KR100623985B1 - 광시야각 액정 표시 장치 및 그에 사용되는 기판 - Google Patents

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Abstract

제1 기판 위에 색 필터가 형성되어 있고, 색 필터 위에 공통 전극이 형성되어 있으며, 공통 전극 위에 블랙 매트릭스가 형성되어 있다. 이 때, 블랙 매트릭스는 돌기의 역할도 한다. 제2 기판에는 개구 패턴을 가지고 있는 화소 전극이 형성되어 있다. 제1 기판과 제2 기판의 사이에는 액정 물질이 주입되어 수직 배향되어 있다. 이렇게 하면, 통상의 수직 배향 액정 표시 장치에 비하여 공정을 전혀 추가하지 않고도 개구 패턴과 돌기를 형성하여 광시야각을 확보할 수 있고, 상판의 공통 전극을 패터닝하지 않아도 되므로 공통 전극 전압이 증가하거나 고가의 오버코트(overcoat)막을 형성해야 하는 등의 문제점이 해소된다.
액정표시장치, 돌기, 개구부, 블랙매트릭스, 색필터

Description

광시야각 액정 표시 장치 및 그에 사용되는 기판{LIQUID CRYSTAL DISPLAYS AND PANELS FOR THE SAME}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 액정 표시 장치의 배치도이고,
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선에 대한 단면도이고,
도 3a와 도 3b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 액정 표시 장치에 있어서 돌기의 경사각이 90°인 경우의 등전위면과 광투과율 곡선을 나타내는 도면으로서 각각 전계인가 후 과도 상태와 정상 상태에서의 도면이고,
도 4a와 도 4b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 액정 표시 장치에 있어서 돌기의 경사각이 45°인 경우의 등전위면과 광투과율 곡선을 나타내는 도면으로서 각각 전계인가 후 과도 상태와 정상 상태에서의 도면이고,
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치에 있어서 개구부와 돌기의 다양한 평면적 모양을 나타내는 배치도이고,
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 액정 표시 장치의 단면도이고,
본 발명은 액정 표시 장치 및 그에 사용되는 박막 트랜지스터 기판에 관한 것으로서, 특히 화소 전극에 개구 패턴과 돌기를 형성하는 수직 배향 액정 표시 장치 및 그에 사용되는 박막 트랜지스터 기판에 관한 것이다.
액정 표시 장치는 일반적으로 공통 전극과 컬러 필터(color filter) 등이 형성되어 있는 상부 기판과 박막 트랜지스터와 화소 전극 등이 형성되어 있는 하부 기판 사이에 액정 물질을 주입해 놓고 화소 전극과 공통 전극에 서로 다른 전위를 인가함으로써 전계를 형성하여 액정 분자들의 배열을 변경시키고, 이를 통해 빛의 투과율을 조절함으로써 화상을 표현하는 장치이다.
그런데 액정 표시 장치는 시야각이 좁은 것이 중요한 단점이다. 이러한 단점을 극복하고자 시야각을 넓히기 위한 다양한 방안이 개발되고 있는데, 그 중에서도 액정 분자를 상하 기판에 대하여 수직으로 배향하고 화소 전극과 그 대향 전극인 공통 전극에 일정한 개구 패턴을 형성하거나 돌기를 형성하는 방법이 유력시되고 있다.
종래의 개구 패턴을 형성하는 방법으로는 화소 전극과 공통 전극에 각각 개구 패턴을 형성하여 이들 개구 패턴으로 인하여 형성되는 프린지 필드(fringe field)를 이용하여 액정 분자들이 눕는 방향을 조절함으로써 시야각을 넓히는 방법이 있다.
그러나 이 경우에는 컬러 필터 위에 형성되어 있는 ITO(indium tin oxide)로 이루어진 공통 전극을 사진 식각(photolithography) 공정을 사용하여 패터닝(patterning)해야 하므로 사진 식각 공정이 추가된다.
또 컬러 필터 위에 스퍼터링(sputtering)으로 증착된 ITO와 컬러 필터 수지(resin)와의 접착력이 좋지 않아서 공통 전극의 식각에 있어서 정밀도가 떨어진다. 또 ITO 식각시 컬러 필터가 노출되면서 손상을 입는 문제가 있어서 이를 방지하기 위하여는 컬러 필터 위에 신뢰성 있는 유기 절연막(오버코트막)을 코팅(coating)해야 하는데 이 오버코트막의 가격이 비싼 문제점이 있다. 오버코트막을 형성하면 공통 전극이 크롬(Cr) 등으로 형성되는 블랙 매트릭스(black matrix)와 직접 접촉하지 못하므로 저항이 증가하여 플리커(flicker) 불량이 심해지는 등의 문제도 발생한다.
또한, 공통 전극에 개구 패턴이 형성되므로 공통 전극의 저항 증가가 가중된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 돌기 형성을 위한 추가적인 사진 공정없이 광시야각 액정 표시 장치를 제조하는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 블랙 매트릭스로 돌기를 형성한다.
구체적으로는, 기판 위에 색 필터가 형성되어 있고, 색 필터 위에 제1 투명 전극층이 형성되어 있으며, 제1 투명 전극층 위에는 블랙 매트릭스층이 형성되어 있다. 이러한 블랙 매트릭스층은 절연막 돌기로서 기능하며 화소 전극에 형성되어 있는 개구 패턴과 결합하여 도메인을 형성한다.
그러면 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 기판의 구조에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 액정 표시 장치의 배치도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선에 대한 단면도이다.
액정 표시 장치는 크게 상부 기판(200), 하부 기판(100) 및 액정층(300)으로 이루어진다. 이외에도 편광판(도시하지 않음), 보상판(도시하지 않음), 도광판(도시하지 않음) 등도 포함되나 설명은 생략한다.
하부 기판(100)에는 가로 방향으로 게이트선(122)과 유지 전극선(127)이 뻗어 있다. 게이트선(122)과 유지 전극선(127)의 위에는 게이트 절연막(130)이 형성되어 있다. 게이트 절연막(130)의 위에는 스위칭 소자인 박막 트랜지스터의 반도체층(142)이 형성되어 있고, 반도체층(142)의 위에는 접촉층(도시하지 않음)이 형성되어 있다. 또 게이트 절연막(130) 위에는 세로 방향으로 데이터선(162)이 형성되어 있다. 데이터선(162)에는 분지로서 소스 전극(165)이 형성되어 있고, 소스 전극(165)과 대향하는 드레인 전극(166)이 소스 전극(165)과 분리되어 형성되어 있다. 소스 전극(165)과 드레인 전극(166)은 접촉층의 위에까지 연장되어 있다. 데이터선(162), 소스 전극(165) 및 드레인 전극(166) 등의 위에는 드레인 전극(166)을 노출시키는 접촉구(181)를 가지는 보호 절연막(180)이 형성되어 있다. 보호 절연막(180)의 위에는 개구 패턴(171)을 가지는 화소 전극(170)이 형성되어 있다. 개구 패턴(171)은 십자 모양(+)으로 형성되어 있다. 그러나 후술하는 바와 같이 개구 패턴(171)은 여러 다양한 모양으로 형성할 수 있다.
상부 기판(200)의 아래면에는 적, 녹, 청색의 색 필터(210)가 형성되어 있 고, 색 필터(210)의 위에는 기판(200)의 전면에 걸쳐 공통 전극(220)이 형성되어 있다. 공통 전극(220)은 ITO(indium tin oxide) 등의 투명한 도전 물질로 이루어져 있다. 공통 전극(220)의 위에는 블랙 매트릭스(230)가 형성되어 있다. 이 때, 블랙 매트릭스(230)는 절연막으로서 새는 빛을 차단하는 역할과 함께 액정 분자의 배향에 영향을 주는 돌기로서의 기능도 한다. 이를 위해 블랙 매트릭스(230)는 1.2㎛ 이상의 두께로 형성하는 것이 바람직하고, 적어도 0.5㎛ 이상이 되어야 한다. 일반적으로는 블랙 매트릭스(230)는 유기물로 형성하는 것이 바람직하나 무기물로 형성할 수도 있다.
이 때, 색 필터(210)는 상부 기판(200)이 아닌 하부 기판(100)에 형성될 수도 있다.
상하 기판(100, 200)의 사이에는 액정 물질이 주입되어 액정층(300)을 형성하고 있다. 액정층(300)의 액정 분자는 전계가 인가되지 않은 상태에서 기판(100, 200)에 대하여 장축이 수직을 이루도록 배향되어 있다.
이렇게 액정 표시 장치를 제조하면 하부 기판(100)의 개구 패턴(171)과 상부 기판(200)의 블랙 매트릭스(230)로 이루어진 돌기에 의하여 상하 기판(100, 200) 사이에 형성되는 전기장이 기판(100, 200)에 대하여 일정한 방향성을 가지게 된다. 이 때, 돌기는 액정층(300)과의 유전율 차이로 인해 전기장을 변형시키는데 기여하게 된다. 또 돌기는 액정 분자의 초기 배향 상태에도 영향을 미쳐 돌기 부근의 액정 분자는 전계가 인가되지 않은 상태에서도 기판에 대하여 어느 정도 기울어져 있게 된다.
액정 분자가 기울어지는 방향은 개구 패턴(171)과 블랙 매트릭스(230)가 중첩되어 형성하는 각 도메인 내에서 일정한 방향성을 가지게 된다. 각 도메인 내의 액정 분자들의 평균 장축 방향을 기준으로 하여 도메인을 분류하면 도메인은 4방향 각 1종류씩 4종류로 분류된다. 이러한 도메인 내의 액정 분자의 방향성으로 인하여 4방향 모두에서 넓은 시야각이 확보된다.
도 3a와 도 3b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 액정 표시 장치에 있어서 돌기의 경사각이 90°인 경우의 등전위면과 광투과율 곡선을 나타내는 도면으로서 각각 전계인가 후 과도 상태와 정상 상태에서의 도면이고, 도 4a와 도 4b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 액정 표시 장치에 있어서 돌기의 경사각이 45°인 경우의 등전위면과 광투과율 곡선을 나타내는 도면으로서 각각 전계인가 후 과도 상태와 정상 상태에서의 도면이다.
도 3a와 도 4a는 전계인가 후 10ms가 경과된 후의 상태이다. 양자 모두 투과율이 일정치 않고 낮으나 도 4a쪽이 좀더 빠른 속도로 투과율이 상승하고 있음을 알 수 있다. 도 3b와 도 4b는 전계인가 후 100ms가 경과된 후의 상태로서 액정 분자의 동작이 거의 완료된 상태이다. 양자 모두 개구 패턴(171)과 블랙 매트릭스 돌기(230) 부분을 제외하고는 일정하고 높은 투과율을 나타내고 있다.
이상에서 돌기의 측면 경사각이 90°일 때 보다 45°일 때 투과율이 빨리 증가하여 안정화되는 것을 알 수 있다. 이는 액정 표시 장치의 화상 표시 속도가 45°일 때가 더 빠르다는 것을 말한다. 그 이유는 45°일 때는 돌기의 경사에 의하여 돌기 주위의 액정 분자들이 초기 배향 상태에서 기판(100, 200)에 대하여 어느 정도 기울기를 가지게 되나 90°일 때는 그렇지 못하기 때문이다. 따라서 돌기의 경사각은 90°보다는 작아야 한다.
그러면 본 발명의 실시예에 있어서 화소 전극의 개구 패턴과 블랙 매트릭스로 이루어진 돌기의 평면적 배치에 대하여 살펴본다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치에 있어서 개구 패턴과 돌기의 다양한 평면적 모양을 나타내는 배치도이다.
먼저, 도 5a를 보면, 가로 방향으로 형성되어 있는 2개의 게이트선(122)과 세로 방향으로 형성되어 있는 2개의 데이터선(162)이 교차하여 이루는 영역 안에 게이트 전극(126), 소스 전극(165), 드레인 전극(166) 및 반도체층(140) 등으로 이루어진 박막 트랜지스터와 연결되어 있는 화소 전극(170)이 형성되어 있다.
상부 기판의 블랙 매트릭스(230)에 의하여 형성된 돌기는 하부 기판의 화소 전극(170)을 상하로 반분하는 위치에 가로 방향으로 형성되어 있는 가로부와 반분된 화소 전극(170)의 상하 부분에 각각 사선 방향으로 형성되어 있는 사선부를 포함한다. 이 때 상하의 사선부는 서로 수직을 이루고 있다. 이는 전계의 기울어지는 방향을 4 방향으로 고르게 분산시키기 위함이다.
화소 전극(170)에 형성되어 있는 개구 패턴(171)은 블랙 매트릭스(230)로 이루어진 돌기의 사선부를 가운데에 끼고 있으며 이와 나란한 사선 개구부와 화소 전극(170)의 좌우 변과 나란한 세로 개구부를 포함하고 있다.
블랙 매트릭스(230)로 이루어진 돌기와 화소 전극(170)의 개구 패턴(171)은 서로 중첩하여 화소 전극(170)을 다수의 도메인으로 분할하고 있다. 이 때, 각 도 메인은 가장 긴 두 변이 서로 평행한 다각형을 이룬다. 이는 액정 분자의 응답 시간을 짧게 하기 위한 것이다. 즉 블랙 매트릭스(230)와 개구 패턴(171)에 의하여 형성되는 기울어진 전계에 의하여 액정 분자가 배열되는 방향이 곧 액정 분자 상호간에 나란한 상태가 되도록 하는 것이다. 이렇게 하면, 1단계 동작만으로 액정 분자의 동작이 완료되기 때문에 응답 시간이 단축된다.
게이트선(122)과 동일한 층에 형성되어 있는 유지 전극선(127)은 블랙 매트릭스(230)의 가로부와 중첩되어 있다. 이는 개구율을 최대한 증가시키기 위함이다. 화소 전극(170) 좌우로는 유지 전극(128)이 형성되어 유지 전극선(127)에 연결되어 있다.
도 5b를 보면, 화소 전극(170)의 개구 패턴(171)은 가로 방향으로 형성된 가로 개구부와 세로 방향으로 형성된 세로 개구부를 포함한다. 블랙 매트릭스(230)는 화소 전극(170)의 변두리와 중첩되도록 형성된 둘레부와 두 개의 가로 개구부의 사이에 형성되어 있는 가로부를 포함한다.
개구 패턴(171)과 블랙 매트릭스(230)는 중첩하여 화소 전극(171)을 다수의 도메인으로 분할한다. 이 때, 각 도메인은 가장 긴 두 변이 서로 평행한 다각형을 이룬다.
기타 게이트선(122), 데이터선(162), 유지 전극선(127) 등의 배선 및 박막 트랜지스터는 도 5a와 동일하다.
도 5c를 보면, 개구 패턴은 X자 모양 개구부 수 개가 일렬로 배열되어 있는 형태이다. 블랙 매트릭스(230)는 둘레부와 가로부를 포함하고 있으며 X자 모양 개 구부 각각을 고립시키는 형태로 되어 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 액정 표시 장치에 대하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 액정 표시 장치의 단면도이다.
상부 기판(200)에는 공통 전극(220)의 위에 형성되어 있는 블랙 매트릭스(230)에 의하여 돌기가 형성되어 있다. 도 6에는 보호막(240)이 공통 전극(220)과 색 필터(210) 사이에 형성되어 있으나 이는 생략될 수도 있다.
하부 기판(100)에는 화소 전극(170)이 형성되어 있고, 화소 전극(170)의 개구 패턴(171) 안에는 유지 전극(190)이 형성되어 있다.
유지 전극(190)은 개구 패턴에 의하여 생기는 프린지 필드를 더 강하게 하는 효과가 있다.
이러한 유지 전극(170)은 게이트 배선을 이루는 물질로 게이트 배선과 같은 층에 형성한다. 유지 전극(122)은 크롬층과 알루미늄-네오디뮴층의 이중층으로 형성되어 있다. 그러나 게이트 배선을 단일층으로 형성하는 경우에는 유지 전극(122)도 단일층으로 형성된다.
이상과 같은 방법으로 액정 표시 장치용 기판을 제조하면, 통상의 수직 배향 액정 표시 장치에 비하여 사진 식각 공정 수를 줄이면서 개구 패턴과 돌기를 형성하여 광시야각을 확보할 수 있고, 상판의 공통 전극을 패터닝하지 않아도 되므로 공통 전극 저항이 증가하거나 고가의 오버코트(overcoat)막을 형성해야 하는 등의 문제점이 해소된다.

Claims (11)

  1. 제1 기판,
    상기 제1 기판 위에 형성되어 있는 제1 공통 전극층,
    상기 제1 공통 전극층 위에 형성되어 있는 블랙 매트릭스 패턴,
    상기 제1 기판과 대향하고 있는 제2 기판,
    상기 제2 기판 위에 형성되어 있는 게이트선,
    상기 게이트선과 절연되어 교차하고 있는 데이터선,
    상기 게이트선과 데이터선이 교차하여 이루는 영역에 형성되어 있으며 개구 패턴을 가지는 화소 전극,
    상기 데이터선을 통하여 전달되는 화상 신호를 상기 게이트선을 통하여 전달되는 주사 신호에 따라 상기 화소 전극에 전달 또는 차단하는 스위칭 소자
    를 포함하며,
    상기 화소 전극의 개구 패턴과 상기 블랙 매트릭스는 상기 화소 전극을 4개의 도메인으로 분할하는 액정 표시 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 기판과 상기 제1 공통 전극층의 사이에 형성되어 있는 색 필터를 더 포함하는 액정 표시 장치.
  3. 제1항에서,
    상기 도메인은 가장 긴 두 변이 서로 평행한 다각형인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  4. 제3항에서,
    상기 도메인은 가장 긴 두 변이 제1 방향인 제1 도메인과 제2 방향인 제2 도메인으로 분류되며, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 85°에서 95°사이의 각을 이루는 액정 표시 장치.
  5. 제4항에서,
    상기 제1 방향은 상기 화소 전극의 변에 대하여 사선 방향인 액정 표시 장치.
  6. 제4항에서,
    상기 제1 방향은 상기 화소 전극의 상하변 또는 좌우변 중의 하나와 평행한 액정 표시 장치.
  7. 제1항에서,`
    상기 화소 전극의 개구 패턴은 X자 모양 개구부 수 개가 일렬로 배열되어 있는 형태이고, 상기 블랙 매트릭스 패턴은 상기 X자 모양 개구부 각각을 고립시키고 있는 액정 표시 장치.
  8. 제1항에서,
    상기 제2 기판 위에 형성되어 있는 유지 전극을 더 포함하는 액정 표시 장치.
  9. 제8항에서,
    상기 유지 전극은 상기 게이트선과 동일한 층에 상기 게이트선과 동일할 물질로 형성되어 있는 액정 표시 장치.
  10. 제9항에서,
    상기 화소 전극은 개구 패턴을 가지며 상기 유지 전극은 상기 화소 전극의 개구 패턴과 중첩되는 액정 표시 장치.
  11. 제1항에서,
    상기 블랙 매트릭스층의 측면은 상기 기판에 대하여 90° 미만의 각도를 이루는 액정 표시 장치.
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