KR101830240B1 - 수평전계 구동방식 액정표시장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 이격되어 마주 대하는 제1 및 제2기판과, 상기 제1기판 내면에 형성된 게이트 배선과, 상기 게이트 배선과 교차하여 화소 영역을 정의하는 데이터 배선, 상기 게이트 배선 및 데이터 배선에 연결된 박막 트랜지스터, 상기 화소 영역에 형성되고, 상기 박막 트랜지스터와 연결되는 화소 전극, 상기 화소 영역에서 상기 화소 전극과 엇갈리게 배치된 공통 전극, 상기 제1 및 제2기판 사이에 위치하고 카이럴 도펀트가 첨가된 액정층을 포함하며, 상기 화소 전극 및 상기 공통 전극은 상기 액정층의 러빙 방향과 15도 이하의 각을 이루는 수평전계 구동방식 액정표시장치를 제공한다.

Description

수평전계 구동방식 액정표시장치{in-plane switching mode liquid crystal display device}
본 발명은 액정표시장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액정을 구동시키는 제 1 및 제 2 전극이 동일 기판에 형성되어 있는 수평전계 구동방식 액정표시장치에 관한 것이다.
일반적으로 액정표시장치는 전계 생성 전극이 각각 형성되어 있는 두 기판을 두 전극이 형성되어 있는 면이 마주 대하도록 배치하고 두 기판 사이에 액정 물질을 주입한 다음, 두 전극에 전압을 인가하여 생성되는 전기장에 의해 액정 분자를 움직이게 함으로써, 이에 따라 달라지는 빛의 투과율에 의해 화상을 표현하는 장치이다. 이러한 액정표시장치는 휴대폰이나 멀티미디어장치와 같은 휴대용 기기부터 컴퓨터 모니터 및 대형 텔레비전에 이르기까지 다양하게 적용된다.
액정표시장치는 다양한 형태로 이루어질 수 있는데, 현재 박막 트랜지스터와 박막 트랜지스터에 연결된 화소 전극이 행렬 방식으로 배열된 능동 행렬 액정표시장치(Active Matrix LCD : AM-LCD)가 해상도 및 동영상 구현 능력이 우수하여 가장 주목받고 있다.
이러한 액정표시장치는 하부 기판에 화소 전극이 형성되어 있고 상부 기판에 공통 전극이 형성되어 있는 구조로, 두 전극 사이에 걸리는 기판에 수직한 방향의 전기장에 의해 액정 분자를 구동하는 방식이다. 수직 전기장에 의한 액정표시장치는, 투과율과 개구율 등의 특성이 우수하다.
그러나, 수직 전기장에 의한 액정표시장치는 시야각이 좁은 단점을 가진다. 따라서, 이러한 단점을 극복하기 위해 여러 가지 방법이 제시되었는데, 그 중의 한 예가 수평전계 구동방식 즉, IPS(in-plane switching) 모드의 액정표시장치이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 종래의 IPS 모드의 액정표시장치에 관하여 설명한다.
도 1은 일반적인 IPS 모드 액정표시장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 상부 기판(1)과 하부 기판(2)이 일정 거리를 두고 배치되어 있으며, 두 기판(1, 2) 사이에는 액정 분자(3)가 위치한다. 액정 분자(3)를 구동시키기 위한 화소 전극(4)과 공통 전극(5)은 하부 기판(2) 상에 형성되어 있다. 따라서, 두 전극(4, 5)에 전압이 인가되었을 때, 두 전극(4, 5) 사이에는 기판에 평행한 수평 전계(6)가 생성되고, 액정층의 액정 분자(3)는 이 수평 전계(6)에 의해 동작하게 된다.
이와 같이, IPS 모드 액정표시장치에서는 동일 기판 상에 화소전극과 공통전극을 형성하고 두 전극 사이에 기판과 평행한 수평 전계를 생성하여, 액정 분자가 수평 전계와 나란하게 배열되도록 함으로써, 액정표시장치의 시야각을 넓게 할 수 있다.
특히, 각 화소 영역 내에 다수의 도메인(multi-domain)을 형성하여 각 도메인에서의 액정 분자의 배열 방향을 다르게 함으로써 시야각을 더욱 넓게 하고 있다.
그런데, 휴대단말기 등의 경우, 시야각의 요구가 상대적으로 적기 때문에, 한 화소 영역이 하나의 도메인을 가지도록 하는 고투과율 화소 구조가 적용되고 있다.
이때, IPS 모드 액정표시장치의 화소 전극과 공통 전극을 게이트 배선이나 데이터 배선에 대해 비스듬하게 형성하고, 액정 분자의 배열 방향, 즉, 러빙 방향을 게이트 배선이나 데이터 배선에 평행하게 함으로써, 내부 전경선(disclination) 영역을 최소화하고 있으며, 이에 따라 구동시 추가로 발생할 수 있는 도메인 불량 등을 방지하고 있다.
일례로, 도 2에 도시한 바와 같이, 액정 분자에 대한 러빙 방향을 데이터 배선(도시하지 않음)과 평행하게 하고, 화소 전극(PXL)과 공통 전극(COM)을 러빙 방향과 약 15도 내지 약 20도의 각도(θ)를 이루도록 한다.
그러나, 이러한 종래의 IPS 모드 액정표시장치에서는, 전극과 액정 분자가 이루는 각도, 즉, 전극 각도가 크기 때문에, 동일 개구 면적에서의 액정 효율이 떨어지고 이에 따라 투과율이 낮은 문제가 있다.
이를 개선하기 위해, 전극 각도를 작게 할 경우, 전경선이 발생하여 오히려 투과율이 저하된다. 또한, 구동 전압도 높아지게 되어, 저전압 및 저소비전력을 요구하는 휴대용 기기에 적용하는데 있어 큰 단점이 되고 있다.
도 3a와 도 3b는 종래의 IPS 모드 액정표시장치에서 전극 각도에 따른 전경선 발생 유무를 도시한 도면이고, 도 4는 종래의 IPS 모드 액정표시장치에서 전극 각도에 따른 구동 전압 대비 투과율을 도시한 그래프이다. 여기서, 화소 및 공통 전극이 러빙 방향에 대해 20도와 0도의 각을 가지는 경우에 대해 도시한다.
도시한 바와 같이, 화소 및 공통 전극과 액정 분자가 20도를 이룰 경우, 전경선이 발생하지 않으나, 화소 및 공통 전극과 액정 분자가 0도를 이룰 경우, 즉, 평행할 경우, 전경선이 발생하는 것을 알 수 있다. 또한, 화소 및 공통 전극과 액정 분자가 0도를 이룰 경우, 투과율도 낮아지게 되며, 동일한 투과율을 얻기 위해 더 높은 전압이 필요하게 된다.
본 발명은, 투과율을 높이고 구동 전압이 개선된 수평전계 방식 액정표시장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 이격되어 마주 대하는 제1 및 제2기판과, 상기 제1기판 내면에 형성된 게이트 배선과, 상기 게이트 배선과 교차하여 화소 영역을 정의하는 데이터 배선, 상기 게이트 배선 및 데이터 배선에 연결된 박막 트랜지스터, 상기 화소 영역에 형성되고, 상기 박막 트랜지스터와 연결되는 화소 전극, 상기 화소 영역에서 상기 화소 전극과 엇갈리게 배치된 공통 전극, 상기 제1 및 제2기판 사이에 위치하고 카이럴 도펀트가 첨가된 액정층을 포함하며, 상기 화소 전극 및 상기 공통 전극은 상기 액정층의 배열 방향, 즉, 러빙 방향과 15도 이하의 각을 이루는 수평전계 구동방식 액정표시장치를 제공한다.
상기 액정층의 배열 방향은 상기 데이터 배선과 평행하거나, 또는 상기 게이트 배선과 평행하다.
상기 카이럴 도펀트의 함량은 상기 액정층 대비 약 0.09% 내지 약 0.3%이다.
상기 액정층의 피치는 ±10㎛ 내지 ±100㎛이다.
상기 액정층의 피치는 ±10㎛이고, 상기 화소 전극 및 상기 공통 전극은 상기 액정층의 배열 방향과 0도를 이룬다.
본 발명에 따른 수평전계 구동방식 액정표시장치에서는, 공통 전극 및 화소 전극과 액정 분자의 배열방향, 즉, 러빙 방향과 15도 이하의 각을 이루도록 하여 투과율을 높이면서, 이에 따라 발생하는 문제를 방지하기 위해 카이럴 도펀트를 액정층 내에 첨가한다. 따라서, 전경선의 발생을 방지하고, 구동 전압을 낮출 수 있다.
도 1은 일반적인 IPS 모드 액정표시장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 종래의 IPS 모드 액정표시장치에서 전극 방향과 러빙 방향을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3a와 도 3b는 종래의 IPS 모드 액정표시장치에서 전극 각도에 따른 전경선 발생 유무를 도시한 도면이다.
도 4는 종래의 IPS 모드 액정표시장치에서 전극 각도에 따른 구동 전압 대비 투과율을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 IPS 모드 액정표시장치의 평면도이다.
도 6은 도 5의 VI-VI선에 대응하는 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 IPS 모드 액정표시장치에서 전극 방향과 러빙 방향을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 IPS 모드 액정표시장치에서 전경선 발생 여부를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 IPS 모드 액정표시장치에서 구동 전압 대비 투과율을 도시한 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 IPS 모드 액정표시장치의 평면도로 어레이 기판을 중심으로 도시한 것이고, 도 6은 도 5의 VI-VI선에 대응하는 단면도이다.
도 5와 도 6에 도시한 바와 같이, 투명한 제1기판(110) 상에 금속과 같은 도전 물질로 게이트 배선(112)과, 게이트 전극(114), 공통 배선(116) 및 공통 전극(118)이 형성된다. 게이트 배선(112)은 제1방향을 따라 연장되고, 게이트 전극(114)은 게이트 배선(112)에서 돌출되어 있다. 공통 배선(116)은 게이트 배선(112)과 평행하며, 공통 배선(116)에서 연장된 공통 전극(118)이 게이트 배선(112) 쪽을 향하여 제2방향을 따라 형성되어 있다.
게이트 배선(112)과 게이트 전극(114), 공통 배선(116) 및 공통 전극(118) 상부에는 게이트 절연막(120)이 형성되어 있으며, 게이트 전극(114) 상부의 게이트 절연막(120) 위에는 액티브층(122)과 오믹콘택층(124)이 차례로 형성된다. 게이트 절연막(120)은 실리콘 질화물(SiNx)나 실리콘 산화물(SiO2)로 이루어질 수 있다. 또한, 액티브층(122)은 순수 비정질 실리콘으로 이루어지고, 오믹콘택층(124)은 불순물 비정질 실리콘으로 이루어질 수 있으며, 액티브층(122)과 오믹콘택층(124)은 반도체층을 구성한다.
오믹콘택층(124) 상부에는 금속과 같은 도전 물질로 소스 및 드레인 전극(126, 128)이 형성되며, 소스 및 드레인 전극(126, 128)은 게이트 전극(114)을 중심으로 이격되어 있다.
여기서, 게이트 전극(114)과 액티브층(122), 그리고 소스 및 드레인 전극(126, 128)은 박막 트랜지스터(T)를 이룬다.
한편, 소스 전극(126)과 연결된 데이터 배선(130)이 제2방향을 따라 연장되고, 데이터 배선(130)은 게이트 배선(112)과 교차하여 화소 영역을 정의한다.
데이터 배선(130)과 소스 전극(126) 및 드레인 전극(128) 상부에는 보호층(132)이 형성되고, 보호층(132)은 드레인 전극(128)을 드러내는 콘택홀(132a)을 가진다.
보호층(132) 상부에는 화소 전극이 형성되어 있으며, 화소 전극은 제1 및 제2 수평부(134a, 134b)와 다수의 수직부(134c)를 포함한다. 제1수평부(134a)와 제2수평부(134b)는 수직부(134c)의 양단을 각각 연결하며, 수직부(134c)는 공통 전극(118)과 엇갈리게 배치된다. 제1수평부(134a)는 콘택홀(132a)을 통해 드레인 전극(128)과 연결되고, 제2수평부(134a)는 공통 배선(116)과 중첩하여 스토리지 커패시터를 형성한다. 여기서, 화소 전극(134a, 134b, 134c)은 인듐-틴-옥사이드(indium tin oxide)나 인듐 징크 옥사이드(indium zinc oxide)와 같은 투명 도전 물질로 이루어진다. 또는, 화소 전극(134a, 134b, 134c)은 드레인 전극(128)과 동일 물질로 동일 층 상에 형성될 수도 있다. 또한, 여기서는 화소 전극의 제1수평부(134a)가 드레인 전극(128)과 연결되어 있으나, 제1수평부(134a) 없이 수직부(134b) 중 어느 하나가 드레인 전극(128)과 연결될 수도 있다.
화소 전극(134a, 134b, 134c) 상부에는 제1배향막(136)이 형성된다.
한편, 투명한 제2기판(150)이 제1기판(110) 상부에 이격되어 배치되고, 제2기판(150) 하부에는 박막 트랜지스터(T)에 대응하여 블랙매트릭스(152)가 형성된다. 도시하지 않았지만, 블랙매트릭스(150)는 게이트 배선(112) 및 데이터 배선(130)과대응하는 위치에도 형성되며, 화소 영역에 대응하여 개구부를 가진다.
블랙매트릭스(152) 하부와 블랙매트릭스(152)의 개구부에 대응하는 제2기판(150) 하부에는 컬러필터층(154)이 형성된다. 컬러필터층(154)은 각각이 화소 영역에 대응하는 적, 녹, 청색 컬러필터 패턴을 포함한다.
컬러필터층(154) 하부에는 오버코트층(156)이 형성되어 컬러필터층(154)을 보호한다.
오버코트층(156) 하부에는 제2배향막(158)이 형성되어 있다.
제1 및 제2배향막(136, 158) 사이에는 액정층(170)이 위치하며, 액정층(170) 내에는 카이럴 도펀트(chiral dopant: 174)가 첨가되어 있다. 제1 및 제2배향막(136, 158)은 액정층(170)의 액정분자의 초기 배열을 결정하는 것으로, 여기서는 데이터 배선(130)과 평행한 제2방향을 따라 러빙 등의 방법으로 배향된다.
본 발명에서, 한 화소 영역은 액정 분자의 배열 방향이 하나인 모노 도메인(mon-domain) 형태이며, 공통 전극(118) 및 화소 전극, 보다 상세하게는 화소 전극의 수직부(134c)는 데이터 배선(130)과 15도 이하의 각도를 이룬다. 일례로, 도 5에서는 공통 전극(118) 및 화소 전극의 수직부(134c)가 데이터 배선(130)과 평행하게 형성된 것으로 도시한다. 이때, 공통 전극(118) 및 화소 전극의 수직부(134c)는 러빙 방향과 0도를 이룬다.
한편, 공통 전극(118) 및 화소 전극의 수직부(134c)는 게이트 배선(130)과 평행하게 형성될 수도 있으며, 이 경우, 액정층에 대한 러빙 방향은 게이트 배선(130)과 나란한 제1방향이 된다. 따라서, 공통 전극(118) 및 화소 전극의 수직부(134c)는 러빙 방향과 0도를 이룬다.
이와 같이, 본 발명에서는 전극 각도를 15도 이하로 하면서 액정 분자의 꼬임각을 제어하는 카이럴 도펀트를 첨가하여, 전경선 발생을 방지하고 투과율을 높이며 구동 전압을 감소시킬 수 있다.
여기서, 전극 각도에 따라 액정의 피치를 다르게 한다. 즉, 전극 각도가 작아질수록 액정의 피치 또한 작아지는 것이 바람직하다. 일례로, 전극 각도가 0도일 경우, 액정의 피치는 약 ±10㎛가 되도록 하고, 전극 각도가 15도 일 경우, 액정의 피치는 ±10㎛ 내지 ±100㎛가 되도록 한다.
한편, 액정의 피치는 카이럴 도펀트의 첨가량에 따라 조절할 수 있는데, 카이럴 도펀트의 함량이 증가할수록 액정의 피치는 작아진다. 앞서 언급한 바와 같이, 전극 각도가 15도 이하인 경우, 원하는 액정의 피치를 얻기 위해, 카이럴 도펀트는 액정층에 약 0.09 내지 0.3 %의 비율로 포함된다.
도 7은 본 발명에 따른 IPS 모드 액정표시장치에서 전극 방향과 러빙 방향을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명에 따른 IPS 모드 액정표시장치에서 전경선 발생 여부를 도시한 도면이고, 도 9는 본 발명에 따른 IPS 모드 액정표시장치에서 구동 전압 대비 투과율을 도시한 그래프이다. 도 9에서 비교를 위해 종래의 전극 각도에 따른 구동 전압 대비 투과율도 함께 도시한다.
도 7에 도시한 바와 같이, 액정 분자의 배열 방향, 즉, 러빙 방향을 데이터 배선(도 5의 130)과 평행하게 하고, 화소 전극(PXL)과 공통 전극(COM)을 러빙 방향과 0도를 이루도록 한다. 여기서, 액정층 내에는 액정 분자의 꼬임각을 제어하는 카이럴 도펀트가 첨가되어 있다.
도시한 바와 같이, 화소 및 공통 전극과 액정 분자가 0도를 이루더라도 전경선이 발생하지 않는 것을 알 수 있다. 또한, 카이럴 도펀트를 첨가하지 않은 경우와 비교하여 구동 전압이 낮아지며 투과율 특성이 개선되는 것을 알 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 이상 다양한 변화와 변형이 가능하다.
110: 제1기판 114: 게이트 전극
118: 공통 전극 120: 게이트 절연막
122: 액티브층 124: 오믹콘택층
126: 소스 전극 128: 드레인 전극
132: 보호층 132a: 콘택홀
134a, 134b, 134c:화소 전극 136: 제1배향막
150: 제2기판 152: 블랙매트릭스
154: 컬러필터층 156: 오버코트층
158: 제2배향막 170: 액정층
174: 카이럴 도펀트

Claims (6)

  1. 이격되어 마주 대하는 제1 및 제2기판과;
    상기 제1기판 내면에 형성된 제1방향의 게이트 배선과;
    상기 게이트 배선과 교차하여 화소 영역을 정의하는 데이터 배선;
    상기 게이트 배선 및 데이터 배선에 연결된 박막 트랜지스터;
    상기 화소 영역에 형성되고, 상기 박막 트랜지스터와 연결되는 화소 전극;
    상기 화소 영역에서 상기 화소 전극과 엇갈리게 배치된 공통 전극;
    상기 제1 및 제2기판 사이에 위치하고 카이럴 도펀트가 첨가된 액정층
    을 포함하며,
    상기 화소 전극 및 상기 공통 전극은 상기 액정층의 러빙 방향과 15도 이하의 각을 이루고, 상기 액정층의 러빙 방향은 상기 데이터 배선 또는 상기 게이트 배선과 평행하며,
    상기 화소 전극 및 공통 전극이 상기 액정층의 러빙 방향과 이루는 각이 작아질수록 상기 액정층의 피치는 작아지는 수평전계 구동방식 액정표시장치.


  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 카이럴 도펀트의 함량은 상기 액정층 대비 0.09% 내지 0.3%인 수평전계 구동방식 액정표시장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 액정층의 피치는 ±10㎛ 내지 ±100㎛인 수평전계 구동방식 액정표시장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 액정층의 피치는 ±10㎛이고, 상기 화소 전극 및 상기 공통 전극은 상기 액정층의 러빙 방향과 0도를 이루는 수평전계 구동방식 액정표시장치.
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