスタＴの第２電極であるソース電極１１４を駆動する信号電圧を伝達する機能を有する。

薄膜トランジスタＴは、ゲート電極１１０、ソース電極１１４、ドレイン電極１１６、及びアクティブ層１１２で構成され、ソース電極１１４はデータ配線９２と連結され、ゲート電極１１０はデータ配線９２と交差して画素領域Ｐを画定するゲート配線９０と連結されるように構成される。

すなわち、ゲート電極１１０に所定のパルス電圧が印加されれば、アクティブ層１１２が活性化され、このため、ドレイン電極１１６は下部のアクティブ層１１２を経って所定間隔離隔されたソース電極１１４を通じてソース電極１１４と連結されたデータ配線９２からの信号電圧の伝達を受ける。そして、ドレイン電極１１６は、コンタクトホール（図示はしない）を通じて画素電極１２０と電気的に連結されて結果的に信号電圧は、画素電極１２０に印加される。

また、ゲート配線９０と平行な方向にストレージキャパシタの第１電極１３０が形成され、絶縁層及びドレイン電極と一体で形成される第２電極１３６が第１電極１３０上に順次形成され、ストレージキャパシタＣｓｔを成す。この時、前記絶縁層はゲート絶縁膜１３２及び保護層１３４の少なくとも一方から形成されることができる。

本発明の場合、第２基板２００上に形成されるブラックマトリックス２１０が第１基板１００の画素領域Ｐ内のドレイン電極１１６と画素電極１２０とが接触される第１領域及びストレージキャパシタＣｓｔが形成される第２領域に対応される領域Ａ、Ｂに対してはオープン領域として外部の光が液晶表示装置内部に流入されないように形成され、オープン領域Ａ、Ｂを通じて反射モード液晶表示装置を具現することができるようになる。

この時、前記第１領域ではドレイン電極１１６が、前記第２領域ではストレージキャパシタＣｓｔの第２電極１３６がそれぞれ反射電極としての機能を有することから、既存の反射型液晶表示装置と違って別途の反射電極を形成しなくても良いという利点がある。

ただし、反射モード具現時に、データラインに印加されるデータ階調電圧の最大値は、透過モードに比べて１／２に調整して提供することが望ましい。これについては、後述する。

また、第１基板１００の第２基板と対向する面と反対側の面には第１偏光板１５０が、第２基板２００の第１基板１００と対向する面と反対側の面には第２偏光板２５０が形成されており、第１偏光板１５０の背面には透過モード液晶表示装置で動作する場合、光を供給する光源装置であるバックライト４００が配置されている。

ここで、第１偏光板１５０及び第２偏光板２５０は、透過軸がお互いに直交されるように配置され、各偏光板は光を１／２波長偏光する偏光フィルムを使う。

また、第１基板１００と第２基板２００との間に形成される液晶３００の位相差（Δｎｄ）は、λ／２になるように設定する。ここで、Δｎは屈折率異方性、ｄは光の液晶層通過距離であるセルギャップ、λは光の波長を意味する。したがって、それぞれの基板間のセルギャップｄを調節するか、前記のような条件を満足することができる液晶を使うことができ、一つの実施形態としては、液晶３００でＥＣＢモード液晶を使用することができ、この場合、第１配向膜１４０及び第２配向膜２４０は反平行するように配向される。

以下、図２及び図３を参照して本発明の実施例による液晶表示装置の動作をより詳しく説明する。

まず、透過モードで動作する場合を説明する。本発明の実施形態に係る液晶表示装置は、ブラックマトリックス２１０が所定領域Ａ、Ｂ、すなわち、第１基板の画素領域内のドレイン電極１１６と画素電極１２０が接触される第１領域及びストレージキャパシタＣｓｔが形成される第２領域に対応される領域に対して形成されないこと以外は、一般的な液晶表示装置と構成が同じなので従来の透過型液晶表示装置と同様に動作する。

すなわち、ノーマリーホワイトモード透過型液晶表示装置であると仮定する場合、信号電圧が０Ｖに印加されればバックライト４００から印加される光が第１偏光板１５０、液晶３００、及び第２偏光板２５０をそのまま透過してホワイトを示し、信号電圧の最大値（例えば、５Ｖ）が印加されればバックライト４００から印加される光は、液晶３００の配向によって発生される位相差値によって透過しなくなりブラックを示すようになる。

すなわち、前記０〜５Ｖの間の信号電圧が印加されることによって前記液晶表示装置は、ホワイトからブラックに至る多様な階調を示して最終的に所望の画像をディスプレイするようになるのである。

これに対して、反射モードで動作する場合には、前記バックライトは駆動せず、前記ブラックマトリックス２１０が形成されないオープン領域Ａ、Ｂを通じて入射される外部光を利用して前記液晶表示装置が動作するようになる。

この場合、前記液晶表示装置は、ノーマリーホワイトモードで動作し、これによって信号電圧が０Ｖに印加されれば外部光が第２偏光板２５０及び液晶３００を経て反射電極として前記第１領域のドレイン電極１１６及び前記第２領域のストレージキャパシタＣｓｔの第２電極１３６を通じて反射される場合、前記第２偏光板２５０の透過軸と同一の偏光を持つようになって前記第２偏光板２５０を透過することができ、ホワイトを示すようになる。

一方、前記信号電圧が最大値の約１／２程度（例えば、２．５Ｖ）が印加されれば、液晶３００の位相差（Δｎｄ）はλ／４になり、第２偏光板２５０によって扇形偏光された光が液晶３００及び反射電極１１６、１３６を通じて円型偏光及び直線偏光に変換され、結果的に第２偏光板２５０の透過軸と異なる偏光を持つようになる。この結果、第２偏光板２５０を透過せずブラックを示すようになる。

より詳しく説明すれば、電圧がオン状態の場合、すなわち、信号電圧が最大値の約１／２程度（例えば、２．５Ｖ）が印加されれば外部の散乱光の中で第２偏光板２５０の偏光軸と異なる偏光はこれを通過しないようになる。

第２偏光板２５０を通過した直線偏光は、液晶３００の位相差（Δｎｄ）がλ／４である液晶層３００を通じて左回り偏光の偏光状態が変わるようになって、前記左回り偏光は、反射電極１１６、１３６に反射される間、偏光方向が反対に変わって右回り偏光になる。

このため、前記右回り偏光は、再度、液晶３００の位相差（Δｎｄ）がλ／４である液晶層３００を通じて、第２偏光板２５０の直線偏光と透過軸の異なる直線偏光に変換され、第２偏光板２５０を通過することができず完全なブラックに観察されるのである。

すなわち、本発明は、第１基板１００の画素領域Ｐ内のドレイン電極１１６と画素電極１２０が接触される第１領域及びストレージキャパシタＣｓｔが形成される第２領域に対応される領域に対してブラックマトリックス２１０が形成されないオープン領域Ａ、Ｂを具備し（図３参照）、反射モードで動作の時の信号電圧の最大値を、透過モード動作時の信号電圧の約１／２で印加して液晶３００の位相差（Δｎｄ）をλ／４にすることで、より簡単に半透過型液晶表示装置を具現する。

ただし、本発明は透過モードがノーマリーホワイトに駆動されることに仮定する場合、反射モードがノーマリーホワイトに駆動される。

これを通じて本発明に係る液晶表示装置では、反射モードを具現する場合、従来のように別途の位相差板を必要としない。また、透過モードと反射モードとでセルギャップを異ならせなくても良い。

以上添付した図面を参照して本発明について詳細に説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるということを理解することができる。

本発明は、液晶表示装置に関する技術分野に有用である。

一般的な液晶表示装置に対する概略的な斜視図である。 本発明の一実施形態に係る液晶表示装置の平面図である。 図２の特定部分（Ｉ−Ｉ’、ＩＩ−ＩＩ’’）に対する断面図である。

符号の説明

１００ 第１基板、
１１０ ゲート電極、
１１２ アクティブ層、
１１４ ソース電極、
１１６ ドレイン電極、
１２０ 画素電極、
１３０ ストレージ第１電極、
１３６ ストレージ第２電極、
１５０ 第１偏光板、
２５０ 第２偏光板、
２００ 第２基板、
２１０ ブラックマトリックス、
２２０ カラーフィルタ、
２３０ 共通電極、
３００ 液晶層、
４００ バックライト。

Claims (10)

1. 画素電極、薄膜トランジスタ、及びストレージキャパシタが形成された第１基板と、
   カラーフィルタ、ブラックマトリックス、ならびに前記カラーフィルタ及び前記ブラックマトリックス上に位置する透明な共通電極が形成された第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板との間に形成された液晶層と、
   前記第２基板の下部に位置する第１偏光板と、
   前記第１基板の上部に位置する第２偏光板と、を備え、
   透過モードと反射モードとが選択的に駆動され、反射モード時に、前記薄膜トランジスタに含まれるドレイン電極と前記ストレージキャパシタを構成する電極とが反射電極として機能する液晶表示装置であって、
   前記カラーフィルタと前記ブラックマトリックスとは、離隔されており、
   前記カラーフィルタと前記ブラックマトリックスとの間の領域と、前記薄膜トランジスタに含まれるドレイン電極とは、完全にオーバーラップされる、液晶表示装置。
2. 前記領域は、前記透明な共通電極により埋め込まれる、請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記薄膜トランジスタのソース電極は、前記ブラックマトリックスとオーバーラップされる、請求項１または２に記載の液晶表示装置。
4. 前記液晶層は、位相差がλ／２になるように設定される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
5. 前記第１基板の前記第２基板と対向する面には第１配向膜が形成され、前記第２基板の前記第１基板と対向する面には第２配向膜が形成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
6. 前記第１配向膜及び前記第２配向膜は、反平行するように配向され、
   前記第１配向膜と前記第２配向膜との間で配向される液晶はＥＣＢモードである、請求項５に記載の液晶表示装置。
7. 前記第１偏光板の透過軸と前記第２偏光板の透過軸とは、互いに直交する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
8. 前記第１基板の下部に配置され、透過モード動作時に光を供給する光源装置であるバックライトをさらに備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
9. 前記薄膜トランジスタは、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極、及びアクティブ層で構成され、
   前記ソース電極は、データ配線と連結されており、前記ゲート電極は、前記データ配線と交差して前記画素領域を定義するゲート配線と連結されるように構成される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
10. 前記ゲート配線と平行に形成されるストレージキャパシタの第１電極と、
    絶縁層及び前記ドレイン電極と一体的に形成される第２電極と、をさらに備え、
    前記第２電極は、前記第１電極上に形成され、ストレージキャパシタを構成する、請求項９に記載の液晶表示装置。

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