KR101192755B1 - 반투과형 액정표시소자 - Google Patents

반투과형 액정표시소자 Download PDF

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KR101192755B1
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Abstract

본 발명은 반사부와 투과부의 슬릿폭을 차이나게 하여 액정의 회전각을 조절함으로서 반사부와 투과부의 액정셀갭을 동일두께로 형성하고자 하는 반투과형 액정표시소자에 관한 것으로, 기판 상에서 수직교차하여 반사부와 투과부로 구분되는 화소영역을 정의하는 게이트 배선 및 데이터 배선과, 상기 게이트 배선 및 데이터 배선의 교차 지점에 형성되는 박막트랜지스터와, 상기 게이트 배선에 평행하는 공통배선과, 상기 공통배선에 콘택되고 상기 화소영역 내부에 형성되는 상대전극과, 상기 화소영역 반사부에 한하여 형성되는 반사전극과, 상기 반사전극을 포함한 전면에 형성되는 절연층과, 상기 절연층 상부의 상기 화소영역 반사부에서 제 1 슬릿을 가지고, 화소영역 투과부에서 제 1 슬릿의 폭보다 작은 제 2 슬릿을 가지는 화소전극과, 상기 기판과의 사이에 액정층을 구비하고 서로 대향합착된 대향기판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
Figure R1020050032714
반투과형, FSS, 액정셀갭

Description

반투과형 액정표시소자{Transflective Type Liquid Crystal Display Device}

도 1은 종래 기술에 의한 반투과형 액정표시소자의 단면도.

도 2는 본 발명에 의한 반투과형 액정표시소자의 평면도.

도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ' 선상에서의 절단면도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호설명

111 : 박막트랜지스터 어레이 기판

112 : 게이트 배선

114 : 반도체층

115 : 데이터 배선

116 : 보호막

117 : 화소전극

121 : 컬러필터 어레이 기판

124 : 상대전극

125 : 공통배선

131 : 액정층

160 : 반사전극

본 발명은 액정표시소자(Liquid Crystal Display Device)에 관한 것으로 특히, 시야각 특성이 좋은 FFS(Fringe Field Switching) 액정모드를 채용한 반투과형 액정표시소자에 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 대향되도록 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 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 입사하는 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.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술에 의한 반투과형 액정표시소자를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래 기술에 의한 반투과형 액정표시소자의 단면도이다.

하나의 화소영역이 반사부(R)와 투과부(T)로 구분되는 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(도시하지 않음) 및 데이터 배선(도시하지 않음)과, 두 배선의 교차지점에서 게이트 전극(12a), 게이트 절연막(13), 반도체층(14), 오믹콘택층(14a) 및 소스/드레인 전극(15a,15b)으로 적층되는 박막트랜지스터와, 상기 박막트랜지스터를 포함한 전면에 형성된 보호막(16)과, 상기 보호막 상의 투과부(T)에 형성되고 박막트랜지스터에 연결되는 투명한 화소전극(17)과, 상기 화소전극을 포함한 전면에 형성되는 층간절연막(18)과, 상기 층간절연막 상의 반사부(R)에 한해 구비되어 외부광을 반사시키고 박막트랜지스터에 연결되는 반사전극(60)이 형성되어 있다.

이 때, 반사부의 보호막(16)은 그대로 두고, 투과부에 한해 선택적으로 제거하여 이중셀갭을 형성한다. 상기 보호막(16)이 제거된 단차와 액정층(31)의 단차를 동일하게 하여, 투과부의 액정셀갭이 반사부의 액정셀갭보다 2배 크도록 형성한다.

상기와 같이, 이중셀갭을 형성하는 이유는, 반사부와 투과부의 온/오픈(on/off)모드를 정합시키고 투과모드의 효율을 최대화하기 위한 것으로서, 투과부의 셀갭(d1)과 반사부의 셀갭(d2)을 약 2:1의 비로 형성할 수 있게 된다.

따라서, 반사부로 입사하는 광과 투과부로 입사하는 광은 화상이 디스플레이 되는 스크린 표면에 동시에 도달하게 된다. 다시말해, 외부에서 반사부로 입사하는 자연광은 상부에서 액정층(31)을 왕복하여 스크린 표면에 도달하고, 백라이트에서 투과부로 입사하는 광은 반사부 셀갭의 2배가 되는 투과부 액정층을 통과하여 스크린 표면에 도달하므로, 결국 동시에 도달하는 것이 된다.

한편, 상기 컬러필터 어레이 기판(21)에는 빛샘 차광을 위한 블랙 매트릭스(22)와, 상기 블랙 매트릭스(22) 사이에 형성된 컬러필터층(81)과, TFT 어레이 기판의 화소전극 및 반사전극에 대향하는 공통전극(91)이 형성되어 있다.

상기 박막트랜지스터 어레이 기판(11)과 컬러필터 어레이 기판(21)의 내측면 에는 액정층(31)의 분자가 일정한 방향으로 배열되도록 하기 위한 제 1 ,제 2 배향막(도시하지 않음)이 더 구비되고, 상기 박막트랜지스터 어레이 기판(11) 및 컬러필터 어레이 기판(21)의 외측면에는 제 1 ,제 2 편광판(50,51)이 더 구비되며, 상기 컬러필터 어레이 기판(21)과 제 2 편광판 사이에는 위상차를 지연시키기 위한 위상차판(54)이 더 구비된다.

상기 제 1 ,제 2 편광판은 광 투과축에 평행한 방향의 빛만 통과시켜 자연광을 선편광으로 변환시키는 기능을 하고, 상기 위상차판은 λ/2에 해당하는 위상차를 가지는 것(Half Wave Plate ;HWP)을 이용하여, 입사된 선평광을 180°위상 지연시켜 빛의 편광 상태를 바꾸는 기능을 한다.

이러한, 상기 편광판의 투과축과, 위상차판의 투과축과, 액정분자의 방향자의 각도를 조절하여 노멀리 블랙 모드(normally black mode)로 제작할 수 있다.

최근에는, FFS 모드 액정표시소자를 반투과 모드로 적용하는 방법이 제안되었는데, 이 경우에도 듀얼-셀갭 방식으로 전극을 구성하여 반투과 모드의 효율을 최대화할 수 있다.

그러나, 종래 기술에 의한 반투과형 액정표시소자는 다음과 같은 문제점이 있다.

즉, 반사부 셀갭이 d1인 경우, 반사부(R)는 외부광이 액정층을 왕복 통과하므로 2×d1×△n의 위상지연효과를 갖게 된다. 그러므로, 반사부의 광효율을 최적화하기 위해서는 투과부 셀갭 근처의 최적치로 셀갭 튜닝(Cell Gap Tuning)이 되어 야 하지만 반사부 셀갭을 투과부 셀갭의 1/2로 정확하게 설계하기란 쉽지 않다.

반사부의 셀갭이 정확히 맞지 않은 경우는 반사부와 투과부의 T-V 곡선(Transmittance-Voltage Curve) 형태의 차이가 발생하고, 반사부의 화이트 표시의 밝기가 감소하게 된다.

그리고, 반사부와 투과부의 단차가 클 경우 단차경계에서 액정의 배향이 불완전하게 되어 화질이 악화되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 반사부와 투과부의 슬릿폭을 차이나게 하여 액정의 회전각을 조절함으로서 반사부와 투과부의 액정셀갭을 동일두께로 형성하고자 하는 반투과형 액정표시소자를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반투과형 액정표시소자는 기판 상에서 수직교차하여 반사부와 투과부로 구분되는 화소영역을 정의하는 게이트 배선 및 데이터 배선과, 상기 게이트 배선 및 데이터 배선의 교차 지점에 형성되는 박막트랜지스터와, 상기 게이트 배선에 평행하는 공통배선과, 상기 공통배선에 콘택되고 상기 화소영역 내부에 형성되는 상대전극과, 상기 화소영역 반사부에 한하여 형성되는 반사전극과, 상기 반사전극을 포함한 전면에 형성되는 절연층과, 상기 절연층 상부의 상기 화소영역 반사부에서 제 1 슬릿을 가지고, 화소영역 투과부에서 제 1 슬릿의 폭보다 작은 제 2 슬릿을 가지는 화소전극과, 상기 기판과의 사이에 액정층을 구비하고 서로 대향합착된 대향기판을 포함하여 구성되는 것을 특징으 로 한다.

즉, 반사부와 투과부의 슬릿 폭을 차이나게 하여 액정의 회전각을 조절함으로서 반사부와 투과부의 액정셀갭을 동일두께로 형성하는 것을 특징으로 한다. 이것은 투과부 대비 반사부의 화소전극 슬릿폭을 크게 함으로 동일한 전압에서 반사부의 액정의 회전각을 작게하여 실효 위상지연(d△n)을 일치하게 하는 원리이다.

특히, 본 발명에 의한 반투과형 액정표시소자는 FFS 모드(Fringe Field Switching)를 적용한 것으로서, FFS 모드는 IPS 모드(In-Plane Switching Mode)의 낮은 개구율 및 투과율을 향상시키기 위해서 제안된 것으로, 상대전극과 화소전극을 투명전도체로 형성하면서 상대 전극과 화소전극 사이의 간격을 좁게 형성하여 상기 상대 전극과 화소전극 사이에서 형성되는 프린지 필드에 의해 액정분자를 동작시키는 모드를 말한다.

이 때, 반투과형 액정표시소자인 경우에는 반사부에 반사전극을 더 구비하여 반사전극과 화소전극 사이에서 형성되는 프린지 필드로서 반사부의 액정분자를 동작시킨다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 반투과형 액정표시소자를 살펴보면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 의한 반투과형 액정표시소자의 평면도이고, 도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ' 선상에서의 절단면도이다.

본 발명에 의한 반투과형 액정표시소자는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 복수개의 배선(112,115), 박막트랜지스터(TFT) 및 프린지 필드(Fringe Field) 를 발생시키는 상대전극(124)과 화소전극(117)이 형성되어 있고 화소영역이 반사부(R)와 투과부(T)로 구분되어 반사부 내에는 반사전극(160)이 더 구비되어 있는 박막트랜지스터 어레이 기판(111)과, 상기 박막트랜지스터 어레이 기판(111)에 대향하는 컬러필터 어레이 기판(121)과, 상기 박막트랜지스터 어레이 기판(111)과 컬러필터 어레이 기판(121) 사이에 봉입된 액정층(131)으로 구성된다.

이때, 상기 박막트랜지스터 어레이 기판(111)과 컬러필터 어레이 기판(121)의 내측면에는 액정층(131)의 분자가 초기 배향되는 방향을 결정하는 배향막(도시하지 않음)이 더 구비되고, 상기 박막트랜지스터 어레이 기판(111)과 컬러필터 어레이 기판(121)의 외주면에는 편광판(도시하지 않음)이 더 구비된다.

이와 같은 반투과형 액정표시소자는 프린지 필드 스위칭 모드(FFS 모드)로 동작하는데, 투과부에서는 화소전극(117)과 상대전극(124) 사이의 프린지 필드에 의해 투과부 모드로 동작되고, 반사부에서는 화소전극(117)과 반사전극(160) 사이의 프린지 필드에 의해 반사부 모드로 동작된다.

이때, 화소전극은 복수개의 슬릿을 가지게 되는데, 상기 화소영역 반사부에서는 제 1 슬릿(L1)을 가지고, 화소영역 투과부에서 제 1 슬릿의 폭보다 작은 제 2 슬릿(L2)을 가져 반사부와 투과부의 액정 위상 지연이 동일하도록 한다.

구체적으로, 상기 박막트랜지스터 어레이 기판(111) 상에는 수직 교차하여 화소영역을 정의하고 게이트 절연막(113)에 의해 절연되는 게이트 배선(112) 및 데이터 배선(115)과, 상기 게이트 배선 및 데이터 배선의 교차지점에 형성되어 어드레싱 신호에 따라 전압의 턴-온 또는 턴-오프를 제어하는 박막트랜지스터(TFT)와, 상기 박막트랜지스터를 포함한 전면에 형성된 보호막(도시하지 않음)과, 상기 보호막 상부에서 투명한 도전물질로 형성되는 상대전극(124)과, 상기 상대전극과 동일한 전압이 인가되고 화소영역의 반사부(R)에 한정 형성되어 컬러필터 어레이 기판 측에서 입사된 외부 자연광을 컬러필터 어레이 기판(121) 측으로 반사시키는 반사전극(160)과, 상기 반사전극(160)을 포함한 전면에 일정한 두께로 형성되는 절연층(116)과, 상기 절연층(116) 상에서 제 1 슬릿(L1)과 제 1 슬릿의 폭보다 작은 제 2 슬릿(L2)을 가지는 화소전극(117)이 구비되어 있다.

따라서, 화소영역의 반사부에서는 제 1 슬릿(L1)을 관통해서 화소전극(117)과 반사전극(160) 사이에 제 1 프린지 필드가 형성되고, 화소영역의 투과부에서는 제 2 슬릿(L2)을 관통해서 화소전극(117)과 상대전극(124) 사이에 제 2 프린지 필드가 형성되어 반투과 모드로 구동된다.

여기서, 상기 화소전극의 제 1 슬릿(L1)은 제 2 슬릿(L2)보다 그 폭이 크므로 동일한 전압조건에서 반사부에서의 프린지 필드가 더 약해지므로 액정의 회전각도를 투과부보다 작게 할 수 있다. 도 2의 α,β는 액정분자(113a)가 러빙에 의해 결정된 최초의 각도에서 프린지 필드에 의해 액정분자가 회전한 각도까지의 차이를 나타낸 것으로, 반사부의 액정분자 회전각도(α)가 투과부의 액정분자 회전각도(β)보다 작은 것을 확인할 수 있다.

따라서, 투과부 대비 반사부의 슬릿의 간격을 크게 하여 반사부의 액정 회전각도를 작게 함으로써, 투과부와 반사부의 실효 위상지연을 동일하게 할 수 있다.

이때, 상기 제 1 ,제 2 슬릿(L1,L2)의 폭은 반사부의 액정 위상지연과 투과 부의 액정 위상지연이 일치되도록 결정하는데, 반사부의 화소전극의 슬릿폭(L1)이 투과부의 화소전극 슬릿폭(L2)보다 크도록 형성한다. 그리고, 반사전극의 두께만큼 반사부의 액정셀갭이 투과부의 액정셀갭보다 작을 수 있으므로, 이러한 펙터(factor) 또한 슬릿 폭을 결정하는데 참고한다.

다만, 상기 제 1 슬릿과 제 1 슬릿 사이의 화소전극 폭과, 제 2 슬릿과 제 2 슬릿 사이의 화소전극 폭은 서로 동일하도록 형성한다.

한편, 상기 상대전극(124) 및 반사전극(160)에는 Vcom 전압이 인가되도록 하고, 상기 화소전극(117)에는 픽셀 전압이 인가되도록 하는데, 상기 반사전극(160)은 상기 상대전극(124) 또는 공통배선(125)에 콘택시키고, 상기 화소전극(117)은 박막트랜지스터의 드레인 전극(115b)에 콘택시킨다.

그리고, 화소영역 전면에 형성되는 상대전극(124) 및 화소전극(117)은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide)와 같은 투명한 도전물질로 형성하고, 화소영역의 반사부에 한정 형성되는 반사전극(160)은 고반사율 금속 일예로, 알루미늄, 알루미늄 합금, 티타늄, Ag 등으로 형성한다. 또한, 상기 반사전극 표면에 반구형 형태의 요철패턴을 더 형성하여, 외부 자연광을 광원으로 사용할 경우 외부 자연광의 반사각이 요철패턴에 의해 국부적으로 변화되도록 하여 상당량의 반사광량을 확보하도록 할 수 있다.

그리고, 상기 반사전극(160)을 상기 공통배선(125)과 별도의 다른층에서 각각 형성할 수도 있으나, 별도로 형성하지 않고 일체형으로 형성할 수도 있다.

한편, 상기 박막트랜지스터(TFT)는 상기 게이트 배선(112)과 일체형인 게이 트 전극과, 상기 게이트 전극 상부에 적층된 게이트 절연막과, 상기 게이트 전극 상부에 아몰퍼스 실리콘(Amorphous Silicon;a-Si:H)을 증착하여 섬(island) 모양으로 형성한 반도체층(114)과, 상기 반도체층(114)과 상부층과의 콘택접촉을 개선하기 위해 아몰퍼스 실리콘에 불순물이온을 주입한 n+a-Si를 증착하여 형성한 오믹콘택층(Ohmic Contact layer, 도시하지 않음)과, 상기 데이터 배선에서 분기되어 상기 반도체층(114) 상부에 형성된 소스/드레인 전극(115a, 115b)으로 구성된다.

이러한 반투과형 액정표시소자는 이중셀갭을 구성하지 않고도 반사부와 투과부의 위상지연을 동일하게 할 수 있다.

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 액정표시소자는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 반사부와 투과부의 슬릿폭을 차이나게 하여 액정의 회전각을 조절함으로서 반사부와 투과부의 액정셀갭을 동일두께로 형성할 수 있게 된다.

이와같이, 반사부와 투과부의 액정셀 갭을 듀얼 셀갭으로 하지 않고 동일한 단차로 형성함으로써 공정이 보다 간소해지고, 공정오류에 의한 에러를 줄일 수 있다.

둘째, 반사부와 투과부의 단차경계부에서의 화질 배향이 불완전하게 되어 화질이 악화되는 문제점이 방지된다.

Claims (8)

  1. 기판 상에서 수직교차하여 반사부와 투과부로 구분되는 화소영역을 정의하는 게이트 배선 및 데이터 배선과,
    상기 게이트 배선 및 데이터 배선의 교차 지점에 형성되는 박막트랜지스터와,
    상기 게이트 배선에 평행하는 공통배선과,
    상기 공통배선에 콘택되고 상기 반사부 및 상기 투과부에 형성되는 상대전극과,
    상기 상대전극에 콘택되고 상기 반사부에 한하여 형성되는 반사전극과,
    상기 반사전극을 포함한 전면에 형성되는 절연층과,
    상기 절연층 상부의 상기 반사부에서 제 1 슬릿을 가지고, 상기 투과부에서 상기 제 1 슬릿의 폭보다 작은 폭을 갖는 제 2 슬릿을 포함하는 화소전극과,
    상기 기판과의 사이에 액정층을 구비하고 서로 대향합착된 대향기판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층은 기판 전면에 대해 동일한 단차를 가지는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사전극은 불투명한 전극인 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 화소전극 및 상대전극은 투명한 전극인 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 ,제 2 슬릿의 폭은 반사부의 액정 위상지연과 투과부의 액정 위상지연이 일치되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 슬릿과 제 1 슬릿 사이의 화소전극 폭과, 제 2 슬릿과 제 2 슬릿 사이의 화소전극 폭은 서로 동일한 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사전극은 상기 상대전극 또는 공통배선에 콘택되고,
    상기 화소전극은 박막트랜지스터의 드레인 전극에 콘택되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 상대전극 및 반사전극에는 Vcom 전압이 인가되고,
    상기 화소전극에는 픽셀 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 반투과형 액정표시소자.
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