KR100731036B1 - 미세렌즈가 부착된 액정표시소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액정셀의 공정공차를 크게한, 미세렌즈가 부착된 액정표시소자에 관한 것으로, 특히 계조 단계(gray level)에 대하여 밝기(brightness)와 정렬오차(align error)에 의한 투과율 변화를 최소로하여, 화질 및 수율을 높인 것이다.

액정표시소자는 두께의 변화에 대하여 모든 계조 단계에서 투과율이 같을수록 좋다. 그러나 제조 공정에서 어느 정도 액정셀의 두께(cell gap)의 불균일이 생기고, 이로 말미암아 투과율이 달라서 화질이 떨어진다. 액정셀의 두께의 불균일로 생기는 화질의 저하를 막기 위하여, 액정층에 전압을 걸어주는 화소전극(5) 또는 공통전극(6)에 각각의 전극을 식각한 슬릿패턴(21) 또는 플로팅(floating) 전극(22)을 두었다. 투과율을 높이려고 미세렌즈(3)를 부착한 경우에는 정렬오차를 고려하여, 전체적인 설계가 이루어져야 한다.

본 발명은 미세렌즈의 초점을 슬릿패턴이나 플로팅 전극의 중앙 대칭선에 두어, 합착공정의 정렬오차에 의한 투과율 변화를 최소로 하였다. 본 발명의 액정표시소자는 회의용 자료나 HDTV와 같이 높은 휘도와 고화질이 요구되는 액정프로젝터의 표시소자로 응용될 수 있다.

미세렌즈(micro lens), 슬릿패턴, 액정셀 두께

Description

미세렌즈가 부착된 액정표시소자 { LCD with micro-lens }

도 1 액정 프로젝터의 개략도이다.

도 2 미세렌즈가 부착된 종래의 액정표시소자이다.

도 3 종래 TFT 액정셀 화소의 여러 전극의 평면도이다.

도 4 미세렌즈가 부착된 본발명의 액정표시소자이다.

도 5 슬릿패턴이 있는 화소의 여러 전극의 평면도이다.

도 6 플로팅전극이 있는 화소의 여러 전극의 평면도이다.

도 7 본 발명의 액정셀의 두께 변화에 대한 각 계조의 투과율 변화도이다.

도 8 미세렌즈의 정렬오차에 대한 상대 투과율 변화도이다.

도 9 슬릿패턴의 전압분포를 구하는 설명도이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1,2 유리기판 3 미세렌즈 4 액정층 5 화소전극

6 공통전극 7 신호선 8 주사선 10 액정표시소자

20 TFT 21 슬릿패턴 22 플로팅전극

40 투과 빛의 단면 41, 42 대칭선

본 발명은 미세렌즈가 부착된 액정표시소자에서 액정셀의 공정공차를 크게한 것으로, 특히 계조 단계(gray level) 대하여 밝기(brightness)와 정렬오차(align error)에 의한 투과율 변화를 최소로 하였다.

도 1은 액정 프로젝터의 개략도이다.
액정 프로젝터는 광원(42)에서 나온 백색광을 빨간색과 파란색과 초록색으로 분리하고, 각각의 색을 변조하는 액정판넬(10R,10G,10B)들을 지나, 다시 합쳐진 다음, 필드렌즈(44)에서 확대되어, 스크린(41)에 상을 맺는다. 광원에서 나온 백색광은 색거울(dichroic mirror; 43)에서 빨간빛과 파란빛과 초록빛으로 나누어, 빛의 투과도를 조절하는 액정판넬을 지나 색거울에서 다시 모여, 투사렌즈(44)를 지나 스크린(41)에 투사된다.
도 1에서 색거울(43)의 알파벳 소문자는 반사하는 색을 나타낸다. 빨간색은 r, 초록색은 g, 파란색은 b이다. 도 1에서 액정판넬(10R,10G,10B)의 대문자는 각각의 색의 빛을 변조하는 것을 나타낸다. 빨간색을 변조하는 액정표시소자는 R이고, 초록색을 변조하는 액정표시소자는 G이고, 파란색을 변조하는 액정표시소자는 B이다. 액정 프로젝터는 부피가 작고, 화면의 크기를 쉽게 조절할 수 있고, 색재현성도 뛰어나 HDTV나 세미나 발표화면 등의 대형 표시장치로 널리 쓰이고 있다.

액정 프로젝터에 쓰이는 액정표시소자는 각 화소마다 액정층에 전압을 걸어주고 차단하는 능동소자가 부착된다. 계조구현의 용이성과 빠른 응답특성으로, 능동 액정표시소자(active matrix LCD) 가운데, TFT 액정표시소자가 액정 프로젝터의 화면소자로 가장 많이 쓰인다.

도 2는 미세렌즈(3)가 부착된 액정프로젝터용 액정표시소자의 단면도이다.
미세렌즈는 BM(Black Matrix)이나 신호선이나 주사선 등의 빛을 변조하지 못하는 영역으로 들어오는 빛을 화소전극(5)쪽으로 보내 유효 개구율을 높인다.
도 3은 도 2의 TFT 액정셀 화소의 여러 전극의 평면도로, 주사선(8)과 신호선(7) 그리고 화소전극(5)이 배열되어 있다.
각 화소에 있는 TFT(20)의 게이트전극은 주사선(8)에, 소스전극은 신호선(7)에, 드레인전극은 화소전극(5)에 각각 연결되어 있다. 공통전극(6)과 화소전극(5) 사이에는 액정층(4)이 있다.
TFT 액정판넬(10R,10G,10B)의 동작원리는 다음과 같다.
선택기간에는 주사선에 연결된 게이트전극에 신호선보다 높은 전압이 걸려, 드레인전극과 소스전극 사이의 채널의 연결저항이 작아져서, 신호선에 걸린 전압이 화소전극을 통해 액정층에 걸린다. 비선택기간에는 주사선에 연결된 게이트전극에 신호선보다 낮은 전압이 걸려, 드레인전극과 소스전극이 전기적으로 단절되어, 선택기간 동안 액정층에 축적된 전하가 유지된다. 주사선을 순차로 주사하면서 신호선을 통하여 각 화소전극을 충전하여 액정층에 전압을 걸어준다. 화소전극과 공통전극 사이의 액정층에 걸린 rms(root means square)전압을 조절하면, 편광판을 지나 선편광된 빛이 액정층을 지나면서 편광상태가 변하고, 이 빛을 검광판이 선택투과 시켜서 화소의 밝기로서 정보를 표시한다. 액정 프로젝터의 액정모드는 투과형인 경우에는 90^o TN 모드, 반사형의 경우에는 평행배향된 ECB(Electric Controlled Birefringence) 모드나 또는 꼬임각이 90^o 보다 작은 TN 모드를 주로 쓴다.

액정프로젝터의 액정표시소자는 점점 해상도가 높아져, 현재 0.7인치 XGA급이 상품화 되었고, 향후 0.5인치 XGA 액정표시소자도 개발될 예정이다. 해상도가 높아질수록 개구율이 떨어져, 휘도(밝기)가 떨어진다. 휘도를 높이려고 도 2와 같이 미세렌즈(3)를 액정셀에 부착한다.

액정셀을 만드는 공정에서 액정셀의 두께를 일정하게 만들기 어려우므로, 동일 액정판넬의 위치에 따라 어느 정도 액정셀의 두께가 달라진다. 또한 광원에서 많은 양의 적외선이 나오기 때문에, 동일 액정판넬의 위치에 따라서 열팽창의 차이로 액정셀의 두께가 달라진다. 액정판넬의 위아래 유리기판(1,2)의 온도차이가 1℃ 나면 액정셀의 두께의 변화는 약 0.1㎛ 정도이다. 화면이 밝은 상태에서는 액정셀의 두께에 따라서 투과율의 차이가 적으나, 계조가 낮을수록 액정셀의 두께에 따라서 투과율 변화가 크다.
도 7은 액정셀의 두께 변화에 대한 각 계조별 투과율 변화도이다.
도 7은 액정셀의 두께가 4.0㎛인 것을 기준으로 하였고, (가)는 두께가 4.4㎛이고, (라)는 3.6㎛일 때의 계조별 투과율이다. 두께에 따라서 40% 이상 차이가 나는 것을 알 수 있다.
액정셀의 두께의 불균일로 생기는 화질의 저하를 막기 위하여, 액정층에 전압을 걸어주는 화소전극(5) 또는 공통전극(6)에 각각의 전극을 식각한 슬릿패턴(21) 또는 플로팅(floating) 전극(22)을 두는 시도가 연구되었다. 미세렌즈를 부착한 경우에는 합착공정의 정렬오차를 고려하여 전체적인 설계가 이루어져야 한다.
본 발명은 미세렌즈의 초점을 슬릿패턴이나 플로팅 전극의 중앙 대칭선에 두어, 합착공정의 정렬오차에 의한 투과율 변화를 최소로 하였다.

삭제

본 발명은 액정셀의 공정 공차를 크게한, 미세렌즈가 부착된 액정표시소자에 관한 것으로, 특히 계조 단계(gray level)에 대하여 밝기(brightness)와 정렬오차(align error)에 의한 투과율 변화를 최소로하여, 화질 및 수율을 높인 것이다.
본 발명은 액정층에 전압을 걸어주는 화소전극(5)에 식각공정을 수행하여 슬릿패턴(20)과 플로팅 전극(21)을 형성한다. 액정셀의 두께의 변화에 따르는 측면전기장 성질을 이용하여 액정셀의 두께 변화에 대한 투과율 변화와 합착공정의 정렬오차에 의한 화질의 저하를 최소화 하였다.
화소전극에 슬릿패턴을 두었을 때의 액정배향에 대한 연구는 1992년에 IBM의 Lien이 SID에 발표한 이후 많이 연구되었다(SID 92 DIGEST p33). 지금까지는 주로 슬릿패턴을 이용하여 액정을 다중영역(multi domain)으로 만들어, 주로 시야각을 넓힌 부분에 한정되었다. 슬릿패턴을 이용하여 TN 액정셀의 두께의 공정 공차를 크게한 것을 본 특허의 발명자가 1999년에 특허를 출원하였다(특허출원번호 10-1999-0016499).

슬릿패턴에서의 전압 분포는 간단한 수식을 써서 구할 수 있다.
도 9는 슬릿패턴에 유도되는 전기장과 전압분포를 구하는 설명도이다.
슬릿패턴 A에서의 전압분포는, A위치에 매우 작은 미세 전극이 도 9와 같이 원형으로 있다고 가정한다. 미세전극 주위에는 여러 전압분포(V1, V2, V3....)를 갖는 전극이 놓여있고, 각각의 전극과 미세전극이 이루는 축전용량(capacitance; C1, C2, C3...)을 알고 있으면, A 부분의 유도 전압 V(A)는 아래 식으로 구할 수 있다.

도 9에서 V1과 V3를 화소전극의 전압, V2를 공통전극의 전압이라고 가정한다. A의 미세전극 부분의 전압분포가 화소전극의 전압분포(V1,V3;V1=V3)와 다르면 그 차이에 해당하는 전압의 수평전기장이 A영역과 화소전극 사이에 걸린다. 액정셀의 두께가 줄어들면 미세전극과 공통전극 사이의 축전용량 C2가 커지므로 V(A)는 공통전극의 전압 쪽으로 이동하고, 반대로 액정셀의 두께가 커지면 축적용량 C2가 작아져 V(A)는 화소전극의 전압분포쪽으로 움직인다.
액정의 유전율 이방성이 양이고, 측면전기장과 수직전기장이 동시에 걸려있는 경우, 측면전기장이 세지면 액정분자는 수평으로 배향하려는 힘이 강해지고, 반대로 측면전기장이 약해지면 액정분자는 수직으로 배향하려는 힘이 강해진다. 이것을 액정의 굴절율 이방성(Δn)의 변화로 바꾸어보면, 액정셀의 두께(d)가 줄어들면 수평전기장이 커져서 액정의 굴절률 이방성은 커지고, 반대로 액정셀의 두께(d)가 커지면 수직전기장 성분이 커지므로 굴절률 이방성은 작아진다. 따라서 액정셀의 투과율은 Δnd의 함수인데, Δn과 d가 서로 반대 방향으로 움직이므로, 슬릿패턴이 있는 경우 Δnd의 변화가 줄어들어, 액정셀의 두께 변화에 대한 액정판넬의 투과율 변화가 감소한다.

슬릿패턴 대신에 화소전극 내부에 플로팅 전극(21)이 있는 경우에도 플로팅 전극에 유도되는 전압은 (1)식과 같다. 미세 영역이 아닌 플로팅전극과 주변 전극이 이루는 축적용량을 계산하여 플로팅전극의 전압을 알 수 있다. 플로팅전극 있는 경우도 마찬가지로 액정셀의 두께(d)가 줄어들면 플로팅 전극에 유도되는 전압이 공통전극의 전압 쪽으로 움직임으로,수평전기장이 커져서 액정의 굴절률 이방성은 커지고, 반대로 액정셀의 두께(d)가 커지면 플로팅 전극에 유도 되는 전압이 화소전극의 전압쪽으로 움직이므로 굴절률 이방성은 작아진다. 액정셀의 밝기는 Δnd의 함수인데, Δn과 d가 서로 반대 방향으로 움직이므로, 플로팅 전극이 있는 경우에도 슬릿패턴이 있는 경우와 마찬가지로 액정판넬의 투과율이 액정셀의 두께의 변화에 대하여 둔감하다.

도 4는 본 발명의 액정 프로젝터에서 사용한 TFT 액정표시소자의 단면도이다.
도 4는 도 2와 화소전극의 모양만 다르고, 나머지 다른 부분은 같다. 도 4의 화소전극의 단면도는 도5에 나타나 있다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 슬릿 패턴(20)은 화소전극(5)의 전/후면을 관통하도록 형성되고, 플로팅 전극(21)은 슬릿패턴(20)의 내부에 화소전극(5)과 분리되도록 형성된다. 구체적으로, 미세렌즈를 지난 빛의 단면(40)의 중심이 슬릿패턴의 X축 대칭선(41)과 Y축 대칭선(42)이 만나는 대칭점에 오도록 슬릿패턴을 설계한다. 슬릿패턴의 장축 방향으로 이등분한 대칭선이 중앙대칭선이다.
도 5에서 X축 대칭선(41)이 중앙 대칭선이고, 도 6은 플로팅전극이 들어간 화소전극 단면도이다.
미세렌즈를 지난 빛의 단면(40)의 중심이 플로팅전극의 X축 대칭선(41)과 Y축 대칭선(42)이 만나는 대칭점에 오도록 슬릿패턴을 설계한다. 이러한 조건이 정렬오차에 대한 투과율 변화를 최소로 할 수 있다. 화소나 미세렌즈의 구조 때문에 X축과 Y축의 대칭선이 만나는 점에 미세렌즈의 초점을 두지 못할 경우에는 중앙 대칭선에서 한 점을 선정한다.

삭제

슬릿패턴과 플로팅전극을 공통전극에 둘 수도 있다. 슬릿패턴(20)과 플로팅전극(21)을 화소전극(5)에 둘 경우에는 화소전극을 만드는 과정에서 동시에 만들 수 있으므로, 추가 공정이 없다. 그러나 공통전극(6)에 슬릿패턴(20)과 플로팅 전극(21)을 둘 경우에는 공통전극을 노광하므로, 경우에 따라서 노광 공정이 한 단계 추가 된다.

도7은 액정셀의 두께 변화에 대한 각 계조의 투과율 변화도이다. 액정셀의 두께가 4.0㎛인 것을 기준으로 하였고, (가)는 두께가 4.4㎛이고, (라)는 3.6㎛인 종래의 구조인 경우의 계조별 투과율 곡선이다. (나)와 (다)는 두께가 각각 4.4㎛와 3.6㎛이고, 미세렌즈의 초점의 폭이 슬릿패턴의 폭과 같은 4㎛였고, 화소전극의 폭은 4㎛인 슬릿패턴이 들어간 도4와 같은 구조의 액정표시소자를 쓴 액정프로젝터의 계조별 투과율의 변화이다. 기준은 액정셀의 두께가 4.0㎛인 것이다. 모든 계조단계에 대하여 액정셀의 두께 편차에 대한 투과율 변화의 정도가 줄어드는 것을 알 수 있다.

미세렌즈를 부착한 경우에는 정렬오차를 고려하여 전체적인 설계가 이루어져야 한다. 본발명은 미세렌즈의 초점을 슬릿패턴이나 플로팅 전극의 대칭점에 두어, 합착공정의 정렬오차에 의한 투과율 변화를 최소로 할 수 있다. 도8은 계조단계 96에서 미세렌즈의 정렬오차에 대한 상대휘도 변화율이다. 중앙 대칭선을 중심 으로 0.25㎛마다 반경 2㎛이내의 투과율을 적분하여 투과율의 상대변화율을 나타낸 것이다. 대칭선에서 떨어진 걸리가 x이고, x를 중심으로 반경2㎛의 투과율의 적분값이 I(x)라하고, x에서 1㎛ 떨어진 점을 중심으로 반경2㎛의 투과율의 적분값이 I(x+1)라하면, 도8의 상대 투과도 변화율 R(x)는 아래 식과 같다.

정렬오차로 인한 상대투과율 변화가, 미세렌즈를 지난 빛이 슬릿패턴이나 플로팅전극의 중앙 대칭선을 기준으로 했을 때 가장 적은 것을 알 수 있다.

미세렌즈를 지난 빛이 슬릿패턴을 벗어나면, 슬릿패턴의 효과가 나타나지 않으므로, 미세렌즈를 지난 빛이 슬릿패턴 또는 플로팅 전극을 지나도록 설계 및 공정을 조절한다. 슬릿패턴 또는 플로팅 전극의 폭이 크면, 구동전압이 높아지고, 명암대비율이 떨어지므로, 액정셀의 두께보다 작게 설계한다. 액정셀의 두께가 약 4㎛ 정도이므로, 슬릿패턴의 폭은 4㎛가 구동전압이나, 명암대비율 측면에서 가장 적당하다. 이러한 조건이라면, 미세렌즈를 지난 빛이 슬릿패턴을 지나려면, 중앙 대칭선(41;42)으로부터 2㎛ 이내에 두어야 한다.

본발명의 액정표시소자는 회의용 자료나 HD TV와 같이 높은 휘도와 고화질이 요구되는 액정프로젝터의 표시소자로 응용될 수 있다.

Claims (4)

1. 각각의 화소에 형성된 능동소자와;

   상기 능동소자와 연결된 화소전극과;

   상기 화소전극의 전/후면을 관통하도록 형성된 슬릿패턴과;

   상기 슬릿패턴의 내부에 상기 화소전극과 분리되어 형성된 플로팅 전극과;

   상기 각 화소의 투과영역으로 빛을 모으는 미세렌즈를 포함하는 액정 표시소자에 있어서,

   상기 미세렌즈를 지난 빛이 상기 플로팅 전극의 중앙 대칭선을 지나는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 미세렌즈를 지난 빛의 중심과 상기 슬릿패턴 또는 상기 플로팅 전극의 중앙 대칭선의 떨어진 거리가 2㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
3. 각각의 화소에 형성된 능동소자와;

   상기 능동소자와 연결된 화소전극과;

   상기 화소전극의 전/후면을 관통하도록 형성된 슬릿패턴과;

   상기 각 화소의 투과영역으로 빛을 모으는 미세렌즈를 포함하는 액정프로젝터에 있어서,

   상기 미세렌즈를 지난 빛이 상기 슬릿패턴의 중앙 대칭선을 지나는 것을 특징으로 하는 액정프로젝터.
4. 제 3 항에 있어서,

   미세렌즈를 지난 빛의 중심과 슬릿패턴의 중앙 대칭선의 떨어진 거리가 2㎛ 이하인 것을 특징으로하는 액정프로젝터.

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