KR100731046B1

KR100731046B1 - 반사율이 높은 액정표시장치

Info

Publication number: KR100731046B1
Application number: KR1020030005420A
Authority: KR
Inventors: 노봉규
Original assignee: 엘지.필립스 엘시디 주식회사
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2007-06-22
Also published as: KR20040069016A

Abstract

액정투영기(LCD Projector)에 쓰이는 액정표시소자의 화소는 피치가 10∼20㎛로 미세하여, 제조 공정에서 엄격한 공정능력이 필요하다. 따라서 액정투영기에 들어가는 대부분의 액정표시소자는 1㎛ 이하의 높은 해상도가 요구되는 메모리 또는 비메모리의 일반 반도체 공정으로 능동소자부 기판을 만든다. 일반 반도체 공정으로는 12˝또는 8˝로 기판의 크기가 제한되어, 대량 생산이 어려워 생산단가가 매우 높다. 반면에 비정질규소를 레이저로 가열하여 다결정 박막트랜지스터 (poly silicon Thin Film Transistor)를 만드는 공정으로 액정투영기에 쓰이는 액정표시소자를 만드는 경우에는 기판의 크기가 370 ×470mm 등으로 크지만, 제조 공정의 해상도가 2∼3㎛ 정도로 표시화면에서 화소전극의 차지비율(fill factor)이 낮아, 빛의 반사율이 떨어졌다. 본 발명에서는 반사형 화소전극 위에 굴절률이 높고 낮은 절연막을 교대로 피막하여, 제조 공정의 해상도가 낮더라도 빛의 반사 효율을 높였다. 본발명의 액정표시장치는 생산비용이 낮고, 화질이 우수하여, 배면투사 TV와 액정투영기등의 화면 소자로 쓰일 수 있다.

액정투영기, 반사막, 다결정 박막트랜지스터, 차지비율(fill factor)

Description

반사율이 높은 액정표시장치 {LCD Apparatus with High Reflection}

도1은 TFT 액정표시소자의 단위화소의 등가회로도이다.

도2는 종래의 반사형 TFT 액정표시소자의 단면도이다.

도3은 도2의 TFT부를 상세하게 나타낸 단면도이다.

도4는 도2의 동작을 설명하기 위한 단면도이다.

도5는 종래의 액정표시소자의 구동장치의 구성도이다.

도6은 본발명의 반사형 TFT 액정표시소자의 단면도이다.

도7은 본 발명의 빛을 반사하는 다중 반사막의 단면도이다.

도8는 본 발명의 반사형 TFT 액정표시소자의 동작을 설명하기 위한 단면도이다.

도9는 본 발명의 다결정 규소 TFT 액정 표시소자의 등가회로도의 실시예이다.

도10은 본 발명의 다결정 규소 TFT 액정 표시소자의 등가회로도의 다른 실시예이다.

도11은 본발명의 주사선 스위칭부 구동 파형이다.

도12는 신호선 스위칭부 구동 파형이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 제어부 20 신호선 구동부 30 주사선 구동부

40 표시 영역 50 박막트랜지스터부 51 소스전극

52 게이트 전극 53 드레인 전극 54,55 LDD

56 채널 60 신호선 70 주사선

80 TFT 유리기판 81,86 빛 차단막 82 화소전극

83 액정층 84 공통전극 85 공통전극 유리기판

90,91,92,93,94 절연막 95 배향막 96 평탄화막

97 반사막 200 신호선 스위칭부 300 주사선 스위칭부

310 선택기간 인가부 320 비선택기간 인가부

본 발명은 인접하는 화소전극들 사이의 간격이 크더라도 반사도가 높은 다결정 박막트랜지스터(Thin Film Transistor) 액정표시장치에 관한 것이다.

액정투영기(LCD Projector)에 쓰이는 액정표시소자는 화소마다 TFT등과 같은 능동소자를 이용하여 액정층에 전압을 인가함으로써 영상을 표시한다. 이와 같은 액정투영기에 쓰이는 액정표시소자는 빛이 화소전극을 투과하는 투과형과 반사하는 반사형으로 나뉜다.

도1은 TFT 소자를 쓴 액정표시소자의 단위화소의 등가회로도이다. TFT 액정표시소자는 화소마다 TFT부(50)가 부착되어 있다. 주사선(70)의 선택주기 동안에는 신호선(60)에 걸린 전압이 TFT부(15)의 소스-드레인을 거쳐서 액정층의 정전용량(C_LC)과 보전축전기(storage capacitor)의 정전용량(C_ST)에 걸리고, 주사선이 비선택주기 동안에는 소스-드레인 사이의 저항이 커지기 때문에 선택주기 동안에 액정층과 보전축전기에 걸리는 전압이 유지된다.

도2는 종래의 반사형 TFT 액정표시소자의 단면도로서, 공통전극 기판, 화소전극 기판 및 그들 사이에 있는 액정층으로 구성된다. 공통전극 기판은 유리기판(85)과 그 유리기판(85) 위에 형성된 공통전극(84)및 공통전극(84) 위에 배향막(95)이 형성된다. 화소전극 기판은, TFT 유리기판(80)에 화소전극(82), TFT부(50),반사막(81,85), 절연막(90,91,92,93,94)이 적층되어 형성된다. 화소전극 기판은 액정층과 인접하는 면에 배향막이(95-1)이 형성되어 있다. 한편, 반사막(86)과 화소전극(82) 사이에 형성된 절연막(93)은, 도1에 나타 낸 것과 같이, 보전축전지(storage capacitor; Cst) 역할을 한다. 도3은 TFT부(50)를 상세하게 나타낸 단면도로서, 소스 전극(51), 게이트 전극(52), 드레인 전극(53)과 이들과 연결된 LDD(Lightly Doped Drain)(54,55), LDD(54,55) 사이에 형성된 채널(56) 및 절연막(91,92)으로 구성된다. 이와같은 종래의 액정표시소자에서 화소전극(82)은 빛의 반사율이 높고, 공정성이 좋은 알루미늄(Al)으로 만들고, TFT의 채널(56)은 이동도가 큰 다결정(poly crystal) 규소(Si)로 만든다. 다결정 규소는, 주사선이 비선택 기간 동안에 누설전류(off current)가 크기 때문에 LDD(Lightly Doped Drain) 구조(54, 55)를 추가함으로 누설전류를 줄인다. 액정투영기의 경우에는 TFT 액정표시소자로 입사되는 빛이 매우 밝기 때문에, 빛이 TFT 채널에 조사되면 누설전류가 증가하여 화질이 떨어진다. 따라서 TFT 위아래로 빛차단막(81,86)을 둔다.

이와 같은 액정표시소자가 액정투영기(LCD Projector)에 쓰일 경우에 그 화소는 피치(pitch)는 10∼20㎛로 매우 미세하게 제작되어야하고, 이를 위하여 노광과 식각공정에서 엄격한 공정능력이 필요하다. 따라서 액정투영기에 쓰이는 액정표시소자의 능동소자부 기판은 1㎛ 이하의 높은 해상도가 요구되는 메모리 또는 비메모리의 일반 반도체 공장에서 만든다. 일반 반도체 공정으로는 12˝또는 8˝로 기판의 크기가 제한되어, 대량 생산이 어려워 생산단가가 매우 높다. 반면에 비정질규소막에 레이저를 조사하여 다결정 박막트랜지스터 (poly silicon Thin Film Transistor)를 만드는 공정으로 액정투영기에 쓰이는 액정표시소자를 만드는 경우에는 기판의 크기가 370 ×470mm 등으로 크지만, 제조공정의 해상도가 2∼3㎛ 정도로 표시화면에서 화소전극의 차지비율(fill factor)이 낮아, 빛의 반사율이 떨어진다. 도4는 도2의 동작을 설명하기 위한 단면도로서, TFT부는 생략하였다. 먼저, 화소의 길이가 P이고, 화소전극(82)과 화소전극(82) 사이의 떨어진 거리가 R이라면 화소의 피치는 (P+R)이라고 정의할 수 있다. 화소전극(82)으로 입사되는 빛(L2)는 화소전극(82)에서 반사되어 화면에 나타나지만, 화소전극(82)과 화소전극(82) 사이로 입사되는 빛(L1)은 자체 손실된다. 이와 같은 액정표시소자의 차지비율(fill factor) F는 아래 식과 같다.

예를들어, 화소의 피치가 15㎛이고 화소전극 사이의 거리가 3㎛라면 차지비율 F는 64%이다. 화소전극과 화소전극 사이의 거리가 줄어들면 차지비율은 높아지지만 생산 공정에서 단락이 많이 생겨 수율이 떨어지는 문제가 있다. 반대로 수율을 높이기 위하여 화소전극 사이의 거리를 크게하면, 빛의 반사도가 줄어 화면의 밝기가 떨어진다.

도5는 종래의 액정표시소자의 구동장치의 구성도이다. 액정투영기에 쓰이는 액정표시소자는 화소의 피치가 10∼20㎛로 미세하여, 각각의 주사선과 신호선에 대응되는 전극을 외부 구동 IC에 직접 연결하기 어려우므로, 도5에서와 같이 화소의 표시영역(40)에는 각각의 화소에 TFT를 만들고, 표시영역(40) 밖에 구동회로를 만든다. 주사선 구동부(20)는 순차적으로 선택신호와 비선택신호를 만들어 주사선에 인가하고, 신호선 구동부(30)는 주사선이 선택신호가 인가 될 때, 화소에 신호전압을 걸어준다. 신호선 구동부와 주사선 구동부는 주로 시프트레지스터와 클락회로로 되어 있다.

본 발명의 목적은 화소전극 위에 굴절률이 높고 낮은 절연막을 교대로 피막하여, 제조 공정의 해상도가 낮더라도 빛의 반사율이 높은 액정표시장치를 제공하는 데에 있다.

도6은 본발명의 반사형 TFT 액정표시소자의 단면도로서, 공통전극 기판, 화소전극 기판 및 그들 사이에 있는 액정층으로 구성된다. 도6의 구조는 도2의 구조와 동일하지만,액정층과 화소전극 기판 사이에 평탄화막(96)과 반사막(97)이 추가로 형성되어 있다.

도7은 본 발명의 빛을 반사하는 다중 반사막을 상세하게 나타낸 단면도이다. 굴절율이 높은 절연막(H)과 굴절률이 낮은 절연막(L)을 굴절률(n)과 두께의(d) 곱(nd)이 가시광선의 중심 파장의 1/4이 되게하고, 여러 층을 피막한다. 대표적인 경우가 SiO₂와 Ti₂O₅이다. 이러한 반사막을 유전체 거울(dielectric mirror)이라고 부른다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 반사형 TFT 액정표시소자의 동작을 설명하면 다음과 같다.

도8은 본발명의 반사형 TFT 액정표시소자의 동작을 설명하기 위한 단면도이다. 도시된 바와 같이 화소전극(82)으로 입사되는 빛(L2)과 화소전극과 화소전극 사이로 입사되는 빛(L1)은 모두 반사막(97)에서 반사되므로 차지비율(fill factor)은 100%가 된다.

도9는 본 발명의 다결정 규소 액정 표시소자의 등가회로도의 일실시예이다. 비정질 규소에 레이저를 조사하여 다결정 TFT를 만드는 경우에도 화면의 모드가 VGA 이하인 경우에는 구동주파수가 낮아 도5와 같이 신호선 구동부와 주사선 구동부의 주변회로를 만들 수 있다. 그러나 화면의 모드가 XGA, SXGA인 경우에는 시프트레지스터와 클락발생부를 도5와 같이 신호선 구동부와 주사선 구동부에 만들기가 어렵다. 비정질 규소에 레이저를 조사하여 만든 다결정 TFT의 n 채널은 이동도가 100∼200cm²/Vsec이지만, p 채널의 이동도는 100cm²/Vsec 이하로, 구동 주파수가 한계가 있다. 또한 신호선 구동부와 주사선 구동부를 도5과 같이 내장할 경우에는 그 자체에서의 불량이 생길 수 있고, 또한 추가 공정이 필요하므로 수율이 떨어진다.

따라서 도9에 나타낸 것과 같이, 신호선 스위칭부(200)에 입력되는 신호는 영상신호 V(1), V(2), ...,V(n)과 제어신호 D(1), D(2), ... , D(n)를 입력하고, 주사선 스위칭부(300)는 주사선에 직접 전압이 인가되는 신호 G(1), G(2), ...,G(m)과 제어신호 S(1), S(2), ..., S(m), SL(1), SL(2), ..., SL(m)을 입력한다. 주사선 스위칭부(300)는 선택기간 인가부(310)와 비선택기간 인가부(320)로 구성된다. 도10은 본 발명의 다결정 규소 TFT 액정표시소자의 등가회로도의 다른 실시 예로서, 도9의 선택기간 인가부(310)와 비선택기간 인가부(320)를 표시영역(40)을 중심으로 나눈 것이다. 도9와 도10의 회로상 동작은 동일하다. 도9처럼 선택기간 인가부(310)와 비선택기간 인가부(320)를 분리하면, 신호선 스위칭부의 배선을 표시영역의 중심을 기준으로 좌우동형으로 배치할 수 있으므로, 스위칭부의 배선의 길이를 줄 일 수 있다. 스위칭소자는 모두 n 채널이므로, 제어신호에 높은 전압이 걸리면(1이되면) 채널의 저항이 낮아지고, 낮은 전압이 걸리면(0이되면) 채널이 저항이 높은 상태가 된다.

주사선이 s개라면 주사선을 m개의 영역으로 나눈다. 그 관계는 아래 식과 같다.

m이 정수가 아니면 반올림한다. 2m개의 제어신호(S,SL)와 m개의 인가신호(G)가 필요하다. 수학식 2와 같이 주사선 영역을 나누면 필요한 주사선 구동 전극수는 3m이 되고, 그 수가 최소이다. 신호선이 t개라면 신호선을 n개의 영역으로 나눈다. 그 관계는 아래 식과 같다.

n이 정수가 아니면 반올림한다. n개의 제어신호(D)와 n개의 영상신호(V)가 필요하다. 수학식 3과 같이 신호선 영역을 나누면 필요한 주사선 구동 전극수는 2n이 되고, 그 수가 최소이다.

UXGA인 경우 신호선은 1600개이고, 주사선은 1200개이므로, 구동 전극수를 최소한으로 줄이는 조건은 수학식 2와 수학식 3으로부터 알 수 있다. 신호선 스위칭부는 영상신호(V)와 제어신호(D)가 각각 40개가 필요하다. 주사선 스위칭부는 제어부(S, SL)이 각각 35개씩 필요하고, 주사선 인가신호(G)도 35개가 필요하다. 전체 연결 단자는 185개이다.

도11은 본발명의 주사선 구동 파형이다. 주사선의 선택기간 인가부의 영역 1이 선택이 될 경우에, S(1) 신호가 1이 되고, S(1)이 1이 되는 동안에 G1, G2, ... Gm 신호가 각각 주사선(1,2,...m)에 걸린다. S(1)이 1이 되는 동안에 주사선(1,2,...m)에 V_H신호가 순차적으로 걸린다. 주사선의 선택기간 인가부(310)의 영역 1이 비선택이 되는 기간에는, 비선택기간 인가부(320)의 영역 1의 SL1 신호가 1이 되어 주사선(1,2,....m)에는 V_L전압이 걸린다. 주사선의 선택기간 인가부(310)의 영역 2가 선택이 될 경우에, S2 신호가 1이 되고, S2가 1이 되는 동안에 G1, G2, ... Gm 신호가 각각 주사선(m+1,m+2,...2m)에 걸린다. S2가 1이 되는 동안에 주사선(m+1,m+2,...2m)에 V_H신호가 순차적으로 걸린다. 주사선의 선택기간 인가부(310)의 영역 2가 비선택이 되는 기간에는, 비선택기간 인가부(320)의 영역 2의 SL2 신호가 1이 되어 주사선(m+1,m+2,....2m)에는 V_L전압이 걸린다.

도12는 신호선 스위칭부의 구동파형이다. 주사선이 선택되는 화소에 신호선의 전압이 걸린다. 신호선의 스위칭부(200)의 제어신호 D(1), D(2), ..., D(n)이 주사선에 V_H되는 동안에 순차 주사하여 n개의 영상신호가 동시에 신호선에 걸린다. 주사선의 제어신호 S(r)이 1이 되고 G(p)가 V_H이고, 신호선의 제어신호 D(q)가 1이 되면, 영상신호가 인가되는 주사선은 (m ×(r-1) + p)이고, (n ×(q-1))번째와 (n ×q)번째 신호선에 영상신호가 인가된다.

본발명의 액정표시장치는 화소전극과 화소전극 사이의 거리가 2㎛ 이상이라도 차지비율이 높고, n채널로된 주사선스위칭부와 신호선 스위칭부만으로 화소가 구동된다. 따라서 액정투영기에 쓰이는 본 발명의 액정표시장치는 비정질 규소에 레이저를 조사하여 다결정을 만드는 공정에서 대량으로 만들 수 있으므로, 생산 단가가 낮고, 화질이 우수하다. 또한, 본 발명의 액정표시장치는 반사형 화소전극 위에 굴절률이 높고 낮은 절연막을 교대로 피막하여, 제조 공정의 해상도가 낮더라도 빛의 반사 효율을 높였다.

Claims

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제1 기판 위에 형성된 공통전극과 제1 배향막을 포함하는 공통전극 기판과; 제2 기판 위에 형성된 다결정 박막트랜지스터, 빛차단막, 다수의 절연막, 화소전극 그리고 제2 배향막을 포함하는 화소전극 기판과; 상기 공통전극 기판과 화소전극 기판 사이에 형성된 액정층과; 상기 화소전극과 상기 제1 배향막 사이에 굴절률이 다른 다수의 절연층으로 형성된 반사막과; 상기 화소전극과 상기 반사막 사이에 형성된 평탄화막을 포함하고; 상기 화소전극이 상기 반사막을 통과한 빛을 반사시키는 액정표시소자와;

상기 액정표시소자의 주사선에 연결된 주사선 스위칭부와;

상기 액정표시소자의 신호선에 연결된 신호선 스위칭부를 포함하고;

상기 주사선 스위칭부는 상기 액정표시소자의 표시영역을 중심으로 나누어져 상기 액정표시소자 상에 각각 형성된 선택기간 인가부와 비선택기간 인가부로 구성된 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
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