KR19990079365A - 다중구역 수직배향 액정표시소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광시야 수직배향(vertical align) 액정표시소자에 관한 것이다. 종래에는 다중구역 수직배향 액정표시소자를 만들기 위하여 SE(Surrounding Electrode)법, 돌기(protrusion)법과 러빙법등을 썼는데, SE법은 투과율이, 돌기법은 재료비용이, 러빙 법은 생산성이 떨어졌다.

본 발명은 한쪽 기판만 러빙하고, 대향하는 기판은 투명전도막을 식각하여 슬릿패턴(slit pattern)을 두어 슬릿패턴 주위에 유도되는 측면전기장(lateral field)으로 액정분자의 방위각을 제어하는 다중구역(multi domain) 수직배향(vertical align)액정표시소자를 실현하였다. 한 화소를 두 개 이상의 구역으로 나누고, 각각의 구역에서는 단축의 폭이 2∼8㎛인 슬릿패턴을 여러개 두고, 구역마다 슬릿패턴의 장축을 서로 다르게 두어 액정분자의 트위스트각을 다르게 하였다.

Description

다중구역 수직배향 액정표시소자

본발명은 한쪽 기판만 러빙하고, 대향하는 기판은 투명도전막을 식각하여 슬릿패턴(slit pattern)(9)을 두어 슬릿패턴 주위에 유도되는 측면전기장(lateral field)으로 액정분자의 방위각을 제어하는 다중구역(multi domain) 수직배향(vertical align) 액정표시소자에 관한 것이다.

수직배향 액정표시소자(vertical aligned LCD)는 음의 액정을 주입하는데, 전압이 걸리지 않았을 때는 액정분자의 장축이 배향막 평면에 수직배열하고, 문턱치 이상의 전압이 걸리면 액정분자의 장축이 배향막 평면으로 눕는다. 수직배향 액정표시소자는 부의 위상차판을 부치면 시야각을 크게할 수 있다.

단일구역 수직배향 액정표시소자(single domain vertical aligned LCD) 편광판의 투과축과 45°이루는 방위각에서 계조반전이 크다. 따라서 광시야각을 실현하려면 다중구역(multi-domain)을 갖는 구조로 액정셀을 만들어야한다. 수직배향 액정표시소자에서 다중구역을 만드는 종래의 방법으로는 SE(Surrounding Electrode)법, 돌기(protrusion)법과 러빙(rubbing)법이 있다.

제1도는 일본의 산요(Sanyo)사에서 1995년에 발표한 SE법을 적용한 TFT LCD의 단면도이다.

TFT 유리기판(1)과 공통전극 유리기판(2)에 수직배향막(3,3')을 입히고, 유전이방성이 음인 액정(4)을 주입하면, 액정층에 전압이 걸리지 않는 상태에서는 액정분자배열은 수직배향이 되고, 문턱치 이상의 전압을 걸어주면 화소전극(11)과 공통전극(10)의 가운데 식각된 슬릿패턴(9) 사이에 측면전기장이 걸리고, 액정분자의 장축이 측면전기장 수직방향으로 눕는다. 제1도에서 액정층에 그린 곡선들은 전기장용 나타낸 것이다.

슬릿패턴 가운데 부분을 경계로 액정분자의 눕는 방향이 달라진다. 따라서 슬릿패턴 가운데는 액정분자가 눕지 않는 디스인크리네이션 선(disinclination line)이 생긴다. 제1도에서 보전용량 공통전극(12,12')과 화소전극(11) 사이에 생기는 측면전기장은 화소전극과 슬릿패턴 사이에 생기는 전기장과 나란하여, 화소전극 모서리에서 액정분자의 눕는 방향을 제어한다.

제1도에서 TFT는 탑게이트(top gate) 방식으로, 비정질실리콘(a-Si)막(18)에 들어오는 빛을 차단하는 빛가림 금속막(16)과, 소스전극(15), 드레인전극(14), 게이트전극(17)이 있다. 공통전극 유리기판(2)에는 액정분자 배열을 제어할수 없는 부분에는 블랙매트릭스(6)가, 빛이 투과하는 화소영역에는 칼라필터층(5)이 있다.

제2도는 제1도의 전극의 평면도로 공통전극의 슬릿패턴(9)을 X자 모양으로 만들어 화소를 4분할하여 다중구역(multi domain)을 실현하였다. 화소전극(11)에는 슬릿패턴이 없고 공통전극을 X자모양으로 식각하여 슬릿패턴을 만든 것이다.

수직배향 액정표시소자는 편광판과 검광판의 투과축을 서로 수직하게 두어, 전압이 걸리지 않았을 때의 화면이 어두운 상태가 된다(normally black). 재2도와 같이 여러 구역으로 두면, 액정분자의 장축이 편광판의 투과축과 나란한 부분은 빚이 투과되는 양이 적어 최면이 어둡다. 또한 슬릿패턴 폭이 작으면 측면전기장이 약해 문턱치 이상의 전압이 걸렸을 때 액정분자의 눕는 방향이 늦게 결정되어 응답특성이 떨어지고, 슬릿패턴의 폭이 크면 디스인크리네이션 선의 영역이 커져 투과율이 낮다.

LCD기판 위아래 돌기(30)를 만들고, 수직배향막(3, 3')을 코팅하면 액정분자는 제3도와 같이 돌기면과 유리기판의 각각의 면에서 수직배열된다. 액정층에 문턱치 이하의 전압이 걸리면 돌기(30)의 경사면의 영향으로 액정셀의 평균 틸트각은 89°정도이고, 제3도의 위 도면과 같이 돌기 꼭지점에서 디스인크리네이션 선이 없이 액정분자의 방향이 연속적으로 변한다. 문턱치 이상의 전압이 걸리면 돌기 경사면 수직방향용 방위각으로 액정분자가 눕는다. 돌기의 꼭지점 부근에서 디스크리네이션 선(31)이 생긴다. 돌기에서부터 액정분자가 눕기 시작하여 액정분자 운동이 액정셀 안으로 전달되어 액정분자가 외부전압에 반응하므로 응답특성이 약간 떨어진다.

돌기와 돌기사이의 인접 영역에서 액정분자의 방위각이 달라 다중구역(multi domain)이 된다. 돌기의 배치에 따라서 2∼4 다중구역을 만들 수 있다. 다중구역으로 수직배향 액정표시소자를 만들면 시야각은 넓어지지만 구역과 구역 사이의 디스인크리네이션 선이 차지하는 면적이 커지기 때문에 광투과율은 떨어진다. 돌기를 만드는 법은 2∼3㎛ 두께로 유기절연막을 코팅한 다음, 포토레지스터를 입히고 선택노광한 다음, 수직과 수평방향으로의 식각비(etching ratio)를 조절하여 만드는데, 에칭액의 공정조건이 조금만 바뀌어도 경사각의 차이가 많이 나고, 균일한 두께를 내려면 스핀코팅을 해야하므로 유기절연막의 공정손실로 재료비가 많이 든다. 또한 돌기를 만든 다음 수직배향막을 입히므로, 수직배향막의 단차와, 유기절연막이 화소에 남아 흑점불량(pixel defect)의 확률이 크다.

화소의 수직배향막을 여러 구역으로 나누어, 다른 구역을 러빙할 때 포토레지스터로 보호하여, 러빙방향을 구역마다 달리하여 다중구역(multi domain)을 실현하는 방법이 있다. 제4도의 왼쪽 도면은 평행배향할 때의 러빙방향이, 오른쪽에는 트위스트구조일때의 러빙방향이 나와있다. 러빙으로 다중구역(multi domain)을 실현하는 방법은 포토레지스터를 반복하여 입히므로 수직배향막이 오염되기 쉽고, 세정 조건이 까다로와 생산성이 떨어진다.

종래의 수직배향 다중구역법 중 SE법은 투과율이 낮고 응답이 느린 문제가, 돌기법은 투과율이 낮고 재료비 많이 소요되는 문제가, 러빙법은 생산성과 포토레지스터를 입히거나 식각하는 공정의 불안정성의 문제가 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 유리기판 하나는 러빙처리하고, 대향하는 다른 기판에는 폭이 2∼8㎛인 슬릿패턴들의 장축방향을 달리하여, 디스인크리네이션(disinclination) 선이 차지하는 면적을 최소로 줄이고, 공정을 단순화한 다중도메인을 실현하였다.

제5도는 본발명의 수직배향 TFT 액정표시소자의 전극의 단면도이다. 제5도에서는 화소전극(11)의 슬릿패턴의 장축방향과 예각이 되도록, TFT 유리기판에 대향되는 공통전극을 주사선과 나란하게 러빙하였다. 제5도에서 TFT 구조는 바톰게이트(bottom gate) 방식이다. 게이트전극(17)은 주사선(7)에, 소스전극(17)은 신호선에, 드레인전극(14)은 화소전극(11)에 각각 연결되어있다.

화소전극의 두 구역은 보전용량공통전극(12)를 사이에 두고 분리되어있다. 구역과 구역 사이에서는 액정분자 배열을 조절할 수 없으므로, 빛이 투과되지 않는 전극을 구역과 구역 사이에 두면 개구율을 크게할 수있다. 투명도전막이 식각된 슬릿패턴의 단축방향으로의 폭을 d2, 투명도전막이 남아있는 부분의 단축방향의 폭을 d1으로 표기하였다. 유리기판의 공통전극과 화소전극의 전압이 다르면, 슬릿패턴의 단축 방향으로 측면전기장이 생긴다. 제6도는 슬릿패턴의 장축방향과 공통전극 유리기판의 러빙방향이 나와 있다.

측면전기장이 생기는 이유는 슬릿패턴의 장축이 매우 긴 경우를 가정하면 간단히 알 수 있다. 투명도전막이 남아있는 부분은 등전위가 되므로 슬릿패턴의 장축방향으로 등전위 곡선등이 형성된다. 등전위 곡선의 수직방향으로 전기장이 형성되므로 측면전기장이 생긴다. 등전위 곡선은 화소전극의 상하방향(액정셀 두께 방향)으로도 생기므로 상하방향의 전기장 성분도 생긴다.

상하방향의 전기장은 슬릿패턴의 가운데를 중심으로 미러대칭(mirror symmetry)이다. 상하 방향으로의 전기장이 세면, 문턱치 이상의 전압이 걸렸을 때, TFT 유리기판에서 슬릿패턴의 가운데를 중심으로 디스인크리네이션 선이 생긴다. 투명도전막 d1의 폭이 작을수록, 액정셀의 두께가 얇을수록, 슬릿패턴의 폭 d2가 클수록 상하방향의 전기장이 커진다.

화소전극과 공통전극 사이에 문턱치 이상의 전압이 걸리면, 공통전극 유리기판에서의 러빙방향이 액정분자의 방위각이 되고, 선경사각은 수직배향막의 재료와 러빙강도와 러빙천의 파일뎁쓰(File depth)에 따라 달라진다. 화소전극과 공통전극 사이에 문턱치 이상의 전압이 걸리면, TFT 유리기판에서의 액정분자의 방위각은 슬릿패턴의 장축방향이 되고, 선경사각(pretilt angle)은 슬릿패턴의 한 가운데는 90°이고 가운데를 중심으로 양쪽은 (90°- Δ θ)와 (90°+ Δ θ)가 된다. 여기에서 Δ θ는 아주 작은 각을 의미한다.

액정은 1∼3㎛ 내에서는 연속 탄성체와 같이 주위의 배열의 영향을 받으므로 슬릿패턴의 단축방향의 폭이2∼6㎛ 사이에는 디스인크리네이션 선이 없이 선경사각이 연속적으로 변한다. 따라서 슬릿패턴에서 액정분자의 선경사각의 평균은 90°이므로, 액정분자의 눕는 방향은 공통전극 유리기판의 러빙방향과 슬릿패턴의 장축방향인데, 슬릿패턴의 장축방향은 양방향성이므로, 이 중 한 방향을 선정해 눕는다.

슬릿패턴의 양방향을 모두 고려해보면, 하나는 트위스트각이 90°이내이고 다른 하나는 90°보다 큰 각이 된다. 하나가 시계방향으로 돌면, 다른 하나는 반시계방향으로 돈다. 탄성 에너지가 낮은 쪽인 트위스트각이 90°이내인 부분으로 트위스트될 확율이 높다. 공통전극 유리기판에서 선경사각이 낮을수록 슬릿패턴의 폭이 커도 디스인크리네이션 선이 없이 한 구역에서 단일배향이 된다.

시뮬레이션 결과 공통전극 유리기판의 선경사각이 85°인 경우는 슬릿폭이 4㎛까지 디스인크리네이션이 없지만, 선경사각이 89.5°인 경우에는 슬릿폭이 4㎛까지 디스인크리네이션 선이 생기지 않았다. 또한 슬릿의 장축이 러빙방향에 90°가까이 될 수 록, 공통전극의 유리기판의 선경사각이 작아야 역트위스트가 생기지 않는다. 제5도와같은 전극구조에서 위구역에서는 오른손방향으로, 아래구역은 왼손방향으로 트위스트 되어있다. 제7도는 슬릿패턴의 장축을 러빙방향에 70°로 만들었을 때의 액정층에 걸어주는 전압에 따른 액정분자의 배열을 나타낸다. 가로축은 액정셀의 두께를 규격화 한 것으로, 공통전극 유리기판의 배향막이 0이고, 액정셀 한 가운데가 0.5이고, TFT 유리기판의 배향막은 1.0이다. 액정층에 걸리는 전압이 클수록 액정층 가운데에서 틸트각이 낮아지는 것을 알 수 있다. 제7도의 아래 도면은 트위스트 각을 나타낸 것으로, 3V 이상이 걸리면 트위스트 각은 거의 변하지 않음을 알 수 있다.

본발명의 다중구역 수직배향 액정표시소자는 편광판과 검광판의 투과축이 서로 수직이고, 편광판 또는 검광판의 투과축이 러빙방향과 같아야 투과율을 최대로 높일 수 있다. 제8도는 위에서처럼 편광판의 조건을 고정하고 슬릿패턴의 장축방향을 달리하면서 계산한 투과율을 나타낸다. 슬릿패턴의 장축이 70°되어야 되어야 투과율이 80% 정도임을 알 수 있다. 슬릿패턴의 장축이 80°정도가 되면 거의 포화됨을 알수 있다. 슬릿패턴이 90°가까이되면 투과율은 높아지나 역트위스트 가능성이 높아지기 때문에 슬릿패턴을 80°정도 두는게 좋다. 투과율을 70% 이상 유지하려면 슬릿패턴의 장축의 방향을 65∼80° 정도로 둔다.

따라서 슬릿패턴의 장축이 서로 이루는 각을130∼160°로 두고, 슬릿패턴의 장축과 예각을 이루는 방향으로 러빙하면 투과율도 우수하고, 배향도 안정된 다중구역 수직배향액정표시소자를 만들 수 있다.

유리기판을 바꾸어 공통전극 유리기판에 슬릿패턴을 만들고, TFT 유리기판을 러빙하여 수직배향 다중구역 액정표시소자를 만들 수 있다. 이 경우에는 공통전극(10)을 식각하는데 포토마스크가 한 장 더 필요하다.

투과율이 최대가 되는 조건은 제7도의 아래 도면으로부터 정성적으로 구할 수 있다. 밝게 구동하는 전압이 걸였을 때의 액정층의 트위스트각은 거의 일정함을 알수 있다. 액정셀의 위상이 180°되면 투과율이 최대가 된다. 최대로 밝게 구동하는 전압이 걸리더라도 액정은 완전히 눕지 않으므로 파장 550nm에서의 액정의 굴절율 이방성( Δ n)과 액정층 두께(d)의 곱이 0.275㎛보다 크고 액정셀용 만들어야한다. 투과율을 90% 이상되게하려면 위상이 150°에서 210°가 되게 액정셀을 만들면 된다. 이 액정셀의 Δ nd로 바꾸어보면 2.3㎛와 3.2㎛의 사이값이다.

수직배향 액정표시소자의 광시야각을 이루기 위한 위상차판의 규격은 매우 간단하다. 제9도는 수직배향 액정분자의 방향에 따른 굴절율 이방성의 변화와 위상판의 조건을 보여준다. 액정분자는 빛의 진행방향이 경사질수록(θ) z축 방향으로의 굴절율이 커지지만, 원판상 액정으로 만든 위상판은 반대로 굴절율이 작아져, 원판상 액정으로 만든 위상판을 수직배향 액정셀에 붙이면 시야각을 크게할 수 있다.

제9도에서 액정의 굴절율은 n_Z> n_X= n_Y이고, 위상판의 굴절율 조건은 n_Z< n_X= n_Y이다. 명암대비율 10을 기준으로 상하좌우 120도 이상의 시야각을 갖으려면, 위상판의 수평방향으로 진동하는 빛의 평균굴절율과 수직방향으로 진동하는 빛의 굴절율 차이 와 위상차판의 두께의 곱이, 액정의 굴절율 이방성( Δ n)과 액정층 두께(d)의 곱의 0.8배에서 1.2배 사이에 있어야 한다.

시야각이 가장 넓은 경우는 액정셀과 위상판의 Δ nd가 같을 경우이다.

제10도는 두 개의 다중구역을 갖는 수직배향 액정표시소자의 방향에 따른 전기광학투과곡선을 컴퓨터 시뮬레이션한 결과이다. 액정셀의 두께는 약 4.7㎛이고, 액정층의 Δ nd와 같은 부의 위상차판을 붙여 시뮬레이션하였다. 제10도에서 액정분자가 눕는 방향을 방위각의 기준으로 삼았고, 위도각은 LCD화면에 수직방향을 기준으로하였다. 방위각은 각각 10°,30°,50°,60°,70°이다. 콘트라스트 비가 10이상인 영역이 좌우상하 모두 120°이상이고, 휘도반전이 없는 영역은 좌우상하 모두 100°이상이다.

본발명은 한쪽 기판은 한번 러빙하고, 다른 기판은 슬릿패턴의 장축방향을 다르게 두어 유도되는 측면전기장 방향을 달리하여 다중도메인을 실현하였다. 본발명은 추가 공정이 없으므로 수용과 생산성을 높일 수 있다. 본발명의 다중구역수직배향 액정표시소자는 반응시간이 빠르고 광시야각이 되므로, 멀티미디어용 대형 모니터의 화면소자로 적합하다.

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제1도 SE법을 쓴 수직배향 TFT 액정표시소자의 단면도

제2도 제1도의 전극의 평면도

제3도 돌기를 이용한 수직배향 액정표시소자의 단면도

제4도 다중구역 러빙방향

제5도 본 발명의 수직배향 TFT 액정표시소자의 전극의 단면도

제6도 본 발명의 액정분자 트위스트 배향 결정방법

제7도 본 발명의 수직배향 액정셀의 액정분자 배향분포

제8도 액정분자의 트위스트에 따른 광투과율의 변화

제9도 원판상 액정의 위상판으로 시각 방향에 따른 수직배향 액정셀의 위상보상

제10도 본 발명의 두 구역 수직배향 액정표시소자의 시각에 따른 전기광학투과곡선

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 TFT 유리기판 2 공통전극 유리기판 3,3' 수직배향막

4 음의 액정 5 칼라필터 6 블랙매트릭스

7 주사선 8 신호선 9 슬릿패턴(slit pattern)

10 공통전극 11 화소전극 12.12' 보전용량 공통전극

13 빛가림 금속막 14 드레인전극 15 소스전극

16 게이트절연막 17 게이트전극 18 a-Si

30 돌기 31 디스인크리네이션 선 (disinclination line)

32 원판상 액정 50 액정분자의 수직 운동 방향

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Claims (6)

1. TFT 기판과 공통전극 기판에 수직배향막이 입혀져있고, TFT 기판과공통전극기판 사이에는 유전이방성( Δ ε)이 음인 액정이 주입되어있고,TFT 기판과 공통전극 기판의 배향막중 하나는 러빙되어있고, 러빙이 안된 다른 기판에는 한 화소를 두 개 이상의 구역으로 나누고, 동일구역에서의 방향은 같고 단축의 폭이 2∼8㎛인 슬릿패턴들이 놓여있고같은, 구역마다 슬릿패턴의 방향이 다르고, 액정층에 문턱치 이상의 전압이 걸리면 배향막의 러빙방향과 구역마다 다른 슬릿패턴의 측면전 기장으로 다중도메인이 되는 액정표시소자.

2. 제1항에 있어서 구역이 두 개이고, 두 구역의 슬릿패턴이 이루는 각이 130°보다 크고 170°보다 작은 액정표시소자.

3. 제1항에 있어서 보전전기용량의 공통전극이 두 구역의 경계면을 지나는 TFT 액정표시소자.

4. 제1항에 있어서 파장 550nm에서의 액정의 굴절율 이방성( Δ n)과 액정층 두께(d)의 곱이 0.23㎛보다 크고 0.32㎛보다 작은 액정표시소자

5. 제1항에 있어서 부의 위상차판이 붙어있고, 수평방향으로 진동하는 빛의 굴절율과 수직방향으로 진동하는 빛의 굴절율 차이 와 위상차판의 두께의 곱이, 액정의 굴절율 이방성( Δ n)과 액정층 두께(d)의 곱의 0.8배에서 1.2배사이에 있는 액정표시소자.

6. 제1항에 있어서 러빙된 수직배향막의 선경사각이 85°크고 89.5°보다 작은 액정표시소자