KR20010056946A - 반사 투과 복합형 박막 트랜지스터 액정 표시 장치의 액정판넬 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반사 투과 복합형 박막 트랜지스터 액정 표시 장치의 액정 판넬의 화소전극에 구조에 관한 것으로서, 박막 트랜지스터의 드레인 전극과 전기적으로 연결되는 화소전극이 홀을 가지는 반사판을 구비하는 것을 특징으로 한다. 홀 주변에서는 전기장이 수평 방향으로 나가면서 점차로 위로 꺾여서 위쪽 공통전극에 닿을 때는 수직 방향으로 형성되고, 주변에 가까울수록 전기장이 쉽게 위로 꺾이는 형태가 되고 액정도 셀 갭의 대부분 두께에서 수직으로 배열하여 별도의 투명 전극이 없이도 투과 영역을 형성하게 된다.

따라서, 투명전극을 사용하지 않기 때문에 투명전극의 적층과 패터닝에 사용되는 노력을 절약할 수 있고, 인듐 금속 산화물 투명 전극과 알루미늄 반사판이 접하는 계면에서 발생할 수 있는 문제의 소지가 없어진다.

Description

반사 투과 복합형 박막 트랜지스터 액정 표시 장치의 액정 판넬 {A DISPLAY PANEL IN A TRANSMISSIVE REFLECTIVE TYPE TFT LCD}

본 발명은 박막 트랜지스터 액정 표시 장치의 액정 판넬에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반사 투과 복합형 박막 트랜지스터 액정 표시 장치의 화소 전극 구조에 관한 것이다.

정보사회의 발전 속에서 정보 표시장치의 중요성은 매우 큰 것이며, 이들 정보표시장치 가운데 현재 가장 급속히 발전하는 분야로 액정 표시 장치를 들 수 있다. 특히 화소의 조절에 박막 트랜지스터를 사용하는 박막 트랜지스터 액정 표시 장치는 경량, 박형 및 저소비전력이라는 액정 표시 장치 특유의 장점에 더하여 고해상도, 빠른 동작속도, 컬러화라는 수요자의 요구에 부응할 수 있는 고품위의 정보 표시장치로서의 입지를 넓혀가고 있다.

일반적인 박막 트랜지스터 액정 표시 장치의 구성을 개관하면, 2매의 기판내면에 각각 공통전극과 화소전극이 형성된다. 화소전극은 박막트랜지스터의 드레인 전극과 전기적으로 연결되며 대개 절연막을 격하여 콘택을 통해 연결된다. 상기 기판 외면에는 편광판과 위상차판, 기타 여러 기능판 들이 부착 등의 방식으로 설치된다. 상기 기판 사이에는 액정이 봉입되어 있으며, 액정이 닿는 내면에는 배향막이 배향된 상태로 구비되는 것이 일반적이다. 그리고, 상기 전극들 사이에 인가되는 전압에 의해 화소별로 상기 액정의 분자 배열을 조절하여 출사광을 차단하거나 통과시킴으로써 화면을 구성하고 표시하게 된다.

하부 전극 구조를 좀 더 살펴보면, 소오스, 게이트, 드레인의 MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor) 기본 전극 구조 위로 절연재질의 보호막을 적층하고 패터닝 작업을 통해 외부 신호 입력 패드나 화소전극과의 접속을 위한 콘택홀을 형성하게 된다. 보호막은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물로 이루어지는 것이 일반적이나 유기막으로 두껍게 이루어질 수도 있다.

보호막 위로는 화소전극을 패터닝 작업을 통해 형성하게 된다. 화소전극은 반사형 액정 표시 장치의 경우 주로 알미늄을 스퍼터링으로 적층하여 포토리소그래피와 식각 공정을 통해 화소 상당 부분에 형성하게 되는데 전기적으로 트랜지스터의 소오스 전극과 콘택을 통해 연결되어 있으며 반사막의 역할을 하게 된다. 그리고, 백라이트형 혹은 투과형 액정 표시 장치의 화소전극은 화소전극을 통해 빛이 통과하여 사용자의 눈에 들어오게 되므로 투명한 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 등으로 형성된다.

초기의 단순 TN(Twisted Nematic)형 액정표시장치로서 시계나 계산기 같이전력소모를 극소화해야 하는 용도의 기기에서는 반사형을 많이 사용하였으나, 대화면 고품위의 화상표시를 요하는 노트북 컴퓨터용, 특히 박막 트랜지스터 액정 표시 장치 등에서는 주로 투과형을 사용하게 된다. 그리고, 반사형과 투과형 각각의 장점을 살려서 주변 광도의 변화에도 불구하고 사용 환경에 맞게 적절한 시인성을 확보할 수 있는 반사 투과 복합형 액정 표시 장치가 이미 액정 표시 장치 제작회사인 샤프사를 통해 소개된 바 있다.

도1은 종래의 반사 투과 복합형 박막 트랜지스터 액정 표시 장치의 한 예에서의 박막 트랜지스터측 기판의 화소부에서의 측단면도이다. 본 예에서는 투명전극(21)이 유기 절연막(23) 형성 전에 먼저 형성되어 있다.

소개된 반사 투과 복합형 박막 트랜지스터 액정 표시 장치는 기존의 박막 트랜지스터측 기판(10)의 전극형성과정에서 박막 트랜지스터를 이루는 게이트, 소오스, 드레인 전극을 기판에 형성하고, 그 위로 유기 절연막을 덮고, 콘택홀을 형성하고, 유기 절연막(23) 위에 화소전극을 형성할 때 일단 화소전극 패턴을 투명전극층으로 스퍼터링 등을 통해 형성하고, 그 위에 알미늄이나 크롬 등의 금속막 즉 반사막층을 다시 스퍼터링 등의 방법으로 형성한 다음 원하는 반사막 패턴을 마스크 공정 즉 포토리소그래피와 에칭을 이용하여 형성하는 방법을 사용하고 있다. 이런 방법을 통해 유기 절연막(23) 위에는 반사판(25)이나 투명전극층(21)으로 된 화소전극이 전혀 남아있지 않은 화소전극 외부영역, 투명전극층(21)만 남아있는 투과영역(27), 투명전극층(21) 위에 반사판(25)이 남아있는 반사영역이 구분 형성된다. 투과영역(27)은 대개 창(window)의 개념으로 형성되며 투광창이라 할 수 있다.

상술한 형태의 반사 투과 복합형 액정 표시 장치의 경우에는 동일한 화소 내부에 투명 전극과 반사 전극을 동시에 형성해야 한다. 그런데, 공정 중이라도 대개의 투명전극을 이루는 ITO와 대개의 반사 전극을 이루는 알루미늄 혹은 알루미늄 합금이 서로 연속하여 접하게 되면 전극 패터닝을 위한 식각 물질이나 세정액 등에 의해 습식으로 처리될 때 전지의 음극과 양극에서 일어나는 것과 같은 화학 반응이 이루어지면서 원하지 않는 부식작용이 발생할 수 있다. 또한, ITO와 알루미늄이 접한 상태에서는 ITO 내의 산소 원자가 알루미늄과 결합하여 계면에 부도체인 산화 알루미늄(Al₂O₃)을 형성하므로 콘택의 저항을 높여서 표시기능을 저하시키는 문제가 있었다.

ITO와 알루미늄의 직접적인 접촉으로 발생하는 이런 문제들을 해결하기 위해 화소부의 투명전극을 이루는 ITO와 반사전극을 이루는 알루미늄 사이에 절연막이나 버퍼층을 이룰 다른 금속층을 개입시켜 화소전극을 형성하는 방법이 제안되었으나 이들 물질층을 형성하기 위해서는 추가적인 공정이 필요하여 공정 비용이 증가하게 된다.

본 발명은 화소부에 인듐 금속 산화물 계열의 투명 전극과 알루미늄이 포함된 반사 전극을 가지는 종래의 투과 반사 복합형의 박막 트랜지스터 액정 표시 장치에서 투명 전극과 반사 전극이 직접 닿을 때 발생하는 문제점들을 없앨 수 있는 새로운 반사 투과 복합형 박막 트랜지스터 액정 표시 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도1은 이러한 종래의 반사 투과 복합형 박막 트랜지스터 액정 표시 장치의 한 예에서의 박막 트랜지스터측 기판의 화소부에서의 측단면도,

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 화소전극을 평면적으로 나타낸 평면도,

도3은 도2를 AA'라인을 따라 절단한 상태를 나타내는 액정 판넬 하판 화소부의 단면도,

도4는 본 발명의 일 실시례인 혼합 TN(Mixed Twisted Nematic)형 셀의 반사 영역 및 투과 영역에서 반사광 및 투과광의 위상이 판넬의 위상차판 및 편광판 배열과 정확하게 부합되는 경우를 판넬 단면과 투과광 위상 변화 관계로 나타낸 개념도,

도5는 본 발명의 일 실시예에서 반사판에 형성된 슬릿의 길이 방향과 판넬 내면에서의 배향 방향이 판넬 평면 상에서 서로 수직하게 이루어지는 경우의 문제점을 나타내는 현상도이다.

※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명.

10,50: 기판 11: 게이트

13: 게이트 절연막 15: 액티브 영역

17: 도핑된 반도체층 19: 드레인 전극

21: 투명전극층 23: 유기 절연막

25,35: 반사판 27: 투과영역

33: 절연막 37: 슬릿

41,43: 편광판 45,47: 위상차판

51: 공통전극 53: 전기력선

55: 액정 배열 예상선

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 2매의 기판, 상기 2매의 기판 내면에 각각 형성되는 공통전극 및 박막 트랜지스터에 연결되는 화소전극, 상기 기판 외면에 설치되는 편광판, 상기 기판 사이에 봉입되는 액정을 구비하여 이루어지며, 상기 전극들 사이에 인가되는 전압에 의해 화소별로 상기 액정의 분자 배열을 조절하여 출사광을 차단하거나 통과시킴으로써 화면을 구성하고 표시하되, 상기 화소전극의 구성에 의해 상기 화소 내에 빛을 통과시키는 영역과 빛을 반사시키는 영역이 구분되는 반사 투과 복합형 박막 트랜지스터 액정 표시 장치의 액정 판넬에 있어서, 상기 화소전극이 홀을 가지는 반사판으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 홀 주변에서의 전기장의 성질을 이용한 것으로, 결국 투명 전극층을 사용하지 않는 것이 특징이 된다. 반사판이 아래쪽에 수평으로 형성된다면, 홀 주변에서는 전기장이 수평 방향으로 나가면서 점차로 위로 꺾여서 위쪽 공통전극에 닿을 때는 수직 방향으로 형성된다. 일반적으로 사용되는 액정은 전극에 전압이 인가되면서 형성되는 전기장을 따라서 배열하게 되므로 화소전극 주변부에서는 주변에 가까울수록 전기장이 쉽게 위로 꺾이는 형태가 되고 액정도 셀 갭의 대부분 두께에서 수직으로 배열하게 된다. 화소전극 주변부에서 어느 정도까지 액정 배열이 수직으로 이루어지는 가는 화소전극에 인가된 전압 및 셀 갭의 크기와 배향 방향, 프레 틸트각(pre-tilt angle), 화소전극의 형태에 따라 달라질 수 있다.

일반적으로 홀 주변부 혹은 프린지(fringe) 길이가 늘면 프린지에서 일정 폭의 액정이 영향을 받는다고 생각할 때 프린지부 면적이 늘어나는 것이므로 그 면적을 늘리기 위해 상기 화소전극에 형성되는 홀의 갯수를 증가시키는 것이 유리하며, 홀의 갯수도 현실적으로 제한이 있으므로 형태는 한쪽으로 길게 형성되는 슬릿 형태가 바람직할 것이다.

또한, 화소전극이 형성된 판넬 내면의 배향 방향이 상기 슬릿의 길이 방향으로 이루어진 것이 전계의 방향과 배향에 의한 액정의 배열 방향이 정면으로 상충하여 불연속부를 형성하는 경우를 배재할 수 있으므로 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 편광판가 함께 위상차판을 가지는 혼합 TN형 액정 표시 장치 셀에서의 예를 통해 본 발명을 좀 더 살펴보기로 한다.

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 화소전극을 평면적으로 나타낸 평면도이다. 화살표 방향은 전극 위쪽으로 액정 판넬 하판의 내면을 배향시킨 방향을 나타낸다.

도3은 도2를 AA'라인을 따라 절단한 상태를 나타내는 액정 판넬 하판 화소부의 단면도이다.

도2에서는 위,아래쪽으로 길게 다수의 슬릿(37)이 화소전극을 이루는 반사판(35)면에 형성되어 있다. 화살표로 표시된 액정의 배향 방향 즉 러빙 방향도 슬릿(37)의 길이 방향으로 실시되어 있다. 슬릿(37)에 의해 반사판(35)에서 제거된 면적은 본 예에서는 전 반사판 면적의 20% 내외로 하며 액정 표시 장치의 주 모드가 무엇인가에 따라 달라질 수 있다. 일반적으로는 슬릿의 폭을 길게 가져가 슬릿이 차지하는 면적을 넓힐 경우에도 슬릿 면적이 모두 프린지 전계의 효과가 미치는영역이라고 볼 수는 없으며, 본 예에서 프린지 전계의 효과를 누려서 액정이 수직으로 배열할 수 있는 면적은 투명 전극을 사용하는 일반적인 반사 투과 복합형 액정표시장치에 비해서 떨어진다고 본다. 따라서, 본 발명은 주로 반사모드를 위주로 사용하며, 부가적으로 어두운 환경에서 가시성을 확보할 수 있는 투과모드로 사용하고, 투과모드 사용을 위해서는 백라이트의 전원을 별도로 인가하는 형태로 주로 이용될 수 있을 것이다.

도3은 기판에 탑 게이트 형태의 박막 트랜지스터 전극을 형성한 상태에서 유기 절연막(23)을 덮고 드레인 전극 위쪽으로 콘택 홀을 형성한 다음, 다수의 슬릿(37)이 있는 반사판(35)까지 형성한 상태를 나타낸다. 본 실시예에서는 슬릿(37)이 형성된 곳에는 반사판(35)을 식각 마스크로 유기 절연막(23)을 식각하여 유기 절연막(23)에 의한 투광성의 감소를 줄이고 있다. 본 실시예와 같이 유기 절연막이 식각된 곳에서는 셀 갭 혹은 액정층의 두께가 증가한다. 반사 투과 복합형 액정 표시장치의 셀 갭이 일반적으로 반사모드에서의 반사광을 최대로 만드는 λ/4 (λ는 빛의 파장)로 설계되고 따라서 투과영역에서는 투과광의 위상이 액정 판넬 전후의 위상차판과 정확히 조화되지 않아서 가능한 빛의 세기의 절반 정도의 세기가 되도록 빛이 통과함을 고려할 때, 슬릿 부분의 유기 절연막을 식각하여 투과모드의 셀 갭을 늘리는 것은, 위상차판과 투과광의 위상을 조화시켜 투과광의 세기를 증가시키는 효과도 누릴 수 있도록 하는 것이다.

도4는 본 실시예와 같이 슬릿이 형성된 곳에서 유기 절연막을 제거한 경우에 유기 절연막(23)의 제거에 따른 셀 갭의 증가로 투과영역에서 투과광의 위상이 판넬의 위상차판(45,47) 및 편광판(41,43) 배열과 정확하게 부합되는 경우를 반사판이 있는 반사 영역과 비교하여 판넬 단면과 투과광 위상 변화 관계로 나타낸 개념도이다.

편광판과 위상차판의 배치는 일반의 혼합 TN형 구조를 가진 투과형 액정 표시장치와 같이 액정 판넬을 이루는 전후 기판 각각에는 편광판(41,43)이 광 투과축 상호간에 또한 위상차판(45,47)에서 가장 큰 굴절율을 가지는 방향축인 장축(slow axis) 상호간에 직각을 이루도록 설치되었다. 그리고, 본 예에서는 상기 반사 영역에서 액정층의 두께는 액정층에 의한 통과광의 위상변화가 편도에 λ/4가 되도록 설정되어 있고, 상기 투과 영역의 액정층(39) 두께가 통과광의 위상변화가 λ/2가 되도록 이루어져 있는 것이으로 한다.

이런 배치는 화소 전극에 전압이 걸리지 않은 상태에서 화면이 통상적으로 밝은 화면 즉, 흰색이 되도록 구성한 것이며, 편광판과 위상차판의 상호 각도는 편광판을 통과한 일축 진동형 빛이 회전을 하는 좌원 혹은 우원 형태의 편광이 되도록 편광판의 광 투과축과 위상차판의 장축이 서로 45°차이가 나도록 구성함에 따라 상호간에 상술한 각도 관계를 갖게 된 것이다. 또한 액정층의 두께 구성도 밝기를 최대로 하기 위한 조건이다. 단, 본 발명의 구현을 위해서 반드시 위상차판이 필요하거나 양 기판에 부착된 편광판 및 위상차판의 구성 및 액정층의 두께가 본 실시예의 구성과 동일할 필요는 없다.

도5는 반사판에 형성된 슬릿의 길이 방향과 판넬 내면에서의 배향 방향이 판넬 평면 상에서 서로 수직하게 이루어지는 경우의 문제점을 나타내는 현상도이다.슬릿(37)의 너비 방향을 y축 방향, 상부 기판(50)의 공통 전극(51)과 하부 기판(10)의 화소 전극인 반사판(35)과의 셀 갭 방향을 z축 방향, 도시되지 않은 지면에서 밖으로 나오는 방향을 x축 방향이라 하고, 배향의 방향은 y축 방향, 슬릿(37)의 길이 방향은 x축 방향이라 하면, 도면상 좌측의 반사판(35)의 프린지 전기력선(53)은 y축 정의 방향에서 시작하여 점차적으로 z축 정의 방향을 향해 가며, 도면상 우측의 반사판(35)의 프린지 전기력선(53)은 y축 부의 방향에서 점차적으로 z축 정의 방향을 향하게 된다. 그러나 배향의 방향이 y축 정의 방향이므로 이것만 고려하면 액정 배열 예상선(55)은 도면의 형태가 예상된다. 우측 반사판의 좌단부 프린지에서는 전기장의 방향과 배향의 방향이 서로 상충하여 액정의 배열에 불연속이 발생하고 이로 인하여 투광성이 저하되는 등의 문제가 발생할 수 있다.

이러한 문제의 방지를 위해서 슬릿의 길이 방향과 배향의 방향을 같이하는 것이 바람직하다. 이 경우에는 도면의 방향을 참조하면, 슬릿에서 프린지 전계는 슬릿의 중앙을 향하여 y축 성분을 띠게 되지만, 배향 방향을 슬릿의 길이 방향인 x축 방향으로 하여 러빙의 골이나 프레 틸트각에 의해 실질적으로 액정의 배열에서 y축 방향 성분을 거의 가지지 않게 되며 주로 x축 방향에서 z축 정의 방향을 향하게 된다. 이 경우 슬릿의 프린지에서 액정 배열의 불연속적인 부분은 없게 되며, 액정의 배열 가운데 수평 성분이 있는 곳은 전체 액정 두께의 일부에 해당하므로 배열은 실질적으로 수직 배열이며 빛의 위상에 변화를 주지 않는다고 생각할 수 있다.

본 발명에 따르면, 반사 투과 복합형 박막 트랜지스터 액정 표시 장치를 형성하는 데 있어서, 종래의 경우와 같은 투명전극을 사용하지 않기 때문에 투명전극의 적층과 패터닝에 사용되는 노력을 절약할 수 있다. 더욱이, 인듐 금속 산화물 투명 전극과 알루미늄 반사판이 접하는 계면에서 발생할 수 있는 문제의 소지가 없어진다.

Claims (5)

1. 2매의 기판, 상기 2매의 기판 내면에 각각 형성되는 공통전극 및 박막 트랜지스터에 연결되는 화소전극, 상기 기판 외면에 설치되는 편광판, 상기 기판 사이에 봉입되는 액정을 구비하여 이루어지며,

   상기 전극들 사이에 인가되는 전압에 의해 화소별로 상기 액정의 분자 배열을 조절하여 출사광을 차단하거나 통과시킴으로써 화면을 구성하고 표시하되, 상기 화소전극의 구성에 의해 상기 화소 내에 빛을 통과시키는 영역과 빛을 반사시키는 영역이 구분되는 반사 투과 복합형 박막 트랜지스터 액정 표시 장치의 액정 판넬에 있어서,

   상기 화소전극이 홀을 가지는 반사판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반사 투과 복합형 박막 트랜지스터 액정 표시 장치의 액정 판넬.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 반사판에 형성되는 홀이 한쪽으로 길게 형성되는 슬릿 형태인 것을 특징으로 하는 반사 투과 복합형 박막 트랜지스터 액정 표시 장치의 액정 판넬.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 반사판이 형성된 판넬 내면의 배향 방향이 상기 슬릿의 길이 방향으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반사 투과 복합형 박막 트랜지스터 액정 표시 장치의액정 판넬.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 기판과 상기 편광판 사이에는 일축 진동 편광을 원편광으로 변화시킬 수 있는 위상차판이 구비되며,

   상기 기판 각각에 부착되는 상기 편광판의 광 투과축이 상호 직교하고, 상기 위상차판의 장축(slow axis)도 상호 직교하도록 설치되며,

   상기 슬릿 영역에는 상기 반사판과 상기 박막 트랜지스터 사이에 개재되는 유기 절연막이 제거되고,

   상기 슬릿 영역 외의 상기 반사판이 존속하는 영역은 액정층 두께가, 통과광의 위상변화가 λ/4가 되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 반사 투과 복합형 박막 트랜지스터 액정 표시 장치의 액정 판넬.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 슬릿 영역의 액정층 두께가 상기 반사판이 존속하는 영역의 액정층 두께의 두배가 되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 반사 투과 복합형 박막 트랜지스터 액정 표시 장치의 액정 판넬.