KR100934566B1 - 프린지 인플레인 필드 스위칭 액정표시소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기존의 프린지 필드 스위칭(FFS : Fringe Field Switching) 모드의 전극구조를 가지면서 두개의 박막트랜지스터(thin-film-transistor: TFT)를 적용하여 액정에 인가되는 전기장이 프린지 전기장(Fringe electric field)과 인플레인 전기장(In-plane electric field)이 동시에 걸리는 액정표시소자(LCD : Liquid Crystal Display)에 관한 것으로, 일반적인 FFS 모드의 전극 구조에서 동일한 전위를 갖게 형성되어 있는 화소 전극을 두 그룹으로 분리시켜 두 그룹의 화소 전극(pixel electrode) 간에 서로 다른 극성이 인가되도록 하는 방식을 적용하였다. 전극 구조에 있어서 하부기판 전면에 평면형태의 투명전극이 공통전극으로 형성되어 있고, 그 위에 절연막을 덮고, 절연막 위에 슬릿(slit) 형태의 화소 전극이 첫번째 화소 전극과 두번째 화소 전극으로 서로 분리되어 각각의 화소 전극의 슬릿들이 서로 엇갈린 형태로 형성되어 있고, 두 개로 분리되어 있는 화소 전극에는 각각의 TFT가 연결되어 두 개의 박막 트랜지스터를 갖는 구조를 특징으로 한다. 상기와 같은 구조를 통해 기존의 FFS(Fringe field switching)와 IPS(In-plane switching) 모드에 비해 좀더 향상된 투과율과 두 개의 트랜지스터 구동에 의한 저전압 구동으로 낮은 소비전력을 갖는 프린지 인플레인 필드 스위칭(Fringe-In-plane switching: FIS) 액정표시소자를 제조할 수 있다.

FFS 모드, IPS 모드, 박막트랜지스터(TFT), 저소비전력(Low power consumption)

Description

프린지 인플레인 필드 스위칭 액정표시소자 {Fringe In-plane field Switching Liquid Crystal Display}

본 발명은 프린지 인플레인 필드 스위칭 액정표시소자에 관한 것으로 종래의 FFS 모드의 전극 구조에서 화소 전극이 두 그룹으로 분리되어 각각의 화소 전극에 박막 트랜지스터가 연결되어 있는 두개의 트랜지스터 구조를 갖는 액정표시소자이다. 상기와 같은 구조에서 각각의 화소 전극에 연결되어 있는 박막 트랜지스터를 통해 화소 전극 간에 서로 다른 극성의 전압을 인가시킬 수 있으며, 화소 전극 간의 전위차에 의해서 발생되는 인플레인 전기장과 두 개의 화소 전극과 공통 전극 간의 전위차에 의해서 발생되는 프린지 전기장에 의해서 종래의 FFS 모드나 IPS 모드 보다 더 뛰어난 투과율 특성을 나타낼 수 있다. 또한 두 개의 박막 트랜지스터를 사용하고 화소 전극 간에 서로 다른 전압이 걸리게 함으로써 종래의 FFS 모드보다 낮은 인가전압으로 액정표시소자를 구동시킬 수 있다. 본 기술은 공통 전극과 화소 전극의 모양에 차이가 있을지라도 본 발명의 의도에 벗어나지 않는 액정 모드에도 확대하여 적용할 수 있다.

현재 중소형 디스플레이에서 가장 많이 응용되고 있는 액정 모드는 TN(Twisted Nematic) 모드이다. TN 모드는 높은 광효율 뿐만 아니라 높은 수율과 넓은 공정 마진의 장점으로 인해 가장 많이 응용되고 있지만 전압 인가시 액정 분자가 한쪽으로 일어나기 때문에 시야각이 협소한 단점을 지니고 있다. 좁은 시야각 특성을 향상시키기 위하여 수평 전기장을 이용한 IPS 모드와 FFS 모드가 개발되었다. 상기의 두 모드는 액정 분자가 기판에 평행하게 한쪽 방향으로 회전하기 때문에 TN 모드보다 시야각이 우수하다. 하지만 IPS 모드의 경우는 전극 윗부분에서 액정분자들이 회전하지 않아서 광효율이 떨어지고, 구동전압이 높으며, 시야각에 따른 색띰 문제가 존재한다. IPS 모드 관련 문헌은 다음과 같다. 문헌] Asia Display'95, 707 (1995). 이러한 IPS 모드가 갖는 여러 가지 문제점들을 개선하기 위해 FFS 모드가 제안되었으며, FFS 모드는 공통 전극과 화소 전극이 절연막을 사이에 두고 투명 전극 구조를 형성하고 있으면서, 공통 전극과 화소 전극과의 수평 간격을 상,하 기판 사이의 간격인 셀갭보다 좁게 형성하여 공통 전극과 화소 전극 간에 프린지 전기장이 형성되도록 하여 화소 전극의 윗부분에서도 액정분자들을 회전시켜 투과율을 향상시켰다. FFS 모드 관련 문헌은 다음과 같다. 문헌] SID Int. Symp. Digest Tech. Papers 30, 202 (1999). 하지만 여전히 광효율은 TN모드에 미치지 못하고 일반적으로 구동전압도 4V 이상이다. 특히 액정디스플레이의 텔레비전 응용 경우 구동전압이 높을 경우 드라이버 직접회로 (Driver IC)에서 열이 많이 발생해 디스플레이의 화면 품위를 떨어트린다.

본 발명은 기존의 FFS모드의 전극구조를 가지면서 두개의 트랜지스터를 적용하여 액정에 인가되는 전기장이 프린지 전기장과 인플레인 전기장이 동시에 걸리는 액정표시소자에 관한 것으로, 일반적인 FFS 모드의 전극 구조에서 한 개로 형성되어 있는 화소 전극을 두 그룹으로 분리시켜 두 개의 화소 전극 간에 서로 다른 전압 즉 공통전극을 기준으로 서로 다른 극성의 전압이 인가되도록 하는 방식을 적용하였다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 종래의 FFS 모드가 갖는 화소 전극위의 중앙 부근과 화소 전극의 사이의 중앙 부분에서 발생하는 낮은 투과율을 개선하기 위해 화소 전극을 두 그룹으로 분리시켜 각각의 화소 전극에 박막 트랜지스터를 연결하고, 분리된 각각의 화소 전극에 서로 다른 전압을 인가함으로써 두 화소 전극 간에 인플레인 전기장을 형성하여 화소 전극과 화소 전극 사이에서의 투과율 향상을 제공한다.

본 발명은 분리된 두 개의 화소 전극에 각각 박막 트랜지스터가 연결되어 있는 구조로 종래의 FFS 모드와 마찬가지로 시야각이 넓은 특성을 유지하고, 두 개의 박막 트랜지스터를 통해 두 화소 전극 간에 서로 다른 극성의 전압을 인가함으로써 종래의 FFS 모드에서 화소 전극 간에서의 낮은 투과율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아 니라, 두 개의 박막 트랜지스터를 통한 전압 인가 방식으로 저전압 구동이 가능한 액정표시소자를 이룰 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

실시예

도 1은 본 발명에 따른 액정표시소자의 단위 화소를 나타내는 평면도이다. 도시한 바와 같이, 투명 유리 기판 또는 플라스틱 기판을 사용한 하부기판 위에 투명한 공통 전극(4)을 plane 형태로 형성하고, 분리된 두 개의 화소 전극 간에 서로 다른 극성의 전압을 인가하기 위해, 게이트 라인(3)에 데이터 라인(1, 1') 및 소스/드레인 층(2, 2')을 각각 두 쌍을 두고, 공통 전극 위에 절연막(5)을 형성하고, 절연막 위에 투명한 제 1 화소 전극(6)과 제 2 화소 전극(7)을 슬릿 형태로 서로 엇갈리게 패턴 한다. 또한 본 발명에 있어서 액정은 양의 유전율 이방성이나 음의 유전율 이방성을 갖는 액정을 사용할 수 있고, 슬릿 형태의 제 1 화소 전극(6)과 제 2 화소 전극(7)의 폭(9)은 1~8㎛이고, 제 1 화소 전극(6)과 제 2 화소 전극(7) 사이의 간격(8)은 1~30㎛ 이며, 양의 유전율 이방성을 갖는 액정을 사용할 경우, 도시한 바와 같이, 화소 전극의 수직 방향을 기준으로 임의의 각(θ)을 가지고 러빙 방향(B)을 설정할 수 있다. 바람직하게는 θ 는 유전율 이방성이 양일 경우 1도에서 40도 사이이고, 유전율 이방성이 음일 경우는 50도에서 89도 사이이다.

도 2는 도 1의 단면도(A ~ A')로 하부기판 위에 공통 전극(4)이 plane 형태로 형성되어 있고, 그 위에 절연막(5)을 두고, 두 개의 데이터 라인(1, 1')과 제 1 화소 전극(6) 및 제 2 화소 전극(7)이 패턴 되어 있다.

도 3은 본 발명에 따른 액정표시소자의 전체적인 개략 블록도로 제 1 화소 전극과 제 2 화소 전극으로 이루어진 한 화소에 두 개의 박막 트랜지스터와 두 개의 데이터 라인 및 한 개의 게이트 라인으로 구성되어 있음을 보여주고 있다. 도시한 바와 같이, 한 화소는 하나의 게이트 라인과 서로 다른 두 개의 데이터 라인을 포함하며, 단일 화소의 구조에 따라 상기 게이트 라인의 위치는 달라질 수 있고, 상기 두 개의 데이터 라인은 각각의 화소 전극에 전달되는 전압의 극성을 결정한다.

도 4는 본 발명에 따른 액정표시소자에서 전기장이 형성되는 것을 나타내는 단면도로 하부기판 위에 plane 형태로 형성되어 있는 공통 전극(4)에 0 볼트의 신호가 인가되고, 절연막(5)을 사이에 두고 형성되어 있는 제 1 화소 전극(6)에 양의 전압이 인가되고, 제 2 화소 전극(7)에 음의 전압이 인가될 때, 화소 전극(6, 7)과 공통 전극(4) 사이에서 프린지 전기장(Fringe field)이 형성되고, 제 1 화소 전극(6)과 제 2 화소 전극(7) 사이에서 인플레인 전기장(In-plane field)이 형성되는 것을 보여주고 있다.

도 5는 본 발명에 따른 액정표시소자의 인가되는 전압에 따른 투과율 특성을 나타내는 그래프이다. 도시한 바와 같이, FFS 모드(5a)와 IPS 모드(5b) 그리고 본 발명에 따른 프린지 인플레인 필드 스위칭 액정표시소자(5c)의 데이터 값을 비교하여 보여주고 있다. 이때 화소 전극의 폭은 4㎛ 이고 화소전극간의 간격은 6㎛이다. IPS 모드 경우는 화소 전극중 한 그룹은 공통전극으로 가정하였고 plane 형태의 공 통전극은 존재하지 않는다. 절연막의 두께는 0.29㎛이고 θ 는 80도이다. 액정은 수평 배열되어 있고 초기 선경사각은 약 2도를 갖는다. 액정의 유전율 이방성은 8.2이고 액정층의 두께는 4㎛이다. 액정의 굴절율 이방성은 FFS, IPS, 프린지 인플레인 필드 스위칭 액정셀의 경우 각각 550nm 기준으로 0.1, 0.09, 0.09이다. 액정셀의 양쪽에 편광판이 수직으로 교차되어 있고 교차된 편광판 축들중의 하나와 액정 광축이 일치하고 있다. 위의 조건 모두 초기 전압 인가시는 어둠 상태를 보여주고 문턱전압 인가시 투과율이 발생함을 보여준다. 문턱전압의 IPS 모드는 경우 약 1.5V 이고 FFS 모드 경우 0.8V 인데 반해 프린지 인플레인 필드 스위칭 액정셀의 경우 약 0.5V 낮은 전압특성을 보여주었다. 최대투과율을 나타내는 구동전압도 FFS 모드는 약 3.7V, IPS 모드는 약 4V인 반면, 프린지 인플레인 필드 스위칭 액정표시소자는 2 볼트 근처에서 최대 투과율을 보이기 때문에 구동전압이 절반 수준으로 감소했고, FFS 모드나 IPS 모드보다 투과율 또한 높다는 것을 알 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 액정표시소자의 단위화소를 나타내는 평면도.

도 2는 본 발명에 따른 액정표시소자의 단면도(A ~ A').

도 3은 본 발명에 따른 액정표시소자의 전체적인 개략 블록도.

도 4는 본 발명에 따른 액정표시소자의 전기장 형성을 나타내는 측면도.

도 5는 본 발명에 따른 액정표시소자의 인가 전압에 따른 투과도 곡선.

Claims (2)

1. 프린지 필드 스위칭 액정표시소자에 있어서, 하부투명기판 위에 투명한 공통 전극이 plane 형태로 형성되어 있고, 상기 공통 전극 위에 절연막을 덮고, 절연막 위에 데이터 라인을 형성하고, 화소 전극을 형성하는데에 있어서, 하나의 화소 전극을 제 1 화소 전극과 제 2 화소 전극 두 개로 분리하여, 각각의 화소 전극에 연결된 박막 트랜지스터를 통해 각각의 화소 전극에 서로 다른 극성의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하며, 분리된 두 그룹의 화소 전극 간에는 인플레인 전기장이 형성되고, 대향 되는 공통 전극과는 프린지 전기장이 형성되어 초기 수평배열된 양의 유전율 이방성이나 음의 유전율 이방성을 갖는 액정을 기판에 평행하게 회전시키는 것을 특징으로 하는 프린지 인플레인 필드 스위칭 액정표시소자.
2. 청구항 제 1항에 있어서, 제 1, 2 화소 전극의 폭은 1㎛ 이상 10㎛ 이하이고 두 전극사이의 거리는 1㎛ 이상 30㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 프린지 인플레인 필드 스위칭 액정표시소자.

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