KR100595453B1 - 수평전계방식 액정표시소자 - Google Patents

수평전계방식 액정표시소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고휘도를 실현할 수 있는 수평전계방식 액정표시소자에 관한 것으로, 제1 및 제2기판; 상기 제1기판 상에 종횡으로 배열되어 복수의 화소를 정의하는 게이트라인 및 데이터라인; 상기 화소내에 배치되고, 눈(eye) 구조를 가지며, 상기 눈 영역(eye region) 내에 수평전계를 발생시키는 공통전극 및 화소전극; 상기 제1 및 제2기판의 대향면에 각각 형성되며, 상기 공통전극과 화소전극에 의해 발생되는 수평전계의 방향과 45°의 러빙방향을 갖는 배향막; 및 상기 제1 및 제2기판 사이에 형성된 액정층을 포함하여 구성되며, 상기 배향막의 러빙방향을 게이트라인 또는 데이터라인과 나란하게 형성된 수평전계방식 액정표시소자를 제공한다.

Description

수평전계방식 액정표시소자{IN PLANE SWITCHING MODE LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE}
도 1a 및 도 1b는 일반적인 수평전계방식 액정표시소자를 나타낸 도면.
도 2a 및 도 2b는 일반적인 수평전계방식 액정표시소자의 구동원리를 나타낸 도면.
도 3은 종래 수평전계방식 액정표시소자의 구동전압에 따른 광투과율 특성을 나타낸 도면.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제1실시예에 의한 수평전계방식 액정표시소자를 나타낸 도면.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제1실시예에 의한 액정표시소자의 구동원리를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 의한 액정표시소자의 구동전압에 따른 광투과율 특성을 나타낸 도면.
도 7은 제1분할영역의 등전위선을 나타낸 도면.
도 8은 2도메인에서의 액정의 복굴절(birefringence) 특성에 의한 이상광의 상쇄를 나타낸 도면.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 제2실시예에 의한 수평전계방식 액정표시소자를 나타낸 도면.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 제2실시예에 의한 수평전계방식 액정표시소자의 구동원리를 나타낸 도면.
도 11은 본 발명의 제3실시예에 의한 수평전계방식 액정표시소자를 나타낸 도면.
***도면의 주요부분에 대한 부호의 설명***
101, 201: 게이트라인 103, 203: 데이터라인
104,204: 공통전라인 106: 공통전극
107: 화소전극 206a: 제1공통전극
206b: 제2공통전극 207a: 제1화소전극
207b: 제2화소전극 114,214: 스토리지전극
P: 단위화소
P': 제1분할영역
P": 제2분할영역
본 발명은 수평전계방식 액정표시소자에 관한 것으로, 특히 최대휘도를 나타내기 시작하는 최대전압 이상에서도 최대휘도가 떨어지지 않고 그대로 유지되며, 고휘도를 갖는 수평전계방식 액정표시소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
고화질, 저전력의 평판표시소자(flat panel display device)로서 주로 액정표시소자가 사용되고 있다. 액정표시소자는 박막트랜지스터 어레이기판과 칼라필터 기판이 대향하여 균일한 간격을 갖도록 합착되며, 그 박막트랜지스터 어레이기판과 칼라필터기판 사이에 액정층이 형성된다.
박막트랜지스터 어레이기판은 화소들이 매트릭스 형태로 배열되며, 그 단위화소에는 박막트랜지스터, 화소전극 및 커패시터가 형성되고, 상기 칼라필터기판은 상기 화소전극과 함께 액정층에 전계를 인가하는 공통전극과 실제 칼라를 구현하는 R,G,B 칼라필터 및 블랙매트릭스가 형성되어 있다.
한편, 상기 박막트랜지스터 어레이기판과 칼라필터기판의 대향면에는 배향막이 형성되고, 러빙이 실시되어 상기 액정층이 일정한 방향으로 배열되도록 한다. 이때, 액정은 박막트랜지스터 어레이 기판의 단위 화소별로 형성된 화소전극과 칼라필터 기판의 전면에 형성된 공통전극 사이에 전계가 인가될 경우에 유전 이방성에 의해 회전함으로써, 단위화소별로 빛을 통과사키거나 차단시켜 문자나 화상을 표시하게 된다. 그러나, 상기와 같은 트위스트 네마틱 모드(twisted nematic mode) 액정표시소자(liquid crystal display device)는 시야각이 좁다는 단점이 있다.
따라서, 액정분자를 기판과 거의 횡방향으로 배향하여 시야각 문제를 해결하는 수평전계방식 액정표시소자(In Plane Switching mode LCD)가 최근에 활발하게 연구되고 있다.
도 1은 일반적인 수평전계방식 액정표시소자의 단위화소를 개략적으로 도시한 것으로, 도 1a는 평면도이고, 도 1b는 도 1a의 I-I'의 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 수평전계방색 액정표시소자는 투명한 제1기판(10) 상에 게이트라인(1) 및 데이터라인(3)이 종횡으로 배열되어 화소영역을 정의한다. 실제의 액정표시소자에서는 n개의 게이트라인(1)과 m개의 데이터라인(3)이 교차하여 n×m개의 화소가 존재하지만, 도면에는 설명을 간단하게 하기 위해 단지 한 화소만을 나타내었다.
상기 게이트라인(1)과 데이터라인(3)의 교차영역에는 게이트전극(1a), 반도체층(5) 및 소스/드레인전극(2a,2b)으로 구성된 박막트랜지스터(thin film transistor;9)가 배치되어 있으며, 상기 게이트전극(1a) 및 소스/드레인전극(2a,2b)은 각각 게이트라인(1) 및 데이터라인(3)에 접속된다. 또한, 게이트절연막(8)은 기판 전체에 걸쳐서 적층되어 있다.
화소영역 내에는 공통라인(4)이 상기 게이트라인(1)과 평행하게 배치되고, 액정분자를 스위칭 시키는 적어도 한쌍의 전극 즉, 공통전극(6)과 화소전극(7)이 데이터라인(3)과 평행하게 배치된다. 상기 공통전극(6)은 게이트라인(1)과 동일층에 형성되어 공통라인(4)에 접속되고, 화소전극(7)은 소스/드레인전극(2a,2b)과 동시층에 형성되어 박막트랜지스터(9)의 드레인전극(2b)과 접속된다. 그리고, 상기 소스/드레인전극(2a,2b)을 포함하는 기판 전체에 걸쳐서 보호막(11)이 형성되어 있다. 또한, 상기 공통라인(4)과 중첩되어 형성되며, 화소전극(7)과 접속하는 화소전극라인(14)은 그 사이에 개재된 절연막(8)을 사이에 두고 스토리지커패시터(Cst)를 형성한다.
또한, 제2기판(20)에는 박막트랜지스터(9), 게이트라인(1) 및 데이터라인(3) 으로 빛이 새는 것을 방지하는 블랙매트릭스(21)와 칼라를 구현하기 위한 칼라필터(23)가 형성되어 있으며, 그 위에는 칼라필터(23)를 평탄화하기 위한 오버코트막(25)이 도포되어 있다. 그리고, 상기 제1기판(10) 및 제2기판(20)의 대향면에는 액정의 초기 배향방향을 결정짓는 배향막(12a,12b)이 도포되어 있다.
또한, 상기 제1기판(10) 및 제2기판(20) 사이에는 상기 공통전극(6) 및 화소전극(7)에 인가되는 전압에 의해 빛의 투과율을 조절하는 액정층(13)이 형성되어 있다.
도 2a 및 도 2b는 상기와 같은 구조를 가지는 수평전계방식 액정표시소자의 구동원리를 나타낸 것으로, 도 2a 및 도 2b는 두 전극(6,7) 사이에 전압이 인가되지 않는 경우와 전압이 인가된 경우에 대하여 액정분자의 구동을 나타낸 것이다.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 수평전계방식 액정표시소자에서 전압이 인가되지 않는 경우에는 액정층 내에 액정분자가 제1 및 제2기판의 대향면에 도포된 배향막의 러빙방향(도면상의 화살표 방향 ↑)을 따라 배열되어 화면에 블랙을 나타낸다.
한편, 도 2b에 도시된 바와 같이, 공통전극(6)과 화소전극(7)에 전압이 인가되면, 이들 사이에 전계가 발생되고 액정분자는 이들 사이에 발생된 전계에 따라 전압에 따라 광을 투과시키게 된다.
도 3은 인가전압에 따른 광투과율을 나타낸 것으로, 도면에 도시된 바와 같이, 공통전극 및 화소전극에 인가되는 전압이 증가함에 따라 빛의 투과율은 선형적으로 증가하게 된다. 그러나, 전압이 계속해서 증가하게 되면, 투과율은 포물형을 나타내며 다시 떨어지게 된다. 이때, 최대투과율을 나타내는 전압값을 Vmax라 할때, 상기 Vmax 값은 액정분자가 배향막의 초기 배향방향과 45°를 이루는 지점으로, Vmax 이상의 전압이 인가되면 투과율은 떨어지게 된다.
그러나, 그래프에 나타낸 투과율은 이상적인 경우로써, 실제 제품에서는 이론치의 Vmax보다 작은 전압값에서 최대휘도를 나타낸다. 따라서, 이론치의 Vmax를 실제 제품에 적용할 경우, Vmax에서 휘도가 떨어지는 문제가 발생하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 이론치 Vmax보다 작은 전압을 실제 제품의 Vmax로 설정해주고 있으나, 이러한 경우에 제품이 나타낼 수 있는 최대휘도를 발휘하지 못할 가능성이 높아지게 된다.
따라서, 상기와 같이 구성된 수평전계방색 액정표시소자는 액정층(13)내의 액정 분자가 항상 동일한 평면(plane) 상에서 스위칭되어, 상하방향 및 좌우방향의 시야각 방향에서 계조표시(grey level)이 적기 때문에 때문에 시야각을 향상시킬 수 있는 장점이 있는 반면에, Vmax 이상에서 투과율이 떨어지는 문제점이 있었다.
또한, Vmax를 인가하여 화이트 상태를 표시해야할 경우, 액정분자들이 일괄적으로 일방향으로 배열되므로 액정분자의 단축방향에서 보는 화면은 노란색(yellow shift)을 띄게 되고, 장축방향에서 보는 화면은 파란색(blue shift)을 띄게 되어 화질이 저하되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 최대휘도를 나타내는 Vmax 이상에서도 투과율이 떨어지지 않는 수평전계방식 액정 표시소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 화면을 바라보는 방향에 따라 색상이 다르게 보이는 색전이(color shift) 현상을 개선하여 화질을 향상시킬 수 있는 수평전계방식 액정표시소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 휘도를 향상시킬 수 있는 횡전계방식 액정표시소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
기타 본 발명의 목적 및 특징은 이하의 발명의 구성 및 특허청구범위에서 상세히 기술될 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수평전계방식 액정표시소자는 제1 및 제2기판; 상기 제1기판에 종횡으로 배열되어 화소를 정의하는 게이트라인 및 데이터라인; 상기 게이트라인 및 데이터라인의 교차영역에 형성된 스위칭소자; 상기 화소내에 격자구조로 배치되어 복수의 제1분할영역을 정의하는 제1공통전극; 상기 화소내에 격자구조로 배치되어 상기 제1분할영역을 4개의 제2분할영역으로 정의하는 제1화소전극; 상기 제2분할영역 내에 서로 대향하는 제1공통전극의 일측을 연결하는 제2공통전극; 상기 제2분할영역 내에 서로 대향하는 제1화소전극의 일츨을 연결하며, 상기 제2공통전극과 함께 상기 제2분할영역 내에 수평전계를 발생시키는 제2화소전극; 상기 제1 및 제2기판의 대향면에 형성된 제1 및 제2배향막; 및 상기 제1 및 제2기판 사이에 형성된 액정층을 포함하여 구성된다.
상기 제1공통전극 및 제2화소전극과 상기 제1화소전극 및 제2공통전극은 상 기 제2분할영역 내에 각각 수평전계를 발생시킨다.
또한, 제1공통전극 및 제1화소전극은 서로 대칭이며, 정사각형 형태를 이루며, 상기 제2분할영역 또한 정사각형 모양을 가진다. 그리고, 상기 제2분할영역 내에 형성된 제2공통전극 및 제2화소전극은 일정한 곡률을 가지고, 서로 대칭이며, 눈(eye) 형상을 가진다.
아울러, 상기 스위칭소자는 상기 게이트라인과 접속하는 게이트전극; 상기 게이트전극 위에 형성된 게이트절연막; 상기 게이트절연막 위에 형성된 반도체층; 상기 반도체층 위에 형성된 소스전극 및 드레인전극을 포함하여 구성되며, 상기 제2기판에는 칼라필터 및 블랙매트릭스가 형성되어 있다.
그리고, 상기 제1 및 제2공통전극은 공통라인과 연결되어 있으며, 상기 공통라인을 통해 공통전압신호가 인가된다.
또한, 상기 제1 및 2화소전극은 스토리지전극과 연결되어 있으며, 상기 스토리지전극은 상기 게이트라인과 중첩하여 축적용량을 형성한다.
또한, 상기 배향막의 러빙방향은 상기 게이트라인의 방향과 동일하거나, 상기 데이터라인의 방향과 동일한 방향으로 형성되어 있다.
또한, 본 발명에 의한 수평전계방식 액정표시소자는 제1 및 제2기판; 상기 제1기판에 종횡으로 배열되어 화소를 정의하는 게이트라인 및 데이터라인; 상기 게이트라인 및 데이터라인의 교차영역에 형성된 스위칭소자; 상기 화소내에 격자구조로 배치되어 복수의 제1분할영역을 정의하는 제1공통전극; 상기 화소내에 격자구조로 배치되어 상기 제1분할영역을 4개의 제2분할영역으로 정의하는 제1화소전극; 상 기 제1공통전극과 전기적으로 연결되며, 상기 제1화소전극과 상기 제2분할영역 내에 수평전계를 발생시키고, 제1공통전극과 함께 부채꼴 형상을 이루는 제2공통전극; 상기 제1화소전극과 전기적으로 연결되며, 상기 제1 및 제2공통전극과 제2분할영역 내에 수평전계를 발생시키고, 제1화소전극과 함께 부채꼴 형상을 이루는 제2화소전극; 및 상기 제1 및 제2기판 사이에 형성된 액정층을 포함하여 구성된다.
상기 제2공통전극 및 제2화소전극은 서로 대칭이며, 눈(eye) 형성을 이루고 있다.
또한, 본 발명에 의한 수평전계방식 액정표시소자는 제1 및 제2기판; 상기 제1기판에 종횡으로 배열되어 화소를 정의하는 게이트라인 및 데이터라인; 상기 게이트라인 및 데이터라인의 교차영역에 형성된 스위칭소자; 상기 화소내에 "ㄱ" 또는 "ㄴ"자 형태로 배치되어 정사각형 모양을 이루는 제1공통전극 및 제1화소전극; 상기 정사각형 내부에 눈(eye) 형상으로 배치되어, 눈 형상 영역 내부에 수평전계를 발생시키는 제2공통전극 및 제2화소전극;및 상기 제1 및 제2기판 사이에 형성된 액정층을 포함하여 구성된다. 이때, 상기 제1공통전극 및 제2화소전극과 상기 제2공통전극 및 제1화소전극은 상기 정사각형 내부에서 수평전계를 발생시킨다.
또한, 본 발명에 의한 수평전계방식 액정표시소자는 제1 및 제2기판; 상기 제1기판 상에 종횡으로 배열되어 복수의 화소를 정의하는 게이트라인 및 데이터라인; 상기 화소내에 배치되고, 눈(eye) 구조를 가지며, 상기 눈 영역(eye region) 내에 수평전계를 발생시키는 공통전극 및 화소전극; 상기 제1 및 제2기판의 대향면에 각각 형성되며, 상기 공통전극과 화소전극에 의해 발생되는 수평전계의 방향과 45°의 러빙방향을 갖는 제1 및 제2배향막; 및 상기 제1 및 제2기판 사이에 형성된 액정층을 포함하여 구성되며, 상기 제1 및 제2배향막의 러빙방향은 게이트라인 또는 데이터라인고 형성되어 있다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 수평전계방식 액정표시소자는 공통전극 및 화소전극이 "ㄱ" 또는 "ㄴ" 자 모양을 가지며, 서로 대칭이 되도록 형성하고, 배향막의 러빙방향을 게이트라인 또는 데이터라인의 방향과 나란하게하여, 액정분자의 구동방향 및 러빙방향의 각이 최대 45°를 넘지 않도록 해줌으로써 최대전압 이상에서도 투과율이 떨어지는 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 발명은 공통전극 및 화소전극이 "ㄱ" 또는 "ㄴ" 자 모양을 가지며, 이들이 서로 대칭이 되도록 형성하여, 이들 사이에 발생되는 전계가 대각방향으로 이웃하는 화소와는 서로 동일하고, 좌우측 화소와는 서로 대칭이 되도록 함으로써, 멀티도메인을 형성하여 색전이(color shift) 특성을 개선할 수 있다.
특히, 본 발명은 상기 공통전극 및 화소전극에 의해 정의되는 정사각형 모양의 화소내에 눈(eye)형상의 대칭구조를 가지는 공통전극 및 화소전극을 추가로 형성함으로써, 고휘도 액정표시소자를 제공한다.
다시 말해, 상기 사각형 모양의 영역을 정의하는 공통전극 및 화소전극을 통해 최대전압 이상에서 휘도가 떨어지는 문제를 해결할 수 있으나, 상기 공통전극과 화소전극이 서로 대향하는 코너영역에는 액정이 정상적으로 구동하지 않게 된다. 따라서, 본 발명은 상기 사각형 영역내에 눈(eye) 모양의 또 다른 공통전극 및 화소전극을 형성함으로써, 상기 코너영역에도 액정이 정상적으로 구동할 수 있도록 한다.
이하, 첨부한 도면을 통해 상기와 같이 구성된 본 발명의 수평전계방식 액정표시소자 및 그 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 의한 수평전계방식 액정표시소자를 나타낸 것으로, 도 4a는 평면도이고, 도 4b는 도 4a의 II-II'의 단면이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 수평전계방식 액정표시소자(100)는 투명한 제1기판(110) 상에 게이트라인(101) 및 데이터라인(103)이 종횡으로 배열되어 단위화소(P)를 정의한다. 그리고, 상기 게이트라인(101)과 데이터라인(103)의 교차점에는 스위칭소자(109)가 형성되어 있으며, 상기 스위칭소자(109)는 게이트라인(101)의 일부로 형성된 게이트전극(101a)과 상기 게이트전극(101a) 위에 형성된 반도체층(105) 및 상기 반도체층(105) 상에 소정간격 이격하여 형성된 소스/드레인전극(102a,102b)으로 구성된다.
상기 단위화소(P)에는 격자구조로 형성되어 상기 단위화소(P)을 적어도 하나 이상의 제1분할영역(P')으로 나누는 공통전극(106) 및 격자구조를 가지며, 상기 제1분할영역(P')을 4개의 제2분할영역(P")으로 나누는 화소전극(107)이 형성되어 있다. 이때, 상기 제2분할영역(P")을 정의하는 공통전극(106) 및 화소전극(107)은 "ㄱ" 또는 "ㄴ"자 모양의 구조로 이루어져 있으며, 이들은 정사각형 모양을 형성한다. 따라서, 상기 제2분할영역(P")은 정사각형 모양을 가지며, 상기 공통전극(106) 및 화소전극(107)에 의해 대각선 방향(점선화살)으로 전계가 형성된다.
또한, 상기 공통전극(106)은 화소(P)의 외곽에 배치되어 상기 데이터라인(103)의 신호가 화소전극(107)의 신호에 미치는 영향을 차폐시켜주며, 상기 게이트라인(101)과 평행하게 배치된 공통라인(104)과 연결되어, 외부로부터 공통전압신호를 인가받게 된다. 그리고, 상기 화소전극(107)은 상기 게이트라인(101)과 중첩하는 스토리지전극(114)과 연결되며, 상기 스토리지전극(114)은 중첩영역에 게이트절연막(108)을 사이에 두고 축정용량(Cst)를 형성한다.
아울러, 상기 공통전극(106) 및 화소전극(107)은 이들 사이에 개재된 게이트절연막(108)에 의해서 전기적으로 절연되며, 상기 화소전극(107)을 포함하는 기판 전면에는 보호막(111)이 도포된다.
한편, 상기 제2기판(120)에는 빛이 새는 것을 막아주는 블랙매트릭스(121)와 칼라를 구현하기 위한 칼라필터(123)가 형성된다. 그리고, 상기 제1기판(110) 및 제2기판(120)의 대향면에는 액정의 초기 배향방향을 결정짓는 제1 및 제2배향막(112a,112b)이 도포되어 있으며, 그 사이에는 액정층(113)이 개재되어 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명이 횡전계방식 액정표시소자(100)는 상기 공통전극(106) 및 화소전극(107)에 인가되는 전압의 세기에 의존하여 액정분자를 구동시킴으로써, 광투과율을 조절하게 된다.
도 5a 및 도 5b는 상기와 같은 구조를 가지는 수평전계방식 액정표시소자의 구동원리를 나타낸 것으로, 도 5a 및 도 5b는 공통전극(106) 및 화소전극(107) 사 이에 전압이 인가되지 않은 경우와 전압이 인가된 경우에 대하여 제2분할영역(P") 내에서 이루어지는 액정분자의 구동을 나타낸 것이다.
먼저, 도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 공통전극(106) 및 화소전극(107)에 전압이 인가되지 않는 경우, 액정층 내에 액정분자(113a)는 제1 및 제2기판의 대향면에 도포된 배향막의 러빙방향(도면상의 화살표 방향 ↑)을 따라 배치된다. 이때, 상기 배향막의 러빙방향은 데이터라인(103)의 방향과 평행하게 형성되어 있기 때문에 데이터라인(103)방향과 나란하도록 액정분자(113a)이 배열된다. 따라서, 화면은 블랙을 나타내게 된다. 상기 러빙방향은 상기 게이트라인(101)의 방향과 나란하게 형성할 수도 있으며, 이 경우에는 상기 게이트라인(101)의 방향과 나란한 방향으로 액정이 배열된다.
한편, 도 5b에 도시된 바와 같이, 공통전극(106)과 화소전극(107)에 전압이 인가되면, 이들 사이에 발생된 전계에 의해서 액정분자(113a)의 구동이 이루어지게 되고, 이때 인가되는 전압의 세기에 따라 액정분자의 광투과능력이 결정된다.
도 6은 전압의 세기에 따른 광투과율을 나타낸 것으로, 도면에 도시된 바와 같이, 전압이 인가되지 않을 경우의 광투과율은 0이지만, 전압의 세기가 점차적으로 증가함에 따라 광투과율이 거의 선형적으로 증가하게 된다. 이때, 어느정도 전압 이상에서 전압값이 계속 증가하여도 투과율 증가하지 않고, 최대투과율을 그대로 유지하며, 종래와 같이(도 3참조) 투과율이 감소하지는 않는다. 이때, 최대투과율이 시작되는 전압값을 Vmax라 정의한다.
상기와 같이, Vmax 이상에서도 투과율이 떨어지지 않고, 최대투과율이 유지 되는 것은, 본 발명이 가지는 공통전극 및 화소전극의 구조 때문이다. 일반적으로 광투과율(T)은 아래의 [수학식 1]에 의해서 계산된다.
Figure 112003045607526-pat00001
여기서,
Figure 112003045607526-pat00002
는 편광판과 액정분자의 광축이 이루는 각이고, d는 셀갭, 그리고
Figure 112003045607526-pat00003
는 빛의 파장을 각각 나타낸다.
따라서, 편광판과 러빙방향이 동일한 경우 상기 [수학식 1]에 의해서
Figure 112003045607526-pat00004
값 즉, 편광판과 액정분자의 광축이 이루는 각이 45°일 때, 광투과율은 최대가 된다.
도 5b에 도시된 본 발명의 공통전극(106)과 화소전극(107)의 구조를 보면, 상기 공통전극(106) 및 화소전극(107)이 "ㄱ" 또는 "ㄴ"자 형태로 배치되어 정사각형의 제2분할영역(P")을 정의하기 때문에, 상기 두 전극(106,107)에 전압이 인가되면, 상기 제2분할영역(P")내에 코너부가 마주보는 대각선 방향(점선화살표)으로 전계가 형성된다. 이때, 형성되는 전계의 방향은 수직방향(러빙방향)에 대하여 대략 45°를 넘지 않는다. 따라서, Vmax 이상의 전압이 인가되더라도, 액정분자(113a)는 러빙방향에 대하여 45°를 넘지 않기 때문에 광투과율이 감소하지 않는 것이다.
다시말해, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 공통전극(106) 및 화소전극(107)에 Vmax 전압이 인가되면, 액정분자(113a)는 공통전극(106)과 화소전극(107) 사이에 발생되는 전계방향을 따라 배열되어, 빛을 투과시키게 된다. 이때, 제1분할영역(P')의 중앙부에 액정분자의 배열상태가 서로 다른 영역들 간의 경계면 이 형성되는데, 상기 경계면은 화소전극(107)으로써, 상기 제1분할영역(P')에 4개의 도메인을 형성하게 된다. 즉, 대각방향으로의 액정분자배열이 서로 동일하고, 경계면을 중심으로 양측의 액정분자 배열형태는 서로 대칭을 이룬다.
따라서, 도메인 경계면(화소전극;107)을 기준으로 나누어진 제2분할영역(P")에서는 액정이 정상적으로 구동하여 빛을 최대로 투과시키게된다.
또한, 상기와 같이 대칭성을 가지는 멀티 도메인(multi domain) 구조로 인해 액정의 복굴절(birefringence) 특성에 의한 이상 광을 서로 상쇄시켜 색전이(color shift) 현상을 최소화 할 수 있다.
즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 액정분자가 서로 대칭인 배열을 가지는 2도메인의 경우, 제1액정분자(213a)의 a1의 복굴절값은 상기 제1액정분자(213a)의 반대방향으로 분자배열을 취하는 제2액정분자의 a2의 복굴절값이 보상하게 되어 결과적으로 복굴절값이 약 0이 된다. 또한, c1의 복굴절값은 c2가 보상하게 된다. 따라서, 액정의 복굴절 특성에 의한 색전이 현상을 최소화 해줌으로써, 시야각에 따른 화질의 저하를 막을 수가 있다. 여기에서 점선으로 표시된 것을 등전위선을 나타낸다.
그러나, 상기와 같은 구조를 갖는 수평전계방식 액정표시소자는 공통전극(106)과 화소전극(107)이 서로 대향하는 중심부(A)에서는 러빙방향에 대하여 정확하게 45°방향으로 전계가 형성되어 최대투과율을 나타내지만, 전극이 꺽어지는 코너영역(B)에서는 등전위선 형성으로 인해 전계방향이 러빙방향과 45°를 이루지 못한다. 따라서, 이영역에서는 투과율이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 특히 이러한 문제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 본 발명의 다른 실시예에서는 상기 제2분할영역에 눈 형상구조를 갖는 공통전극 및 화소전극을 추가함으로써, 이러한 문제를 해결한다.
즉, 공통전극 및 화소전극에 의해 정의되는 제2분할영역에 눈형상 구조의 공통전극 및 화소전극을 추가로 형성하여, 최대투과율을 나타내는 A영역을 늘이고, 전계왜곡에 의해 휘도가 떨어지는 코너영역(B)을 줄임으로써, 전체휘도를 향상시킬 수가 있다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 다른 실시예로써, 제2분할영역의 중앙부에 최대투과율을 나타낼 수 있는 면적을 최대한 늘여 휘도를 향상시킬 수 있는 수평전계방식 액정표시소자를 나타낸 것으로, 도 9a는 평면도이고, 도 9b는 도 9a의 III-III'의 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 수평전계방식 액정표시소자(200)는 투명한 제1기판(210) 상에 게이트라인(201) 및 데이터라인(203)이 종횡으로 배열되어 단위화소(P)를 정의한다. 그리고, 상기 게이트라인(201)과 데이터라인(203)의 교차점에는 스위칭소자(209)가 형성되어 있으며, 상기 스위칭소자(209)는 게이트라인(201)의 일부로 형성된 게이트전극(201a)과 상기 게이트전극(201a) 위에 형성된 반도체층(205) 및 상기 반도체층(205) 상에 소정간격 이격하여 형성된 소스/드레인전극(202a,202b)으로 구성된다.
상기 단위화소(P)에는 격자구조로 형성되어 상기 단위화소(P)을 적어도 하나 이상의 제1분할영역(P')으로 나누는 제1공통전극(206a)과, 격자구조를 가지며 상기 제1분할영역(P')을 4개의 제2분할영역(P")으로 나누는 제1화소전극(207a)이 형성되어 있으며, 상기 제2분할영역(P")에는 눈형상 구조를 갖는 제2공통전극(206b) 및 제2화소전극(207b)이 형성되어 있다.
또한, 상기 제1공통전극(206a)은 데이터라인(203)과 인접하는 화소(P)의 외곽에 배치되어 상기 데이터라인(203)의 신호가 화소전극(207a,207b)의 신호에 미치는 영향을 차폐시켜주며, 상기 게이트라인(201)과 평행하게 배치된 공통라인(204)과 연결되어, 외부로부터 공통전압신호를 인가받게 된다. 그리고, 상기 제1화소전극(207a)은 상기 게이트라인(201)과 중첩하는 스토리지전극(214)과 연결되며, 상기 스토리지전극(214)은 중첩영역에 게이트절연막(208)을 사이에 두고 축정용량(Cst)를 형성한다.
아울러, 상기 제1 및 제2공통전극(206a,206b) 및 제1 및 제2화소전극(207a,207b)은 이들 사이에 개재된 게이트절연막(208)에 의해서 전기적으로 절연되어 있으며, 상기 제1 및 제2화소전극(207a,207b)을 포함하는 기판 전면에는 보호막(211)이 도포되어 있다. 이때, 상기 화소전극(207a,207b)을 보호막 위에 배치할 수도 있으며, 이러한 경우, 상기 화소전극을 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide)와 같은 투명한 물질로 형성할 수 있기 때문에, 개구율을 더욱 향상시킬 수가 있다.
한편, 상기 제2기판(220)에는 빛이 새는 것을 막아주는 블랙매트릭스(221)와 칼라를 구현하기 위한 칼라필터(223)가 형성된다. 그리고, 상기 제1기판(210) 및 제2기판(220)의 대향면에는 액정의 초기 배향방향을 결정짓는 제1 및 제2배향막(212a,212b)이 도포되어 있으며, 그 사이에는 액정층(213)이 개재되어 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명이 횡전계방식 액정표시소자(200)는 상기 제1,2공통전극(206a,206b) 및 제1,2화소전극(207a,207b)에 인가되는 전압의 세기에 의존하여 액정분자를 구동시킴으로써, 광투과율을 조절하게 된다.
도 10a 및 도 10b는 상기와 같은 구조를 가지는 본 발명의 수평전계방식 액정표시소자의 구동원리를 나타낸 것이다. 즉, 도 10a 및 도 10b는 제2분할영역(P")에서 제1,2공통전극(206a,206b) 및 제1,2화소전극(207a,207b) 사이에 전압이 인가되지 않은 경우와 전압이 인가된 경우에 대하여 액정분자의 구동을 나타낸 것으로, 이전 실시예(도 5a,도5b)와 구동 원리는 동일하다.
즉, 도 10a에 도시된 바와 같이, 제1,2공통전극(206a,206b) 및 제1,2화소전극(207a,207b)에 전압이 인가되지 않는 경우, 액정층 내에 액정분자(213a)는 배향막의 러빙방향(도면상의 화살표 방향 ↑)을 따라 배열된다. 이때, 상기 배향막의 러빙방향은 데이터라인(203)의 방향과 평행하게 형성되어 있기 때문에 데이터라인(203) 방향과 나란하도록 액정분자(213a)이 배열된다. 따라서, 화면은 블랙을 나타내게 된다. 상기 러빙방향은 상기 데이터라인(203)과 수직인 게이트라인(201)의 방향과 나란하게 형성할 수도 있으며, 이 경우에는 상기 게이트라인 (206)과 나란한 방향으로 액정이 배열된다.
한편, 도 10b에 도시된 바와 같이, 제1,2공통전극(206a,206b)과 제1,2화소전극(207a,207b)에 전압이 인가되면, 이들 사이에 발생된 전계에 의해서 액정분자(213a)의 구동이 이루어지게 되고, 이때 인가되는 전압의 세기에 따라 액정분자의 광투과능력이 결정되며, 이전 실시예와 동일하게 최대투과율을 나타내는 Vmax 이상에서도 투과율은 감소하지 않고, 최대투과율을 그대로 유지한다.
이와 같이, Vmax 이상에서도 투과율이 떨어지지 않고, 최대투과율이 유지되는 것은, 공통전극 및 화소전극의 구조 때문이다. 즉, 상기 제1,2공통전극(206a,206b) 및 제1,2화소전극(207a,207b)의 구조를 보면, 상기 제1공통전극(206a) 및 제1화소전극(207a)의 구조가 각각 90°꺽어진 구조로 형성되어 있으며, 각각 꺽인영역이 마주보는 정사각형 형태를 이루고 있다. 그리고, 상기 제1공통전극(206a) 및 제1화소전극(207a)에 의해 정의된 정사각형 영역내부에는 눈형상 구조(D)의 제2공통전극(206b) 및 제2화소전극(207b)이 배치되어 있으며, 상기 제2공통전극(206b) 및 제2화소전극(207b)에 의해 발생되는 전계방향은 러빙방향에 대하여 최대 45°를 넘지 못한다.
여기서, 설명의 편의를 위해, 상기 제2공통전극 및 제2화소전극(206b,207b)에 의해 정의되는 눈형상 구조의 영역을 C 영역이라 정의하고, 제1공통전극 및 제1화소전극(206a,207a)의 꺽임영역을 D 영역이라 정의하면, 상기 C 영역에서 발생되는 전계는 최대전압 이상에서도 러빙방향에 대하여 45°방향을 유지하기 때문에 최대투과율을 나타내는 영역이다. 반면에, 상기 D 영역에 발생되는 전계는 러빙방향에 대하여 정확하게 45°를 형성하지는 않지만, 이전 실시예에 비하여 광투과율은 향상된다. 즉, 이전에는(도 5b참조) 코너영역에 형성되는 등전위선을 보면, 전극구조를 따라 형성되며, 전극간의 거리가 너무 멀기 때문에, 코너영역(B영역)에서는 전계의 왜곡이 심하게 발생된다. 한편, 본 실시예에서 코너영역(D영역)에서 형성된 전계는 제1공통전극(206a)과 제2화소전극(207b) 또는 제2공통전극(206b)과 제1화소전극(207a)에 의한 것으로, 이전 실시예에 비해 전극 간의 거리를 줄여, 전계왜곡을 최소화할 수가 있다. 따라서, 코너영역의 휘도를 향상시킬 수가 있다.
아울러, 본 실시예서는 최대 광투과율을 나타내는 영역(C 영역)의 전극간 거리가 이전 실시예에 비해 가깝게 배치되기 때문에, 이영역에 형성되는 전계는 이전 실시예에 비해 강하게 형성된다. 이에 따라, 액정의 응답속도가 빨라지며, 최대휘도를 나타내는 Vmax을 낮출수가 있다.
또한, 본 실시예는 액정이 비정상적으로 구동하는 코너영역을 줄이고, 최대광투과영역을 증가시킴으로써, 전체적인 휘도향상을 꾀할 수 있다. 즉, 액정이 정상적으로 구동하는 (C 영역) 두 전극(206b,207b)간 거리(a)를 키우게 되면, 최대광투과영역은 증가하게 된다. 따라서, 전체휘도가 향상된다.
도 11은 본 발명의 또다른 실시예를 나타낸 것으로, 제2화소전극의 구조를 제외한 모든 구성요소가 이전실시예와 동일하며, 동일한 구성은 동일부호를 사용하고, 그 설명은 생략하도록 한다.
즉, 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 액정표시소자(300)는 눈(eye) 구조를 가지며, 그 내부에 러빙방향과 45°를 이루는 수평전계를 발생시키는 제2공통전극(206b) 및 제2화소전극(207b)이 배치되어 있으며, 그리고, 코너영역에 형성된 제1화소전극(207a')의 구조가 불연속적인 "+" 자 모양을 형성한다. 즉, 게이트라인(201)과 나란한 방향을 갖는 제1화소전극(207a')의 일부가 절단되어, 90°꺽여진 영역 형성된다. 이때, 절단영역이 데이터라인(203)과 나란하게 형성될 수도 있으며, 제1화소전극(207a') 대신, 제1공통전극(206a)이 불연속적으로 형성될 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 상기 공통전극 및 화소전극을 90°꺽어져, 서로 대향하도록 형성함으로써, 최대전압 이상에서도 투과율을 유지할 수가 있다. 상기와 같이 최대휘도가 떨어지지 않고 유지됨에 따라, 본 발명의 구조를 실제 제품에 적용할 경우, Vmax값을 이론치보다 높게 설정해 줄수 있기 때문에 최대휘도를 모두 발휘할 수가 있다.
특히, 본 발명은 공통전극 및 화소전극을 눈 형상으로 형성함으로써, 상기 눈형상 구조내에 배치된 액정이 모두 최대휘도를 나타내게 함으로써, 전체적인 휘도를 향상시킨다. 상기 눈형상을 가지는 공통전극 및 화소전극은 90°꺽여 서로 대향하는 또다른 공통전극 및 화소전극으로 형성된 구조 내부에 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명은 본 발명의 실시예에 나타낸 구조에만 한정하지 않으며, 눈형상구조를 가지며 그 내부에 러빙방향과 45°를 이루는 전계방향을 발생시키는 모든 구조를 포함한다.
본 발명의 기본개념을 화소의 내부에 눈구조를 가지는 화소전극 및 공통전극을 배치하는 것으로, 상기 화소전극과 공통전극에 의해 발생되는 수평전계는 러빙방향과 45°방향을 형성하는 모든 액정표시소자를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 공통전극 및 화소전극을 서로 수직으로 배열함으로써, Vmax 이상에서도 최대휘도가 떨어지지 않고 그대로 유지할 수 있도록 하며, 상기 공통전극 및 화소전극으로부터 서브화소 내부로 돌출되는 돌출전극을 두어 액정분자의 구동영역을 증가시킴으로써, 휘도를 더욱 향상시킨다.

Claims (25)

  1. 제1 및 제2기판;
    상기 제1기판에 종횡으로 배열되어 화소를 정의하는 게이트라인 및 데이터라인;
    상기 게이트라인 및 데이터라인의 교차영역에 형성된 스위칭소자;
    상기 화소내에 격자구조로 배치되어 복수의 제1분할영역을 정의하는 제1공통전극;
    상기 화소내에 격자구조로 배치되어 상기 제1분할영역을 4개의 제2분할영역으로 정의하는 제1화소전극;
    상기 제2분할영역 내에서 격자구조를 가지는 제1공통전극의 제1화소전극 근처 양단부를 연결하는 제2공통전극;
    상기 제2분할영역 내에서 격자구조를 가지는 제1화소전극의 제1공통전극 근처 양단부를 연결하여 상기 제2공통전극과 함께 상기 제2분할영역 내에 수평전계를 발생시키는 제2화소전극;
    상기 제1 및 제2기판의 대향면에 형성된 제1 및 제2배향막; 및
    상기 제1 및 제2기판 사이에 형성된 액정층을 포함하여 구성된 수평전계방식 액정표시소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1공통전극 및 제2화소전극은 상기 제2분할영역 내에 수평전계를 발생 시키는 것을 특징으로 하는 수평전계방식 액정표시소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1화소전극 및 제2공통전극은 상기 제2분할영역 내에 수평전계를 발생시키는 것을 특징으로 하는 수평전계방식 액정표시소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1공통전극 및 제1화소전극은 대각방향에 대하여 서로 대칭이며, 정사각형 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 수평전계방식 액정표시소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2분할영역은 정사각형 모양인 것을 특징으로 하는 수평전계방식 액정표시소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2공통전극 및 제2화소전극은 둥근(round)형상인 것을 특징으로 하는 수평전계방식 액정표시소자.
  7. 제1항에 있어서, 상기 스위칭소자는,
    상기 게이트라인과 접속하는 게이트전극;
    상기 게이트전극 상에 형성된 게이트절연막;
    상기 게이트절연막 상에 형성된 반도체층;
    상기 반도체층 상에 형성된 소스전극 및 드레인전극으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 수평전계방식 액정표시소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2기판은 칼라필터와 블랙매트릭스를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 수평전계방식 액정표시소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2공통전극과 전기적으로 연결되어 공통전압신호를 인가하는 공통라인을 추가로 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 수평전계방식 액정표시소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 2화소전극과 연결되며, 상기 게이트라인과 중첩되어 축적용량을 형성하는 스토리지전극을 추가로 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1,2배향막의 러빙방향은 상기 게이트라인의 방향과 동일한 방향인 것을 특징으로 하는 수평전계방식 액정표시소자.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1,2배향막의 러빙방향은 상기 데이터라인의 방향과 동일한 방향인 것을 특징으로 하는 수평전계방식 액정표시소자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제2공통전극 및 제2화소전극은 일정한 곡률을 가지며, 제2분할영역의 대각방향을 중심으로 서로 대칭인 것을 특징으로 하는 수평전계방식 액정표시소자.
  14. 제1 및 제2기판;
    상기 제1기판에 종횡으로 배열되어 화소를 정의하는 게이트라인 및 데이터라인;
    상기 게이트라인 및 데이터라인의 교차영역에 형성된 스위칭소자;
    상기 화소내에 격자구조로 배치되어 복수의 제1분할영역을 정의하는 제1공통전극;
    상기 화소내에 격자구조로 배치되어 상기 제1분할영역을 4개의 제2분할영역으로 정의하는 제1화소전극;
    상기 제2분할영역 내에서 격자구조를 가지는 상기 제1공통전극의 제1화소전극 근처 양단부를 연결하여 제1공통전극과 함께 부채꼴 형상을 이루며, 상기 제1화소전극과 상기 제2분할영역 내에 수평전계를 발생시키는 제2공통전극;
    상기 격자구조를 통해 제2분할영역을 정의하는 상기 제1화소전극의 제1공통전극 근처 양단부를 연결하여 제1화소전극과 함께 부채꼴 형상을 이루며, 상기 제1 및 제2공통전극과 제2분할영역 내에 수평전계를 발생시키는 제2화소전극; 및
    상기 제1 및 제2기판 사이에 형성된 액정층을 포함하여 구성된 수평전계방식 액정표시소자.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2공통전극 및 제2화소전극은 대각방향에 대하여 서로 대칭인 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 수평전계방식 액정표시소자.
  16. 제1 및 제2기판;
    상기 제1기판에 종횡으로 배열되어 화소를 정의하는 게이트라인 및 데이터라인;
    상기 게이트라인 및 데이터라인의 교차영역에 형성된 스위칭소자;
    상기 화소내에 격자구조로 배치되어 화소를 복수의 영역으로 분할하며, 제1수평전계를 형성하는 제1공통전극 및 제1화소전극;
    상기 분할영역 내에서 상기 제1공통전극의 양단부를 연결하며, 둥근(round)형상을 갖는 제2공통전극;
    상기 분할영역 내에서 상기 제1화소전극의 양단부를 연결하며, 둥근형상을 갖는 제2화소전극;및
    상기 제1 및 제2기판 사이에 형성된 액정층을 포함하여 구성된 수평전계방식 액정표시소자.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1공통전극과 제2화소전극은 상기 분할영역 내부에서 제2수평전계를 발생시키는 것을 특징으로 하는 수평전계방식 액정표시소자.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제2공통전극과 상기 제1화소전극은 상기 분할영역 내부에서 제3수평전계를 발생시키는 것을 특징으로 하는 수평전계방식 액정표시소자.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 게이트라인과 나란한 제1화소전극의 일부가 절단영역을 갖는 것을 특징으로 하는 수평전계방식 액정표시소자.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 데이터라인과 나란한 제1화소전극의 일부가 절단영역을 갖는 것을 특징으로 하는 수평전계방식 액정표시소자.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 게이트라인과 나란한 제1공통전극의 일부가 절단영역을 갖는 것을 특징으로 하는 수평전계방식 액정표시소자.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 데이터라인과 나란한 제1공통전극의 일부가 절단영역을 갖는 것을 특징으로 하는 수평전계방식 액정표시소자.
  23. 제16항에 있어서,
    상기 제1공통전극과 제1화소전극에 의해 발생되는 제1수평전계의 방향과 45°의 러빙방향을 갖는 제1 및 제2배향막을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 수평전계방식 액정표시소자.
  24. 제23항에 있어서, 상기 제1 및 제2배향막의 러빙방향은 게이트라인과 나란하게 형성된 것을 특징으로 하는 수평전계방식 액정표시소자.
  25. 제23항에 있어서, 상기 제1 및 제2배향막의 러빙방향은 데이터라인과 나란하게 형성된 것을 특징으로하는 수평전계방식 액정표시소자.
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