KR19990079743A - 수직배향 액정표시소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직배향(vertical align) 액정표시소자에 관한 것이다. 종래에는 다중구역 수직배향 액정표시소자를 만들기 위하여 SE(Surrounding Electro de)법, 돌기(protrusion)법과 러빙법등을 썼는데, SE법은 주변배선과의 측면전기장으로, 돌기법은 돌기의 경사면의 균일성으로, 러빙법은 배향막 오염등으로, 액정층에 문턱치 이상의 전압이 걸렸을 때, 액정분자 배향이 불안정하였다.

본 발명은 투명도전막을 식각하여 폭이 2∼6㎛ 정도로 액정배향도움패턴(23)을 만들어, 액정배향도움패턴에 유도되는 측면전기장(lateral field)을 이용하여 수직배향 액정배열의 신뢰성을 높였다.

Description

수직배향 액정표시소자

본 발명은 화소전극(11)과 공통전극(10)의 일부를 직사각형 모양으로 식각하여 액정배향도움패턴(23)을 만들어, 액정배향도움패턴에 유도되는 측면 전기장을 이용하여, 문턱치 이상의 전압이 걸렸을 때의 유전율 이방성이 음인 액정분자(4)의 눕는 방향을 일정하게 하여 수직배향 액정표시소자의 배향의 신뢰성을 높였다.

본 발명은 수직배향 액정표시소자의 전극패턴에 관한 것이다. 수직배향 액정표시소자(vertical aligned LCD)는 유전율 이방성이 음인 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 크게 할 수있다.

그러나 단일구역 수직배향 액정표시소자(single domain vertical aligned LCD)는 편광판의 투과축과 45°를 이루는 방위각에서 계조반전이 크다. 따라서 광시야각을 실현하려면 분할화소(21,22)가 여러개 모여 한화소를 이루는 다중구역(multi-domain) 구조이어야한다.

수직배향 액정표시소자에서 다중구역을 만드는 방법으로는 (Surrounding Electrode)법, 돌기(protrusion)법과 러빙(rubbing)법이 있다.

[도 1] 은 일본의 산요(Sanyo)사에서 발표한 SE법을 적용한 TFT 액정표시소자의 단면도이다. 하유리기판(1)과 상유리기판(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 파선들은 전기장 방향을 나타낸 것이다. 슬릿패턴 가운데 부분을 경계로 액정분자의 눕는 방향이 달라진다. 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, 비정질 실리콘(a-Si)막(18)에 들어오는 빛을 차단하는 빛가림 금속막(16)과, 소스전극(15), 드레인전극(14), 게이트전극(17)이 있다.

[도 2]는 [도 1]의 전극의 평면도로 공통전극의 슬릿패턴(9)을 X자 모양으로 만들어 화소를 4분할하여 다중구역(multi domain)을 실현하였다. 화소전극(11)에는 슬릿패턴이 없고 공통전극(10)을 X자모양으로 식각하여 슬릿패턴을 만든 것이다.

유리기판에 돌기(30)를 만들고, 수직배향막(3,3')을 코팅하면 액정분자는[도 3] 과 같이 돌기면과 유리기판의 각각의 면에서 수직배열된다. 액정층에 문턱치 이하의 전압이 걸리면 돌기(30)의 경사면의 영향으로 액정셀의 평균 틸트각은 89°정도이고, [도 3] 의 위 도면과 같이 돌기 꼭지점에서 디스인크리네이션 선이 없이 액정분자의 방향이 연속적으로 변한다. 문턱치 이상의 전압이 걸리면 돌기 경사면 수직방향을 방위각으로 액정분자가 눕는다.

돌기의 꼭지점 부근에서는 [도 3] 의 아래 도면과 같이 디스크리네이션 선(31)이 생긴다. 돌기와 돌기 사이의 인접 영역에서 액정분자의 방위각이 달라 다중구역(multi domain)이 된다. 돌기의 배치에 따라서 2∼4 다중구역을 만들 수 있다. [도 4] 는 돌기를 이용하여 4분할화소를 만든 예이다. 돌기의 평균경사면의 수직방향이 3시, 6시, 9시, 12시므로 각각의 분할화소에서 문턱치 이상의 전압이 걸렸을 때 액정분자는 화살표 방향으로 눕는다. [도 4] 의 왼쪽 그림은 화소의 평면도이고, 화소를 Al3 방향으로 절단한 단면이 [도 4] 의 오른쪽도면에 나와있다.

돌기를 만드는 법은 2∼3μm 두께로 유기절연막을 코팅한 다음, 포토레지스터를 입히고 선택노광한 다음, 수직과 수평방향으로의 식각비(etching ratio)를 조절하여 만든다.

화소의 수직배향막을 여러 구역으로 나누어, 다른 구역을 러빙할 때 포토레지스터로 보호하여, 러빙방향을 구역마다 달리하여 다중구역(multi domain)을 실현하는 방법이 있다.

[도 5] 는 평행배향할 때의 러빙방향이, [도 6] 은 트위스트 구조인때의 러빙방향이 나와있다. [도 5] 와 [도 6] 에는 상하기판의 분할화소(21, 22)의 러빙방향은 좌우 합착을 기준으로 나타내었다. 분할화소(21, 22)의 경계와 화소와 주위배선의 경계면에서는 액정분자배열을 제어할수 없으므로 빛을 차단하는 BM(Black Matrix)(24)를 둔다.

수직배향막(3,3')에서 유전율 이방성이 음인 액정과 배향막과의 표면에너지(surface anchoring energy)가 작아 문턱치 이상의 전압이 걸렸을 때 액정분자의 운동은 배선의 영향을 받는등 불안정하다. SE법은 주변의 배선들의 전압분포 때문에 생기는 측면전기장으로 액정분자의 눕는 방향이 일정치않아 광투과율이 떨어지고, 또한 액정공정에서 상하유리기판의 배향막이 조금이라도 흠집이 나면, 흠집방향으로 액정분자가 눕게되어 배향불량이 생긴다.

돌기법에서 돌기는 보통 유기절연막을 2∼3㎛ 두께로 스핀코팅(spin coating)한 다음, 포토레지스터를 입히고 선택노광하여, 수직과 수평방향으로의 식각비(etching ratio)를 조절하여 만드는데, 에칭액의 공정조건이 조금만 바뀌어도 경사각의 차이가 많이 나고, 돌기가 식각액에 일부 벗겨져 나가면 액정분자배열이 균일하지 않아 화소불량이 생긴다.

러빙법은 포토레지스터를 반복하여 입히므로 수직배향막이 오염되기 쉬워 액정분자배열을 제어하기 힘들다.

본 발명은 추가공정 없이 전극구조를 변경하여 수직배향 액정표시소자의 배향안정성을 높인다.

[도 1] SE법을 쓴 수직배향 TFT 액정표시소자의 단면도

[도 2] 제1도의 전극의 평면도

[도 3] 돌기를 이용한 2분할 수직배향 액정표시소자의 단면도

[도 4] 돌기를 이용한 4분할 수직배향 액정표시소자의 평면도

[도 5] 2분할 수직배향 액정표시소자의 러빙 예

[도 6] 2분할 수직배향 액정표시소자의 러빙 예

[도 7] 본 발명의 SE법의 수직배향 TFT 액정표시소자의 공통전극의 평면도

[도 8] 본 발명의 돌기법의 수직배향 액정표시 소자의 단면도

[도 9] 본 발명의 돌기를 이용한 4분할 수직배향 액정표시소자의 평면도

[도 10] 본 발명의 러빙법을 이용한 2분할 수직배향 액정표시소자의 전극 단면도

[도 11] 본 발명의 러빙법을 이용한 2분할 수직배향 액정표시소자의 전극 단면도

[도 12] 본 발명의 액정배향도움패턴

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 하유리기판 2 상유리기판 3, 3' 수직배향막

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

21, 22 분할화소 23 액정배향도움패턴 24 BM(Black Matrix)

30 돌기

본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 공통전극(10) 또는 화소전극(11)에 폭이 2∼6㎛인 액정배향도움패턴(23)을 두어, 측면전기창을 음의 액정의 단축방향으로 유도하여 액정배향 안정성을 높였다.

[도 12] 는 투명도전막이 식각된 액정배향도움패턴의 폭을 w, 투명도전막이 남아 있는 부분의 단축방향의 폭을 d으로 표기하였다. 유리기판의 공통전극과 화소전극의 전압이 다르면, 액정배향도움패턴의 단축 방향으로 측면전기장이 생긴다. 측면전기장이 생기는 이유는 식각한 패턴의 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, 유리기판에서 액정배향패턴의 가운데를 중심으로 디스인크리네이션 선이 생기다. 남아있는 투명도전막 폭(d)이 작을수록, 액정셀의 두께가 얇을수록, 액정배향도움패턴의 폭(w)이 클수록 상하방향의 전기장이 커진다. 투명도전막의 폭(d)을 액정배향도움패턴의 폭(w)보다 크게 하여 지나치게 수직전기장이 생기는 것을 막아야 균일한 배향이 된다.

액정은 1∼6μm 내에서는 연속 탄성체와 같이 주위의 배열의 영향을 받으므로 액정배향도움패턴의 단축방향의 폭이 2∼6㎛ 사이에는 디스인크리네이션 선이 없이 선경사각이 연속적으로 변한다.

디스인크리네이션 선이 안생기는 액정배향도움패턴의 단축방향의 폭은 유리기판에서의 선경사각에 따라 달라지는데, 수직배향막 표면에서 선경사각이 89.5° 경우는 액정배향도움패턴의 폭이 10㎛까지 디스인크리네이션이 없지만, 선경사각이 89.5°인 경우에는 액정배향도움패턴의 폭이 6㎛까지 디스인크리네이션 선이 생기지 않았다.

[도 7] 은 본 발명을 적용한 SE법의 수직배향 TFT 액정표시소자의 공통전극(10)의 평면도이다. 슬릿패턴과(9)과 나란하게 액정 배향도움패턴(23)이 만들어져있다.

본 발명의 하유리기판의 구조와 기타 배선은 종래의 [도 1] 과 [도 2] 와 같다. 슬릿패턴(9)의 폭은 12∼20㎛로 해야 충분한 측면전기장이 유도된다. 액정배향도움패턴은 슬릿패턴 때문에 생기는 측면전기장을 보강하여, 액정층에 문턱치 이상의 전압이 걸렸을 때도 액정분자배향이 안정하다.

[도 8] 은 본 발명의 돌기를 이용한 수직배향 액정표시 소자의 단면도이다. 음의 액정이 눕는 방향으로 액정배향도움패턴(23)의 장축이 화소전극과 공통전극에 형성되어있다. [도 9] 는 본 발명의 돌기를 이용한 4분할 수직배향 액정표시소자의 전극의 평면도로 음의 액정이 눕는 방향으로 액정배향도움패턴의 장축이 형성되어있다. [도 9] 의 오른쪽 도면은 AB절단면의 단면도이다. 액정분자가 눕는 방향으로 액정배향도움패턴의 장축이 형성되어있다.

[도 10] 은 본 발명의 러빙법을 이용한 2분할 수직배향 액정표시소자의 전극 단면도로 러빙방향에 수직으로 액정배향도움패턴의 장축이 형성되어있다. 문턱치보다 큰 전압이 걸렸을 때의 액정분자배열은 수평배향이다.

[도 11] 은 본발병의 러빙법을 이용한 2분할 수직배향 액정표시소자의 전극단면도로 러빙방향에 수직으로 액정배향도움패턴의 장축이 형성되어있다. 문턱치보다 큰 전압이 걸렸을 때의 액정분자배열은 트위스트배향이다. 액정이 눕는 방향에 수직으로 액정배향도움패턴의 장축이 형성되어있어 측면전기장을 유도하여 배향의 안정성이 증가된다.

액정배향도움패턴은 상하유리기판(1,2) 가운데 한 곳에만 만들어도 된다.하유리기판의 화소전극은 반드시 노광마스크를 써야하므로, 화소전극에 액정배향도움패턴을 만들면 추가 노광 비용이 들어가지 않는다.

본 발명은 액정에 문턱치 이상의 전압이 걸렸을 때, 액정배향도움패턴(23)에 측면전기장이 유도되어, 이 측면전기장이 액정분자의 눕는 방향을 일정하게하여 액정분자배열의 신뢰성을 높였다. 화소에 부분적으로 수직배향막이 손상되거나, 음의 액정의 배열을 유도하는 러빙이나 슬릿패턴과 돌기가 제역할을 하지 못할 때 액정배향도움패턴의 측면전기장이 액정분자배열을 유도하여 화소불량을 줄인다.

Claims (4)

1. 상유리기판(1)과 하유리기판(2)에 수직배향막(3, 3')이 입혀져있고, 두 수직배향막(3,3') 사이에 유전이방성(Δε)이 음인 액정이 주입되어있고, 공통전극(10)의 슬릿패턴이나 수직배향막의 러빙이나 또는 돌기(30)의 경사면을 이용하여 액정층에 문턱치 이상이 걸렸을 때 액정분자의 눕는 방향을 정하고, 화소전극과 공통전극 가운데 최소한 한 곳에 액정배향도움패턴(23)이 있고, 액정배향도움패턴의 장축의 방향과 액정층에 문턱치 이상의 전압이 걸렸을 때 음의 액정의 장축이 눕는 방향이 나란한 수직배향 액정표시소자.
2. 제1항에 있어서 한 화소를 두 개 이상의 분할화소(21,22)로 나누어, 각각의 분할화소에서 액정배향도움패턴(23)의 장축방향이 다른 수직배향 액정표시소자.
3. 제1항에 있어서 액정배향도움패턴의 폭(w)이 식각되지 않는 부분의 전극의 폭(d)보다 작고, 액정배향도움패턴의 폭이 2∼6㎛인 수직배향액정표시소자.
4. 제1항에 있어서 액정배향도움패턴이 화소전극(10)에만 있는 수직배향액정표시소자.