KR0169386B1

KR0169386B1 - 액정 표시 장치 및 이에 사용되는 박막 트랜지스터 기판

Info

Publication number: KR0169386B1
Application number: KR1019950014245A
Authority: KR
Inventors: 김동규; 김상수
Original assignee: 김광호; 삼성전자주식회사
Priority date: 1995-05-31
Filing date: 1995-05-31
Publication date: 1999-03-20
Also published as: KR960042177A; US5668613A

Abstract

본 발명은 서로 다른 축적 용량의 화소를 가지고 있는 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 기판 및 이를 이용한 액정 표시 장치에 관한 것으로서, 박막 트랜지스터, 상기 박막 트랜지스터와 접속되어 있는 화소 전극, 그리고 상기 화소 전극의 일부를 상부 전극으로 하고 축적 전극을 하부 전극으로 하는 축적 축전기를 각각 포함하는 다수의 화소가 형성되어 있는 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 기판에 있어서, 상기 다수의 화소 중 하나 이상의 화소를 포함하는 다수의 화소군이 형성되어 있고 상기 화소군에 포함되어 있는 화소들의 축적 용량은 동일하고, 상기 다수의 호소군 중 적어도 두 화소군은 축적 용량이 서로 다르며, 상기 축적 용량의 차이는 상기 화소 전극과 상기 축적 전극이 겹치는 정도가 다름으로 인하여 생긴다. 이렇게 함으로써 공정 수를 늘이지 않고도 대비 10:1의 시야각 범위와 계조 수준의 시야각 반전 범위를 확대시켜 시야각을 개선할 수 있다.

Description

액정 표시 장치 및 이에 사용되는 박막 트랜지스터 기판

제1도 (a) 내지 (c)는 종래의 액정 표시 장치의 단위 화소를 도시한 도면으로서, (a)는 등가 회로도이고, (b)는 그 구조를 도시한 평면도이고, (c)는 (b)에 대한 단면도이고,

제2도 내지 제7도는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 등가회로도이 며,

제8도는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 기판의 단위 화소를 도시한 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 기판 2 : 게이트 전극

3 : 축적 전극 4 : 게이트 절연층

5 : 화소 전극

본 발명은 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 기판 및 이를 이용한 액정 표시장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 서로 다른 축적 용량의 화소를 가지고 있는 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 기판 및 이를 이용한 액정 표시 장치에 관한 것이다.

박막 트랜지스터 액정 표시 장치는 박막 트랜지스터를 스위칭(switching) 소자로하며 액정 물질의 전기 광학적 효과를 이용한 표시 장치로서, 박막 트랜지스터 및 화소 전극이 있는 다수의 화소가 형성되어 있는 박막 트랜지스터 기판, 공통 전극이 형성되어 있는 대향 기판, 그리고 그 사이에 봉입되어 있는 액정 물질로 이루어져 있다.

그러나 이러한 액정 표시 장치, 특히 비틀린 네마틱(TN: twisted-nematic) 방식의 액정 물질을 이용하는 액정 표시 장치에서는 광학적 투과율에 대한 시야각 의존성이 있다. 결국, 보는 각도에 따라 계조 오류가 생긴다. 계조 오류는 시야각이 증가함에 따라 증가하고 시야각을 한정한다. 이러한 각도 의존성은 액정 방향자의 특성 때문에 생기는 것으로서 특히 상하 방향으로 매우 심하여 비대칭적인 시각 특성을 나타낸다.

최근에 액정 표시 장치에 관한 제품이 더욱 다양해지면서 넓은 시야각이 필요하게 되었으며 이러한 광시야각을 만들기 위해서 여러 가지의 접근 방법이 제시되고 있다.

SID 93 DIGEST pp.265-268의“Wide-Viewing-Angle Improvements for AMLCDs”에는 광학 보상 필름(optical compensation film)을 이용하는 방법, 각 화소를 다중 영역(multi-domain)으로 나누는 방법, 화소를 여러 개의 부화소(subpixel)로 분할하는 방법 따위가 소개되어 있다.

먼저, 광학 보상 필름을 이용하는 방법은 비대칭적 시각 특성과 계조 반전 특성이 그대로 남아 있어 시야각 확장의 효과가 별로 없다는 문제점이 있다.

다음, 각 화소를 다중 영역으로 분할하는 방법은 각 화소를 액정 방향자의 경사각(pretilt angle)이 다른 여러 개의 영역으로 분할하여 수직 방향으로도 대칭성을 가지게 하는 방법이나, 여러 번의 부가적인 포토리소그래피(photolithography) 공정과 러빙(rubbing) 공정을 거쳐야 하므로 공정 수가 증가하고 수율이 낮아진다는 문제점이 있다.

마지막으로, 화소를 여러 개의 부화소로 나누는 방법을 첨부한 제1도 (a) 내지 (c)를 참고로 하여 설명한다. 각 화소를 서로 다른 제어 축전기(capacitor)(C_C2,C_C3)를 가지는 3 개의 부화소로 분할한다. 제1도 (a)에 도시한 도면이 그 등가 회로도이고, 제1도 (b)는 그 평면 구조를 나타내는 도면이며, 제1도 (c)는 그 단면 구조와 해당하는 부화소 액정 축전기(C_LC1,C_LC2,C_LC3)를 도면에 도시한 것이다. 구체적으로는 제1도 (c)에 도시한 바와 같이 화소 전극(5) 부분을 삼층으로 형성하여 세 개의 부화소 액정 축전기(C_LC1,C_LC2,C_LC3)를 형성한다. 즉, 통상적인 화소 전극(5) 위 일부에 제1투명 절연층(4')과 제1투명 전극(5')을 차례로 형성하고, 그 위에 다시 제2투명 절연층(4'')과 제1투명 전극(5'')을 차례로 형성한다. 축전기의 정전 용량은 전극 사이의 거리에 반비례하고 전극 사이의 면적에 비례하기 때문에, 통상의 액정 축전기는 화소 전극(5), 제1투명 전극(5'), 제2투명 전극(5'')을 각각 한 전극으로 하는 세 개의 부화소 액정 축전기(C_LC1,C_LC2,C_LC3)로 나뉜다. 부화소 액정 축전기(C_LC1,C_LC2,C_LC3)와 직렬로 연결되어 있는 각 제어 축전기(C_S2,C_S3)는 전압 분주기로 작용하고, 부화소에 제어 전압을 공급한다. 그러면, 화소 전극에는 박막 트랜지스터를 통하여 같은 전압(V_P)가 인가되지만 액정 축전기(C_LCi)(i=1,2,3)에는 V_LCi전압이 인가되며 이들 전압은 각각 다르다. 즉, 각 부화소의 액정 물질에 인가되는 전압이 다르다. 이 때문에 비틀리는 액정 방향자의 각도가 서로 달라져, Δnd(n은 광학적 이방성, d는 두 기판 사이의 거리)가 달라진다. 결과적으로 하나의 화소가 세 가지의 서로 다른 투과율을 가지기 때문에, 거시적으로 볼 때 한 화소의 투과율은 서로 다른 세 가지 투과율의 평균값으로 나타난다. 이러한 서로 다른 투과 특성들을 적절히 제어하면, 시야각의 반전 범위가 넓어질 뿐 아니라 대비가 10:1 이상이 되면서도 시야각의 범위를 넓혀 줄 수 있다.

그러나, 이러한 방법을 사용하기 위해서는 제어 축전기를 형성하기 위하여 절연층을 적층하고 전극을 패터닝하는 공정을 추가해야 한다는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 박막 트랜지스터 또는 액정 셀을 제조하는 공정 수를 증가시키거나 수율을 감소시키지 아니하고도 시야각을 개선할 수 있도록 하는 데에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액정 표시 장치에서는, 화소에 형성되는 축적 축전기의 정전 용량, 즉 축적 용량이 서로 다르다. 그 한 예로는 하나 이상의 화소를 가지고 있으며 인접하는 화소들로 이루어진 다수의 화소군이 형성되어 있고 상기 화소군 내의 화소들의 축적 용량은 동일하며, 상기 다수의 화소군 중 적어도 두 화소군은 축적 용량이 서로 다르게 되어 있는 구성을 들 수 있다.

이 때, 서로 인접한 화소군은 서로 다른 축적 용량을 가지도록 하는 것이 바람직하며, 각 화소군에 부여되는 축적 용량은 두 가지 값에서 네 가지 값 정도로 한정할 수 있다.

여기에서 각 화소군은 하나의 화소만을 포함할 수도 있다.

또, 하나의 게이트선 및 하나의 데이터선으로 이루어진 한 쌍의 배선으로 하나의 화소군을 구동할 수도 있지만, 한 쌍의 배선으로 축적 용량이 서로 다른 둘 이상의 화소군을 구동할 수도 있다.

또, 축적 축전기를 각각 가지는 다수의 화소가 행렬의 형태로 배열되어 있는 경우라면, 화소의 배열 형태는 서로 다른 축적 용량을 가지는 두 단위 화소가 모자이크의 형태로 배열되어 있는 형태로 할 수 있다.

액정 표시 장치에서 축적 축전기는 보통 게이트 전극을 패터닝할 때 같이 형성되는 축적 전극을 하부 전극으로 하고 화소 전극을 연장하여 축적 전극과 일정 부분 겹치도록 형성하여 상부 전극으로 하고 있으므로, 겹치는 부분을 화소에 따라서 적절하게 조절함으로써 각 화소의 축적 용량을 다르게 할 수 있다.

그러면, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치를 상세히 설명한다.

제2도 내지 제7도는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 회로도로서, 축적 축전기를 각각 가지는 다수의 화소가 행렬(matrix)의 형태로 배열되어 있고, 각 화소의 축적 축전기의 정전 용량, 즉 축적 용량은 적어도 두 가지 값 이상 중 하나임을 보여주고 있다. 각 화소에 존재하는 박막 트랜지스터(TFT)의 게이트 전극은 게이트선(G_1,G_{2 …,}G_i,…)에 연결되어 있고, 소스 전극 및 드레인 전극중 하나는 데이터선(D_1,D_{2, …,}D_{j, …})에 연결되어 있고 다른 하나는 액정 축전기(C_LC)의 한 전극 및 축적 축전기(C_S1,C_S2,C_S3또는 C_S4)의 한 전극에 연결되어 있다. 그리고 액정 축전기(C_LC)의 한 전극 및 축적 축전기 (C_S1,C_S2,C_S3또는 C_S4)의 한 전극을 이루는 화소 전극(제8도의 인용 부호 5)에는 전압 V_p가 인가되며, 액정 축전기(C_LC)의 다른 한 전극 및 축적 축전기(C_S1 또는 C_S2)의 다른 한 전극에는 공통 전압(Vcom)이 인가된다. 그러나, 제2도 내지 제7도에서와는 달리, 축적 축전기(C_S1,C_S2,C_S3또는 C_S4)의 다른 한 전극에 공통 전압이 인가되는 대신 게이트선(G_1,G_{2, …,}G_{i, …})과 연결되어 게이트 전압이 인가될 수도 있다. 이 경우 바로 옆의 게이트선에 연결되는 것이 아니라, 하나 건너서 전단(前端) 게이트선에 연결될 수도 있다. 한편, 게이트선 및 축적 축전기의 축적 전극선(8)을 이중화하고, 축적 전극(제8도의 인용 부호 3)을 환형으로 만들 수도 있다. 이 경우에는 고개구율과 용장(redundancy) 구조를 가질 수 있다.

제2도는 각 화소가 두 개의 축적 용량 중 하나를 가지고 있으며, 축적 용량이 다른 화소들이 서로 엇갈려 배치되어 있는 구조를 보여주고 있다. 그리고 게이트선 및 데이터선의 한 쌍의 배선에 대해서는 하나의 화소만이 연결되어 있는 구조로 이루어져 있어, 축적 용량이 서로 다른 화소에 대해서는 서로 다른 데이터선으로 구동한다.

제3도 및 제4도의 경우에는 각 화소가 두 개의 축적 용량 중 하나를 가지고 있으며, 동일한 축적 용량을 가지는 화소들의 집합을 화소군이라 할 때, 화소군은 열(제3도) 또는 행(제4도)을 이루고 있으며, 다른 축적 용량을 가지는 화소군이 행(제3도) 또는 열(제4도)로 교대로 배열되어 있다. 이 경우도 제2도와 마찬가지로 게이트선 및 데이터선의 한 쌍의 배선에 대해서는 하나의 화소만이 연결되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 화소군이 열로 형성되어 있는 제3도의 경우에는 축적 용량이 서로 다른 화소에 대해서 서로 다른 데이터선으로 구동하나, 화소군이 행으로 형성되어 있는 제4도의 경우에는 축적 용량이 서로 다른 화소에 대하여 서로 다른 게이트선이 연결된다.

제5도에서는 각 화소가 가지는 축적 용량이 네 개의 값이며, 네 개의 인접한 화소가 서로 다른 네 개의 축적 용량을 가지고 있는 배열이 나타나 있다. 이 경우도 제2도 내지 제4도와 마찬가지로 게이트선 및 데이터선의 한 쌍의 배선에 대해서는 하나의 화소만이 연결되어 있는 구조로 이루어져 있다.

제6도는 제2도에서와 같이 각 화소가 두 개의 축적 용량 중 하나를 가지고 있으며, 축적 용량이 다른 화소들이 서로 엇갈려 배치되어 있는 구조를 보여주고 있다. 그러나, 제2도의 구조와는 달리 한 쌍의 데이터선 및 게이트선이 축적 용량이 다른 두 개의 화소와 동시에 연결되어 있어, 축적 용량이 서로 다른 화소 두 개를 동일한 데이터선으로 구동한다. 결국 축적 용량이 서로 다른 화소 두 개에 동일한 데이터 전압이 인가되기 때문에, 시각 특성이 서로 다른 두 개의 화소가 쌍으로 하나의 점 영상을 구현할 수 있다. 그러므로 제2도의 경우보다 세밀한 화면을 얻을 수 있다.

제7도에서는 제5도에서와 마찬가지로 각 화소가 가지는 축적 용량이 네 개의 값이며, 네 개의 인접한 화소가 서로 다른 네 개의 축적 용량을 가지고 있는 배열이 나타나 있다. 그러나, 제5도에서와는 달리 축적 용량이 서로 다른 인접한 네 개의 화소과 한 쌍의 게이트선 및 데이터선에 함께 연결되어 있다. 이에 따라 축적 용량이 서로 다른 네 개의 화소에 동일한 데이터 전압이 인가되기 때문에 시각 특성이 서로 다른 네 개의 화소가 쌍으로 하나의 점 영상을 구현할 수 있다. 그러므로 제5도 및 제6도의 경우보다 더욱 세밀한 화면을 얻을 수 있다.

그런데, 제3도에 도시한 박막 트랜지스터에 나타낸 바와 같이 축적 축전기는 투명 절연 기판(1) 상에 게이트 전극(2) 및 게이트선을 형성할 때에 같이 형성된 축적 전극(3)과 화소 전극(5)의 연장부로 이루어지며, 게이트 절연층(4)을 개재하고 있다. 축전기의 정전 용량은 전극의 면적, 즉 제3도에서는 화소 전극(5)의 연장부와 축적 전극(3)이 겹치는 부분(A)의 면적에 비례하므로, 겹치는 부분의 면적을 조절함으로써 화소에 따라 축적 용량을 다르게 할 수 있다.

따라서, 추가의 공정을 더하지 않고도 각 화소 전극과 축적 전극이 겹치는 정도만을 조절함으로써 원하는 결과를 얻을 수 있다.

그러면, 이러한 액정 표시 장치의 동작에 대하여 제2도를 중심으로 하여 상세히 설명한다.

먼저, 일반적인 능동 매트릭스(active matrix) 액정 표시 장치를 구동할 때와 마찬가지로 각 게이트선(G_1,G_{2, …,}G_{i, …})을 선순차 구동시키고, 데이터선(D_1,D_{2, …,}D_{j, …})에 각 화소의 열에 해당하는 전압(V_d)을 인가한다.

이해를 쉽게 하기 위하여 전 화소에 동일한 전압이 인가된다고 가정하자. 그러면, 임의의 화소, 예를 들면 게이트선 G_i와 데이터선 D_j에 연결되어 있는 화소를 화소(i,j)라 할 때 화소(i,j)에서는 각각 C_S1,C_LC의 정전 용량을 가지는 축전 축전기와 액정 축전기가 충전된다. 한편, 화소(i,j-1)에서는 각각 C_S2,C_LC의 정전 용량을 가지는 축전 축전기와 액정 축전기가 충전된다.

그런데, C_S1,C_S2의 크기가 다르므로, 박막 트랜지스터가 ON 상태에 있는 동안 두 화소의 축적 축전기에 충전되는 전위가 서로 다르며, 마찬가지로 박막 트랜지스터가 OFF 상태에 있는 동안의 축적 축전기의 방전율 및 화소 전극의 전압 강하도 서로 다르다. 따라서, 액정 물질에 인가되는 실효 전압이 두 화소에 대하여 서로 다르고, 이에 따라 그 실효 전압의 차이만큼 액정 방향자가 비틀리는 정도가 달라지므로 빛의 투과율 또한 달라진다.

이와 같이 서로 인접하는 화소들이 서로 다른 투과 특성을 가지고 있고 기판 하나에 수 십만 개 이상의 화소가 존재하고 있으므로, 전체적 로 볼 때에는 두 가지 다른 투과율을 평균한 값의 투과율을 가지는 액정 연속체가 존재하는 것처럼 보인다. 결국 대비 10:1의 시야각 범위와 계조 수준의 시야각 반전 범위는 확대되어 보인다.

이와 같이 본 발명에서는 공정 수를 늘이지 않고도 대비 10:1의 시야각 범위와 계조 수준의 시야각 반전 범위는 확대시켜 시야각을 개선할 수 있다.

Claims

액정 축전기 및 축적 축전기를 각각 가지고 있는 다수의 화소를 포함하며, 상기 다수의 화소 중 하나 이상의 화소를 가지고 있으며 서로 인접하는 화소들로 이루어진 다수의 화소군이 형성되어 있고 상기 화소군 내의 화소들의 축적 용량은 동일하며, 상기 다수의 화소군 중 적어도 두 화소군은 축적 용량이 서로 다른 액정 표시 장치.
제1항에 있어서, 상기 다수의 화소군 중 서로 인접한 화소군은 서로 다른 축적 용량을 가지고 있는 액정 표시 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 각각의 화소군에 포함되어 있는 화소의 수는 하나인 액정 표시 장치.
액정 축전기 및 축적 축전기를 각각 가지고 있는 다수의 화소가 배열되어 있으며 상기 화소들을 구동하는 다수의 게이트선 및 데이터선이 형성되어 있는 액정 표시 장치로서, 상기 다수의 화소 중 서로 인접한 화소의 축적 용량이 서로 다른 액정 표시 장치.
제4항에 있어서, 상기 화소의 배열 형태는 서로 다른 축적 용량을 가지는 두 단위 화소가 모자이크의 형태로 서로 엇갈려 배열되어 있는 형태임을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 화소 중 둘 이상의 화소가 상기 다수의 게이트선 중 하나 및 상기 다수의 데이터선 중 하나로 이루어지는 한 쌍의 배선과 연결되어 있어 둘 이상의 화소가 한 쌍의 게이트선 및 데이터선으로 구동되는 액정 표시 장치.
다수의 게이트선, 상기 다수의 게이트선 중 하나와 상기 다수의 데이터선 중 하나에 연결되어 있으며 박막 트랜지스터, 액정 축전기 및 축적 축전기를 각각 가지고 있는 다수의 화소를 포함하며, 상기 박막 트랜지스터의 게이트 단자는 상기 다수의 게이트선 중 하나에 연결되어 있고, 상기 박막 트랜지스터의 제1단자는 상기 다수의 데이터선 중 하나에 연결되어 있고, 상기 박막 트랜지스터의 제2단자는 상기 축적 축전기의 한 단자 및 상기 액정 축전기의 한 단자에 연결되어 있는 액정 표시 장치로서, 상기 다수의 화소 중 하나 이상의 화소를 가지고 있으며 서로 인접하는 화소들로 이루어진 다수의 화소군이 형성되어 있고 상기 화소군 내의 화소들의 축적 용량은 동일하며, 상기 다수의 화소군 중 적어도 두 화소군은 축적 용량이 서로 다른 액정 표시 장치.
제7항에 있어서, 상기 다수의 화소군 중 서로 인접한 화소군은 서로 다른 축적 용량을 가지고 있는 액정 표시 장치.
제7항 또는 제 8항에 있어서, 상기 화소군 중 둘 이상의 화소군이 상기 다수의 게이트선 중 하나 및 상기 다수의 데이터선 중 하나로 이루어지는 한 쌍의 배선과 연결되어 있어 둘 이상의 화소군이 한 쌍의 게이트선 및 데이터선으로 구동되는 액정 표시 장치.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 축적 축전기의 다른 한 단자에는 공통 전압이 인가되는 액정 표시 장치.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 축적 축전기의 다른 한 단자는 이웃한 게이트선이 아닌 전단 게이트선에 연결되는 액정 표시 장치.
박막 트랜지스터, 상기 박막 트랜지스터와 접속되어 있는 화소 전극, 그리고 상기 화소 전극의 일부를 상부 전극으로 하고 축적 전극을 하부 전극으로 하는 축적 축전기를 각각 한 단위로 하는 다수의 화소 단위와 상기 화소 단위가 연결되어 있는 게이트선 및 데이터선이 형성되어 있는 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 기판에 있어서, 상기 다수의 화소 단위 중 하나 이상의 화소 단위를 포함하는 다수의 화소 단위군이 형성되어 있고 상기 화소 단위군에 포함되어 있는 화소들의 축적 용량은 동일하고, 상기 다수의 화소 단위군 중 적어도 두 화소 단위군은 축적 용량이 서로 다르며, 상기 축적 용량의 차이는 상기 화소 전극과 상기 축적 전극이 겹치는 정도가 다름으로 인하여 생김을 특징으로 하는 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 기판.
제12항에 있어서, 상기 다수의 화소 단위군 중 서로 인접한 화소 단위군은 서로 다른 축적 용량을 가짐을 특징으로 하는 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 기판.
제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 축적 전극과 연결되는 축적 전극선을 더 포함하며, 상기 축적 전극선 및 게이트선은 이중으로 형성되어 있고 상기 축적 전극은 고리형으로 형성되어 있음을 특징으로 하는 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 기판.
제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 각 화소 단위군에 부여되는 축적 용량은 두 가지 값에서 네 가지 값 중 하나임을 특징으로 하는 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 기판.