KR20000002546A - 수직 배향 비틀린 네마틱 액정 표시 장치 - Google Patents

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Abstract

기판 위에 박막 트랜지스터를 형성하고, 그 위에 유기 재료를 코팅하고 패터닝하여 게이트선 및 데이터선의 상부를 덮는 제1 부분과 화소 영역 내부에 격자 모양으로 형성된 제2 부분으로 이루어진 보호막을 형성한다. 이 때, 보호막은 상대 유전율이 3 이하인 유기 재료를 이용하여 2μm 이상의 두께로 형성하고, 게이트선과 데이터선을 덮고 있는 보호막의 제1 부분은 게이트선 및 데이터선의 양쪽으로 2μm 이상 튀어나오도록 형성하며, 보호막의 경계 부분은 수평면과 30 - 45도의 각을 이루도록 한다. 여기서, 화소 전극은 게이트선 및 데이터선과 보호막을 사이에 두고 일부 중첩되도록 형성한다. 이와 같이 형성한 박막 트랜지스터 기판에 컬러 필터와 블랙 매트릭스, 공통 전극이 형성되어 있으며 공통 전극 위에 격자 모양의 돌기가 형성되어 있는 컬러 필터 기판을 보호막의 제2 부분의 격자 모양을 이루는 사각형의 중심에 돌기의 격자 모양의 교차점이 위치하도록 결합하고, 두 기판 사이에 음의 유전율 이방성을 갖는 액정 물질이 주입한다.

Description

수직 배향 비틀린 네마틱 액정 표시 장치
이 발명은 수직 배향 비틀린 네마틱 액정 표시 장치에 관한 것이다.
일반적으로 액정 표시 장치는 두 장의 기판 사이에 액정을 주입하고, 여기에 가하는 전장의 세기를 조절하여 광 투과량을 조절하는 구조로 되어 있다.
비틀린 네마틱(twisted-nematic ; TN) 방식의 액정 표시 장치는, 안쪽면에 투명 전극이 형성되어 있는 한 쌍의 투명 기판, 두 투명 기판 사이의 액정 물질, 각각의 투명 기판의 바깥면에 부착되어 빛을 편광시키는 두 장의 편광판으로 구성된다. 전기장을 인가하지 않은 상태에서는 두 기판 사이에 채워진 액정 분자들이 기판에 평행하며 일정한 피치(pitch)를 가지고 나선상으로 꼬여 있어 액정 분자의 장축의 방향이 연속적으로 변화되는 비틀린 구조를 가진다.
액정은 분자의 장축 방향과 단축 방향으로의 굴절률이 서로 다른 복굴절성을 갖는데, 이 복굴절성에 의해 액정 표시 장치를 보는 위치에 따라 빛이 느끼는 굴절률이 차이가 생기므로 선편광된 빛이 액정을 통과하면서 편광 상태가 바뀌는 비율에 차이가 생겨 정면에서 벗어난 위치에서 볼 때의 빛의 양과 색특성이 정면에서 볼 경우와는 달라진다. 따라서 비틀린 네마틱 구조를 갖는 액정 표시 장치는 시야각에 따라 대비비(contrast ratio)의 변화, 색상 전이(color shift), 계조 반전(gray inversion) 등의 현상이 발생한다.
이러한 문제를 해결하기 위해 화소를 이분할하거나 화소 단위별 러빙을 하여 시야각을 향상시킨 영역 분할 TN(DDTN;domain devided TN) LCD, 2분할 TN(TDTN;two domain TN) LCD 등이 보고되었으나, 1번의 러빙 공정이 추가되는 등 공정이 복잡하고, 어두운 상태의 휘도가 증가하여 대비비가 급격히 감소하는 문제점이 보고되고 있다.
한편, 기존의 TN-LCD와는 다른 음의 유전 이방성을 갖는 액정을 사용한 수직 배향 TN-LCD(VATN-LCD;vertically aligned TN-LCD)가 미국 특허 제3,914,022호에서 제안되었고, "Eurodisplay '93" pp.158 - 159"에서도 Takahashi 등에 의해 제안되었다.
수직 배향 액정 표시 장치에서 전기장이 인가되지 않은 상태의 액정 분자는 두 기판에 대하여 수직으로 배향되어 있으므로 노멀리 블랙 모드(normally black mode)에서 충분히 어두운 상태가 만들어지고 따라서 대비비는 좋아진다. 그러나, 수직 배향 액정 표시 장치에서도 시야각이 충분히 넓지 않다는 문제점이 있다.
본 발명의 과제는 VATN-LCD를 이용하여 단순한 공정으로 다중 영역 액정 표시 장치를 제조할 수 있는 새로운 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 기판의 평면도이고,
도 2는 도 1의 II - II'선을 따라 도시한 단면도이고,
도 3 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판을 제조하는 과정을 도시한 단면도이고,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치용 컬러 필터 기판의 평면도이고,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 단면도이다.
위와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 액정 표시 장치의 박막 트랜지스터 기판에 유기 절연막을 이용하여 보호막을 형성하고 보호막을 패터닝하여 다중 영역 수직 배향 액정 표시 장치를 형성한다.
여기서 보호막은 게이트선 및 데이터선의 상부를 덮는 제1 부분과 화소 영역 내부에 액정의 배향 분할을 목적으로 패터닝되어 형성된 제2 부분으로 이루어져 있으며, 보호막은 상대 유전율이 3 이하인 유기 재료를 이용하여 2μm 이상의 두께로 형성하는 것이 좋다. 또한, 보호막은 빛을 차단할 수 있는 재료를 사용하여 형성하여 패턴 주위의 빛샘을 차단할 수 있다.
게이트선과 데이터선을 덮고 있는 보호막의 제1 부분은 게이트선 및 데이터선의 양쪽으로 2μm 이상 튀어나오도록 형성하는 것이 바람직하며, 보호막의 제2 부분은 격자 모양으로 형성하는 것이 좋다. 한편, 보호막의 경계 부분은 수평면과 45도 이하의 각을 이루는 것이 좋다.
여기서, 화소 전극은 게이트선 및 데이터선과 보호막을 사이에 두고 일부 중첩되도록 형성할 수도 있으며, 보호막으로 빛을 차단할 수 있는 재료를 쓰는 대신 보호막 아래쪽에 보호막의 제2 부분과 중첩되도록 금속 패턴을 형성할 수도 있다.
위와 같이 형성한 박막 트랜지스터 기판에 컬러 필터와 블랙 매트릭스, 공통 전극이 형성되어 있으며 공통 전극 위에 격자 모양의 돌기가 형성되어 있는 컬러 필터 기판을 결합하여 본 발명에 따른 액정 표시 장치를 형성할 수 있다.
여기서 두 기판 사이에는 음의 유전율 이방성을 갖는 액정 물질이 주입되어 있을 수 있으며, 두 기판은 보호막의 제2 부분의 격자 모양을 이루는 사각형의 중심에 돌기의 격자 모양의 교차점이 위치하도록 결합되는 것이 바람직하다.
이렇게 하면, 보호막의 제2 부분과 돌기의 중심면을 기준으로 양쪽의 액정 분자가 서로 반대 방향으로 기울어지게 되어 액정 분자의 배열 방향이 다른 영역을 얻을 수 있게 되고, 이 영역의 광학적 특성이 서로 보상되어 넓은 시야각을 얻을 수 있다.
또한, 보호막을 상대 유전율이 낮은 재료를 이용하여 두껍게 형성함으로써 화소 전극이 데이터선이나 게이트선과 중첩되도록 형성할 수 있어 개구율을 높일 수 있으며, 보호막으로 투과도가 매우 낮은 물질을 사용하여 화소 전극 내에서 보호막이 남아 있는 부위의 액정 분자의 배향 불량으로 인한 빛샘을 방지할 수 있다.
이제 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 평면도가 도 1에 나타나 있다. 도 2는 도 1의 II - II'선을 따라 도시한 단면도이다.
도 1과 도 2에 나타난 바와 같이, 투명한 절연 기판(100) 위에 가로 방향으로 주사 신호를 전달하는 게이트선(20)이 형성되어 있고, 게이트선(20)과 평행하게 공통 신호를 전달받아 유지 용량을 형성하는 유지 전극선(10)이 형성되어 있다. 게이트선(20)의 일부는 게이트 전극이 된다. 게이트선(20)과 유지 전극선(10) 위에는 질화 규소 등으로 이루어진 게이트 절연막(30)이 덮여 있다. 게이트 전극에 해당하는 게이트선(20)의 일부 위의 게이트 절연막(30) 위에는 비정질 규소 등으로 이루어진 박막 트랜지스터의 채널층(40)이 형성되어 있다. 채널층(40) 위에는 게이트선(20)을 중심으로 양쪽으로 나뉘어져 있으며 도핑된 비정질 규소 등으로 이루어진 저항 접촉층(51, 52)이 형성되어 있으며, 그 위에는 소스 전극(61)과 드레인 전극(62)이 각각 형성되어 있다. 소스 전극(61)은 게이트 절연막(30) 위에 세로 방향으로 형성되어 화상 신호를 전달하는 데이터선(60)과 연결되어 있다. 게이트선(20)과 데이터선(60)의 교차에 의해 단위 화소 영역이 정의된다. 데이터선(60)과 소스 및 드레인 전극(61, 62) 위에는 유기 재료 등으로 이루어진 보호막(70)이 형성되어 있다. 화소 영역 내의 보호막(70)은 십자 형태의 부분만을 남기고 제거되어 있으며, 보호막(70)이 데이터선(60)과 게이트선(20) 위를 덮고 있다. 화소 영역에는 ITO 등의 투명 도전 물질로 이루어진 화소 전극(80)이 형성되어 있는데, 화소 전극(80)은 게이트선(20) 및 데이터선(60)과 일부 중첩되도록 넓게 형성되어 있고, 보호막(70)이 제거된 부분을 통해 드러나 있는 드레인 전극(62)과 접촉하고 있다.
이렇게 하면, 보호막(70)이 형성되어 있는 부분과 제거되어 있는 부분 사이에서 형성되는 보호막(70)의 단차에 의해 단차 부위의 액정 분자는 기울어지게 된다. 그리고, 보호막(70)이 형성되어 있는 부분과 제거되어 있는 부분의 중심면을 따라 양쪽의 액정 분자의 기울어지는 방향이 반대로 된다. 따라서 두 영역의 광학적 특성이 서로 보상되므로 광시야각을 실현할 수 있다.
이제 이와 같은 박막 트랜지스터 기판을 형성하는 방법에 대해 설명한다. 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판을 제조하는 방법에서는 모두 5매의 마스크가 필요하며, 액정 분자의 배열 방향이 다른 다중 영역을 얻기 위해 추가의 공정이 요구되지 않는다.
먼저 도 3에 나타난 바와 같이, 투명한 절연 기판(100) 위에 알루미늄 등의 금속을 증착하고 패터닝하여 게이트선(20)과 유지 전극선(10)을 형성한다.
다음, 도 4에 나타난 바와 같이, 그 위에 질화 규소 등을 증착하여 게이트 절연막(30)을 형성하고, 비정질 규소(40)와 도핑된 비정질 규소(50)를 차례로 증착한 후 함께 패터닝하여 박막 트랜지스터의 채널층(40)을 형성한다.
도 5에 나타난 바와 같이, 크롬 등의 금속을 증착하고 패터닝하여 소스 및 드레인 전극(61, 62)과 데이터선(60, 65)을 형성하고, 소스 및 드레인 전극(61, 62)을 마스크로 드러난 도핑된 비정질 규소층(50)을 식각하여 저항 접촉층(51, 52)을 형성한다.
다음, 도 6에 나타난 바와 같이, 유기 재료를 코팅한 후 패터닝하여 보호막(70)을 형성한다. 이 때 보호막의 두께는 2μm 이상으로 하는 것이 좋으며, 상대 유전율이 3 이하인 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 패터닝된 보호막의 경계면에서의 각도는 수평면과 45도 이하인 것이 좋다. 또한, 보호막을 가시광의 투과율이 매우 낮아서 빛을 차단할 수 있는 재료를 사용하여 형성하면, 패터닝되어 남아 있는 보호막(70) 위의 액정 분자들의 배향 불량으로 인한 빛샘을 방지할 수 있다. 예를 들면, 유기 재료 중에 검은색 염료 등을 분산시킨 재료를 사용한다. 한편, 본 발명의 실시예에서는 남겨진 보호막(70)은 격자 형태를 이루도록 패터닝한다.
마지막으로 도 2에 나타난 바와 같이, ITO 등의 투명 도전 물질을 증착하고 패터닝하여 화소 전극(80)을 형성한다. 화소 전극(80)은 데이터선(60, 65) 및 게이트선(20)과 일부 중첩되도록 넓게 형성하며, 이렇게 하더라도 두껍고 유전율이 낮은 보호막(70)이 데이터선(60, 65) 및 게이트선(20)과 화소 전극(80) 사이에 존재하게 되므로 데이터선(60, 65) 및 게이트선(20)과 화소 전극(80) 사이의 정전 용량(capacitance)을 줄일 수 있어 용량 커플링에 의한 화소 전극 전위의 변화를 매우 작게 할 수 있다.
한편, 데이터선(60, 65) 양쪽의 보호막(70)은 최소한 보호막(70)의 두께 정도의 폭을 갖도록 남겨 두는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 화소 전극(80)과 데이터선(60, 65) 사이의 최소 거리는 보호막(70)의 두께와 동일하게 된다.
이와 같은 박막 트랜지스터 기판을 돌기를 형성한 컬러 필터 기판과 결합하고 액정 물질을 주입하여 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치를 완성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 컬러 필터 기판의 평면도이다.
도 7에 나타난 바와 같이, 화소 영역을 정의하는 블랙 매트릭스(210)가 형성되어 있고, 화소 영역에는 컬러 필터(220)가 형성되어 있다. 블랙 매트릭스(210)와 컬러 필터(220)가 형성되어 있는 기판의 전면에는 투명 도전 물질로 이루어진 공통 전극이 형성되어 있고, 그 위에 유기 재료 등으로 이루어진 돌기(240)가 형성되어 있다.
컬러 필터 기판에 형성되어 있는 돌기(240)는 박막 트랜지스터 기판의 보호막(70) 패턴과 마찬가지로 격자 형태로 형성되어 있으며, 한쪽 기판의 격자 형태를 이루는 사각형의 중심에 다른쪽 기판의 격자 형태의 교차점이 위치하도록 형성되어 있다.
도 8은 도 2에 나타난 박막 트랜지스터 기판과 도 7에 나타난 컬러 필터 기판을 결합하여 형성한 액정 표시 장치의 단면도이다. 앞서 설명한 바와 같이 하판의 보호막(70) 패턴과 상판의 돌기(240)는 서로 어긋나도록 배치되어 단면을 볼 때 하판의 보호막(70) 패턴과 상판의 돌기(240)는 서로 교대로 나타나게 된다.
두 기판(100, 200) 사이에 음의 유전율 이방성을 갖는 액정 물질(300)을 주입하면, 하판(200)에 형성된 보호막(70) 패턴과 상판(100)에 형성된 돌기(240)에 의해 기판(100, 200) 사이의 액정 분자는 보호막(70) 패턴과 돌기(240)의 중심면을 기준으로 반대 방향으로 기울어지게 되어 넓은 시야각을 얻을 수 있게 된다.
한편, 하판(200)에 형성되어 있는 보호막(70) 패턴의 하부에 보호막(70) 패턴과 동일한 형태의 금속 패턴을 형성하여 보호막(70) 패턴에 의해 발생하는 빛샘을 차단할 수도 있다. 이와 같이 하는 경우, 보호막(70)으로 투과율이 높은 재료를 사용하지 않더라도 빛샘을 막는 효과를 가져올 수 있다.
본 발명의 실시예에서와 같이, 보호막을 이용하여 다중 영역 수직 배향 액정 표시 장치를 형성함으로써 단순한 공정으로 시야각을 넓힐 수 있다.

Claims (21)

  1. 투명한 절연 기판,
    상기 기판 위에 형성되어 있으며 외부로부터 주사 신호를 전달하는 게이트선,
    상기 게이트선과 절연되어 교차하고 있으며 외부로부터 화상 신호를 전달하는 데이터선,
    상기 게이트선과 상기 데이터선을 덮고 있는 보호막,
    상기 게이트선과 상기 데이터선의 교차로 정의되는 화소 영역의 상기 보호막 위에 형성되어 있는 화소 전극을 포함하며,
    상기 보호막은 상기 게이트선 및 상기 데이터선을 덮고 있는 제1 부분과 상기 화소 영역 내에 액정의 배향 분할을 목적으로 패터닝되어 형성되어 있는 제2 부분으로 이루어져 있는 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 기판.
  2. 제1항에서,
    상기 보호막은 유기 절연막으로 이루어진 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 기판.
  3. 제2항에서,
    상기 보호막의 상대 유전율은 3 이하인 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 기판.
  4. 제3항에서,
    상기 보호막은 빛을 차단할 수 있는 재료로 이루어진 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 기판.
  5. 제4항에서,
    상기 보호막의 두께는 2μm 이상인 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 기판.
  6. 제5항에서,
    상기 보호막의 제1 부분은 상기 게이트선 및 상기 데이터선의 양쪽으로 2μm 이상 튀어나와 있는 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 기판.
  7. 제6항에서,
    상기 보호막의 제2 부분은 격자 모양으로 형성되어 있는 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 기판.
  8. 제7항에서,
    상기 보호막의 경계 부분은 수평면과 45도 이하의 각을 이루는 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 기판.
  9. 제1항에서,
    상기 화소 전극은 상기 게이트선 및 상기 데이터선과 상기 보호막을 사이에 두고 일부 중첩되는 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 기판.
  10. 제1항에서,
    상기 보호막의 아래쪽에 형성되어 있으며, 상기 보호막의 제2 부분과 중첩되는 금속 패턴을 더 포함하는 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 기판.
  11. 외부로부터 주사 신호를 전달하는 게이트선, 상기 게이트선과 절연되어 교차하고 있으며 외부로부터 화상 신호를 전달하는 데이터선, 상기 게이트선과 상기 데이터선을 덮고 있는 보호막, 상기 게이트선과 상기 데이터선의 교차로 정의되는 화소 영역의 상기 보호막 위에 형성되어 있는 화소 전극을 포함하며, 상기 보호막은 상기 게이트선 및 상기 데이터선을 덮고 있는 제1 부분과 상기 화소 영역 내에 액정의 배향 분할을 목적으로 패터닝되어 형성되어 있는 제2 부분으로 이루어져 있는 제1 기판,
    상기 화소 영역에 대응되는 부분에 형성되어 있는 컬러 필터, 상기 컬러 필터의 바깥쪽을 둘러싸고 형성되어 있는 블랙 매트릭스, 상기 컬러 필터와 상기 블랙 매트릭스 위에 형성되어 있는 공통 전극, 상기 공통 전극 위에 형성되어 있는 격자 모양의 돌기를 포함하는 제2 기판,
    상기 제1 및 제2 기판 사이에 주입되어 있는 액정 물질을 포함하는 액정 표시 장치.
  12. 제11항에서,
    상기 보호막의 제2 부분은 격자 모양으로 형성되어 있는 액정 표시 장치.
  13. 제12항에서,
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판은 상기 보호막의 제1 부분의 격자 모양을 이루는 사각형의 중심에 상기 돌기의 격자 모양의 교차점이 위치하도록 결합되어 있는 액정 표시 장치.
  14. 제13항에서,
    상기 보호막은 유기 절연막으로 이루어진 액정 표시 장치.
  15. 제14항에서,
    상기 보호막의 상대 유전율은 3 이하인 액정 표시 장치.
  16. 제15항에서,
    상기 보호막은 빛을 차단할 수 있는 재료로 이루어진 액정 표시 장치.
  17. 제16항에서,
    상기 보호막의 두께는 2μm 이상인 액정 표시 장치.
  18. 제17항에서,
    상기 보호막의 제1 부분은 상기 게이트선 및 상기 데이터선의 양쪽으로 2μm 이상 튀어나와 있는 액정 표시 장치.
  19. 제18항에서,
    상기 보호막의 경계 부분은 수평면과 45도 이하의 각을 이루는 액정 표시 장치.
  20. 제19항에서,
    상기 화소 전극은 상기 게이트선 및 상기 데이터선과 상기 보호막을 사이에 두고 일부 중첩되는 액정 표시 장치.
  21. 제11항에서,
    상기 보호막의 아래쪽에 형성되어 있으며, 상기 보호막의 제2 부분과 중첩되는 금속 패턴을 더 포함하는 액정 표시 장치.
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