KR101108859B1 - 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반투과형 액정 표시 장치 및 그 제조 방법에 대한 것으로, 특히 수평 전계에 의해 액정을 구동하는 반투과형(transflective type) 횡전계방식(IPS:In Plane Switching Mode) 액정 표시 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
따라서, 본 발명은 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치에서 반사 영역, 투과 영역에서의 공통 전극과 화소 전극의 간격을 다르게 하여 액정의 위상지연(retardation)을 다르게 함으로써 시야각 및 실내/외에서의 시인성을 향상시키는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치에서 반사용 금속층을 사용하지 않고 미반사 필름(예를 들어, transmissive with micro-reflector film)을 적용함으로써 공정을 단순화시켜 제조 수율을 향상시키는 효과가 있다.
반투과형, 횡전계 방식, 미반사 필름, 전극 간격

Description

반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치 및 그 제조 방법{transflective IPS mode LCD and the fabrication method}
도 1은 종래에 따른 투과형 액정표시장치의 구조를 개략적으로 도시한 단면도.
도 2는 종래에 따른 반사형 액정표시장치의 구조를 개략적으로 도시한 단면도.
도 3은 종래에 따른 반투과형 액정 표시 장치의 구성을 개략적으로 도시한 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치용 어레이 기판을 보여주는 평면도.
도 5은 도 4에서 Ⅰ-Ⅰ'로 절단하여 보여주는 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치의 단면도.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치에서 전계 인가/무인가(on/off) 시의 광학 특성을 보여주는 실시예.
도 8a는 본 발명에 따른 횡전계 방식 액정 표시 장치용 어레이 기판의 제조 공정을 보여주는 평면도.
도 8b는 도 8a에서 Ⅰ-Ⅰ'로 절단하여 보여주는 단면도.
도 9a는 본 발명에 따른 횡전계 방식 액정 표시 장치용 어레이 기판의 제조 공정을 보여주는 평면도.
도 9b는 도 9a에서 Ⅰ-Ⅰ'로 절단하여 보여주는 단면도.
도 10a는 본 발명에 따른 횡전계 방식 액정 표시 장치용 어레이 기판의 제조 공정을 보여주는 평면도.
도 10b는 도 10a에서 Ⅰ-Ⅰ'로 절단하여 보여주는 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
501 : 제 1 기판 502 : 제 2 기판
508 : 게이트 배선 509 : 게이트 전극
510 : 데이터 배선 511 : 스토리지 전극
515 : 반도체층 520 : 게이트 절연막
523 : 층간 절연막 526 : 소스 전극
527 : 드레인 전극 533 : 컬러 필터층
534 : 블랙 매트릭스 540 : 보호막
541S, 541D : 소스 및 드레인 콘택홀 545 : 화소 콘택홀
560 : 액정층 565 : 미반사 필름
571 : 제 1 위상차판 572 : 제 2 위상차판
581 : 제 1 편광판 582 : 제 2 편광판
590 : 백라이트 어셈블리
본 발명은 반투과형 액정 표시 장치 및 그 제조 방법에 대한 것으로, 특히 수평 전계에 의해 액정을 구동하는 반투과형(transflective type) 횡전계방식(IPS:In Plane Switching Mode) 액정 표시 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 액정표시장치는 소형 및 박형화와 저전력 소모의 장점을 가지는 평판 표시장치로서, 노트북 PC와 같은 휴대용 컴퓨터, 사무 자동화 기기, 오디오/비디오 기기 등으로 이용되고 있다.
이러한, 액정표시장치는 유전 이방성을 가지는 액정물질에 인가되는 전계를 제어하여 광을 투과 또는 차단하여 화상 또는 영상을 표시하게 된다. 액정표시장치는 일렉트로 루미네센스(Electro-luminescence : EL), 음극선관(Cathode Ray Tube : CRT), 발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED) 등과 같이 스스로 광을 발생하는 표시소자들과는 달리, 스스로 광을 발생하지 않고 외부광을 이용하게 된다.
통상적으로, 액정표시장치는 광을 이용하는 방식에 따라 크게 투과형과 반사형으로 대별된다.
투과형 액정표시장치는 두 장의 유리기판 사이에 액정물질이 주입된 액정표시패널과, 액정표시패널에 광을 공급하는 백라이트(Back Light)를 구비하게 된다.
도 1은 종래에 따른 투과형 액정표시장치의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 게이트버스선과 데이터버스선의 교차점에 스위칭 소 자로 기능하는 TFT(Thin Film Transistor: TFT)가 각각 형성된 하판(102)과; 상기 하판(102)과 대향되며 BM(Black Matrix:BM), 칼라필터층과 공통전극이 형성된 상판(101)과; 상기 하판(102)과 상기 상판(101)사이에 액정이 주입된 액정층(103)과; 상기 하판(102)에 부착된 제 1 편광판(105)과, 상기 상판(101)에 부착된 제 2 편광판(104)과, 광원을 제공하는 백라이트 어셈블리(106)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 상판과 상기 하판에 각각 부착된 제 1 편광판과 제 2 편광판은 서로 90°를 이루어 부착되어 있다.
상기와 같이 구성된 액정표시장치의 게이트버스선과 데이터버스선을 각 1개씩 선택하여 전압을 인가하면 상기 전압이 인가된 TFT(Thin Film Transistor: TFT)만이 온(on)되고, 상기 온(on)된 TFT의 드레인 전극에 접속된 화소전극에 전하가 축적되어 공통 전극과의 사이의 액정분자의 각도를 변화시킨다.
따라서, 상기 액정층(103)의 유전이방성을 가지는 액정분자에 인가되는 전계를 제어하여 상기 백라이트 어셈블리(106)로부터 제공되는 광을 투과 또는 차단시킴으로써 화상 또는 영상을 표시하게 된다.
그러나, 상기 투과형 액정표시장치는 백라이트 어셈블리의 부피, 무게로 인하여 박형화?경량화에 어려움이 있으며, 백라이트 어셈블리의 과도한 소비전력이 단점으로 지적되고 있다.
따라서, 상기 백라이트 어셈블리를 사용하지 않는 반사형 액정표시장치에 대한 연구 개발이 진행되었다.
한편, 반사형 액정표시장치는 자체의 광원이 별도로 마련되지 않으므로 자연 광(또는, 주변광)에 의존하여 화상을 표시하게 된다. 따라서, 별도의 백라이트 어셈블리가 필요 없으므로 소비전력이 적어 전자수첩이나 개인정보단말기 등의 휴대용 표시소자로 널리 쓰인다.
도 2는 종래에 따른 반사형 액정표시장치의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 게이트버스선과 데이타버스선의 교차점에 스위칭 소자로 기능하는 TFT(Thin Film Transistor: TFT)가 각각 형성된 하판(202)과; 상기 하판(202)과 대향되며 BM(Black Matrix:BM), 칼라필터층과 공통전극이 형성된 상판(201)과; 상기 하판(202)과 상기 상판(201)사이에 액정이 주입된 액정층(203)과; 상기 하판(202)에 부착된 제 1 편광판(205)과, 상기 상판(201)에 부착된 제 2 편광판(204)과, 상기 제 1 편광판(205)의 하부에 구비되며, 외부광원으로부터 제공되는 빛을 반사시키는 반사판(206)을 포함하여 구성된다.
상기와 같이 구성된 액정표시장치의 게이트버스선과 데이터버스선을 각 1개씩 선택하여 전압을 인가하면 상기 전압이 인가된 TFT(Thin Film Transistor: TFT)만이 온(on)되고, 상기 온(on)된 TFT의 드레인 전극에 접속된 화소 전극에 전하가 축적되어 공통 전극과의 사이의 액정분자의 각도를 변화시킨다.
따라서, 상기 액정층(203)의 유전이방성을 가지는 액정분자에 인가되는 전계를 제어하여 상기 반사판에서 반사된 외부광을 투과 또는 차단시킴으로써 화상 또는 영상을 표시하게 된다.
그러나, 상기 반사형 액정표시장치는 자연광이 충분한 광량을 가지고 있지 않는 경우(예를 들면, 주변이 어두운 경우) 표시화상의 휘도 레벨이 저하되어 표시 된 정보를 읽을 수 없게 되는 문제점이 있다.
한편, 도 3은 종래에 따른 반투과형 액정 표시 장치의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다. 이에 도시된 바와 같이, 컬러필터 기판이 형성된 상판(311)과 어레이 기판인 하판(300)이 일정간격으로 이격되어 대향하고 있고, 상기 상판 및 하판(311, 300) 사이에 액정층(320)이 충진되어 있고, 상기 하판(300)의 하부에는 빛을 공급하는 백라이트 어셈블리(340)가 위치하고 있다.
상기 상판과 상기 하판(311, 300)의 바깥쪽 즉, 상기 상판(311)의 상면과 상기 하판(300) 하면에는 광 투과축에 평행한 방향의 빛만 통과시켜 자연광을 선편광으로 변환시키는 상부 편광판(313) 및 하부 편광판(336)이 배치되어 있다. 여기서, 상부 편광판(313)의 광투과축은 하부 편광판(336)의 광 투과축과 90도를 이룬다.
상기 상판(311)에는 특정 파장대의 빛만을 투과시키는 컬러필터(미도시)와 액정에 전압을 인가하는 한쪽 전극인 상부 공통 전극(312)이 형성되어 있다.
상기 하판(300)에는 상기 액정층(320)에 전압을 인가하는 다른 한쪽 전극인 하부 화소 전극(333)과 이 하부 화소 전극(333)의 상부에 위치하여 이 하부 화소 전극(333)의 일부 영역을 노출시키는 투과홀(331)을 가지는 보호층(334), 반사판(335)이 차례대로 형성되어 있다.
이때, 상기 반사판(335)과 대응하는 영역을 반사부(r)로 하고, 상기 투과홀(331)에 의해 노출된 화소 전극(333)과 대응하는 영역을 투과부(t)로 한다.
한편, 상기 반사부(r)와 투과부(t) 각각의 셀 갭은 상기 두 영역간의 빛이 진행하는 거리차를 줄이기 위해 상기 투과부 셀갭(d1)을 반사부 셀갭(d2)의 약 2배 정도의 값을 가지도록 구성된다.
왜냐하면, 상기 액정층(320)의 위상차값(δ)은,
δ= Δn ?d
(δ: 액정의 위상차값, Δn : 액정의 굴절율, d : 셀갭)
의 관계식을 가지므로, 빛의 반사를 이용하는 반사모드와 빛의 투과를 이용하는 투과모드간 광 효율의 차를 줄이기 위해서는 투과부의 셀갭을 반사부의 셀갭보다 크게하여 액정층(320)의 위상차값을 일정하게 유지해야 하기 때문이다.
이와 같이 듀얼 셀갭 반투과형 액정 표시 장치는 시야각 특성이 좋은 횡전계방식 액정 표시 장치에 적용할 수 있다.
종래 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치는 투과부 및 반사부에 각각 서로 평행하게 배열된 공통 전극 및 화소 전극이 형성되어 있다.
상기 투과부와 반사부에 배열된 공통 전극 및 화소 전극은 횡전계를 형성하며, 외부 광원이 존재하지 않는 경우에는 투과모드로 횡전계 방식 액정 표시 장치가 구동하고, 외부 광원이 존재할 경우에는 반사모드로 구동하게 된다.
그런데, 상기와 같은 구성을 가지는 종래 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치는 상기 반사부와 투과부의 경계면에서 전장의 왜곡이 발생하여 액정 전경(disclination)이 발생되는 문제점이 있다.
본 발명은 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치에서 반사부, 투과부에서의 공통 전극과 화소 전극의 간격을 다르게 하여 액정의 위상지연(retardation)을 다 르게 함으로써 단일 셀갭 반투과형을 구현하고 시야각 및 시인성을 향상시킬 수 있는 횡전계 방식 액정 표시 장치를 제공하는 데 제 1 목적이 있다.
또한, 본 발명은 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치에서 반사용 금속층을 사용하지 않고 미반사 필름(예를 들어, transmissive with micro-reflector film)을 적용함으로써 공정을 단순화시키는 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치의 제조 방법을 제공하는 데 제 2 목적이 있다.
상기한 제 1 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치는, 제 1 기판 및 제 2 기판과; 상기 제 1 기판 상에서 종횡으로 교차하여 투과 영역과 반사 영역으로 구성된 다수의 화소를 정의하는 게이트 배선 및 데이터 배선과; 상기 게이트 배선 및 데이터 배선의 교차 영역에 형성된 박막 트랜지스터와; 상기 화소 영역에서 서로 엇갈려 배치되며 상기 반사 영역에서 이웃하는 전극 간격(d2)이 투과 영역에서의 전극 간격(d1)보다 크게 형성된 화소 전극 및 공통 전극과; 상기 2 기판에 형성된 컬러 필터 및 블랙 매트릭스와; 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 형성된 액정층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 제 2 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치의 제조 방법은, 제 1 기판 및 제 2 기판을 준비하는 단계와; 상기 제 1 기판 상에 종횡으로 교차하여 반사 영역과 투과 영역을 가지는 화소를 정의하는 게이트 배선과 데이터 배선을 형성하는 단계와; 상기 게이 트 배선과 데이터 배선의 교차 지점에 박막 트랜지스터를 형성하는 단계와; 상기 반사 영역과 상기 투과 영역에서 서로 다른 전극 간격을 가지도록 공통 전극과 화소 전극을 형성하는 단계와; 상기 제 2 기판에 컬러 필터 및 블랙 매트릭스를 형성하는 단계와; 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 액정층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대해서 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치용 어레이 기판을 보여주는 평면도이고, 도 5은 도 4에서 Ⅰ-Ⅰ'로 절단하여 보여주는 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치의 단면도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 횡전계 방식 액정 표시 장치의 제 1 기판(501)은 소정간격 이격되어 평행하게 일 방향으로 구성된 다수의 게이트 배선(508)과, 상기 게이트 배선(508)에 근접하여 평행하게 일 방향으로 구성된 공통 배선(531)과, 상기 두 배선과 교차하며 특히 게이트 배선(508)과는 화소 영역(P)을 정의하는 데이터 배선(510)이 구성된다.
이때, 상기 게이트 배선(508)은 Al, Cu, Ta, Ti, Mo, Mo 합금(alloy), Al 합금 등의 금속을 증착한 후 패터닝하여 형성하며, 상기 화소 영역(P) 내에 상기 게이트 배선(508) 물질로 스토리지 전극(511)이 형성되어 있다.
상기 데이터 배선(510)은 Al, Cu, Ta, Ti, Mo, Mo 합금(alloy), Al 합금 등의 금속 물질로 이루어진다.
그리고, 상기 게이트 배선(508)과 데이터 배선(510)의 교차지점에는 게이트 전극(509)과 반도체층(515)과 소스 전극(526)및 드레인 전극(527)을 포함하는 박막트랜지스터(T)가 구성된다.
여기서, 상기 게이트 전극(509)은 상기 게이트 배선(508)과 연결되며, 상기 반도체층(515)은 상기 게이트 전극(509)과 게이트 절연막(520)을 사이에 두고 제 1 기판(501) 상에 형성된다.
그리고, 상기 소스 전극(526)은 상기 데이터 배선(510)이 게이트 전극(509) 상으로 연장되어 형성되고, 상기 드레인 전극(527)은 상기 소스 전극(526)과 동일한 물질로 상기 소스 전극(526)과 마주하며 소정 이격하여 상기 게이트 전극(509) 상에서 형성된다.
이때, 상기 소스 전극(526) 및 드레인 전극(527)은 상기 게이트 전극(509)과 층간 절연막(523)을 사이에 두고 형성되며, 상기 층간 절연막(523)에는 소스 및 드레인 콘택홀(541S, 541D)이 형성된다.
따라서, 상기 소스 및 드레인 콘택홀(541S, 541D)을 통해서 상기 소스 및 드레인 전극(526, 527)은 상기 반도체층(515)과 전기적으로 접촉한다.
그리고, 상기 소스 및 드레인 전극(526, 527) 상에는 보호막(540)이 형성되며, 상기 보호막(540)에는 상기 드레인 전극(527)을 소정 노출시키는 화소 콘택홀(545)이 형성되어 화소 전극(514)과 접속시킨다.
그리고, 상기 화소 영역(P)에는 상기 게이트 배선(508)과 평행하게 형성된 공통 배선(531)에서 연장되어 연결되는 공통 전극(513)이 형성된다.
또한, 상기 화소 영역(P)의 상부에는 상기 드레인 전극(527)과 연결되는 화소 전극(514)이 형성된다.
이때, 상기 화소 전극(514)과 상기 공통 전극(513)은 상기 화소 영역(P)에서 서로 교차하며 구성된다.
도시된 바와 같이, 상기 화소 영역(P) 내에 형성되는 공통 전극(513)에서 최외곽 공통 전극(513)은 데이터 배선(510) 상에서 보호막(540)을 사이에 두고 형성된다.
그러나, 상기 최외곽 공통 전극(513)은 상기 데이터 배선(510)과 평행하게 상기 화소 영역(P) 내에 형성될 수도 있다.
상기 공통 전극(513)과 화소 전극(514)은 스트라이프 형성, 지그재그(zigzag) 형상 등으로 서로 엇갈려 구성될 수 있다.
그리고, 상기 데이터 배선(510), 화소 전극(514), 공통 전극(513) 중 적어도 어느 하나는 꺽이는 구조를 가지는 지그재그 구조로 형성할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 상기 게이트 배선(508)과 데이터 배선(510)이 교차하여 정의하는 화소 내에 반사 영역과 투과 영역을 형성하며, 상기 반사 영역과 투과 영역에서 서로 평행하게 엇갈려 배열된 상기 화소 전극(514)과 공통 전극(513)의 전극 간격이 다르게 형성되어 있다.
상기 반사 영역에 형성된 공통 전극(513)과 화소 전극(514)의 전극 간격은 상기 투과 영역에 형성된 공통 전극(513)과 화소 전극(514)의 전극 간격보다 크게 형성한다(d2>d1).
따라서, 상기 데이터 배선(510)을 통하여 화소로 동일한 데이터 신호가 입력되어도 상기 반사 영역과 투과 영역에 형성되는 횡전계는 서로 달라지게 된다.
상기 반사 영역에 형성된 횡전계는 상기 투과 영역의 전극 간격(d1)에 비하여 전극 간격(d2)이 넓기 때문에 동일한 데이터 신호가 입력되어도 반사 영역의 액정 셀(cell)의 위상 지연(retardation) 값이 투과 영역과 비교하여 작게 나타나게 된다.
예를 들어, 본 발명에 따른 횡전계 방식 액정 표시 장치에서 액정에 전계가 인가되면 상기 반사 영역의 액정 셀은 약 λ/4의 위상 지연 값을 가지고, 상기 투과 영역의 액정 셀은 약 λ/2의 위상 지연 값을 가진다.
이와 같이, 본 발명에 따른 횡전계 방식 액정 표시 장치는 상기 공통 전극과 화소 전극의 전극 간격을 반사 영역과 투과 영역에서 서로 다르게 변경시킴으로써 횡전계의 세기를 변화시키며 이로 인하여 액정의 위상 지연 값을 조정할 수 있으므로, 단일 셀갭(single cell gap)으로 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치를 구현할 수 있다.
도 5의 단면도를 참조하면, 횡전계 방식 액정 표시 장치는 제 1 기판(501) 상에 박막 트랜지스터 위치에 반도체층(515)을 형성한다.
그리고, 상기 반도체층(515)이 형성된 제 1 기판(501) 상에 게이트 절연막(520)을 형성하고 금속을 증착한 후 패터닝하여 복수개의 게이트 배선(508)과, 상기 게이트 배선(508)에서 분기되어 박막 트랜지스터(T) 위치에 게이트 전극(509) 및 상기 게이트 배선(508) 물질로 형성되는 스토리지 전극(511)을 형성 한다.
그리고, 상기 게이트 배선(508) 상에 층간 절연막(523)이 형성된다.
다음으로, 상기 게이트 배선(508)과 수직으로 교차하는 데이터 배선(510)을 형성한다.
이 때, 상기 데이터 배선(510) 형성시, 상기 게이트 배선(508)과 데이터 배선(510)의 교차점에 이루어지는 박막 트랜지스터(T)의 반도체층 상부에 소스 전극(526) 및 드레인 전극(527)을 동시에 형성한다.
이때, 상기 소스 전극(526) 및 드레인 전극(527)은 층간 절연막(523)과 게이트 절연막(520)을 관통하는 소스 및 드레인 콘택홀(541S, 541D)을 통해서 상기 반도체층(515)과 접속한다.
그리고, 상기 소스 및 드레인 전극(526, 527) 상에 보호막(540)이 형성되며, 상기 보호막(540)에는 상기 드레인 전극(527)을 일부 노출시키는 화소 콘택홀(545)이 형성되어 있다.
상기 보호막(540)은 유기막인 포토아크릴, BCB나 무기막인 실리콘 산화막(SiOx), 실리콘 질화막(SiNx)으로 형성할 수 있다.
상기 화소 콘택홀(545)을 통해서 상기 드레인 전극(527)과 접속하는 화소 전극(514)이 화소 영역(P) 내에 형성되며, 상기 화소 전극(514)과 엇갈려 배치되는 공통 전극(513)이 형성되어 있다.
상기 공통 전극(513)은 상기 게이트 배선(508)과 평행하게 형성되는 공통 배선(531)에 연결된다.
상기 화소 전극(514)은 ITO(indium tin oxide) 또는 IZO(indium zinc oxide)와 같은 투명한 전도성 물질로 이루어진다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 상기 게이트 배선(508)과 데이터 배선(510)이 교차하여 정의하는 화소 영역(P)내에 반사 영역과 투과 영역을 형성하며, 상기 반사 영역과 투과 영역에서 서로 평행하게 엇갈려 배열된 상기 화소 전극(514)과 공통 전극(513)의 전극 간격이 다르게 형성되어 있다.
상기 반사 영역에 형성된 공통 전극(513)과 화소 전극(514)의 전극 간격(d2)은 상기 투과 영역에 형성된 공통 전극(513)과 화소 전극(514)의 전극 간격(d1)보다 크게 형성한다(d2>d1).
한편, 상기 제 1 기판(501)과 대향하는 제 2 기판(502)에는 비표시 영역, 예를 들면, 박막 트랜지스터 영역, 게이트 배선(508) 및 데이터 배선(510) 영역으로 광이 누설되는 것을 방지하기 위한 블랙 매트릭스(534)와 실제 컬러를 구현하기 위한 적, 녹, 청(R, G, B)의 색소를 가진 컬러 필터층(533)이 형성되어 있다.
또한, 도면에는 도시되지는 않았으나, 상기 제 2 기판(502)의 평탄성을 향상시키기 위한 오버코트층(overcoating layer)이 형성될 수도 있다.
그리고, 상기 제 1 기판(501) 및 제 2 기판(502) 사이에 액정층(560)이 형성되어 횡전계 방식 액정 표시 장치가 완성된다.
상기와 같이 구성되는 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치는 상기 제 1 기판(501)과 제 2 기판(502)의 외면에 위상차판(571, 572)과 편광판(581, 582)을 구비한다.
상기 제 1 기판(501)의 외면 상부에는 제 1 위상차판(571)과 제 1 편광판(581)을 순차적으로 구성하고, 상기 제 2 기판(502)의 상부에는 제 2 위상차판(572)과 제 2 편광판(582)을 순차적으로 구성한다.
그리고, 상기 제 1 기판(501)과 제 1 위상차판(571) 사이에는 미반사 필름(예를 들어 : transmissive with micro-reflector film)(565) 을 더 포함하여 구성한다.
상기 미반사 필름(565)은 외부 광원에 의해서 상기 제 1 기판(501)을 경유하여 전면에 입사되는 광의 경로를 반전시켜 액정층(560)에 재입사시키는 동작을 수행한다.
또한, 상기 미반사 필름(565)은 내부 광원인 백라이트 어셈블리로부터 후면에 입사되는 광은 그대로 통과시켜 상기 제 1 기판(501)을 경유하여 액정층(560)으로 입사시킨다.
그리고, 상기 제 1, 2 편광판(581, 582)은 일반적으로 입사되는 광은 그 진동 방향이 모든 방향으로 동일한 확률을 가지고 있으므로, 이러한 광들 중에서 편광축과 동일한 방향으로 진동하는 광만 투과시키고, 그 외의 나머지 방향으로 진동하는 광은 일정 매질을 이용하여 흡수 또는 반사하여 특정한 하나의 방향으로만 진동하는 광을 만드는 역할을 수행한다. 즉, 편광판은 입사되는 광 중에서 일정 선편광 성분만 통과시킨다.
그리고, 상기 제 1, 2 편광판(581, 582)의 편광축은 서로 직교하도록 부착될 수도 있고, 서로 평행하도록 부착될 수도 있으며, 상기한 제 1, 2 편광판(581, 582)의 편광축의 회전 정도에 따라 투과광의 세기가 조절되어 블랙(black) 컬러와 화이트(white) 컬러 사이의 그레이(gray) 표현이 가능하게 된다.
상기 제 1, 2 위상차판(571, 572)은 상기 제 1, 2 편광판(581, 582)과 제 1, 2 기판(501, 502) 사이에 구비된다.
여기서, 도시된 제 1, 2 위상차판(571, 572)은 λ/4 위상차판을 사용하며, 상기 위상차판은 광학보상을 위하여 사용된다.
이때, 상기 제 1 위상차판(571)은 상기 미반사 필름(565)의 하부에 구비된다.
상기와 같이 구성되는 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치에서 반사 영역과 투과 영역에서의 광학 특성을 설명하면 다음과 같다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치에서 전계 인가/무인가(on/off) 시의 광학 특성을 보여주는 실시예이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치에서 액정의 전계 무인가 상태(off state)에서 반사 영역과 투과 영역의 광학 특성을 본다.
먼저, 반사모드에서, 외부 광원은 전기장과 자기장이 진행방향과 수직으로 진동하면서 반사 영역으로 입사되며, 상기 반사 영역에 입사된 광은 제 2 편광판(582)을 경유하면서 선편광으로 변환되고,상기 선편광은 상기 제 2 위상차판(572)과 제 2 기판(502)을 경유하면 원편광, 바람직하게는 좌원편광으로 변환된다.
그리고, 상기 좌원편광으로 변환된 광은 액정층(560)과 제 1 기판(501)을 그대로 통과하고(위상 지연 없음), 상기 미반사 필름(565)에 의해 반사되어 입사 경로와는 반전되어 반사된다.
따라서, 상기 좌원 편광은 상기 미반사 필름(565)에 의해 반사되어 우원편광으로 변환된다.
이어서, 상기 우원편광으로 변환된 광은 제 1 기판(501)과 액정층(560)으로 재입사하여 그대로 통과하고(위상 지연 없음) 상기 제 2 기판(502)을 통과한다.
그리고, 상기 우원편광은 제 2 위상차판(572)을 경우하면서 선편광으로 변환되어 상기 제 2 편광판(582)으로 입사된다.
이때, 상기 선편광은 상기 제 2 편광판(582)의 편광축과 수직하게 진동하므로 상기 제 2 편광판(582)을 통과하지 못하여 블랙(black)을 표시하게 된다.
한편, 투과모드에서, 하부 백라이트 어셈블리(590)로부터 발생되는 광은 상기 제 1 편광판(581)을 통과하면서 편광축과 동일한 방향의 선편광 성분만을 통과시킨다.
그리고, 상기 선편광은 제 1 위상차판(571)을 통과하면서 원편광으로 변환되며, 바람직하게는 우원편광으로 변환된다.
상기 우원편광으로 변환된 광은 상기 미반사 필름(565)과 제 1 기판(501)을 그대로 통과하여 상기 액정층(560)으로 입사된다.
상기 액정층(560)은 전계가 무인가되어 위상 지연이 없으므로 상기 우원편광은 상기 액정층(560)과 제 2 기판(502)을 그대로 통과하여 상기 제 2 위상차판(572)을 통과한다.
상기 제 2 위상차판(572)을 통과한 우원편광은 선편광으로 변환되며, 상기 선편광은 상기 제 2 편광판(582)의 편광축과 수직하게 진동하므로 상기 제 2 편광판(582)을 통과하지 못하여 블랙(black)을 표시하게 된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치에서 액정의 전계 인가 상태(on state)에서 반사 영역과 투과 영역의 광학 특성을 본다.
먼저, 반사 모드에서, 외부 광원은 전기장과 자기장이 진행방향과 수직으로 진동하면서 반사 영역으로 입사되며, 상기 반사 영역에 입사된 광은 제 2 편광판(582)을 경유하면서 선편광으로 변환되고,상기 선편광은 상기 제 2 위상차판(582)과 제 2 기판(502)을 경유하면 원편광, 바람직하게는 좌원편광으로 변환된다.
그리고, 상기 좌원편광으로 변환된 광은 λ/4 위상 지연 값을 가지는 액정층(560)을 통과하면서 선편광으로 변환된다.
상기 변환된 선편광은 제 1 기판(501)을 그대로 통과하고, 상기 미반사 필름(565)에 의해 반사되어 입사 경로에 반전하여 반사된다.
그리고, 상기 반사된 선편광은 제1 기판(501)을 그대로 통과하고, 상기 λ/4 위상 지연 값을 가지는 액정층(560)으로 입사되어 좌원편광으로 변환된다.
상기 좌원편광으로 변환된 광은 제 2 기판(502)을 통과하고 제 2 위상차판(572)에 의해서 선편광으로 변환되며, 변환된 선편광은 제 2 편광판(582) 을 통과한다.
이때, 상기 선편광은 상기 제 2 편광판(582)의 편광축과 평행하게 진동하므로 상기 제 2 편광판(582)을 그대로 통과하여 화이트(white)를 표시하게 된다.
한편, 투과모드에서, 하부 백라이트 어셈블리(590)로부터 발생되는 광은 상기 제 1 편광판(501)을 통과하면서 편광축과 동일한 방향의 선편광 성분만을 통과시킨다.
그리고, 상기 선편광은 제 1 위상차판(571)을 통과하면서 원편광으로 변환되며, 바람직하게는 우원편광으로 변환된다.
상기 우원편광으로 변환된 광은 상기 미반사 필름(565)과 제 1 기판(501)을 그대로 통과하여 상기 액정층(560)으로 입사된다.
상기 액정층(560)은 전계가 인가되어 λ/2 위상 지연 값을 가지므로 상기 우원편광은 상기 액정층(560)을 통과하면서 좌원편광으로 변환된다.
그리고, 상기 좌원편광으로 변환된 광은 상기 제 2 기판(502)을 그대로 통과하여 상기 제 2 위상차판(572)으로 입사한다.
상기 좌원편광은 제 2 위상차판(572)을 통과한 후 선편광으로 변환되며, 상기 선편광은 상기 제 2 편광판(582)의 편광축과 평행하게 진동하므로 상기 제 2 편광판(582)을 통과하여 화이트(white)를 표시하게 된다.
이하, 본 발명에 따른 횡전계 방식 액정 표시 장치용 어레이 기판의 제조 방법을 구체적으로 설명한다.
도 8a는 본 발명에 따른 횡전계 방식 액정 표시 장치용 어레이 기판의 제조 공정을 보여주는 평면도이고, 도 8b는 도 8a에서 Ⅰ-Ⅰ'로 절단하여 보여주는 단면도이다.
도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 마스크를 이용한 포토리소그래피(photolithography) 공정으로 기판(501) 상에 형성될 박막 트랜지스터(T) 위치에 반도체층(515)을 형성한다.
그리고, 상기 반도체층(515) 상에 게이트 절연막(520)을 형성한 후, 상기 게이트 절연막(520) 상에 금속을 증착하고 패터닝하여 복수개의 게이트 배선(도 4에서 508)과, 상기 게이트 배선(도 4에서 508)에서 분기되어 박막 트랜지스터(T) 위치에 게이트 전극(509)을 형성한다.
이때, 상기 게이트 배선(도 4에서 508)은 Al, Cu, Ta, Ti, Mo, Mo 합금(alloy), Al 합금 등의 금속을 증착한 후 패터닝하여 형성한다.
또한, 상기 게이트 절연막(520)은 실리콘 질화막(SiNx), 실리콘 산화막(SiOx)등으로 이루어진다.
그리고, 상기 게이트 배선(508)과 동일한 물질로 화소 영역에 스토리지 전극(511)이 형성된다.
도 9a는 본 발명에 따른 횡전계 방식 액정 표시 장치용 어레이 기판의 제조 공정을 보여주는 평면도이고, 도 9b는 도 9a에서 Ⅰ-Ⅰ'로 절단하여 보여주는 단면도이다.
도 9a 및 9b에 도시된 바와 같이, 상기 게이트 배선(도 4에서 508) 및 스토리지 전극(511)이 형성된 기판 상에 층간 절연막(523)을 형성한다.
그리고, 상기 층간 절연막(523) 상에 마스크를 이용한 포토리소그래피 공정으로, 상기 반도체층(515)의 일부를 노출시키도록 상기 층간 절연막(523)과 게이트 절연막(520)을 관통하는 소스 및 드레인 콘택홀(541S, 541D)을 형성시킨다.
그리고, 상기 제 1 기판(501) 상에 상기 게이트 배선(도 4에서 508)과 수직하게 교차하여 화소 영역(P)을 정의하는 데이터 배선(510)을 형성시킨다.
상기 데이터 배선(510) 형성시, 상기 게이트 배선(도 4에서 508)과 데이터 배선(510)의 교차점에 이루어지는 박막 트랜지스터(T)의 반도체층(515) 상부에 소스 전극(526) 및 드레인 전극(527)을 동시에 형성한다.
이때, 상기 소스 전극(526) 및 드레인 전극(527)은 층간 절연막(523)과 게이트 절연막(520)을 관통하는 소스 및 드레인 콘택홀(541S, 541D)을 통해서 상기 반도체층(515)과 접속한다.
그리고, 상기 소스 및 드레인 전극(526, 527) 상에 보호막(540)이 형성되며, 상기 보호막(540)에는 상기 드레인 전극(527)을 일부 노출시키는 화소 콘택홀(545)이 형성되어 있다.
상기 보호막(540)은 유기막인 포토아크릴, BCB나 무기막인 실리콘 산화막(SiOx), 실리콘 질화막(SiNx)으로 형성할 수 있다.
여기서는 상기 보호막(540)으로 유기막을 사용하여 상기 데이터 배선(510)에 오버랩된 공통 전극(513)을 나타낸 예로 개구율을 향상시킬 수 있다.
따라서, 상기 데이터 배선(510)은 Al, Cu, Ta, Ti, Mo, Mo 합금(alloy), Al 합금 등의 금속 물질로 이루어진다.
도 10a는 본 발명에 따른 횡전계 방식 액정 표시 장치용 어레이 기판의 제조 공정을 보여주는 평면도이고, 도 10b는 도 10a에서 Ⅰ-Ⅰ'로 절단하여 보여주는 단면도이다.
도 10a 및 10b에 도시된 바와 같이, 마스크를 이용한 포토리소그래피 공정으로 상기 보호막(540) 상에 화소 전극(514)을 형성한다.
상기 화소 전극(514)은 제 1 기판(501) 상에 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 등과 같은 투명한 도전성 물질을 도포하여 패터닝한다.
상기 화소 전극(514)은 상기 보호막(540)에 형성된 화소 콘택홀(545)을 통하여 상기 드레인 전극(527)과 전기적으로 접촉하여 연결된다.
그리고, 상기 제 1 기판(501) 상의 화소 영역(P)에 상기 화소 전극(514)과 엇갈려 공통 전극(513)이 배치되고, 상기 공통 전극(513)과 연결되는 공통 배선(도 4에서 531)이 상기 게이트 배선(도 4에서 508)에 평행하게 형성된다.
상기 화소 전극(514)은 ITO(indium tin oxide) 또는 IZO(indium zinc oxide)와 같은 투명한 전도성 물질로 이루어진다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 상기 게이트 배선(508)과 데이터 배선(510)이 교차하여 정의하는 화소 내에 반사 영역과 투과 영역을 형성하며, 상기 반사 영역과 투과 영역에서 서로 평행하게 엇갈려 배열된 상기 화소 전극(514)과 공통 전극(513)의 전극 간격이 다르게 형성되어 있다.
상기 반사 영역에 형성된 공통 전극(513)과 화소 전극(514)의 전극 간격은 상기 투과 영역에 형성된 공통 전극(513)과 화소 전극(514)의 전극 간격보다 크게 형성한다(d2>d1).
따라서, 상기 데이터 배선(510)을 통하여 화소로 동일한 데이터 신호가 입력되어도 상기 반사 영역과 투과 영역에 형성되는 횡전계는 서로 달라지게 된다.
상기 반사 영역에 형성된 횡전계는 상기 투과 영역의 전극 간격(d1)에 비하여 전극 간격(d2)이 넓기 때문에 동일한 데이터 신호가 입력되어도 반사 영역의 액정 셀(cell)의 위상 지연(retardation) 값이 투과 영역과 비교하여 작게 나타나게 된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 횡전계 방식 액정 표시 장치는 상기 공통 전극(513)과 화소 전극(514)의 전극 간격(d1, d2)을 반사 영역과 투과 영역에서 서로 다르게 변경시킴으로써 횡전계의 세기를 변화시키며 이로 인하여 액정의 위상 지연 값을 조정할 수 있으므로, 단일 셀갭(single cell gap)으로 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치를 구현할 수 있다.
이상 전술한 바와 같이, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치 및 그 제조 방법은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명은 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치에서 반사 영역, 투과 영역에서의 공통 전극과 화소 전극의 간격을 다르게 하여 액정의 위상지연(retardation)을 다르게 함으로써 시야각 및 실내/외에서의 시인성을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치에서 반사용 금속층을 사용하지 않고 미반사 필름(예를 들어, transmissive with micro-reflector film)을 적용함으로써 공정을 단순화시켜 제조 수율을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (15)

  1. 제 1 기판 및 제 2 기판과;
    상기 제 1 기판 상에서 종횡으로 교차하여 투과 영역과 반사 영역으로 구성된 다수의 화소를 정의하는 게이트 배선 및 데이터 배선과;
    상기 게이트 배선 및 데이터 배선의 교차 영역에 형성된 박막 트랜지스터와;
    상기 화소 영역에서 서로 엇갈려 배치되며 상기 반사 영역에서 이웃하는 전극 간격(d2)이 투과 영역에서의 전극 간격(d1)보다 크게 형성된 화소 전극 및 공통 전극과;
    상기 제 2 기판에 형성된 컬러 필터 및 블랙 매트릭스와;
    상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 형성된 액정층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 박막 트랜지스터는 반도체층과, 상기 반도체층 상에서 게이트 절연막을 사이에 두고 형성된 게이트 전극과, 상기 반도체층과 연결된 소스 및 드레인 전극을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 기판 하부에 일면은 광을 반사시키고 다른 일면은 광을 통과시키 는 미반사 필름을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 미반사 필름은 TMR(transmissive with micro-reflector) 필름인 것을 특징으로 하는 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1, 2 기판 중 적어도 하나의 일면에 형성된 위상차판을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1, 2 기판 중 적어도 하나의 일면에 형성된 편광판을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 화소 전극 아래에 스토리지 전극을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치.
  8. 제 1 기판 및 제 2 기판을 준비하는 단계와;
    상기 제 1 기판 상에 종횡으로 교차하여 반사 영역과 투과 영역을 가지는 화소를 정의하는 게이트 배선과 데이터 배선을 형성하는 단계와;
    상기 게이트 배선과 데이터 배선의 교차 지점에 박막 트랜지스터를 형성하는 단계와;
    상기 반사 영역과 상기 투과 영역에서 서로 다른 전극 간격을 가지도록 공통 전극과 화소 전극을 형성하는 단계와;
    상기 제 2 기판에 블랙 매트릭스 및 컬러 필터를 형성하는 단계와;
    상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 액정층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 반사 영역에서 이웃하는 화소 전극과 공통 전극의 전극간격(d2)이 투과 영역에서의 전극 간격(d1)보다 크게 형성된 것을 특징으로 하는 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치의 제조 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제1,2 기판 중 적어도 하나의 일변에 편광판을 부착하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치의 제조 방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 박막 트랜지스터를 형성하는 단계에 있어서,
    상기 기판 상에 반도체층을 형성하는 단계와;
    상기 반도체층 상에 게이트 절연막을 사이에 두고 상기 게이트 배선에서 소정 돌출된 게이트 전극을 형성하는 단계와;
    상기 반도체층과 연결되는 소스 및 드레인 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치의 제조 방법.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 제 1 기판 하부에 일면은 광을 반사시키고 다른 일면은 광을 통과시키는 미반사 필름을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치의 제조 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 미반사 필름은 TMR(transmissive with micro-reflector) 필름인 것을 특징으로 하는 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치의 제조 방법.
  13. 제 8항에 있어서,
    상기 제 1, 2 기판 중 적어도 하나의 일면에 위상차판을 부착하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치의 제조 방법.
  14. 제 8항에 있어서,
    상기 투과 영역과 반사 영역에 형성된 공통 전극과 화소 전극에 의해서 위상 지연 값이 서로 다른 횡전계가 형성되는 것을 특징으로 하는 반투과형 횡전계 방식 액정 표시 장치의 제조 방법.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 투과 영역과 반사 영역에 형성된 공통 전극과 화소 전극에 의해서 위상 지연 값이 서로 다른 횡전계가 형성되는 것을 특징으로 하는 반투과형 횡전계 방식 액정표시장치.
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