KR100347492B1

KR100347492B1 - 투과형액정표시장치

Info

Publication number: KR100347492B1
Application number: KR1019980042521A
Authority: KR
Inventors: 노리오 고마
Original assignee: 산요 덴키 가부시키가이샤
Priority date: 1997-10-13
Filing date: 1998-10-12
Publication date: 2002-11-18
Also published as: JP3286579B2; US6115100A; KR19990037026A; JPH11119198A

Abstract

복수 형성된 표시 전극(19)과 대향 전극(31)과의 사이에 수직 배향된 액정 분자(41)를 갖는 액정층(40)이 설치되고, 전계에 의해 액정 분자(41)의 배향을 제어하는 수직 배향 방식의 액정 표시 장치이고, 액정층(40)의 액정으로서 사용하는 액정의 굴절율 이방성 Δn과, 표시 전극과 대향 전극과의 사이의 거리인 셀 갭 d[㎛]와의 관계가 Δn·d < -0.033·d + 0.88을 만족시키도록 함으로써 응답 시간을 단축할 수 있다.

Description

투과형 액정 표시 장치{TRANSMISSION TYPE LIQUID CRYSTAL DISPLAY}

본 발명은 액정의 전기 광학적인 이방성을 이용해서 표시를 수행하는 액정 표시 장치(LCD; Liquid Crystal Display)에 관한 것으로, 특히, 응답 속도의 향상을 달성한 투과형 액정 표시 장치에 관한 것이다.

LCD는 소형, 박형, 저소비 전력 등의 이점이 있어서, OA 기기, AV 기기 등의 분야에서 실용화가 진척되고 있다. 특히 스위칭 소자로서 박막 트랜지스터(이하, TFT로 약술함)를 이용한 액티브 매트릭스형은 원리적으로 듀티비 100%의 스태틱 구동을 멀티플렉스적으로 수행할 수 있고, 대화면, 고해상도의 화면 디스플레이에 사용되어지고 있다.

TFT는 전계 효과 트랜지스터이고, 기판 상에 행렬 형상으로 배치되며, 액정을 유전층으로 한 화소 용량의 한 쪽을 구성하는 표시 전극에 접속되어져 있다. TFT는 게이트 라인에 의해 동일 행에 나란히 배치되어 온/오프가 제어됨과 동시에,드레인 라인에 의해 화소 신호 전압이 공급되고, TFT가 온(on)된 화소 용량에 대해서 행렬적으로 지정된 표시용 전압이 충전된다. 표시 전극과 TFT는 동일 기판 상에 형성되고, 화소 용량의 다른 쪽을 구성하는 공통 전극은 액정층을 사이에 두고 대향 배치된 다른 기판의 거의 전면에 형성되어진다. 즉 액정 및 공통 전극이 표시 전극에 의해 경계되어 표시 화소를 구성하고 있다. 화소 용량에 충전된 전압은 다음 TFT가 온(ON)할 때까지의 1 필드 혹은 1 프레임 기간 동안, TFT의 오프 저항에 의해 절연 상태로 유지된다. 액정은 전기 광학적으로 이방성을 갖고 있고, 화소 용량에 인가된 전압에 응답해서 투과율이 제어된다. 표시 화소 각각에 대해 투과율을 제어함으로써 이것들의 명암이 표시 화상인 것으로 시인된다.

액정은 또한 양 기판과의 접촉 계면에 설치된 배향막에 의해 초기 배향 상태가 결정된다. 액정으로서 예를 들면 정(+)의 유전율 이방성을 갖는 네마틱 상을 이용하고, 배향 벡터가 두 기판 사이에서 90°로 비틀어진 트위스트 네마틱(TN) 방식이 있다. 통상 두 기판의 외측에는 편광판이 설치되어 있고, TN 방식에 있어서는 각 편광판의 편광축은 각각의 기판 측의 배향 방향과 일치한다. 따라서 전압을 인가하지 않았을 때에는 한 쪽의 편광판을 통과한 직선 편광은 액정의 비틀림 배향에 따르는 형태로서, 액정층 속에서 선회해서 다른 쪽의 편광판으로부터 사출되고 표시는 백색으로 인식된다. 그리고, 화소 용량에 전압을 인가해서 액정층에 전계를 형성하는 것에 의해, 액정은 유전율 이방성 때문에 전계에 대해서 평행이 되도록 배향을 변화하고, 비틀림 배열이 붕괴되어 액정층 사이에서 입사 직선 편광이 선회되지 않게 되고 다른 방향의 편광판으로부터 사출되는 광량이 감소하여 표시는점차적으로 검게 되어간다. 이와 같이 전압 무인가시에는 백색을 표시하고 전압 인가에 따라서 검게 되는 방식은 노멀리 화이트 모드(normally white mode)라 불려지고 TN 셀의 주류로 되어 있다.

도 5 및 도 6에 종래의 액정 표시 장치의 단위 화소 부분의 구조를 도시한다. 도 5는 평면도, 도 6은 도 5의 G-G선에 따른 단면도이다. 기판(100) 상에 Cr, Ta, Mo 등의 금속으로 이루어지는 게이트 전극(101)이 형성되고, 이것을 덮어서 SiNx 또는/및 SiO₂등으로 이루어지는 게이트 절연막(102)이 형성되어진다. 게이트 절연막(102) 위에는 p-Si 막(103)이 형성되어진다. p-Si막(103)은 이 위에 게이트 전극(101)의 형상으로 패터닝된 SiO₂등의 주입 스토퍼(104)를 이용해서 인, 비소 등의 불순물을 저농도로 함유한 (N-) 저농도(LD; Lightly doped) 영역(LD) 및 그 외측에 동일한 불순물을 고농도로 함유한 (N+) 소스 및 드레인 영역(S, D)을 형성한다. 주입 스토퍼(104)의 바로 밑에는 실질적으로 불순물이 함유되지 않은 진성층이고 채널 영역(CH)으로 이루어진다. 이러한 p-Si(13)를 덮고 SiNx등으로 이루어지는 층간 절연막(105)이 생성되고 층간 절연막(105) 위에는 Al, Mo등으로 이루어지는 소스 전극(106) 및 드레인 전극(107)이 형성되고 각각의 층간 절연막(105)에 열려진 콘택트홀을 통해서 소스 영역(S) 및 드레인 영역(D)에 접속된다. 이 TFT를 덮는 전면에는 SOG(SPIN ON GLASS), BPSG(BORO-PH-OSPHO SLICATE GLASS), 아크릴 수지 등의 평탄화 절연막(108)이 형성되어진다. 평탄화 절연막(108) 위에는 ITO(indum tin oxide)등의 투명 도전막으로 이루어지는 액정구동용 표시 전극(109)이 형성되고 평탄화 절연막(108)의 열려진 콘택트홀을 통해서 소스 전극(106)에 접속되어진다.

이러한 것들을 전부 덮는 전면에는 폴리이미드 등의 고분자막으로 이루어지는 배향막(120)이 형성되고 소정의 러빙(rubbing) 처리에 의해 액정의 초기 배향을 제어하고 있다. 한편 액정층을 사이에 두고 기판(100)에 대향하는 위치에 설치된 다른 유리 기판(130) 위에는, ITO에 의해 전면에 형성된 공통 전극(131)이 설치되고, 공통 전극(131) 위에는 폴리이미드 등의 배향막(133)이 형성되고, 러빙 처리가 수행되어진다.

여기서는 액정(140)으로는 부(-)의 유전율 이방성을 가진 네마틱 상을 이용하고, 배향막(120,133)으로는 수직 배향막을 이용한 DAP(deformation of vertically aligned phase)형을 도시했다. DAP형은 전압 제어 복굴절(ECB; electrically controlled birefringence) 방식 중 하나이고 액정 분자 장축과 단축과의 굴절율의 차, 즉 복굴절을 이용해서 투과율을 제어하는 것이다. DAP형에서 전압 인가 시에는 직교 배향된 편광판의 한 쪽을 투과한 입사 직선 편광이 액정층에서 복굴절에 의해 타원 편광으로 되고, 액정층의 전계 강도에 따라서 리타데이션(retardation)량, 즉 액정중의 정상 광성분과 이상 광성분의 위상 속도의 차이를 제어함으로써 다른 한 쪽의 편광판으로부터 원하는 투과율로 사출시킨다. 이 경우 전압 무인가 상태로부터 인가 전압을 상승시키는 것에 의해 표시는 흑으로부터 백으로 변화해 가는 것이기 때문에 노멀리 블랙 모드(normally black mode)로 된다.

이와 같이 액정 표시 장치에는 소정의 전극이 형성된 한 쌍의 기판 사이에 장진된 액정에 원하는 전압을 인가해서 액정층 내의 광의 선회 혹은 복굴절을 제어함으로써 의도한 투과율 혹은 색상을 얻어 표시 화상을 이룬다. 즉 액정의 배향을 변화시켜 리타데이션량을 제어함으로써, TN 방식에 있어서는 투과광 강도를 조정할 수 있게 됨과 동시에, ECB 방식에 있어서는 파장에 의존한 분광 강도를 제어해서 색상의 분리도 가능하다. 그러나 액정의 특성에 의해, 액정의 배향 제어에 대한 응답 속도의 지연이 문제가 되어 왔다.

본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위해 구성되고, 복수 형성된 표시 전극과 대향 전극과의 사이에 수직 배향된 액정 분자를 갖는 액정층이 설치되고, 전계에 의해 상기 액정 분자의 배향을 제어하는 수직 배향 방식의 액정 표시 장치에 있어서, 상기 액정층의 액정으로서 사용하는 액정의 굴절율 이방성 Δn과, 상기 표시 전극과 상기 대향 전극과의 사이의 거리인 셀 갭 d[㎛]와의 관계가 Δn·d < -0.033·d + 0.88을 만족하는 구성이다. 이것에 의해 응답 시간을 단축할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 단위 화소부의 평면도.

도 2는 도 1의 A-A 선에 따른 단면도.

도 3은 투과율과 구동 전압과의 관계를 도시한 그래프.

도 4는 Δn·d, d, 및 응답 속도와의 관계를 도시한 그래프.

도 5는 종래의 액정 표시 장치의 단위 화소부의 평면도.

도 6은 도 5의 G-G 선에 따른 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 기판

11 : 게이트 전극

12 : 게이트 절연막

13 : p-Si

14 : 주입 스토퍼

15 : 층간 절연막

16 : 소스 전극

17 : 드레인 전극

19 : 표시 전극

20, 33 : 배향막

30 : 유리 기판

31 : 공통 전극

40 : 액정

41 : 액정 분자

50 : 배향 제어창

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 실시예에 관한 액정 표시 장치의 단위 화소 구조를 도시한다. 도 1은 평면도, 도 2는 도 1의 A-A 선에 따른 단면도이다. 기판(10)상에 Cr, Ta, Mo등의 금속으로 이루어지는 게이트 전극(11)이 형성되고 이것을 덮어서 SiNx 혹은/ 및 SiO₂등으로 이루어지는 게이트 절연막(12)이 형성되어진다. 게이트 절연막(12) 위에는 p-Si(13)가 형성되어 있다. p-Si(13)는 그 위에 게이트 전극(11)의 형상으로 패터닝된 SiO₂등의 주입 스토퍼(14)를 이용해서 인, 비소 등의 불순물을 저농도로 함유한 (N-) 저농도(LD; Lightly doped) 영역(LD) 및 그 외측에 동일한 불순물을 고농도로 함유한 (N+) 소스 및 드레인 영역(S,D)을 형성한다. 주입 스토퍼(14)의 바로 밑은 실질적으로 불순물이 함유되지 않은 진성층으로 채널 영역(CH)이 형성되어 있다. 이러한 p-Si(13)를 덮어서 SiNx등으로 이루어지는 층간 절연막(15)이 형성되고 층간 절연막(15) 위에는 Al, Mo등으로 이루어지는 소스 전극(16) 및 드레인 전극(17)이 형성되고 각각 층간 절연막(15)에 열린 콘택트홀을 통해서 소스 영역(S) 및 드레인 영역(D)에 접속되어진다. 이 TFT를 덮는 전면에는 SOG(SPIN ON GLASS), BPSG(BORO-PH-OSPHO SLICATE GLASS), 아크릴 수지 등의 평탄화 절연막(18)이 형성되어 있다. 평탄화 절연막(18) 위에는 ITO(indum tin oxide)등의 투명 도전막으로부터 이루어지는 액정 구동용 표시 전극(19)이 형성되고 평탄화 절연막(18)에 열린 콘택트홀을 통해서 소스 전극(16)에 접속되어진다.

이러한 전체를 덮는 전면에는 폴리아미드등의 고분자막으로 이루어지는 배향막(20)이 형성되어진다. 한편 액정층을 사이에 두고 기판(10)에 대향하는 위치에 설치된 다른 유리 기판(30) 위에는 ITO에 의해 전면에 형성된 공통 전극(31)이 설치되고 공통전극(31) 위에는 폴리아미드등의 배향막(33)이 형성되어져 있다. 본 발명에서는 배향막(20), (33) 및 액정(40)을 액정 분자(41)가 수직이 되도록 선정되어 있다.

또한, 표시 전극(19)과 대향하는 위치의 공통전극(31)쪽에는 Y자 형상의 슬릿을 상하 대칭으로 연결한 배향 제어창(60)이 형성되어진다. 이 배향 제어창의 바로 밑의 액정 분자(41)에는 경사 방향으로 전계가 걸리지 않으므로 수직으로 배향하지만, 그 주변에는 도 2의 점선으로 도시한 것과 같은 전계가 발생하고, 액정 분자(41)는 그 장축이 전계에 직각인 방향으로 배향 제어된다. 또 표시 전극(19)의 에지부분에 있어서도 똑같이 액정 분자(41)는 그 장축이 전계에 직각인 방향으로 배향 제어되고, 이러한 액정 분자의 경사가 액정의 연속성에 의해 내부의 액정에까지 전달된다. 따라서, 액정 분자(41)의 배향 제어 방향은 도 1의 화살표로 도시한 것처럼 표시 전극(19)의 중앙 부분에서는 거의 동일 방향이 되어 시야 특성과 투과율이 좋게 된다.

이상과 같은 구성의 액정 표시 장치에 있어서, 구동 전압 V와 투과율 T의 관계를 도 3에 도시한다. 도 3에 있어서, 실선 L1은 액정의 굴절율 이방성 Δn과 셀 갭 d의 곱이 큰 경우를 도시하고, 실선 L2는 액정의 굴절율 이방성 Δn과 셀 갭 d의 곱이 작은 경우를 도시하고 있다. 여기에서 액정의 굴절율 이방성 Δn과 셀 갭 d의 곱 Δn·d는 리타데이션으로 불러지고, 도 3으로부터 알 수 있듯이 동일한 투과율을 얻는데에 곱 Δn·d가 작은 쪽이 구동 전압 범위를 넓게 취할 수 있다. 그리고, 응답 속도는 이 구동 전압이 큰 만큼 빠르게 되기 때문에 곱 Δn·d가 작은 쪽이 바람직하다. 또한, 응답 속도는 셀 갭 d가 크면 느리게 되고, 작은 만큼 빠르게 된다.

여기에서, 일반적으로 응답 속도 τ는 전압을 인가하기 시작한 때부터 90%의 투과율이 얻어질 때까지의 시간을 τr, 전압의 인가를 정지한 후부터 투과율이 10%로 저하할 때까지의 시간을 τd로 하면, τ=(τr+τd)/2로 표시되고, 그 실용 범위는

이다.

그래서 본 출원인은 Δn·d 및 d를 변화시키면서 응답 시간을 측정하여 도 4에 도시한 실험 결과를 얻었다. 도 4에 있어서 종축은 Δn·d, 횡축은 d, ○, □, ◎, ●, ×의 우측의 괄호 안의 숫자는 Δn·d의 값과 d의 값에 대응한 응답 시간 τ을 도시하고 있다.

예를 들면, 가장 좌측 위의 ◎는 d가 3.6㎛, Δn·d가 1인 경우로서 응답 시간은 250ms로 된다. 1개 밑의 ×는 d가 3.6㎛, Δn·d가 0.85인 경우로서 응답 시간은 150ms로 된다. 이것으로부터 1개 밑의 ◎는 d가 3.6㎛, Δn·d가 0.75인 경우로서 응답 시간은 75ms로 된다. 여기로부터 1개 이하의 ●는 d가 3.6㎛, Δn·d가 0.52인 경우로서 응답 시간은 18ms로 된다. 이것으로부터 1개 밑의 ○는 d가 3.6㎛, Δn·d가 0.42인 경우로서 응답 시간은 12ms로 된다. 여기로부터 1개 밑의 ○는 d가 3.6㎛, Δn·d가 0.35인 경우로서 응답 시간은 7ms로 된다. 결국 셀 갭 d가 3.6㎛인 경우는 Δn·d가 약 0.77 이하가 아니면 실용 범위에 들지 못한다.

또, Δn·d가 동일 값인 경우, 셀 갭 d가 크게 되면 응답 속도는 길게 되고,예를 들면 Δn·d가 0.75인 경우에 d가 3.6㎛이면 응답 속도는 75ms로 충분한 실용 범위 내에는 있지만 d가 5.0㎛ 이상에서는 실용 한도 80ms를 초과해 버린다.

결국, 도 4에 도시한 실험 결과에 의해, 실선의 화살표로 도시한 것처럼 Δn·d와 d와의 관계가 점선으로 도시한 직선보다 아래의 범위내의 경우에는 응답 속도가 실용 범위를 만족한다고 할 수 있다. 그리고 이 범위를 수식으로 나타내면,

로 된다.

상기 수학식 2의 범위를 초과하면, 셀 갭 d가 두껍게 되는 것에 의한 영향과 도 3에 도시한 VT 특성이 급격하게 되어 구동 전압 범위가 작게 됨으로써 응답 속도가 극단적으로 저하한다.

이상과 같이 상기 수학식 2를 만족시키도록 Δn과 셀 갭을 결정하면 응답 시간을 단축시킬 수 있다.

이상의 설명으로부터 분명해지는 것처럼 액정의 굴절율 이방성 Δn과 셀 갭 d의 곱 Δn·d의 값을 -0.033·d + 0.88보다 작게 함으로써 응답 시간을 단축할 수 있다.

Claims

복수개 형성된 표시 전극과 대향 전극과의 사이에 수직 배향된 액정 분자를 갖는 액정층이 설치되고, 전계에 의해 상기 액정 분자의 배향을 제어하는 수직 배향 방식의 액정 표시 장치에 있어서,

상기 액정층의 액정으로서 사용하는 액정의 굴절율 이방성 Δn과, 상기 표시 전극과 상기 대향 전극과의 사이의 거리인 셀 갭 d[㎛]과의 관계가 Δn·d < -0.033·d + 0.88를 만족하는

것을 특징으로 하는 투과형 액정 표시 장치.