KR100247110B1 - 전기 광학 장치 - Google Patents

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Abstract

[목적] 본 발명의 목적은, MTM 소자나 기타 다른 비선형 소자를 사용하고, 비선형 소자의 용량을 크게 줄이지 않고도 상기 비선형 소자를 양호하게 구동할 수 있어 표시 성능이 좋은 전기 광학 장치를 얻는데 있다.
[구성] 제 1 전도체, 절연체 및 제 2 전도체를 구비한 비선형 소자를 사용한 전기 광학 장치에 있어서, 화소 전극을 구동하는 비선형 소자가 되는 상기 제 1 전도체, 절연체 및 제 2 전도체의 중첩 부분 중에서, 상기 부분의 용량이나 면적에 대한 상기 화소 전극의 용량비 또는 면적비가 변할 때 통상의 사용 온도에서 콘트라스트가 최대로 되도록 상기 용량비나 면적비가 설정된다.

Description

전기 광학 장치
제 1 도는 본 발명의 전기 광학 장치의 일예를 나타낸 사시도.
제 2 도는 소자 기판의 평면도.
제 3 도는 소자 기판의 주요 부분의 확대 단면도.
제 4 도는 용량비에 대한 콘트라스트 변화를 나타낸 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1, 2 : 기판 3 : 액정층
4 : 대향전극 5 : 화소 전극
6 : 제 1 전도체 7 : 절연체
8 : 제 2 전도체
[산업상 이용 분야]
본 발명은 액정 표시 장치 등에 사용되는 전기 광학 장치(electro-optical devices)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 액정층이 사이에 삽입된 한 쌍의 기판 중 한쪽 기판 상에 화소 전극과 이 화소 전극을 구동하는 비선형 소자가 배치된 전기 광학 장치에 관한 것이다.
[종래 기술]
상기와 같은 전기 광학 장치의 일예로서, 금속층-절연층-금속층(Metal Insulator Metal, 이하 MIM 소자라고 함)이 비선형 소자로 사용된 액정 표시 장치에 대해 설명한다.
제 1 도는 이와 같은 종류의 액정 표시 장치의 일부의 사시도이고, 제 2 도는 MIM 소자를 가진 측의 기판의 일부의 평면도이며, 제 3 도는 주요 부분의 확대 단면도이다.
도면에서, 1과 2는 액정층(3)이 사이에 삽입되어 있는 상하 한 쌍의 기판이고, 한쪽의 기판(1)에는 ITO 등으로 된 대향 전극(4)이 형성되어 있고, 다른 쪽 기판(2)에는 ITO 등으로 된 복수의 화소 전극(5)이 매트릭스 형태로 형성되어 있다. 6은 탄탈(Ta) 등으로 제 1 전도체, 7은 산화탄탈(TaOx) 등으로 된 절연체, 8은 크롬(Cr) 등으로 된 제 2 전도체이고, 제 1 전도체(6), 절연체(7) 및 제 2 전도체(8)가 화소를 구동하기 위한 MIM 소자를 구성하고 있다.
특히, 도시된 예의 MIM 소자는 제 1 전도체(6)의 측면만을 화소 구동용 소자로서 사용한 이른바 "측면 MIM"의 구조를 가지고 있다. 이 측면 MIM에 있어서, 제 1 전도체(6)의 측면 이외의 표면, 즉 MIM를 구성하는 부분 이외의 표면은 장벽층인 얇은 절연체(7b)로 덮여 있으며, 이에 따라 전기 저항이 상기 제 1 전도체(6)의 측면 상의 얇은 절연체(7a)의 전기 저항 이상으로 증가하여, 상기 측면이 소자로서 가능하지 않게 된다. 이러한 구조는 소자의 면적을 매우 좁게 줄이는 것을 용이하게 하고, 이와 같은 종류의 소자를 사용한 액정 표시 장치 및 기타 다른 전기 광학 장치의 밀도 및 정밀도를 증가시키기 위한 유효한 기술이 된다.
[발명이 해결하고자 하는 과제]
상기와 같은 MIM 소자와 기타 다른 비선형 소자를 사용하고 있고, 소자의 용량이 CMIM이고, 이 소자에 의해 구동되는 화소의 용량이 CLC인 전기 광학 소자에서는, {CLC/ (CMIM＋ CLC)} × V의 전압이 상기 소자에 인가된다. 따라서, CLC가 일정한 경우에는, 상기 인가된 전압에 대해 소자가 효과적으로 구동될 수 있도록, CMIM가 작아져야 한다. 일반적으로, CLC/ CMIM 10인 것이 바람직하다.
하지만, CMIM가 작아지면(상기 소자의 크기가 작아지면), 상기 소자의 저항이 증가하며, 주사 구동이 수행될 때 액정층에 인가되는 실효 전압이 떨어진다.
본 발명은 상기 문제점에 감안한 것으로, 비선형 소자의 용량을 반드시 크게 줄이지 않고도 상기 비선형 소자가 효율적으로 구동되도록 함으로써 표시 성능이 좋은 전기 광학 장치를 얻을 수 있다.
[과제를 해결하기 위한 수단]
본 발명의 전기 광학 장치는, 액정층이 사이에 삽입된 한 쌍의 기판을 구비하고 있고, 한쪽 기판 상에 대향 전극이 위치되어 있으며, 다른쪽 기판 상에는 화소 전극과, 이 화소 전극을 구동하기 위한 비선형 소자가 위치되어 있으며, 상기 비선형소자는 제 1 전도체, 절연체 및 제 2 전도체를 구비하고 있고, 상기 제 1 전도체, 절연체 및 제 2 전도체가 겹친 부분은 비선형 전류 전압 특성을 가지고 있으며, 상기 제 1 전도체, 절연체 및 제 2 전도체의 겹친 부분중에서 화소 전극을 구동하기 위한 비선형 소자가 되는 부분의 용량과 화소 전극의 용량의 비가 변할 때, 통상의 사용 온도(예컨대 0℃ 내지 50℃)에서 콘트라스트가 최대로 되도록 상기 용량비가 설정된다.
[작 용]
위에서 설명한 바와 같이, 제 1 전도체, 절연체 및 제 2 전도체의 겹친 부분중에서, 화소 전극을 구동하는 비선형 소자가 되는 부분의 용량과 화소 전극의 용량의 비가 변할 때 통상의 사용 온도에서 콘트라스트가 최대로 되도록 용량비를 설정함으로써, 상기 비선형 소자의 용량을 크게 줄이지 않고도 상기 비선형 소자가 효율적으로 구동될 수 있으며, 이에 따라 표시 성능이 양호한 전기 광학 장치를 얻을 수 있다.
예컨대, 제 1 전도체, 절연체, 제 2 전도체가 각각 탄탈, 산화 탄탈, 크롬으로 제조된 경우에는, 화소 전극을 구동하는 비선형 소자가 되는 중첩 부분 중에서 상기 부분의 용량에 대한 화소의 용량의 비가 2와 8 사이로 설정되어야 한다.
또한, 상기 용량비는 비선형 소자에 대한 화소 전극의 면적비로 대체될 수 있다. 예컨대, 상기 제 1 전도체, 절연체, 제 2 전도체가 각각 탄탈, 산화 탄탈, 크롬으로 제조된 경우에는, 화소 전극을 구동하는 비선형 소자가 되는 겹친 부분의 면적과 화소 전극의 면적의 비가 1000∼4000범위로 설정되어야 한다.
[바람직한 실시예]
이하, MIM 소자가 비선형 소자로서 사용된 액정 표시 장치인 본 발명의 전기 광학 장치에 대해 상세히 설명한다.
일반적으로, MIM 소자와 기타 다른 비선형 2 단자 소자가 액정 표시 장치의 화소를 구동하는데 사용되는 경우에는, 화소 전극과 비선형 소자의 용량비나 면적비가 중요한 인자로 되며, 이들 비를 소정의 값으로 설정해야 한다.
예컨대, 화소 용량(CLC)과 MIM 소자 용량(CMIM)의 비(CLC/CMIM)는 일반적으로 위에서 설명한 종래 기술에서는 10 이상으로 설정되어야 하지만, 실제로 상기 비를 10 이상으로 설정하지 않고도 양호한 표시가 얻어질 수 있다.
특히, 예컨대 MIM 소자를 구성하는 제 1 전도체, 절연체, 제 2 전도체가 각각 탄탈(Ta), 산화탄탈(TaOx), 크롬(Cr)으로 제조되고, 상기 산화 탄탈의 비유전율과 막두께가 각각 27과 60nm로 설정된 경우에, 상기 용량비는 2와 8 사이의 값으로 설정되어야 한다. 그 이유에 대해서는 후술된다.
상기 화소의 용량이 일정하게 유지되고 상기 소자의 용량이 커져서, 상기 용량비가 2보다 작아진 경우에는, 화소가 선택될 때 큰 기록 전류가 흐르고 충분한 전위가 상기 화소 전극에 공급될 수 있지만, 상기 화소가 선택되지 않을 때에는 큰 누설 전류가 생겨서 화소 전극에서 충분한 전위를 유지할 수 없게 된다. 따라서, 화소가 선택될 때와 선택되지 않을 때의 조합된 실효 전압은 용량비가 작아짐에 따라 떨어지게 된다.
한편, 상기 소자의 용량이 작아져서 용량비가 커지면, 화소가 선택되지 않을 때의 누설 전류가 작으며, 이에 따라 화소에서 충분한 전위를 유지할 수 있다. 하지만, 화소가 선택될 때에는 큰 기록 전류가 얻어질 수 없으며, 이에 따라 화소 전극에 충분한 전위가 공급될 수 없다. 따라서, 상기 화소가 선택될 때와 선택되지 않을 때의 조합된 실효 전압은 상기 용량 비가 보다 커짐에 따라 떨어진다.
이와 같은 이유 때문에, 최적의 용량비가 존재하며, 본 발명자는 화소의 실효 전압의 변화율이 인접 부분의 용량비의 변화에 대해 0으로 되는 용량비가 존재함을 알게 되었다. 특히, 상기 조건 하에서 실효 전압의 변화율이 0으로 되는 용량비는 대략 4이고, 상기 용량비를 2와 8 사이로, 보다 바람직하게는 3.5와 5.5 사이로 설정함으로써 양호한 표시가 얻어질 수 있다.
제 4 도에는 제 1 도 내지 제 3 도의 액정 표시 장치의 용량비에 대한 콘트라스트(온 및 오프시의 전송광 비율)가 도시되어 있으며, 여기서 MIM 소자를 구성하는 제 1 전도체, 절연체 및 제 2 전도체가 각각 탄탈, 산화 탄탈 및 크롬으로 되어 있고, 상기 산화 탄탈의 비유전율과 막두께가 각각 27과 60 nm로 설정되어 있으며, 대향 전극 기판들 사이에는 액정층(두께가 대략 5 ㎛임)이 삽입되어 있다. 용량비가 대략 4인 경우에 양호한 콘트라스트가 얻어질 수 있음을 알 수 있다. 산화 탄탈의 비유전율과 막두께가 약간 변할 때도 동일한 결과가 얻어진다.
또한, 제 4 도에서, 곡선(A, B, C)은 0℃, 25℃, 50℃에서의 콘트라스트를 나타낸 것으로, 이들 곡선은 통상의 사용 온도 범위(0℃ 내지 50℃)에서의 온도 변화로 인해 콘트라스트가 최대인 용량비가 크게 변하지 않음을 나타내며, 용량비를 위에서 설명한 조건과 같은 조건으로 설정함으로써 항상 높은 콘트라스트 표시가 얻어질 수 있음을 나타낸다.
또한, 상기 용량비는 화소의 면적, 즉 화소 전극의 면적과 상기 비선형 소자의 면적의 비(이하, "구동 면적비"라고 함)로 바로 대체될 수 있다.
예컨대, 위에서와 동일한 조건으로 설정된 액정 표시 장치의 MIM 소자를 구성하는 제 1 전도체, 절연체 및 제 2 전도체로서 탄탈, 산화 탄탈 및 크롬이 사용되는 경우에는, 2 내지 8의 용량비가 1000 내지 4000의 구동 면적비와 동일한다. 따라서, 액정이나 비선형 소자의 용량비가 변할 때에는, 상기 구동 면적비가 1000과 4000 사이로, 보다 바람직하게는 1700과 2800 사이로 설정되어야 한다.
MIM에 의해 대표되는 비선형 소자의 특성은 쇼트키 효과나 폴프렌켈 효과에 좌우되며, 전류 밀도가 j인 겅우에, 다음과 같이 표현된다.
예컨대, 탄탈, 산화 탄탈(막두께:60 nm, 비유전율:27) 및 크롬으로 된 MIM 소자의 경우에는, 상기 비선형 소자의 급준성을 나타내는 β 값 4 내지 8이 상기 (2) 식으로부터 얻어진다.
또한, 이 경우의 소자 용량(CLC)은,
이고, 소자 용량은 상기 소자 면적으로 조절된다.
이들 MIM 소자가 액정 광학 장치에 사용된 경우에, 화소 용량(CLC)과 소자 용량(CMIM)의 용량비(CLC/CMIM)는 위에서 설명한 가장 양호한 표시 특성(콘트라스트, 계조 재현성 등)을 위해 최적의 값을 가지고 있다. 이 경우의 용량비는 대략 4이다(구동 면적비는 대략 2000임). CLC는 소자 면적(S)에 좌우되므로, 용량비(용량)가 최적으로 되는 소자 면적이 S'일 때, 기록 동안의 최적의 전류의 평균치(I')(소자에 인가 전압 평균 VON)는 (1) 식으로부터,
로 표현된다.
여기서, j가 상기 (1) 식에 따라 증가하므로, 상기 소자의 급준성을 나타내는 β가 증가하는 경우, 최적의 전류 평균치(I')를 얻기 위해서, 상기 (5) 식에 따라 최적의 소자 면적(S')이나 상기 소자에 인가된 평균 전압(VON)이 작아져야 한다.
또한, 상기 소자의 급준성(β)은,
로 표현되므로, 최적의 소자 크기는 비선형 소자의 절연체의 비유전율(εr)이나 막두께(d)의 변화로 인해 변동하게 된다.
도면에 도시된 예에서는, 측면 MIM이 사용되었지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 또한, MIM 소자를 구성하는 제 1 전도체, 절연체 및 제 2 전도체로서 탄탈, 산화 탄탈 및 크롬이 사용된 실시예가 설명되었지만, 사용된 재료에 관계 없이 적합하기만 하면, 상기 소자에 대한 용량비 또는 구동 면적비가 변할 때, 통상의 사용 온도에서 콘트라스트가 최대로 되도록 상기 용량비 또는 구동 면적비를 설정함으로써 동일한 효과가 얻어질 수 있다.
또한, 이 실시예는 액정 표시 장치를 예로 하여 설명하였지만, 본 발명은 기타 다른 형태의 액정 표시 장치 및 기타 다른 전기 광학 장치에도 적용될 수 있다.
[발명의 효과]
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의해, 화소 전극과 비선형 소자의 용량비 또는 면적비가 변할 때, 통상의 사용 온도에서 콘트라스트가 최대로 되도록 용량비 또는 면적비가 설정되며, 이에 따라 상기 비선형 소자의 용량을 크게 줄이지 않고도 상기 비선형 소자가 효과적으로 구동될 수 있어, 성능 및 안정성이 양호한 전기 광학 표시 장치가 얻어질 수 있다.

Claims (2)

  1. 한 쌍의 기판 사이에 액정이 삽입되고,
    한 쪽의 상기 기판 상에는 대향 전극이 설치되며,
    다른 쪽의 상기 기판 상에는, 화소 전극과, 상기 화소 전극에 전기적으로 접속된 제 1 전도층-절연층-제 2 전도층으로 된 MIM 소자가 설치되어 있는 전기 광학 장치로서,
    상기 MIM 소자의 상기 화소 전극을 구동하기 위한 비선형 소자로 된 부분의 면적과 상기 화소 전극의 면적의 비가 1000∼4000의 범위로 설정되어 있는 전기 광학 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전도체, 상기 제 2 전도체 및 상기 절연체가 각각 탄탈, 탄탈 산화물 및 크롬인 전기 광학 소자.
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