KR101330330B1 - 횡전계형 액정표시장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 횡전계형 액정표시장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 횡전계형 액정표시장치는 서로 마주하는 제1 및 제2 기판과, 상기 제1 및 제2 기판 사이에 개재된 액정층과, 상기 제1 기판상에 형성된 박막트랜지스터 상에 형성된 보호막과, 상기 보호막 상에 서로 교번하며 배치된 화소전극 및 공통전극과, 상기 화소전극 및 공통전극 상에 형성되는 제1 배향막을 포함하고, 상기 액정층 및 상기 보호막의 비저항은 상기 제1 배향막의 비저항보다 낮은 비저항을 갖도록 형성한다.
횡전계, 잔상, DC전압

Description

횡전계형 액정표시장치{In-Plane Switching mode Liquid crystal display device}
본 발명은 액정표시장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 잔상 문제를 개선하기 위한 횡전계형 액정표시장치에 관한 것이다.
오늘날, 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display device ; LCD)는 소비전력이 낮고, 휴대성이 양호한 기술 집약적이며 부가가치가 높은 차세대 첨단 디스플레이(display) 소자로 각광받고 있다.
이와 같은 액정 표시 장치는 액정분자의 배열상태에 따른 변화되는 광의 투과율을 이용하여 사용자에게 영상을 제공한다. 주로 액정표시장치는 구조가 단순하며, 용이한 공정을 통해 형성할 수 있는 TN형 액정표시장치로 주로 이용되고 있다. 여기서, 상기 TN형 액정표시장치는 전압이 인가되었을 경우, 액정 분자가 기판에 대해 수평한 방향에서 수직한 방향으로 배향시킨다. 이때, 상기 액정 분자는 굴절률 이방성을 가지고 있어, 시야각 방향에 따라 광 투과율이 다르다. 즉, 상기 액정 분자가 구동될 경우, 시야각이 좁아지는 문제점이 있었다.
이와 같은 시야각 개선을 위해, IPS 모드 액정표시장치가 개발되었다. 상기 IPS 모드 액정표시장치는 서로 마주하는 제 1 및 제 2 기판, 상기 제 1 및 제 2 기판사이에 개재된 액정층을 포함한다. 상기 제 1 기판상에는 박막트랜지스터, 다수개로 분기된 서브 화소전극들을 구비하는 화소전극, 다수개로 분기된 서브 공통전극들을 구비하는 공통전극을 포함한다. 이때, 상기 서브화소전극과 상기 서브 공통전극은 서로 교번하여 배치되어, 횡전계를 형성한다. 상기 제 2 기판상에는 블랙매트릭스, 컬러필터 패턴, 오버코트층 및 배향막이 배치되어 있다. 이로써, 상기 액정은 상기 횡전계의 전계방향과 평행하도록 배향됨에 따라 시야각을 개선할 수 있다.
그러나, 고온에서 상기 제1 및 제2 기판 각각에 구비된 유기물질로 형성된 상기 배향막으로부터 이온성 및 극성을 갖는 불순물등을 배출시킬 수 있다. 이때, 상기 불순물들은 상기 배향막과 배향막의 하부에 위치한 막의 계면 사이로 이동하거나 흡착되어, 상기 계면에서 기생 캐패시터가 형성될 수 있다.
이와 같은 기생 캐패시터는 상기 액정층에 인가되는 유효 전압의 차이를 발생시키게 되어 잔상 문제를 초래할 수 있다. 다시 말해, 화상을 장시간 표시할 경우, 상기 기생 캐패시터는 상기 화상을 표시하기 위해 인가된 DC 전압을 충전하게 된다. 상기 충전된 DC 전압은 상기 액정층에 별도의 DC 전압을 인가하지 않았을 경우에도 상기 액정층의 액정분자를 재배열시킨다. 이로써, 화상을 변화시키기 위한 새로운 DC 전압을 상기 액정층에 인가할 지라도 상기 충전된 DC 전압에 의해 형성된 화상의 흔적이 남는 잔상 문제를 초래할 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 DC 전압이 잔류함에 따라 발생하는 잔상 문제를 해결할 수 있는 횡전계형 액정표시장치를 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하는 본 발명에 따른 횡전계형 액정표시장치는 서로 마주하는 제1 및 제2 기판과, 상기 제1 및 제2 기판 사이에 개재된 액정층과, 상기 제1 기판상에 형성된 박막트랜지스터 상에 형성된 보호막과, 상기 보호막 상에 서로 교번하며 배치된 화소전극 및 공통전극과, 상기 화소전극 및 공통전극 상에 형성되는 제1 배향막을 포함하고, 상기 액정층 및 상기 보호막의 비저항은 상기 제1 배향막의 비저항보다 낮은 비저항을 갖도록 형성한다.
상기 액정층의 비저항은 5.5×1012Ωcm 가 되도록 형성하고, 상기 5.5×1012Ωcm의 비저항을 갖는 액정층은 CN계 또는 톨란(Tolane)계 액정을 첨가하여 형성한다.
상기 보호막의 비저항은 7.6×1012Ωcm가 되도록 형성하고, 상기 7.6×1012Ωcm의 비저항을 갖는 보호막은 SiH4/NH3의 가스 유량비를 조절한 화학기상증착법을 통해 형성한다.
상기 제2 기판은 상기 제2 기판상에 형성된 블랙 매트릭스와, 상기 블랙 매트릭스 상에 형성된 컬러필터 패턴과, 상기 컬러필터 패턴이 포함된 제2 기판 상에 형성된 제2 배향막을 더 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 횡전계형 액정표시장치는 배향막의 비저항보다 낮은 비저항을 갖는 액정층과 보호막을 형성함으로써, 상기 제1 배향막의 계면에 충전되는 DC전압을 방전시켜, 잔상문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 실시예들은 횡전계형 액정표시장치의 도면을 참고하여 상세하게 설명하고자 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 횡전계형 액정표시장치를 설명하기 위해 도시한 도면들이다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 횡전계형 액정표시장치의 평면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 Ⅰ-Ⅰ'와 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 절단한 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 횡전계형 액정표시장치는 영상을 표시하기 위한 다수의 화소들을 포함하나, 설명의 편의상 도 1에서는 하나의 화소를 확대하여 도시하였다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 횡전계형 액정표시장치는 제 1 기판(100)상에 배치된 박막트랜지스터(Tr), 화소전극(125), 공통전극(135)과, 제 2 기판(200)상에 배치된 블랙매트릭스(210), 컬러필터 패턴(220), 오버코트층(230), 배향막(250)과, 상기 제 1 및 제 2 기판(100, 200)사이에 개재된 액정층(300)을 포함한다.
구체적으로, 상기 제 1 기판(100)상에 서로 교차하는 게이트 배선(101)과 데이터 배선(102)에 의해 정의될 수 있다. 여기서, 상기 게이트 배선(101)과 데이터 배선(102)은 그 사이에 개재된 게이트 절연막(110)에 의해 서로 절연된다. 상기 게이트 배선(101)과 이격된 공통배선(103)이 배치되어 있다. 상기 공통배선(103)은 상기 게이트 배선(101)과 동일한 도전물질로 이루어질 수 있다.
상기 각 화소에 박막트랜지스터(Tr)가 배치되어 있다. 상기 박막트랜지스터(Tr)는 게이트 전극(104), 반도체 패턴(114), 게이트 절연막(110), 소스 전극(124) 및 드레인 전극(134)을 포함한다. 여기서, 상기 게이트 전극(104)은 상기 게이트 배선(101)과 전기적으로 연결되어 있다. 상기 소스 전극(124)은 상기 데이터 배선(102)과 전기적으로 연결되어 있다. 이로써, 상기 박막트랜지스터(Tr)는 상기 게이트 배선(101) 및 상기 데이터 배선(102)과 전기적으로 연결되어 있다. 또한, 상기 반도체 패턴(114)은 활성패턴(114a), 상기 활성패턴(114a)과 소스 전극(124) 및 드레인 전극(134)사이에 각각 개재된 오믹콘택 패턴(114b)을 포함할 수 있다.
상기 박막트랜지스터(Tr)를 포함하는 제 1 기판(100)상에 보호막(120)이 배치되어 있다. 상기 보호막(120)은 실리콘 질화막과 같은 무기절연물질로 이루어진다.
상기 각 화소에 액정 구동을 위한 전계를 형성하는 화소전극(125)과 공통전극(135)이 배치되어 있다.
상기 화소전극(125)은 광을 투과할 수 있는 도전체로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 화소전극(125)은 광을 투과할 수 있는 ITO 또는 IZO로 이루어질 수 있다. 도면과 달리, 상기 화소전극(125)은 상기 드레인 전극(134)과 일체로 이루어 질 수도 있다.
상기 화소전극(125)은 제 1 화소전극(125a)들과 제 2 화소전극(125b)을 포함할 수 있다. 상기 제 1 화소전극(125a)들은 서로 일정한 간격으로 이격되어 있다. 상기 제 1 화소전극(125a)들은 바(bar)형태를 가질 수 있다. 상기 제 1 화소전극(125a)들은 도메인들을 구분하기 위해 꺽인 구조를 가질 수 있다. 이와 같이, 상기 화소는 서로 다른 방향의 전계를 형성하는 도메인들로 구분되어, 시야각을 더욱 개선할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에서, 상기 화소를 도메인으로 나누는 것으로 한정하는 것은 아니다. 상기 제 2 화소전극(125b)은 상기 제 1 화소전극(125a)들을 서로 전기적으로 연결한다. 상기 제 2 화소전극(125b)은 상기 제 1 화소전극(125a)들과 일체로 이루어질 수 있다. 상기 제 2 화소전극(125b)의 일부는 상기 박막트랜지스터(Tr)의 드레인 전극(134)과 전기적으로 연결되어 있다. 상기 제 2 화소전극(125b)은 상기 공통배선(103)과 절연막, 예컨대 게이트 절연막(110), 보호막(120)을 사이에 두고 중첩되어 스토리지 캐패시턴스를 형성할 수 있다.
상기 공통전극(135)은 광을 투과할 수 있는 투명한 도전체로 이루어질 수 있다. 상기 공통전극(135)은 제 1 공통전극(135a)들과 제 2 공통전극(135b)을 포함한다. 상기 제 1 공통전극(135a)들은 일정한 간격을 유지하며, 상기 제 1 화소전극(125a)들과 각각 교대로 배치된다. 이로써, 상기 제 1 공통전극(135a)들은 상기 제 1 화소전극(125a)과 같이 꺽인 구조를 가질 수 있다. 상기 제 2 공통전극(135b)은 상기 제 1 공통전극(135a)들을 서로 전기적으로 연결시킨다. 상기 제 2 공통전극(135b)은 상기 공통배선(103)과 전기적으로 연결되어 있다.
상기 화소전극(125)에 상기 박막트랜지스터(Tr)의 전기적 신호가 인가되고, 상기 공통전극(135)에 공통전압을 인가할 경우, 상기 제 1 공통전극(135a)과 상기 제 1 화소전극(125a)사이에 횡전계가 형성된다.
상기 화소전극(125) 및 상기 공통전극(135)을 포함하는 제 1 기판상에 액정의 초기 배향을 위한 제1 배향막(250a)이 더 배치된다.
상기 제 2 기판(200)상에 빛샘을 방지하기 위한 블랙매트릭스(210)가 배치되어 있다. 상기 블랙매트릭스(210)는 영상을 표시하기 위한 화소를 노출하는 개구부가 형성되어 있다. 상기 개구부, 즉 화소에 컬러필터 패턴(220)이 배치되어 있다. 상기 블랙매트릭스(210) 및 컬러필터 패턴(220)을 포함하는 제 2 기판(200)의 전면에 오버코트층(230)이 더 배치될 수 있다. 상기 오버코트층(230)은 평탄한 상면을 가짐에 따라 상기 블랙매트릭스(210) 및 컬러필터 패턴(220)에 의해 형성된 단차를 제거한다.
상기 오버코트층(230)상에 상기 액정층(300)의 액정 배향을 위한 제2 배향막(250b)이 배치되어 있다.
여기서, 상기 유기물질로 형성된 제1 배향막(250a)으로부터 이온성 및 극성을 갖는 불순물등이 배출될 수 있다. 상기 불순물들은 제1 배향막의 상부 및 하부에 위치한 액정층(300)과 보호막(120)으로 분산하여 이동될 수 있는 데, 상기 이동된 불순물에 의해 상기 배향막과 액정층(300) 또는 보호막(120) 계면에는 기생커패시터가 발생되고, 이는 상기 액정층에 인가되는 유효 DC전압의 차이를 야기하여 액정표시장치의 잔상문제를 초래할 수 있다.
이를 해결하기 위해, 제1 배향막(250a)의 비저항보다 낮은 비저항을 갖는 액정층(300)과 보호막(120)을 개재함에 따라, 상기 제1 배향막의 계면에 충전되는 DC전압을 방전시켜, 잔상문제를 해결할 수 있다.
상기 액정층(300)은 상기 제1 배향막(250a)보다 낮은 비저항값을 가진다. 즉, 상기 DC 전압을 충분하기 방전시키기 위해, 상기 액정층(300)의 비저항은 상기 제1 배향막(250a)의 비저항에 비해 2 오더(order) 이상 낮을 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 배향막(250a)의 비저항은 8.3×1014Ωcm이다. 이때, 상기 액정층(300)의 비저항이 8.3×1014Ωcm이상일 경우, 상기 제1 배향막(250a)의 DC 전압을 방전시킬 수 없다. 오히려, 상기 액정층(300)과 상기 제1 배향막(250a)의 계면에서 기생 캐패시터를 형성할 수 있다. 따라서, 상기 액정층(300)의 비저항이 8.3×1014Ωcm보다 낮도록 하여, 상기 액정층(300)을 통해 DC 전압이 방전시키기 용이하게 한다. 이로써, 액정층(300)의 비저항은 제1 배향막보다 2오더 낮게 형성하고, 5.5×1012Ωcm정도가 되도록 한다.
상기 액정층(300)을 형성하는 예로서는 횡전계용 액정층에 화학식 1에 도시된 바와 같은 CN계 또는 화학식 2에 도시된 바와 같은 톨란(Tolane)계 액정을 첨가함으로써 형성한다.
Figure 112008090335608-pat00001
Figure 112008090335608-pat00002
한편, 상기 액정층(300)은 첨가되는 상기 액정들로 인해, 비저항만이 낮아질 뿐, 액정층(300)의 유전율 또는 굴절율은 횡전계용 액정층과 동일하게 유지되도록 한다.
그리고, 상기 보호막(120)은 상기 제1 배향막(250a)보다 낮은 비저항값을 가진다. 즉, 상기 DC 전압을 충분하기 방전시키기 위해, 상기 보호막(120)의 비저항은 상기 제1 배향막(250a)의 비저항에 비해 2 오더(order) 이상 낮을 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 배향막(250a)의 비저항은 8.3×1014Ωcm이다. 이때, 상기 보호막(120)의 비저항이 8.3×1014Ωcm이상일 경우, 상기 제1 배향막(250a)의 DC 전압을 방전시킬 수 없다. 오히려, 상기 보호막(120)과 상기 제1 배향막(250a)의 계면에서 기생 캐패시터를 형성할 수 있다. 따라서, 상기 보호막(120)의 비저항이 8.3×1014Ωcm보다 낮도록 하여, 상기 보호막(120)을 통해 DC 전압이 방전시키기 용이하게 한다. 이로써, 보호막(120)의 비저항은 제1 배향막보다 2오더 낮게 형성하고, 7.6×1012Ωcm정도가 되도록 한다.
상기 보호막(120)은 실리콘 질화막으로 형성하는 데, 이는 SiH4/NH3의 가스 유량비를 조절한 화학기상증착법을 통해 형성한다.
이하, 표 1은 SiH4/NH3의 가스 유량비에 따른 상기 보호막(120)의 비저항값을 측정한 값이다.
항 목 1 2 3 4 5 6
SiH4/NH3 ratio 0.125 0.325 1 3 4 4.5
N2(sccm) 3200 3200 3200 3200 3200 3200
비저항
(Ωcm)		 5.8E+14 5.1E+14 4.3E+14 2.1E+13 9.8E+12 7.2E+12
표 1에서와 같이, 상기 보호막(120)에 포함된 실리콘의 함량이 커질수록 상기 보호막(120)의 비저항을 낮출 수 있는 것을 확인할 수 있다. 여기서, 상기 보호막(120)은 실리콘 함량을 증가시켜 E+14Ωcm에서 E+12Ωcm까지 낮출 수 있었다.
이와 같이, 제1 배향막보다 낮은 비저항을 갖는 보호막(120) 및 액정층(300)을 형성하게 되면, 보호막(120) 및 액정층(300)의 에너지 밴드레벨(energy band level)은 제1 배향막의 에너지 밴드 레벨보다 낮아지게 되어 제1 배향막의 계면에 축적된 DC전압의 소멸통로로 이용될 수 있어, 잔상문제가 해결됨을 알 수 있다.
제1 배향막(PI)의 LUMO 에너지 밴드레벨은 5.42eV정도이고, 본발명의 보호막(PAS-L)의 LUMO 에너지 밴드레벨은 4.67eV정도이고, 본 발명의 액정층(LC-L)의 LUMO 에너지 밴드레벨은 4.0eV정도이다. 그리고, 종래의 보호막(PAS-H)의 LUMO 에너지 밴드레벨은 5.49eV정도이고, 종래의 액정층(LC-H)의 LUMO 에너지 밴드레벨은 4.5eV정도이다.
이와 같은 제1 배향막(PI), 본발명의 보호막(PAS-L) 및 액정층(LC-L), 종래 기술의 보호막(PAS-H) 및 액정층(LC-H) 각각의 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital, conduction band, 최저 비점유 분자 궤도) 에너지 밴드레벨을 비교한 그래프가 도 3a 내지 도 3d에 개시된다.
도 3a는 제1 배향막(PI)를 사이에 두고 종래 기술의 보호막(PAS-H)와 액정층(LC-H)간을 비교하여 도시한 LUMO 에너지 밴드레벨이고, 도 3b는 제1 배향막(PI)를 사이에 두고 종래 기술의 보호막(PAS-H)와 본 발명의 액정층(LC-L)간을 비교하여 도시한 LUMO 에너지 밴드레벨이고, 도 3c는 제1 배향막(PI)을 사이에 두고 본 발명의 보호막(PAS-L)와 종래 기술의 액정층(LC-L)간을 비교하여 도시한 LUMO 에너지 밴드레벨이고, 도 3d는 제1 배향막(PI)를 사이에 두고 본 발명의 보호막(PAS-L)와 액정층(LC-L)간을 비교하여 도시한 LUMO 에너지 밴드레벨이다.
이와 같이, 종래 기술에 따른 보호막 및 액정층와 제1 배향막간의 에너지 밴드레벨보다 본 발명에 따른 보호막 및 액정층와 제1 배향막간의 에너지 밴드레벨이 낮아진 것을 알 수 있다.
그리고, 표 2는 도 3a, 3b, 도 3c, 도 3d 각각에 따른 초기 잔상수준(A)과 잔상소멸속도(τ)를 비교하여 도시하고 있다.
표 2에 도시된 바와 같이, 도 3a의 초기 잔상수준과 잔상소멸속도(종래기술의 보호막과 액정층을 적용한 상태)보다 도 3d(본 발명의 보호막과 액정층을 적용한 상태)의 초기잔상수준과 잔상소멸속도(τ)가 작음을 알 수 있다. 이와 같이, 초기잔상수준(A)와 잔상소멸속도(τ)가 작을 수록 DC전압의 안정성이 좋은 것으로 판단되므로, 잔상문제가 해결됨을 알 수 있다.
도 3a 도 3b 도 3c 도 3d
A 1.25 0.18 0.12 0.08
τ 33.99min 9.67min 5.19min 5min
따라서, 제1 배향막보다 낮은 비저항을 갖는 보호막(120) 및 액정층(300)을 형성함으로써, 보호막(120) 및 액정층(300)의 에너지 밴드레벨(energy band level)이 제1 배향막의 에너지 밴드 레벨보다 낮아지게 되어 제1 배향막의 계면에 축적된 DC전압의 소멸통로로 이용될 수 있어, 잔상문제가 해결됨을 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 횡전계형 액정표시장치의 평면도
도 2는 도 1에 도시된 Ⅰ-Ⅰ'와 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 절단한 단면도
도 3a 내지 도 3d는 종래 기술 및 본 발명에 따른 제1 배향막과 보호막 및 액정층 각각의 LUMO 에너지 밴드레벨을 비교한 그래프

Claims (8)

  1. 서로 마주하는 제1 및 제2 기판과,
    상기 제1 및 제2 기판 사이에 개재된 액정층과,
    상기 제1 기판상에 형성된 박막트랜지스터 상에 형성된 보호막과,
    상기 보호막 상에 서로 교번하며 배치된 화소전극 및 공통전극과,
    상기 화소전극 및 공통전극 상에 형성되는 제1 배향막을 포함하고,
    상기 액정층의 비저항은 상기 제1 배향막의 비저항보다 낮은 비저항을 갖도록 형성되어, 상기 제1 배향막의 계면에 충전되는 DC전압을 방전시키고,
    상기 보호막의 비저항은 상기 제1 배향막의 비저항보다 낮은 비저항을 갖도록 형성되어, 상기 제1 배향막의 계면에 충전되는 DC전압을 방전시키는 것을 특징으로 하는 횡전계형 액정표시장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 액정층의 비저항은 5.5×1012Ωcm 가 되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 횡전계형 액정표시장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 5.5×1012Ωcm의 비저항을 갖는 액정층은
    CN계 또는 톨란(Tolane)계 액정을 첨가하여 형성하는 것을 특징으로 하는 횡전계형 액정표시장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 보호막의 비저항은 7.6×1012Ωcm가 되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 횡전계형 액정표시장치.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 7.6×1012Ωcm의 비저항을 갖는 보호막은
    SiH4/NH3의 가스 유량비를 조절한 화학기상증착법을 통해 형성하는 것을 특징으로 하는 횡전계형 액정표시장치.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 제2 기판은
    상기 제2 기판상에 형성된 블랙 매트릭스와,
    상기 블랙 매트릭스 상에 형성된 컬러필터 패턴과,
    상기 컬러필터 패턴이 포함된 제2 기판 상에 형성된 제2 배향막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 횡전계형 액정표시장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 액정층의 비저항은 상기 배향막의 비저항보다 2오더 낮게 형성하는 것을 특징으로 하는 횡전계형 액정표시장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 보호막의 비저항은 상기 배향막의 비저항보다 2오더 낮게 형성하는 것을 특징으로 하는 횡전계형 액정표시장치.
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