KR100652043B1 - 광 효율이 높고 공정이 간단한 반투과형 액정표시소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광반사도가 높고, 소비전력이 낮은 반투과형 액정표시소자에 관한 것이다. 종래의 반투과형 액정표시소자는 반투과 금속막의 두께를 조절하여, 투과되는 빛과 반사되는 빛의 양을 조절하거나, 또는 반사 금속막과, 금속막을 일부 식각한 부분에 투명도전막을 두어 그 면적의 비율로 반사 또는 투과 되는 빛의 양을 조절하였다. 반투과 금속막을 둘 경우에는, 반투과 금속막의 투과및 반사 분광특성이 파장 의존성을 띄므로 색재현이 어렵다. 또한 금속 반사막과 금속막 일부 식각한 부분에 투명도전막을 둘 경우에는 공정이 1 단계 추가 되었다. 본 발명에서는 반사 금속막에 일부 식각한 영역(30,32)을 만들어, 식각한 영역으로 백라이트에서 나온 빛이 투과되고, 금속 반사막 부분으로는 외부 광이 반사되도록 하였다. 그 결과 투명도전막을 쓰지 않으므로 박막공정을 한 단계 줄일 수 있었고, 또한 투명도전막을 쓰지 않으므로, 투명도전막에서 흡수되는 빛만큼 광투과 및 반사도를 높일 수 있다.

액정표시소자, 반사, 반투과형, 슬릿, 거울

Description

광 효율이 높고 공정이 간단한 반투과형 액정표시소자 { Transflective LCD with High Light Efficiency and Simple Process}

도1은 반투과형 액정표시소자의 광학 배치도이다.

도2는 수동구동 반투과형 액정표시소자의 전극 평면도이다.

도3은 반투과 금속막을 구동전극으로 쓴 종래의 반투과형 액정표시소자의 단면도이다.

도4는 반투과형 금속막의 분광반사 특성이다.

도5는 반투과 금속막과 투명도전막을 쓴 종래의 반투과형 액정표시소자의 단면도이다.

도6은 도5의 반투과형 액정표시소자의 반투과 금속막과 주사선 사이의 축적용량이다.

도7은 종래의 반투과 TFT 액정표시소자의 전극 평면도이다.

도8은 종래의 반투과 TFT 액정표시소자의 화소의 단면도이다.

도9는 슬릿패턴을 쓴 본발명의 수동구동 반투과 액정표시소자의 금속막의 평면도이다.

도10은 원형패턴을 쓴 본발명의 수동구동 반투과 액정표시소자의 금속막의 평면도이다.

도11 본발명의 수동구동 반투과형 액정표시소자의 단면도이다.

도12는 본발명의 반투과 TFT 액정표시소자의 전극 단면도이다.

도13은 시뮬레이션의 한 액정분자 배열의 한 예이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1,5 : 편광판 2,4 : 위상판 3 : 액정층 10 : 위 기판부

11 : 신호선 12 : 공통전극 13 : 배향막 19 : 위 유리기판

20 : 아래 기판부 21 : 주사선 22 : 게이트선 23 : 신호선

24 : 화소전극 25 : TFT 소자 26 : 반투과 금속막

27 : 투명도전막 28 : 절연막 29 : 아래 유리기판 30 : 슬릿패턴

32 : 원형패턴 40 : 러빙방향 41 : 슬릿패턴 단축 방향

42 : 백라이트의 광 43 : 외부 광

본 발명은 광반사도와 투과도를 높여 소비전력이 낮고, 화면 밝기의 파장 의존성을 줄여서, 휴대성과 칼라 재현성을 높인 반투과형 액정표시소자에 관한 것이다.

도1은 반투과형 액정표시소자의 광학 배치도이다. 반투과형 액정표시소자는 편광판(1,5)과 위상판(2,4)의 배치가 투과형과 비슷하다. 반투과형 액정표시소자 는 어두운 곳에서는 백라이트에서 나온 빛을 이용하고, 밝은 곳에서는 액정셀에 입사되는 외부광을 이용한다. 반투과형 액정표시소자는 반사형 액정표시소자와 투과형 액정표시소자의 구조를 합친 것이다. 광학배치는 투과형과 같고, 액정셀 내부 구조는 반사형 액정셀과 비슷하다. 외부광이 입사되는 쪽에 편광판(1)과 위상판(2)이 붙어있고 또한 백라이트와 접하는 부분에도 편광판(5)과 위상판(4)이 붙어있다. 액정셀은 위 기판부(10)와 아래 기판부(20) 그리고 그 사이에 액정층(3)이 있다. 액정표시소자는 구동방법에 따라서 능동구동 액정표시소자와 수동구동 액정표시소자로 구별할 수 있는데, 그 차이는 화소에 능동소자의 존재 여부이다. 능동구동 액정표시소자와 수동구동 액정표시소자의 액정셀의 전극 구조는 서로 다르다. 외부광(43)이 입사되는 위 기판부(10)에는 투명도전막으로 된 전극(11,12)이 있고, 백라이트에서 들어온 광(42)이 입사되는 쪽의 아래 기판부(20)에는 투과와 반사가 되는 전극 또는 반투과 전극이 있다. 도2는 수동구동 반투과형 액정표시소자 전극의 평면도이다. 도2의 (가)는 위 기판부(10)의 신호선(11)의 평면도이고, 도2의 (나)는 아래 기판부(20)의 주사선(21)의 평면도이다. 도2의 신호선(11)은 빛이 완전 투과되는 투명도전막이고, 도2의 주사선은 반투과 금속막이다. 반투과 금속막은 두께가 보통 300Å 미만으로, 두께를 대략 스킨뎁쓰(skin depth)의 2배 정도로 만든다. 만약 알루미늄 막이라면 이 정도의 두께에서 약 10% 정도의 빛은 투과되고, 80% 정도는 반사되고, 나머지 10%는 흡수된다. 수동구동형 반투과 액정표시소자는, 주위가 어두우면 백라이트에서 나와 주사선을 투과하는 빛(42)을 활용하여 정보를 나타내고, 밝으면 신호선(11)으로 들 어와 주사선(21)에서 반사되는 주변 빛(43)을 활용하여 정보를 나타낸다. 도3은 도2의 반투과 액정표시소자의 단면도이다. 외부에서 입사되는 빛(43) 가운데 주사선에서 반사되는 빛을 반사형으로, 백라이트에서 나온 빛 가운데 주사선(21)을 투과되는 빛을 투과형으로 활용한다. 수동형 액정표시소자는 주사선과 신호선에 걸리는 전압의 차이만으로 액정을 구동하는데, 보통 길이가 짧은 쪽을 신호선으로, 긴쪽을 주사선으로 쓴다. 도2와 도3의 구조로 수동구동 액정표사소자의 주사선을 만들면 두가지 문제가 있다. 첫번째는 반투과 금속막으로 쓴 주사선(21)은 매우 얇기 때문에 주사선을 피막하는 공정이 까다롭다. 반투과 금속막은 반사율이 높고, 박막 또는 식각 공정이 간단하고, 재료비가 저렴한 알루미늄을 많이 쓴다. 알루미늄을 반투과 금속막으로 쓸 경우에 두께가 약 300Å 미만인데, 막 두께를 ±10% 미만으로 공정을 관리해야한다. 또한 반투과 알루미늄막은 얇기 때문에, 주사선에 구동 IC를 부착할 경우 수분 등에 막이 부식될 우려가 있다. 두번째는 막 두께가 얇기 때문에 파장에 따른 스킨뎁쓰가 달라지므로 광반사도가 파장 의존성을 갖는다. 도4는 반투과 알루미늄막의 광 반사도에 따른 반사분광특성을 나타낸 나타낸 것이다. 박막이 아주 얇을 경우에는(반사도 30%) 파장의존성이 적으나. 박막이 두꺼울수록 스킨뎁쓰 영역에서는 파장 의존성을 커진다. 특히 빨간색 쪽으로 반사도가 떨어지는데, 이는 역으로 빨간색이 다른 색에 비하여 투과도가 높다는 의미이다. 이러한 박막을 반투과형 구동전극으로 쓸 경우에, 투과형은 빨간색이 투과가 잘되고, 반사형은 빨간색이 반사가 덜 되므로, 칼라필터의 기준을 삼기가 매우 어렵고, 두 경우를 모두 고려하여 칼라필터를 설계해야하므로, 색 순도가 떨 어진다.

도5는 도3의 구조를 개선한 종래의 반투과형 액정표시소자의 단면도이다. 도5의 구조는 반투과 금속막(26)을 주사선 아래 표시 면적부에 피막하고, 그 위에 절연막(28)을 피막하고 절연막 위에 투명도전막으로 주사선(21)을 형성한 것이다. 도5의 구조는 반투과 금속막(26)을 전극으로 쓰지 않고, 투명도전막을 주사선 전극으로 쓰기 때문에 구동 IC와 주사선 연결에 신뢰성이 높아지지만, 반사되는 빛이 주사선(21)인 투명도전막을 두 번지나므로 투과율이 떨어진다. 또한 빛의 파장에 따른 반사 및 투과 특성도 나타난다. 도6은 도5의 구조에서 반투과 금속막(26)과 주사선 사이(21)의 축적용량을 나타낸 것이다. m번째 주사선은 아래 반투과 금속막을 통하여 다른 주사선(1,2....m-1,m+1...)과 연결되어 있으므로, 소비전력이 커지는 문제가 있다. 절연막의 두께가 약 1∼2㎛이므로, 주사선 구동 IC의 전류가 많아져 최소한 10% 이상 소비전력이 증가한다. 도7은 종래의 반투과 TFT 액정표시소자의 전극 평면도이다. (가)는 위 기판부에는 투명도전막으로된 공통전극(12)이고, (나)는 아래 기판부의 전극이다. 아래 기판부에는 게이트선(22)과 신호선(23) 그리고 화소전극(24)이 놓여있다. 각각의 화소전극은 TFT소자(25)를 통하여 신호선과 주사선에 연결되어있다. 게이트선에 신호선보다 높은 전압을 걸어주면 TFT 채널의 저항이 작아져 화소전극에 신호선에 걸린 전압이 유도된다. 화소전극은 반사도가 높은 금속막으로 주로 알루미늄이다. 화소전극 내부에 금속막을 일부 식각하고, 식각한 부분을 투명도전막(24)으로 입혀, 빛이 투과되도록 한다. 도8은 도7의 아래기판의 단면도이다. 금속막으로는 외부 빛(43)이 반사되고 투명도전막(27)으로된 부분은 백라이트에서 나온 빛(42)이 투과되는 구조이다.

종래의 반투과형 액정표시소자는 반투과 금속막을 전극 또는 반사막으로 활용하여 투과되는 빛과 반사되는 빛의 양을 조절하거나, 또는 반사 금속막을 일부 식각하여 식각한 부분에 투명도전막을 두어 그 면적의 비율로 반사 또는 투과 되는 빛의 양을 조절하였다. 반투과 금속막을 둘 경우에는 반투과 금속막의 투과 및 반사 분광특성이 파장 의존성을 띄므로 색재현이 어렵다. 또한 반투과 금속막과 투명도전막을 둘 경우에는 투명도전막 공정이 필요하다.

본 발명에서는 반사 슴속막을 알루미늄으로 보통 두께가 1500Å이다. 반사 금속막에 금속막을 일부 식각한 영역(30,32)을 만들어, 식각한 영역으로 백라이트에서 나온 빛이 투과되고, 금속 반사막 부분으로는 외부 광이 반사되도록 하였다. 도9는 금속 반사막을 슬릿패턴(30) 모양으로 식각한 쓴 본발명의 수동구동 반투과 액정표시소자의 주사선(21)의 평면도이다. 슬릿패턴의 폭(d)과 인접슬릿패턴 사이의 거리(w)는 액정층의 두께, 구동 주사선 수 등을 고려하여 결정한다. 슬릿패턴의 폭이 크면, 액정층에 측면전기장 성분이 강해지므로, 액정분자가 완전히 일어나지 않아서, 투과되는 빛의 효율이 떨어질 수 있다. 도13은 슬릿패턴 사이 w가 20㎛이고, 슬릿패턴의 폭이 3㎛였을 때의, 특정전압이 걸렸을 때의 액정분자 배열이다. 슬릿패턴이 클 경우에는 슬릿패턴의 가운데 부분에서 액정분자가 다른 금속막 위의 액정보다 높은 전압에서 배열이 변하므로, 이를 고려하여 슬릿패턴의 폭을 설 계해야 한다. 슬릿패턴은 과거 시야각을 다중도메인을 만들 경우 활용된 바 있다. 슬릿패턴의 폭이 4㎛ 이상인 경우 슬릿패턴 중앙에서 액정분자의 일어서는 각도가 금속막 위의 액정분자보다 낮기 때문에, 높은 전압을 걸더라도 광학이방성이 크게 남는다. 또한 슬릿패턴에 의한 측면전기장이 액정분자의 운동에 불안정성을 주기 때문에 배향막(13)에서 액정분자의 일어서는 방향과 측면전기장이 일치해야 한다. 따라서 배향막의 러빙방향(40)과 슬릿패턴의 단축방향이 이루는 각( α)이 특정각 이하여야 한다. 슬릿패턴은 직사각형 모양이다. 이러한 값들은 액정셀의 두께, 구동전압, 선경사각, 액정의 탄성계수에 따라서 최적값이 다르므로, 도13과 같은 액정 배향 시뮬레이션으로 1차적인 범위를 선정하고, 실험으로 최적값을 찾아야 한다. 액정 배향시뮬레이션에서 배향막의 러빙방향(40)과 슬릿패턴의 단축방향이 이루는 각이 20도 미만일 경우, 액정분자의 운동이 안정적인 것을 알 수 있었다.

슬릿패턴을 쓸 경우에는 측면 전기강이 생겨, 러빙방향과 구동전압 등의 제약조건이 강하다. 측면 전기장을 완화시켜주려면 슬릿패턴의 폭을 줄여야하는데, 이 경우 노광공정이 엄격히 조절되어야 한다. 슬릿패턴 대신에 원형패턴(32)을 쓰면, 원형패턴 주위에 유도되는 측면전기장은 모든 방향이 되기 때문에 어느 정도 측면전기장을 완화시킬 수 잇다. 도10은 원형패턴(32)을 쓴 본발명의 수동구동 반투과 액정표시소자의 금속막의 평면도이다. 원형패턴의 직경이 크면 구동전압이 높아지고, 직경이 작으면 노광공정에서 제어가 어렵다. 원형패턴의 경우에는 직경이 대략 3∼6㎛ 인 경우가 적당하다. 도11 본발명의 수동구동 반투과형 액정표시소자의 단면도이다. 금속반사막이 식각된 부분은 투과형으로 쓰고, 식각되지 않는 부분은 반사형으로 쓴다. 도12는 본 발명의 반투과 TFT 액정표시소자의 전극 단면도이다. 윗 기판부의 공통전극은 종래와 동일하다. 금속막으로 된 화소전극(24)을 폭이 3∼6㎛ 정도로 식각하여 슬릿패턴을 만든 것이다. 도12에서는 측면전기장의 영향을 줄이기 위하여 러빙방향(40)과 슬릿패턴의 방향을 일치 시켰다. 도12에서도 슬릿패턴 대신에 원형패턴을 둘 수 있다. 금속반사막이 식각된 부분(30)은 투과형으로 쓰고, 식각되지 않는 화소전극 부분은 반사형으로 쓴다

본 발명에서는 금속막 전극에 금속막을 일부 식각한 영역(30,32)을 만들어, 식각한 영역으로 백라이트에서 나온 빛(42)이 투과되고, 금속 반사막 부분으로는 외부 광(43)이 반사되도록 하였다. 또한 측면전기장의 영향을 줄이도록 러빙방향과 식각하는 부분의 모양과 그리고 크기를 정하였다. 그 결과 본발명의 능동구동 반투과 액정표시소자는 투명도전막 공정이 필요 없으므로 박막공정을 한 단계 줄일수 있었고, 또한 수동구동 반투과 액정표시소자는 반사와 투과되는 빛의 파장 의존성을 줄여 칼라 재현성을 높였고, 투명도전막이 없어 광효율이 우수하다.

Claims (5)

1. 액정층(3)에 전압을 걸어주는 전극 가운데 외부광(43)이 입사되는 쪽의 전극(11,12)이 투명 도전막이고, 투명 도전막에 대향하는 전극(21,24)은 금속막이고, 금속막에 내부에 금속막을 식각한 영역(30,32)이 만들어져 있고, 식각한 영역으로 백라이트에서 나온 빛(42)이 투과되고, 금속막 부분으로는 외부 광(43)이 반사되는 것을 특징으로하는 반투과형 액정표시소자.
2. 제1항에 있어서 금속막(21,24)의 재질이 알루미늄인 것을 특징으로하는 반투과형 액정표시소자
3. 제1항에 있어서, 금속막을 식각한 영역(30,32)의 폭 또는 직경이 6㎛ 이하인 것을 특징으로하는 반투과형 액정표시소자
4. 제1항에 있어서 반사 금속막을 식각한 영역(30,32)의 모양이 원형 또는 슬릿패턴 또는 사각형인 것을 특징으로하는 반투과형 액정표시소자
5. 제1항에 있어서, 배향막의 러빙방향(40)과 반사 금속막을 식각한 영역(32)의 단축 방향(41)이 이루는 각(α)이 20도 미만인 것을 특징으로하는 반투과형 액정표시소자

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