KR101085125B1 - 반투과형 액정표시소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반사부의 셀갭을 크게 형성하여 반사전극 상부의 액정 구동을 용이하게 함으로써 반사율을 향상시키고자 하는 반투과형 액정표시소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 의한 반투과형 액정표시소자는 제 1 기판 상에서 수직교차하여 반사부와 투과부로 구성되는 화소영역을 정의하는 게이트 배선 및 데이터 배선과, 상기 게이트 배선 및 데이터 배선의 교차 지점에 형성되는 박막트랜지스터와, 상기 박막트랜지스터를 포함한 전면에 형성되는 절연막과, 상기 화소영역의 반사부에 형성되는 반사전극과, 상기 화소영역의 투과부에 형성되는 제 1 전극과, 상기 반사전극 및 제 1 전극으로부터 절연되고, 상기 반사부에서 반사전극 상부에 형성되며 상기 투과부에서 상기 제 1 전극에 평행하는 제 2 전극과, 상기 제 1 기판에 대향 합착되고 컬러필터층이 형성된 제 2 기판과, 상기 반사부에서 (2n+1)λ/4의 위상지연을 가지고, 상기 투과부에서의 mλ/2의 위상지연을 가지는 액정층과, 상기 제 1 ,제 2 기판 외측면에 각각 부착된 제 1 ,제 2 편광필름을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
Figure R1020050038436
반투과형, 횡전계, 반사율

Description

반투과형 액정표시소자 및 그 제조방법{Trans-flective Type Liquid Crystal Display Device And Method For Fabricating The Same}
도 1은 종래 기술에 의한 반투과형 액정표시소자의 단면도.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 반투과형 액정표시소자의 단면도.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 반투과형 액정표시소자의 공정단면도.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 광학 구성도.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 반사부에서의 편광상태 변화도.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 투과부에서의 편광상태 변화도.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 반투과형 액정표시소자의 단면도.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 광학 구성도.
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 반사부에서의 편광상태 변화도.
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 투과부에서의 편광상태 변화도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명
111 : TFT 어레이 기판 112a : 게이트 전극
112p : 게이트 패드 113 : 게이트 절연막
114 : 반도체층 115 : 데이터 배선
115a : 소스 전극 115b : 드레인 전극
115p : 데이터 패드 116 : 유기절연막
117 : 화소전극 118 : 절연층
120 : 반사전극 121 : 컬러필터 어레이 기판
123 : 컬러필터층 124 : 공통전극
124p : Vcom 패드 125 : 투명도전막
131 : 액정층 150, 151 : 편광필름
160 : 보상필름
본 발명은 액정표시소자(Liquid Crystal Display Device)에 관한 것으로 특히, 반사부 액정의 이동을 용이하게 하여 반사율을 향상시키고자 하는 반투과형 액정표시소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근, 계속해서 주목받고 있는 평판표시소자 중 하나인 액정표시소자는 액체의 유동성과 결정의 광학적 성질을 겸비하는 액정에 전계를 가하여 광학적 이방성을 변화시키는 소자로서, 종래 음극선관(Cathod Ray Tube)에 비해 소비전력이 낮고 부피가 작으며 대형화 및 고정세가 가능하여 널리 사용하고 있다.
이러한 액정표시소자는 상부기판인 컬러필터(color filter) 어레이 기판과 하부기판인 박막트랜지스터(TFT:Thin Film Transistor) 어레이 기판이 서로 대향되 도록 배치되고, 그 사이에 유전 이방성을 갖는 액정이 형성되는 구조를 가져, 화소 선택용 어드레스(address) 배선을 통해 수십 만개의 화소에 부가된 TFT를 스위칭 동작시켜 해당 화소에 전압을 인가해 주는 방식으로 구동된다.
상기 액정표시소자는 액정의 성질과 패턴의 구조에 따라서 여러 가지 다양한 모드가 있다.
구체적으로, 액정 방향자가 90°트위스트 되도록 배열한 후 전압을 가하여 액정 방향자를 제어하는 TN 모드(Twisted Nematic Mode)와, 한 화소를 여러 도메인으로 나눠 각각의 도메인의 주시야각 방향을 달리하여 광시야각을 구현하는 멀티도메인 모드(Multi-Domain Mode)와, 보상필름을 기판에 부착하여 빛의 진행방향에 따른 빛의 위상변화를 보상하는 OCB 모드(Optically Compensated Birefringence Mode)와, 한 기판 상에 두개의 전극을 형성하여 액정의 방향자가 배향막의 나란한 평면에서 꼬이게 하는 횡전계방식(In-Plane Switching Mode) 등 다양하다.
한편, 상기 액정표시소자는 백라이트를 광원으로 이용하는 투과형 액정표시소자와, 백라이트를 광원으로 이용하지 않고 외부 자연광을 이용하는 반사형 액정표시소자와, 상기 백라이트 사용으로 인한 전력소모가 큰 투과형 액정표시소자의 단점과 외부 자연광이 어두울 때 사용이 불가능한 반사형 액정표시소자의 단점을 극복하기 위한 반투과형 액정표시소자로 구분될 수 있다.
상기 반투과형 액정표시소자는 단위 픽셀 내부에 반사부와 투과부를 동시에 가지므로 필요에 따라 반사형 및 투과형의 양용이 가능하다.
여기서, 투과형 및 반투과형 액정표시소자의 투과부는 하부기판을 통해 입사 하는 백라이트에 의한 광을 액정층으로 입사시켜 휘도를 밝게 하고, 반사형 및 반투과형 액정표시소자의 반사부는 외부 자연광이 밝을 때 상부기판을 통해 입사하는 외부 광을 반사시켜 휘도를 밝게 한다.
이때, 반사부와 투과부의 효율을 각각 최대화하기 위해서 투과부 셀갭이 반사부 셀갭의 약 2배가 되도록 구성하는 듀얼-셀갭 방식이 제안되었다.
최근에는, 횡전계방식 액정표시소자을 반투과 모드로 적용하는 방법이 제안되었는데, 이 경우에도 듀얼-셀갭 방식으로 전극을 구성하여 반투과 모드의 효율을 최대화할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 반투과형 액정표시소자를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술에 의한 반투과형 액정표시소자의 평면도이다.
하나의 화소영역이 반사부(R)와 투과부(T)로 구분되어 횡전계에 의해 액정이 구동되는 반투과형 액정표시소자는, 도 1에 도시된 바와 같이, 복수개의 배선과 박막트랜지스터가 형성되어 있는 박막트랜지스터 어레이 기판(11)과, 상기 박막트랜지스터 어레이 기판(11)에 대향하는 컬러필터 어레이 기판(21)과, 상기 박막트랜지스터 어레이 기판(11)과 컬러필터 어레이 기판(21) 사이에 봉입된 액정층(31)으로 구성된다. 이 때, 투과부의 액정층 갭이 반사부의 액정층 갭보다 2배 큰 듀얼-셀갭으로 구성된다.
구체적으로, 상기 박막트랜지스터 어레이 기판(11)에는 서로 수직교차하여 화소영역을 정의하는 게이트 배선 및 데이터 배선과, 두 배선의 교차지점에 형성되 는 박막트랜지스터와, 반사부(R)에 한해 구비되는 유기절연막(18)과, 상기 유기절연막(18) 상에서 외부광을 반사시키는 반사전극(60)과, 투과부(T)에 한해 구비되어 상기 반사전극(60)과 동일층에 구비되는 화소전극(17)과, 상기 반사전극 및 화소전극 상에 형성되는 보호막(16)과, 상기 보호막(16) 상에서 형성되되 상기 반사전극 상부에 형성되어 제 1 전기장(E1)을 형성하고 상기 화소전극에 평행하도록 형성되어 제 2 전기장(E2)을 형성하는 공통전극(24)이 구비되어 있다.
이 때, 반사부(R)의 유기절연막(18)의 단차에 의해 액정셀갭이 이중단차가 된다. 즉, 유기절연막의 두께만큼, 투과부의 액정셀갭이 반사부의 액정셀 갭보다 2배 크도록 형성된다.
이와같이, 투과부의 셀갭(d1)과 반사부의 셀갭(d2)을 약 2:1의 비로 형성하여 반사부와 투과부의 온/오프(on/off) 모드를 정합시킨다.
구체적으로, 반사부로 입사하는 광과 투과부로 입사하는 광이 스크린 표면에 동시에 도달하게 하는데, 외부에서 반사부(R)로 입사하는 자연광은 상부에서 액정층(31)을 왕복하여 스크린 표면에 도달하고, 백라이트에서 투과부(T)로 입사하는 광은 반사부 셀갭의 2배가 되는 투과부 액정층을 통과하여 스크린 표면에 도달하므로, 결국 동시에 도달하게 된다.
한편, 반사부와 투과부로 구분되어 이중셀갭을 가지는 횡전계방식 액정표시소자는, 보호막(16)이 제거되어 있는 투과부(T) 및 보호막(16)이 제거되지 않고 그대로 남아 있는 반사부(R)에 평행하게 배치되어 제 1 횡전계(E1) 및 제 2 횡전계(E2)를 각각 형성한다.
따라서, 외부광원이 존재하지 않는 경우에는 투과부(T)의 제 1 횡전계(E1)에 의해 투과모드로 횡전계방식 액정표시소자를 구동하고, 외부광원이 존재하는 경우에는 반사부(R)의 제 2 횡전계(E2)에 의해 반사모드로 횡전계방식 액정표시소자를 구동한다.
한편, 상기 컬러필터 어레이 기판(21)에는 빛샘 차광을 위한 블랙 매트릭스(미도시)와, 상기 블랙 매트릭스 사이에 형성된 컬러필터층(미도시)이 형성되어 있다.
참고로, 상기 박막트랜지스터 어레이 기판(11)과 컬러필터 어레이 기판(21)의 내측면에는 액정층(31)의 분자가 일정한 방향으로 배열되도록 하기 위한 배향막이 더 구비되고, 외측면에는 빛의 광축을 조절하기 위한 편광필름이 더 구비되며, 상기 컬러필터 어레이 기판(21)과 편광필름 사이에는 위상차를 지연시키기 위한 위상차판이 더 구비된다.
그러나, 종래 기술에 의한 반투과형 액정표시소자는 다음과 같은 문제가 있다.
즉, 듀얼셀갭을 가지는 액정표시소자의 경우 반사부의 셀갭이 2㎛이하이고 투과부의 셀갭이 3~4㎛가 되므로, 반사부의 셀갭이 너무 작아 반사부 액정의 회전이 작고 이로인해 반사효율이 낮아지는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 반사부의 셀갭을 크게 형성하여 반사전극 상부의 액정 구동을 용이하게 함으로써 반사율을 향상시키고자 하는 반투과형 액정표시소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반투과형 액정표시소자는 제 1 기판 상에서 수직교차하여 반사부와 투과부로 구성되는 화소영역을 정의하는 게이트 배선 및 데이터 배선과, 상기 게이트 배선 및 데이터 배선의 교차 지점에 형성되는 박막트랜지스터와, 상기 박막트랜지스터를 포함한 전면에 형성되는 절연막과, 상기 화소영역의 반사부에 형성되는 반사전극과, 상기 화소영역의 투과부에 형성되는 제 1 전극과, 상기 반사전극 및 제 1 전극으로부터 절연되고, 상기 반사부에서 반사전극 상부에 형성되며 상기 투과부에서 상기 제 1 전극에 평행하는 제 2 전극과, 상기 제 1 기판에 대향 합착되고 컬러필터층이 형성된 제 2 기판과, 상기 반사부에서 (2n+1)λ/4의 위상지연을 가지고, 상기 투과부에서의 mλ/2의 위상지연을 가지는 액정층과, 상기 제 1 ,제 2 기판 외측면에 각각 부착된 제 1 ,제 2 편광필름을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명의 반투과형 액정표시소자의 제조방법은 제 1 기판 상에 게이트 배선을 형성하는 단계와, 상기 게이트 배선을 포함한 전면에 게이트 절연막을 형성하는 단계와, 상기 게이트 배선에 교차하는 데이터 배선을 형성하여 반사부와 투과부로 구분되는 화소영역을 정의하는 단계와, 상기 게이트 배선과 데이터 배선의 교차 지점에 박막트랜지스터를 형성하는 단계와, 상기 박막트랜지스터를 포함한 전면에 제 1 절연막을 형성하는 단계와, 상기 반사부에 반사전극을 형성하는 단계 와, 상기 투과부에 제 1 전극을 형성하는 단계와, 상기 반사전극 상부에 위치하고 상기 제 1 전극에 평행하는 제 2 전극을 형성하는 단계와, 상기 제 1 기판에 대향하도록 컬러필터층이 구비된 제 2 기판을 합착하는 단계와, 상기 제 1 ,제 2 기판 사이에 상기 반사부에서 (2n+1)λ/4의 위상지연을 가지고, 상기 투과부에서의 mλ/2의 위상지연을 가지는 액정층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 반투과형 액정표시소자 및 그 제조방법을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 반투과형 액정표시소자의 단면도이고, 도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 반투과형 액정표시소자의 공정단면도이다.
본 발명에 의한 반투과형 액정표시소자는 반사부(R)의 액정셀 갭이 투과부(T)의 액정셀 갭보다 큰 것을 특징으로 하는 이중셀갭 액정표시소자로서, 반사부의 액정셀 갭을 크게 형성하기 위해 컬러필터층을 이중단차로 형성한다.
여기서, TFT 어레이 기판(111)에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 수직교차하여 단위 화소영역을 정의하는 게이트 배선(도시하지 않음) 및 데이터 배선(115)과, 상기 게이트 배선과 데이터 배선을 절연시키기 위해 형성되는 게이트 절연막(113)과, 상기 게이트 배선 및 데이터 배선의 교차 지점에 형성되는 박막트랜지스터(TFT)와, 상기 박막트랜지스터를 포함한 전면에 형성되는 유기절연막(116)과, 반사부(R)의 상기 유기절연막 상에 형성되고 상기 박막트랜지스터(TFT)의 드레인 전극(115b)에 콘택되는 반사전극(120)과, 투과부(T)에 형성되고 상기 박막트랜지스터의 드레인 전극에 콘택되는 화소전극(117)과, 반사부에서 반사전극 상부의 소정영역에 복수개 형성되고 투과부에서 화소전극과 평행하도록 복수개 형성되는 공통전극(124)과, 상기 반사전극(120)을 포함한 전면에 형성되어 반사전극(120) 및 화소전극(117)으로부터 공통전극(124)을 절연시키는 절연층(118)이 구비되어 있다.
이 때, 상기 화소전극(117)은 상기 반사전극(120)과 동일층에 일체형으로 형성되어 동일한 전압을 인가받는다.
그리고, 상기 공통전극(124)은 화소영역의 투과부(T)에서 상기 화소전극(117)에 평행하도록 배치되어 제 1 횡전계를 형성하고, 화소영역의 반사부(R)에서 상기 반사전극(120) 상부에 배치되어 제 2 횡전계를 형성한다.
즉, 본발명의 횡전계방식 액정표시소자는 반투과모드로 동작하는데, 외부광원이 존재하지 않는 경우에는 투과부(T)의 화소전극과 공통전극 사이의 제 1 횡전계에 의해 투과모드로 구동되고, 외부광원이 존재하는 경우에는 반사부(R)의 반사전극과 공통전극 사이의 제 2 횡전계에 의해 반사모드로 구동된다.
참고로, 미설명 부호인 112p는 게이트 패드로서 외부 구동회로로부터 게이트 신호를 전달받아 게이트 배선에 전달하는 역할을 하고, 115p는 데이터 패드로서 외부 구동회로로부터 데이터 신호를 전달받아 데이터 배선에 전달하는 역할을 하며, 124p는 Vcom 패드로서 외부 구동회로로부터 Vcom 신호를 전달받아 공통전극에 전달하는 역할을 한다. 이 때, 게이트 패드, 데이터 패드, Vcom 패드는 외부 구동회로와 접촉하기 위해 외부로 노출되는데, 공기와 수분에 의해 쉽게 산화되는 문제점을 방지하고자 투명도전막(125)으로 커버해준다.
이러한 TFT 어레이 기판(111)에는 이중단차를 가지는 컬러필터층(123)이 구비되어 있는 컬러필터 어레이 기판(121)이 대향합착되어 있고, 상기 두 기판(111,121) 사이에는 액정층(131)이 구비되며, 상기 두 기판 외측면에는 제 1 ,제 2 편광필름(150,151)이 각각 부착되어 있다. TFT 어레이 기판(111)과 제 1 편광필름(150) 사이에는 보상필름(160)이 더 부착되어 투과부 모드의 블랙 특성을 확보한다.
이 때, 컬러필터층(123)의 단차가 투과부에서보다 반사부에서 더 낮게 형성되므로 반사부(R)의 액정셀 갭이 투과부(T)의 액정셀 갭보다 더 커지게 되는 것이다. 예를 들어 Dn =0.1인 경우, 2㎛ 두께의 컬러필터층을 선택적으로 제거하여 이중단차로 형성함으로써, 반사부의 액정셀갭을 4.125㎛(=4λ/3)로 형성하고, 투과부의 액정셀갭을 2.75㎛(=λ/2)로 형성할 수 있다.
이와같이, 컬러필터층의 단차를 조절하여 투과부의 액정 리타데이션 크기를 nλ/2(단, n은 자연수)로 하고, 반사부의 액정 리타데이션 크기를 (2m+1)λ/4(단, m은 자연수)로 할 수 있다.
그리고, 반사부에서는 외부자연광이 컬러필터층을 2회 통과하므로 상기에서와 같이 반사부의 컬러필터층을 낮게 형성하는 경우, 컬러필터층에서 흡수되는 광의 비율을 투과부와 맞출 수 있다. 투과부에서는 백라이트 광이 컬러필터층을 1회 통과하기 때문이다.
이하에서는, 투과부가 λ/2의 액정 리타데이션 크기를 가지고 반사부가 3λ /4의 액정 리타데이션 크기를 가지는 것을 일예로 하여 설명한다.
구체적으로, 본 발명에 의한 투과부(T)의 액정 리타데이션 크기는 λ/2이고, 공통전극(124)과 화소전극(117)은 서로 평행하게 형성되어 두 전극 사이에서 수평 방향의 전기장이 형성되는데, 이것은 투과모드 구동시 액정의 배향을 제어한다. 상기 공통전극(124)과 화소전극(117)은 절연층(118)에 의해 절연된다.
그리고, 반사부(R)의 액정 리타데이션 크기는 3λ/4이고, 절연층(118)을 사이에 두고 반사층 기능을 하는 반사전극(120) 상에 공통전극(124)이 놓여 두 전극 사이의 전기장에 의해 액정의 방향이 결정된다. 이 때, 반사전극(120)과 공통전극(124) 사이에는 무기절연물질 계통의 절연층(118)이 형성되어 서로 절연되는데, 반사전극(120)에 화소전극(117)과 동일한 전압이 인가되어 반사전극과 공통전극 사이에 형성된 전기장에 의해 반사모드 구동시 액정의 배향을 제어한다.
한편, 상기 반사전극 상에 화소전극을 형성할 수도 있을 것인데, 이경우 반사전극에는 Vcom 전압이 인가되도록 하며, 반사모드 구동시 액정의 배향을 제어한다.
이와같이, 본 발명에 의한 횡전계방식 액정표시소자는 반사부의 컬러필터층의 두께를 얇게 형성하여 반사부의 액정셀갭이 투과부보다 크도록 형성함으로써, 스크린 표면에 도달하는 화상의 위상차가 동일해지도록 한다.
이하에서는, 본 발명에 의한 횡전계방식을 적용한 반투과형 액정표시소자의 제조방법에 대해서 살펴보기로 한다.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, TFT 어레이 기판(111) 상에 신호지연의 방 지를 위해서 저저항 금속을 증착하고 패터닝하여 복수개의 게이트 배선(도시하지 않음), 게이트 전극(112a), 게이트 패드(112p) 및 Vcom 패드(124p)를 형성하고, 상기 게이트 전극을 포함한 전면에 실리콘 산화물(SiOx) 또는 실리콘 질화물(SiNx) 등의 무기절연물질을 통상, 플라즈마 강화형 화학 증기 증착(PECVD:plasma enhanced chemical vapor deposition) 방법으로 증착하여 게이트 절연막(113)을 형성한다.
다음, 게이트 절연막(113)을 포함한 전면에 비정질 실리콘(a-Si:H)을 증착한 후 패터닝하여 게이트 전극(112a) 상부의 게이트 절연막(113) 상에 반도체층(114)을 형성하고, 상기 반도체층(114)을 포함한 전면에 저저항 금속을 증착한 후 패터닝하여 복수개의 데이터 배선(115), 소스/드레인 전극(115a/115b) 및 데이터 패드(115p)를 형성한다.
이 때, 상기 데이터 배선(115)은 상기 게이트 배선에 수직교차하여 단위 화소영역을 정의하고, 상기 소스/드레인 전극(115a,115b)은 상기 반도체층(114) 상에 오버랩되어 게이트 전극(112a), 게이트 절연막(113), 반도체층(114), 소스/드레인 전극(115a,115b)으로 이루어지는 박막트랜지스터(TFT)를 이룬다.
이어서, 상기 데이터 배선(115)을 포함한 전면에 BCB(Benzocyclobutene), 아크릴계 수지(acryl resin) 등을 도포하여 유기절연막(116)을 형성한 후, 박막트랜지스터의 드레인 전극(115b)이 일부 노출되도록 일부 제거하여 제 1 콘택홀(119)을 형성한다.
다음, 도 3b에 도시된 바와 같이, 반사율 특성이 우수한 금속을 증착하고 패 터닝하여 반사전극(120) 및 화소전극(117)을 동시에 형성한다. 반사전극(120)은 반사부에 형성하고 화소전극(117)은 투과부에 형성하며, 상기 반사전극(120)이 제 1 콘택홀(119)을 통해 상기 드레인 전극(115b)에 접속되어 픽셀 전압을 전달받으며, 상기 화소전극도 일체형으로 연결하여 동일한 전압이 인가되도록 한다. 상기 반사전극과 화소전극을 서로 다른층에 형성하는 경우에는, 화소전극을 투명한 도전물질로 형성하고, 픽셀 전압이 흐르는 드레인 전극에 직접 또는 간접으로 연결한다.
이 때, 반사전극(120)은 상기 게이트 배선, 데이터 배선(115) 및 박막트랜지스터 상부에 형성하여 해당영역에서의 빛샘을 방지하는 역할을 동시에 수행할 수 있으며, 반사부(R)에 형성되어 컬러필터 어레이 기판 측에서 입사된 외부 자연광을 컬러필터 어레이 기판 측으로 반사시켜 화상을 디스플레이 하는 역할을 한다.
상기 반사전극(120)의 면적은 반사부와 투과부의 비율에 따라서 달라질 수 있으며, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr) 등의 반사율 특성이 우수한 금속층을 사용하여 형성한다. 그리고, 반사전극 표면을 울퉁불퉁하게 형성하여 외광의 미러(mirror) 반사를 방지하는 것도 가능하다.
다음, 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 반사전극(120)을 포함한 전면에 실리콘 질화물(SiNx), 실리콘 산화물(SiOx) 등을 증착하여 절연층(118)을 형성하고, 상기 게이트 패드(112p), 데이터 패드(115p), Vcom 패드(124p)가 노출되도록 상기 절연층(118), 유기절연막(116) 및 게이트 절연막(113)을 선택적으로 제거하여 제 2 콘택홀(129)을 형성한다.
계속해서, 도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 절연층(118)을 포함한 전면에 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide)와 같은 투명도전물질을 증착하고 패터닝하여 공통전극(124)을 형성한다. 이 때, 공통전극(124)은 투과부(T)에서 화소전극(117)과 평행하도록 형성하여 투과모드를 구동하는 수평방향의 전기장을 형성하고, 반사부(R)에서 반사전극(120) 상부에 형성하여 반사모드를 구동하는 전기장을 형성한다. 상기 공통전극은 스트라이프 형태로 복수개 형성한다.
다만, 반사부에 반사전극을 형성하는 동시에 투과부에 공통전극을 형성한 뒤, 절연층상의 반사부와 투과부에 화소전극을 형성할 수도 있다. 이때, 상기 반사전극 및 공통전극에는 Vcom 신호가 인가되도록 하고, 화소전극에는 픽셀전압이 인가되도록 하며, 화소전극을 투명한 도전물질로 형성한다.
이후, 도 3e에 도시된 바와 같이, 이중단차를 가지는 컬러필터층(123)이 형성되어 있는 컬러필터 어레이 기판(121)을 상기 TFT 어레이 기판에 대향하도록 합착하고, 두 기판 사이에 액정층(131)을 형성하여 이중셀갭의 횡전계방식 액정표시소자를 완성한다. 상기 컬러필터층(123)은 R,G,B의 안료가 포함되어 있는 도포한 후 이중단차를 가지도록 반사부의 컬러필터층을 일부 제거함으로써 형성한다.
상기 반사부의 컬러필터층과 투과부의 컬러필터층의 단차 차이에 의해서 액정셀갭이 결정되는데, 투과부의 액정 리타데이션 크기가 mλ/2(단, m은 자연수)가 되고 반사부의 액정 리타데이션 크기가 (2n+1)λ/4(단, n은 자연수)가 되도록 단차를 조절한다.
그리고, 상기 TFT 어레이 기판 및 컬러필터 어레이 기판의 외측면에는 빛을 편광시키기 위한 편광필름을 더 구비할 수 있으며, TFT 어레이 기판과 편광필름 사 이에는 투과부의 블랙 특성을 확보하기 위해 보상필름을 더 구비할 수 있다. 컬러필터 어레이 기판과 편광필름 사이에 반사부 모드를 위한 보상필름을 더 구비할 수 있으나, 본 발명에서는 구비하지 않아도 된다.
이하에서는 도 4 내지 도 6을 참고로 하여 본발명에서의 광학구성 배치와 그에 따른 광경로를 살펴보기로 한다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 광학 구성도이고, 도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 반사부에서의 편광상태 변화도이며, 도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 투과부에서의 편광상태 변화도이다.
이때, 상기 편광필름의 편광축과, 보상필름의 광축과, 액정분자의 방향자 각도를 조절하여 노멀리 블랙 모드(normally black mode)로 제작할 수 있는데, 액정층이 반사부 및 투과부에서 각각 3λ/4, λ/2의 위상차 값을 가지도록 액정셀갭을 조절하고, 보상필름으로 λ/2에 해당하는 위상차를 가지는 것(Half Wave Plate ; HWP)을 이용한다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 상부 편광필름(상부 POL)의 편광축과 하부 편광필름(하부 POL)의 편광축이 수직을 이루도록 배치하고, 액정분자는 상부 편광필름과 하부 편광필름 사이의 45°방향으로 초기배향시키며, 보상필름의 투과축은 액정분자의 초기배향 방향으로부터 90°의 각도를 이루도록 배치한다.
일예로, 상부 편광필름(상부 POL)의 편광축이 0°방향인 경우, 하부 편광(하부 POL)의 편광축은 90°, 액정분자의 초기 배향방향은 45°, 보상필름의 광축은 135°방향으로 설정한다.
이 때, 액정을 구동하지 않았을 경우의 반사부 액정층은 3λ/4의 위상지연을 가지므로 선편광을 원편광으로 또는 원편광을 선편광으로 바꾸는 QWP(Quater Wave Plate)와 같은 역할을 하고, 투과부의 액정층은 λ/2의 위상지연을 가지므로 액정을 기준으로 빛의 편광 방향을 대칭적으로 바꾸는 HWP와 같은 역할을 하며, 액정을 구동하였을 경우에는 액정층 분자들이 45°로 평균적으로 회전하여 하부 편광필름의 편광축과 일치하게 된다.
이와같이 설정된 반투과형 액정표시소자에 있어서, 반사부에 인가된 외부자연광의 광경로를 살펴보면, 도 5에 도시된 바와 같이, 액정을 구동하지 않은 경우(OFF상태), 상부 편광필름(상부 POL)으로 입사한 외부 자연광이 액정(3λ/4)을 그대로 통과하면서 원편광으로 바뀌어 반사전극에 도달하고, 반사전극에 의해 반사된 원편광은 다시 액정(3λ/4)을 통과하면서 선편광으로 바뀐다. 이때, 편광이 3λ/4의 위상지연 특성을 가지는 액정층을 2회 통과하므로 선편광이 90°회전하게 된다. 즉, 상부 편광필름의 투과축과 90°를 이루는 광이 출광하므로 상부 편광필름을 통과하지 못하여 블랙 레밸이 구현된다.
그리고, 반사부에 있어서, 액정을 구동한 경우(ON상태), 액정분자가 회전하여 상부 편광필름의 편광축과 동일하게 위치하는데, 상부 편광필름(상부 POL)으로 입사한 외부 자연광이 액정을 그대로 통과하여 반사전극에 도달하고, 반사전극에 의해 반사된 자연광은 광축의 변화없이 다시 액정을 그대로 통과하여 상부 편광필름의 편광축과 동일한 방향의 광을 출광한다. 따라서, 최종적으로 상부 편광필름을 통과하여 화이트 레밸을 구현하다.
한편, 투과부에 인가된 백라이트광의 광경로를 살펴보면, 도 6에 도시된 바와 같이, 액정을 구동하지 않은 경우(OFF상태) 하부 백라이트로부터 하부 편광필름(하부POL)으로 입사한 광이 보상필름(λ/2)을 통과하여 90°회전하고, 이후 액정층(λ/2)을 통과하여 다시 90°회전하여 하부 편광필름의 편광축과 동일한 방향의 광을 출광한다. 따라서, 하부 편광필름과 90°를 이루는 상부 편광필름을 통과하지 못하여 블랙 레밸이 구현된다.
그리고, 투과부에 있어서, 액정을 구동한 경우(ON상태), 액정분자가 회전하여 상부 편광필름의 편광축과 동일하게 위치하는데, 하부 백라이트에서 하부 편광필름(하부 POL)으로 입사한 광이 보상필름(λ/2)을 통과한 후 90°회전하여 상부 편광필름(상부 POL)의 편광축과 동일한 광을 출광한다. 이후 액정층과 상부 편광필름(상부 POL)의 편광축을 그대로 통과함으로써 화이트 레밸을 구현한다.
그러나, 상기와 같은 광학구성 배치는 550nm의 파장을 고려하여 보상필름을 설계한 것으로, 전 파장의 가시광선에 대해 만족하지 못하는 단점이 있다. 즉, B(Blue) 색상은 가시광선 중 450nm의 파장에 해당되는 색상이고, G(Green) 색상은 550nm의 파장에 해당되는 색상이며, R(Red) 색상은 650nm의 파장에 해당되는 색상이므로, 전 파장의 가시광선 범위에 만족할 수 있도록 보상필름을 설계할 필요가 있다.
따라서, 와이드밴드(wideband) 보상필름을 사용하여 가시광선 전체영역에서의 광축을 보상해준다. 도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 반투과형 액정표시소자의 단면도이고, 도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 광학 구성도이고, 도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 반사부에서의 편광상태 변화도이며, 도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 투과부에서의 편광상태 변화도이다.
구체적으로, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 액정층(531)이 반사부 및 투과부에서 각각 3λ/4, λ/2의 위상차 값을 가지도록 액정셀갭을 조절하고, 상부 편광필름(상부 POL,551)의 편광축과 하부 편광필름(하부 POL,550)의 편광축이 수직을 이루도록 배치하고, 하부 편광필름(550)과 액정층(531) 사이에 투과축이 105°방향이 되도록 제 1 보상필름(561)을 배치하며, 상부 편광필름(551)과 액정층(531) 사이에 투과축이 165°인 제 2 보상필름(562)과 15°인 제 3 보상필름(563)을 배치한다.
이 때, 상부 편광필름(상부 POL)의 편광축이 0°방향으로 하고, 하부 편광(하부 POL)의 편광축은 90°방향으로 설정한다.
그리고, 제 1 ,제 2 ,제 3 보상필름은 275nm의 위상지연을 나타내므로 각각 HWP와 같은 역할을 한다.
액정분자(531a)는 상부 편광필름과 하부 편광필름 사이에서 75°방향으로 초기배향시키며, 액정셀에 가해지는 전기장에 의해 액정분자의 초기배향 방향으로부터 75°~120°의 각도로 재배열된다.
이와같이 설정된 반투과형 액정표시소자에 있어서, 반사부에 인가된 외부자연광의 광경로를 살펴보면, 도 9에 도시된 바와 같이, 액정을 구동하지 않은 경우(OFF상태), 상부 편광필름(상부 POL)으로 입사한 0°방향의 외부 자연광(A/L, Ambient Light)이 제 3 보상필름(λ/2) 및 제 2 보상필름(λ/2)을 각각 통과하여 30° 및 120°방향으로 바뀌고, 액정(3λ/4)을 통과하면서 원편광으로 바뀌어 반사전극에 도달하고, 반사전극에 의해 반사된 원편광은 다시 액정(3λ/4)을 통과하면서 30°방향의 선편광으로 바뀐다. 이후, 제 2 보상필름(λ/2) 및 제 3 보상필름(λ/2)을 각각 통과하면서 120° 및 90°방향으로 빛의 방향이 바뀐다. 최종적으로, 상부 편광필름의 투과축과 90°를 이루는 광이 출광하므로 상부 편광필름을 통과하지 못하여 블랙 레밸이 구현된다.
이때, 제 2 보상필름(λ/2, 165°), 액정(3λ/4, 75°) 및 반사전극을 왕복 통과한 빛은 75°방향의 투과축을 가지고 λ/4의 위상지연 특성을 가지는 보상필름을 왕복 통과한 것과 같은 효과를 가진다. 즉, HWP와 같은 역할을 하는 제 3 보상필름과 QWP와 같은 역할을 하는 제 2 보상필름과 액정(3λ/4)에 의해 와이드밴드 QWP가 배치한 효과를 가지게 되므로 가시광선 전 파장에 대해서 균일한 반사율을 나타내게 된다.
그리고, 반사부에 있어서, 액정을 구동한 경우(ON상태), 액정분자가 회전하여 120°방향으로 회전하는바, 상부 편광필름(상부 POL)으로 입사한 0°방향의 외부 자연광(A/L)이 제 3 보상필름(λ/2) 및 제 2 보상필름(λ/2)을 각각 통과하여 30° 및 120°방향으로 바뀌고, 120°방향으로 회전한 액정(3λ/4)을 그대로 통과하여 반사전극에 도달하고, 반사전극에 의해 반사된 자연광은 광축의 변화없이 다시 액정을 그대로 통과하여 제 2 보상필름(λ/2) 및 제 3 보상필름(λ/2)을 각각 통과하면서 30° 및 0°방향으로 바뀌어, 최종적으로 상부 편광필름의 편광축과 동일한 방향의 광을 출광한다. 따라서, 상부 편광필름을 통과하여 화이트 레밸을 구 현하다.
한편, 투과부에 인가된 백라이트광의 광경로를 살펴보면, 도 10에 도시된 바와 같이, 액정을 구동하지 않은 경우(OFF상태), 하부 백라이트(B/L, Back Light)로부터 하부 편광필름(하부 POL)으로 입사한 90°방향의 광이 제 1 보상필름(λ/2)을 통과하여 120°방향으로 바뀌고, 액정층(λ/2)을 통과하여 30°방향으로 바뀐다. 이후, 제 2 보상필름(λ/2) 및 제 3 보상필름(λ/2)을 각각 통과하면서 120° 및 90°방향으로 빛의 방향이 바뀐다. 최종적으로, 상부 편광필름의 투과축과 90°를 이루는 광이 출광하므로 상부 편광필름을 통과하지 못하여 블랙 레밸이 구현된다.
그리고, 투과부에 있어서, 액정을 구동한 경우(ON상태), 액정분자가 120°방향으로 회전하는바, 하부 백라이트(B/L)에서 하부 편광필름(하부POL)으로 입사한 90°방향의 광이 제 1 보상필름(λ/2)을 통과하여 120°방향으로 회전하여 120°방향으로 회전한 액정(λ/2)을 그대로 통과하여 제 2 보상필름(λ/2) 및 제 3 보상필름(λ/2)을 각각 통과하면서 30° 및 0°방향으로 바뀌어, 최종적으로 상부 편광필름의 편광축과 동일한 방향의 광을 출광함으로써 화이트 레밸을 구현한다.
상기에서와 같이, 본 발명은 반사부가 투과부보다 액정셀갭이 큰 반투과형 액정표시소자를 적용함에 있어서, 와이드밴드 QWP 조건을 고려한 보상필름의 배치시 총 3개의 보상필름을 사용하는 것을 특징으로 한다. 이것은 수직전기장을 이용하는 반투과형 액정표시소자에서 와이드밴드 QWP 조건을 만족하기 위해 총 4개의 보상필름을 사용하는 것에 비해 1개의 보상필름을 절감할 수 있는 것이다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따른 반투과형 액정표시소자 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 반사부의 액정셀 갭이 투과부의 액정셀 갭보다 크도록 형성하여 반사전극 상부의 액정을 용이하게 구동함으로써 반사부의 광효율을 향상시킬 수 있다.
둘째, 반사부의 컬러필터층이 투과부보다 낮게 형성되므로, 반사부에서 외부자연광이 컬러필터층을 2회 통과하여 컬러필터층에서 흡수되는 광의 양을 투과부와 맞출 수 있다.
셋째, 반사부가 투과부보다 액정셀갭이 큰 반투과형 액정표시소자에대해 와이드밴드 QWP 조건을 고려하여 보상필름의 배치하는 경우, 총 3개의 보상필름을 사용하므로, 수직전기장을 이용하는 반투과형 액정표시소자에서 와이드밴드 QWP 조건을 만족하기 위해 총 4개의 보상필름을 사용하는 것에 비해 1개의 보상필름을 절감할 수 있다.

Claims (25)

  1. 제 1 기판 상에서 수직교차하여 반사부와 투과부로 구성되는 화소영역을 정의하는 게이트 배선 및 데이터 배선과,
    상기 게이트 배선 및 데이터 배선의 교차 지점에 형성되는 박막트랜지스터와,
    상기 박막트랜지스터를 포함한 전면에 형성되는 절연막과,
    상기 화소영역의 반사부에 형성되는 반사전극과,
    상기 화소영역의 투과부에 형성되는 제 1 전극과,
    상기 반사전극 및 제 1 전극으로부터 절연되고, 상기 반사부에서 반사전극 상부에 형성되며 상기 투과부에서 상기 제 1 전극에 평행하는 제 2 전극과,
    상기 제 1 기판에 대향 합착되고 컬러필터층이 형성된 제 2 기판과,
    상기 반사부에서 (2n+1)λ/4의 위상지연을 가지고, 상기 투과부에서의 mλ/2의 위상지연을 가지는 액정층과,
    상기 제 1 ,제 2 기판 외측면에 각각 부착된 제 1 ,제 2 편광필름을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.(단, n,m은 자연수)
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사부 및 투과부의 액정층 위상지연은 상기 컬러필터층의 단차로 조절하는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 반사부의 컬러필터층 단차가 투과부의 컬러필터층 단차보다 낮은 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사부의 액정은 반사전극과 제 2 전극 사이에 형성되는 제 1 전기장에 의해 구동되고,
    상기 투과부의 액정은 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 형성되는 제 2 전기장에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사전극과 제 1 전극은 동일층에 구비되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전극은 투명한 도전물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사전극과 제 1 전극에 픽셀 전압이 인가되고 상기 제 2 전극에 Vcom 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 반사전극과 제 1 전극은 상기 박막트랜지스터의 드레인 전극에 연결되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사전극과 제 1 전극에 Vcom 신호가 인가되고 상기 제 2 전극에 픽셀 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 전극은 상기 박막트랜지스터의 드레인 전극에 연결되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 투과부에 해당하는 영역의 제 1 기판과 제 1 편광필름 사이에 보상필름(λ/2)이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 편광필름의 편광축은 90°가 되도록 배치되고,
    상기 제 2 편광필름의 편광축은 상기 제 1 편광필름의 편광축과 수직하도록 배치되고,
    상기 액정층은 상기 제 1 편광필름과 제 2 편광필름 사이의 45°방향으로 초기배향되며,
    상기 보상필름의 광축은 135°가 되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 액정층은 전기장에 의해 45°방향에서 90°방향으로 회전되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 기판과 제 1 편광필름 사이에 제 1 보상필름(λ/2)이 더 구비되고,
    상기 제 2 기판과 제 2 편광필름 사이에 제 2 보상필름(λ/2)이 더 구비되며,
    상기 제 2 기판과 제 2 보상필름 사이에 제 3 보상필름(λ/2)이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 편광필름의 편광축은 90°가 되도록 배치되고,
    상기 제 2 편광필름의 편광축은 상기 제 1 편광필름의 편광축과 수직하도록 배치되고,
    상기 액정층은 75°방향으로 초기배향되고,
    상기 제 1 보상필름의 광축은 105°가 되도록 배치되고,
    상기 제 2 보상필름의 광축은 165°가 되도록 배치되며,
    상기 제 3 보상필름의 광축은 15°가 되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 액정층은 전기장에 의해 75°방향에서 120°방향으로 회전되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  17. 제 1 기판 상에 게이트 배선을 형성하는 단계와,
    상기 게이트 배선을 포함한 전면에 게이트 절연막을 형성하는 단계와,
    상기 게이트 배선에 교차하는 데이터 배선을 형성하여 반사부와 투과부로 구분되는 화소영역을 정의하는 단계와,
    상기 게이트 배선과 데이터 배선의 교차 지점에 박막트랜지스터를 형성하는 단계와,
    상기 박막트랜지스터를 포함한 전면에 제 1 절연막을 형성하는 단계와,
    상기 반사부에 반사전극을 형성하는 단계와,
    상기 투과부에 제 1 전극을 형성하는 단계와,
    상기 반사전극 상부에 위치하고 상기 제 1 전극에 평행하는 제 2 전극을 형성하는 단계와,
    상기 제 1 기판에 대향하도록 컬러필터층이 구비된 제 2 기판을 합착하는 단계와,
    상기 제 1 ,제 2 기판 사이에 상기 반사부에서 (2n+1)λ/4의 위상지연을 가지고, 상기 투과부에서의 mλ/2의 위상지연을 가지는 액정층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자의 제조방법.(n,m은 자연수)
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 컬러필터층은 반사부의 단차가 투과부의 단차보다 낮은 이중단차를 가지도록 형성하는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자의 제조방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 반사전극과 제 1 전극은 동시에 형성하는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자의 제조방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 반사전극과 제 2 전극 사이에 제 2 절연막을 형성하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자의 제조방법.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 2 전극은 투명한 도전물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자의 제조방법.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 반사전극과 제 1 전극을 상기 박막트랜지스터의 드레인 전극에 연결시키고, 상기 제 2 전극을 Vcom 패드에 연결시키는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자의 제조방법.
  23. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 2 전극을 상기 박막트랜지스터의 드레인 전극에 연결시키고, 상기 반사전극과 제 1 전극을 Vcom 패드에 연결시키는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자의 제조방법.
  24. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 기판과 제 1 편광필름 사이에 보상필름을 더 배치하는 것을 특징 으로 하는 반투과형 액정표시소자의 제조방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 2 기판과 제 2 편광필름 사이에 적어도 하나 이상의 보상필름을 더 배치하는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자의 제조방법.
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