KR101186249B1 - 횡전계 방식의 액정 표시 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 횡전계 방식에서 수직 배향막을 적용하여 러빙이 잘 이루어지지 않는 전극 에지부에서의 빛샘을 방지하고, 블랙 휘도를 개선하기 위한 것으로, 서로 마주보는 어레이 기판 및 컬러 필터 기판과, 어레이 기판 상에 서로 교차하도록 배치되어 화소 영역을 정의하는 게이트 라인 및 데이터 라인과, 화소 영역에서 게이트 라인 및 데이터 라인의 교차 부위에 위치하는 스위칭 영역에 형성된 박막 트랜지스터와, 화소 영역에서 스위칭 영역을 제외한 전극 영역에 서로 엇갈리면서 교번되도록 형성된 공통 전극 및 화소 전극과, 어레이 기판 및 컬러 필터 기판 상에 수직으로 배향되도록 형성된 제 1, 2 배향막과, 어레이 기판과 컬러 필터 기판 사이에 형성된 액정을 포함하는 횡전계 방식의 액정 표시 장치를 제공한다.
액정 표시 장치, 횡전계, 수직 배향막

Description

횡전계 방식의 액정 표시 장치{Liquide crystal display of in-plane switching mode}
도 1은 종래 기술에 따른 횡전계 방식의 액정 표시 장치를 간략히 도식화한 단면도이다.
도 2 및 도 3은 도 1에서 수평 배향막의 러빙 방향과, 그에 따른 액정의 배향을 설명하기 위한 참조도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 횡전계 방식의 액정 표시 장치를 나타낸 평면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 횡전계 방식의 액정 표시 장치를 나타낸 평면도이다.
도 6은 도 4나 도 5의 Ⅰ-Ⅰ'면을 간략히 도식화한 단면도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 횡전계 방식의 액정 표시 장치에서, 수직 배향막의 러빙 방향과, 그에 따른 액정의 배향을 설명하기 위한 참조도이다.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
100: 어레이 기판 110: 공통 전극
120: 화소 전극 130: 제 1 배향막
200: 컬러 필터 기판 210: 제 2 배향막
300, 310: 제 1, 2 편광판
본 발명은 액정 표시 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 횡전계 방식의 액정 표시 장치에 관한 것이다.
액정 표시 장치는 상하부의 투명 절연 기판인 컬러 필터 기판과 어레이 기판 사이에 이방성 유전율을 갖는 액정 물질을 주입해 놓고, 액정 물질에 형성되는 전계의 세기를 조정하여 액정 물질의 분자 배열을 변경시키고, 이를 통하여 투명 절연 기판에 투과되는 빛의 양을 조절함으로써 원하는 화상을 표현하는 표시 장치이다. 액정 표시 장치로는 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor; TFT)를 스위칭 소자로 이용하는 박막 트랜지스터 액정 표시 장치(TFT LCD)가 주로 사용되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 횡전계 방식의 액정 표시 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
횡전계 방식의 액정 표시 장치는 도 1에 도시된 것처럼, 일정한 간격을 갖고 합착된 어레이 기판(10) 및 컬러 필터 기판(20)과, 그 사이에 주입된 액정(LC)으로 구성된다. 어레이 기판(10)과 컬러 필터 기판(20)의 상하부에는 제 1, 2 편광판(30, 31)이 각각 형성된다.
그리고, 동일 평면인 어레이 기판(10) 상의 화소 영역에 공통 전극(11)과 화 소 전극(12)이 이격되도록 형성되며, 공통 전극(11)과 화소 전극(12)에 전압이 인가되면서 이루어지는 수평 방향의 횡전계가 액정(LC)을 구동하게 된다.
어레이 기판(10) 상에는 액정(LC)의 초기 배향을 정의하기 위한 제 1, 2 배향막(13, 21)이 형성되며, 제 1, 2배향막(13, 21)은 액정(LC)의 초기 배향이 기판면에 수평한 방향으로 배향되도록 1.5° 정도의 프리틸트 각(pretilt angle)으로 러빙 처리되어 있다.
일반적인 횡전계 방식의 액정 표시 장치는 노멀리 블랙(Normally Black)으로 전압 인가 전에는 광의 투과가 이루어지지 않는다. 공통 전극(11) 및 화소 전극(12)으로 전압을 인가하게 되면, 어레이 기판(10) 상에 함께 형성된 두 개의 전극(11, 12) 간에 전계가 형성되고, 두 개의 전극(11, 12) 간에 형성된 전계를 따라 액정(LC)이 배향된다. 전압 인가 후에는 액정(LC)의 배향을 따라 내부광이 투과되어 화이트 상태를 표시하게 된다. 이때, 액정(LC)은 유전율 이방성이 양(+)인 것으로, 장축이 전계의 방향을 따라 배향되는 특성을 갖는다.
공통 전극(11) 및 화소 전극(12)에 횡전계가 인가되지 않는 오프 상태에서는 액정(LC)의 배향 방향이 변하지 않는 데 비해, 횡전계가 인가된 온 상태에서는 액정(LC)의 배향 방향에 변화가 일어나고, 오프 상태에 비하여 45° 정도의 뒤틀림 각을 갖도록 액정(LC)이 배향된다.
도 2 및 도 3은 도 1에서 수평 배향막의 러빙 방향과, 그에 따른 액정의 배향을 설명하기 위한 참조도로서, 측면도(side view)와 평면도(top view)를 각각 도시하고 있다.
제 1, 2 편광판(30, 31)의 편광축(POL, ANAL)은 서로 직교하면서, 제 1 배향막(13)이나 제 2 배향막(21)의 러빙 방향(배향 처리 방향)과 일치하도록 구성한다.
횡전계 방식에서는 도 1의 제 1, 2 배향막(13, 21)이 수평 배향막으로 형성되는 것이 일반적인데, 이러한 경우, 공통 전극(11)이나 화소 전극(12) 등 단차를 갖는 전극 부근에서 액정(LC)의 배향 상태가 도 2 및 도 3과 같이 이루어지게 된다.
그런데, 횡전계 방식에서 수평 배향막을 사용하게 되면, 러빙(Rubbing) 시 러빙 방향 쪽의 전극 에지부에 의해 러빙이 이루어지지 않으므로, 단차 영역(R1)에서 도 2 및 도 3에 도시된 것처럼, 액정의 배열이 불균일해지고, 해당 영역이 러빙이 이루어진 다른 영역에 비해 이방성을 나타내지 않게 된다.
이와 같이, 수평 배향막의 경우는, 러빙이 이루어지지 않으면, 액정의 배향성이 현저히 떨어지게 되고, 블랙을 구현할 때 해당 영역에서 러빙 불균일로 인한 위상 지연이 일어나며, 이로 인하여 빛샘이 발현되어 블랙 휘도가 증가된다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 수직 배향막을 적용하여 러빙이 잘 이루어지지 않는 전극 에지부에서의 빛샘을 방지하고, 결과적으로 블랙 휘도를 개선할 수 있는 횡전계 방식의 액정 표시 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 횡전계 방식의 액정 표시 장치는 서로 마주보는 어레이 기판 및 컬러 필터 기판과, 상기 어레이 기판 상에 서로 교차하도록 배치되어 화소 영역을 정의하는 게이트 라인 및 데이터 라인과, 상기 화소 영역에서 상기 게이트 라인 및 데이터 라인의 교차 부위에 위치하는 스위칭 영역에 형성된 박막 트랜지스터와, 상기 화소 영역에서 상기 스위칭 영역을 제외한 전극 영역에 서로 엇갈리면서 교번되도록 형성된 공통 전극 및 화소 전극과, 상기 어레이 기판 및 상기 컬러 필터 기판 상에 수직으로 배향되도록 형성된 제 1, 2 배향막과, 상기 어레이 기판과 상기 컬러 필터 기판 사이에 형성된 액정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1, 2 배향막은 Al2O3 등으로 이루어진 무기 수직 배향막이나 폴리이미드(polyimide)계 고분자 물질 등으로 이루어진 유기 수직 배향막으로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 제 1, 2 배향막의 두께는 300Å 내지 800Å이고, 프리틸트 각이 1° 내지 1.5°인 것이 바람직하다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 횡전계 방식의 액정 표시 장치에 대하여 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 횡전계 방식의 액정 표시 장치를 나타낸 평면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 횡전계 방식의 액정 표시 장치에서는 게이트 라인(GL) 및 데이터 라인(DL)이 서로 교차되도록 배열되어 화소 영역을 정의하며, 화소 영역은 박막 트랜지스터가 위치하는 스위칭 영역(TFT)과, 스위칭 영역(TFT)을 제외한 전극 영역(ELEC)으로 구분된다.
보다 구체적으로 살펴보면, 제 1 방향으로 게이트 라인(GL)과 공통 라인(CL)이 평행을 이루도록 배치되고, 게이트 라인(GL)과 교차되는 데이터 라인(DL)이 제 2 방향으로 배열되며, 게이트 전극(G)과 그 상부의 반도체층(ACT), 반도체층(ACT) 좌우의 소스 전극(S) 및 드레인 전극(D)이 박막 트랜지스터를 형성하고 있다.
게이트 라인(GL)의 일측에는 게이트 전극(G)이 분기되고, 게이트 전극(G) 부근의 데이터 라인(DL)에는 소스 전극(S)이 게이트 전극(G)과 일정 면적만큼 오버랩 되도록 각각 형성되며, 소스 전극(S)과 대응되는 위치에 드레인 전극(D)이 형성되어 있다. 그리고, 공통 라인(CL)에서 분기된 다수 개의 공통 전극(110)이 형성되고, 드레인 전극(D)에는 인출 라인이 연결되어 인출 라인에서 분기된 복수 개의 화소 전극(120)이 형성된다. 여기서, 공통 전극(110)과 화소 전극(120)은 서로 엇갈 리게 구성되어 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 횡전계 방식의 액정 표시 장치를 나타낸 평면도로서, 서로 엇갈리게 구성되는 공통 전극(110) 및 화소 전극(120)을 꺽인 형태로 변형하여 대비비와 응답 속도의 약점을 보완하면서 보다 넓은 광 시야각을 얻을 수 있도록 한 구조를 도시한 것이다.
이러한 구조에서는 러빙 방향이 위에서 아래 방향으로 향하는 것이 바람직하며, 러빙 시 꺽인 구조와 러빙 조건에 따라 러빙이 잘 되는 전극 에지부(러빙 바가 쓸어 올라가는 영역)와 러빙이 불량한 단차부(러빙 바가 쓸어 내려가는 영역)가 생겨나게 된다.
도 4나 도 5의 Ι-Ι'면에 대한 단면도는 도 6과 같이 도식화될 수 있다. 도 6에서는, 어레이 기판(100)의 Ι-Ι' 영역에 대응하는 컬러 필터 기판(200)이 함께 나타나 있으며, 액정(LC)의 배향을 다루는 본 발명의 특성상, 게이트 절연막(Gate insulator), 보호막(Passivation) 등 큰 연관이 없는 어레이 기판(100) 상의 다른 층은 도시를 생략하고 있다.
본 발명의 일 실시예 및 다른 실시예에 따른 횡전계 방식의 액정 표시 장치는 어레이 기판(100) 및 컬러 필터 기판(200)이 액정(LC)을 사이에 두고 서로 마주보도록 배치된다.
어레이 기판(100) 상에는 서로 엇갈리면서 교번되도록 형성되는 공통 전극(110) 및 화소 전극(120)이 배열되고(일직선이나 꺽인 형태로 배열), 전압 인가 시 공통 전극(110) 및 화소 전극(120)은 수평 방향으로 횡전계를 형성하여 액정(LC)을 구동하게 되며, 어레이 기판(100) 및 컬러 필터 기판(200) 상에는 수직으로 배향된 제 1, 2 배향막(130, 210)이 구비된다.
여기서, 제 1, 2배향막(130, 210)은 Al2O3 등의 물질로 이루어진 무기 수직 배향막이나, 폴리이미드(Polyimide)계 고분자 물질 등으로 이루어진 유기 수직 배향막으로 형성한다.
무기 수직 배향막의 경우, 유기 수직 배향막에 비하여 우수한 화학적 안전성을 갖고 있어, 우수한 내광성을 구현할 수 있다.
Al2O3로 이루어진 무기 수직 배향막의 경우, Al을 증착하고 러빙(러빙 깊이는 약 0.4mm 이상)한 후, 산화(oxidation) 상태에서 전압을 인가하고 초순수(De-ionized water)에서 60초 정도 세정하고, 건조하는 APA-FR(Anodic Porous Alumina-Fallowing Rubbing) 방식으로 형성할 수 있다.
유기 수직 배향막의 경우, 회전 도포법이나 인쇄 도포법으로 기판 상에 유기 고분자막을 형성하고, 강도를 주기 위해 이를 경화시킨 후 러빙(러빙 깊이는 약 0.8mm 이상)하고, 세정/건조하는 공정을 거쳐 형성할 수 있다. 러빙 공정시에는 제 1, 2 배향막(130, 210)의 표면에 프리틸트 각(배향 각도)을 정의하여 액정(LC)에 배향 방향을 부여하게 된다.
그리고, 전경선(disinclination)의 생성을 억제하기 위한 프리틸트 각이나, 구동 전압 등을 고려하여 제 1, 2 배향막(130, 210)은 300Å 내지 800Å의 두께를 가지며, 프리틸트 각이 1° 내지 1.5°가 되도록 형성한다.
제 1, 2 배향막(130, 210)의 두께가 하한값 미만이면, 각 영역에서 프리틸트 각을 균일하게 하는 것이 어려울 수 있으며, 두께가 상한값을 초과하면, 구동 전압이 높아져 소비 전력이 커질 가능성이 있다.
이와 같이, 어레이 기판(100)과 컬러 필터 기판(200)에 각각 제 1, 2 배향막(130, 210)을 도포한 후, 두 기판(100, 200) 사이에 형성되는 액정의 배향 규제력 또는 표면 고정력, 즉, 프리틸트 각과 배향 방향을 제공하기 위해 제 1, 2 배향막(130, 210)을 러빙하게 된다.
도 4나 도 5의 구조에서, 러빙 방향과, 공통 전극(110) 및 화소 전극(120)의 각도는 약 20°정도 차이가 나도록 하는 것이 바람직하다.
이때, 종래의 횡전계 방식에서 사용되던 수평 배향막 대신, APA-FR 방식을 이용한 무기 수직 배향막이나 유기 수직 배향막(폴리이미드계 고분자막 등)을 사용하여 두께와 러빙 세기를 적절히 조절함으로써, 횡전계 방식의 단차 영역(R1)에서 빛샘을 제거하고, 블랙 휘도를 높일 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 횡전계 방식의 액정 표시 장치에서, 수직 배향막의 러빙 방향과, 그에 따른 액정의 배향을 설명하기 위한 참조도이다.
횡전계 방식에서, 종래의 수평 배향막 대신, 무기 수직 배향막이나 유기 수직 배향막을 공통 전극(110)이나 화소 전극(120) 위에 러빙된 상태로 형성시킨 후, 액정(LC)을 주입하여 액정 셀을 만들게 되면, 도 7 및 도 8과 같이 러빙 방향 쪽의 전극 에지부에서 단차로 인해 러빙이 이루어지지 않는 단차 영역(R1)이 발생하게 된다.
그러나, 본 발명의 제 1, 2 배향막(130, 210)은 수직 배향막으로 이루어져 있기 때문에, 러빙이 불량한 전극 에지부의 단차 영역(R1)에서도 액정의 방향자(director)는 모두 수직 방향(러빙이 안된 부분)이나 러빙 방향(러빙이 약한 부분)으로 존재하게 된다.
따라서, 러빙 방향과 서로 수직하도록 크로스니콜(Cross-nicol)로 배치된 편광축(POL, ANAL) 중 하나의 편광축이 평행을 이루면서, 편광 원리에 의해 위상 지연이 발생하지 않게 되고, 러빙이 잘 이루어지지 않는 전극 에지부의 단차 영역(R1)에서도 액정의 프리틸트 각에 무관하게 동일한 블랙 휘도(=0)를 갖게 된다. 그에 따라, 단차 영역(R1)에서 빛샘이 발생하지 않는 블랙을 구현할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 횡전계 방식 의 액정 표시 장치는 수직 배향막을 적용하여 러빙이 잘 이루어지지 않는 전극 에지부에서의 빛샘을 방지하고, 결과적으로 블랙 휘도를 개선할 수 있다.

Claims (7)

  1. 서로 마주보는 어레이 기판 및 컬러 필터 기판;
    상기 어레이 기판 상에 서로 교차하도록 배치되어 화소 영역을 정의하는 게이트 라인 및 데이터 라인;
    상기 화소 영역에서 상기 게이트 라인 및 상기 데이터 라인의 교차 부위에 위치하는 스위칭 영역에 형성된 박막 트랜지스터;
    상기 화소 영역에서 상기 스위칭 영역을 제외한 전극 영역에 서로 엇갈리면서 교번되도록 형성된 공통 전극 및 화소 전극;
    상기 어레이 기판 상에서, 러빙이 이루어지지 않은 영역에서는 수직 배향되고, 러빙이 양호하게 이루어진 영역에서는 상기 러빙 방향과 평행하게 수평 배향되고, 러빙이 약하게 이루어진 영역에서는 상기 러빙 방향과 평행하되, 상기 수직 배향과 상기 수평 배향 사이의 각도로 기울어지도록 배향된 제 1 배향막;
    상기 컬러 필터 기판 상에서, 러빙에 의해 수평 배향되도록 형성된 제 2 배향막; 및
    상기 어레이 기판과 상기 컬러 필터 기판 사이에 형성된 액정을 포함하는 것을 특징으로 하는 횡전계 방식의 액정 표시 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제 1, 2 배향막은,
    상기 러빙 처리하지 않은 상태에서 무기 수직 배향막인 것을 특징으로 하는 횡전계 방식의 액정 표시 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 무기 수직 배향막은
    Al2O3으로 이루어진 것을 특징으로 하는 횡전계 방식의 액정 표시 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제 1, 2 배향막은,
    상기 러빙 처리하지 않은 상태에서 유기 수직 배향막인 것을 특징으로 하는 횡전계 방식의 액정 표시 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유기 수직 배향막은
    폴리이미드(polyimide)계 고분자 물질인 것을 특징으로 하는 횡전계 방식의 액정 표시 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제 1, 2 배향막의 두께는,
    300Å 내지 800Å인 것을 특징으로 하는 횡전계 방식의 액정 표시 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제 1, 2 배향막은,
    상기 러빙 처리한 후, 프리틸트 각이 1° 내지 1.5°인 것을 특징으로 하는 횡전계 방식의 액정 표시 장치.
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