KR20010061269A - 액정 표시 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 기판 위에 가로 방향의 게이트선 및 게이트선에서 이어진 게이트 전극이 형성되어 있다. 게이트선 및 게이트 전극은 게이트 절연막으로 덮여 있고, 그 위에는 반도체층과 저항성 접촉층이 형성되어 있다. 세로 방향의 데이터선, 데이터선에서 이어진 소스 전극 및 소스 전극 맞은 편의 드레인 전극, 그리고 드레인 전극과 연결되어 있는 전장 향상 전극이 형성되어 있으며 그 상부에는 보호 절연막이 형성되어 있다. 보호 절연막은 드레인 전극을 드러내는 접촉구 및 골이 형성되어 있는데, 골은 전장 향상 전극의 상부에 위치한다. 보호 절연막 위에는 개구부를 가지는 화소 전극이 형성되어 있다. 개구부는 골의 상부에 위치하며 골 및 전장 향상 전극과 같은 모양으로 이루어져 있다. 이러한 액정 표시 장치에서는 화소 전극에 개구부를 형성하고 그 하부에 골 또는 전장 향상 전극을 형성하여 액정 분자가 안정적으로 배열되도록 한다.

Description

액정 표시 장치{a liquid crystal display}

본 발명은 액정 표시 장치에 관한 것으로서, 특히 시야각이 넓은 액정 표시 장치에 관한 것이다.

액정 표시 장치는 일반적으로 공통 전극과 색 필터(color filter) 등이 형성되어 있는 상부 기판과 박막 트랜지스터와 화소 전극 등이 형성되어 있는 하부 기판 사이에 액정 물질을 주입해 놓고 화소 전극과 공통 전극에 서로 다른 전위를 인가함으로써 전계를 형성하여 액정 분자들의 배열을 변경시키고, 이를 통해 빛의 투과율을 조절함으로써 화상을 표현하는 장치이다.

액정 표시 장치는 시야각이 좁은 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하고자 시야각을 넓히기 위한 다양한 방법이 제시되었는데, 액정 분자를 상하 기판에 대하여 수직으로 배향하고 화소 전극과 공통 전극에 개구 패턴을 형성하는 PVA(patterned vertical alignment) 방식이 그 한 예이다.

그러나, PVA 방식의 경우 화소 전극과 공통 전극에 전압을 인가하였을때 개구 패턴에서 나타나는 휘어진 전기장인 프린지 필드(fringe field)에 의해 액정 분자를 분할 배향하는데, 분할되는 영역의 경계가 화소 전극 내에 생겨 전경이 발생할 수 있다.

본 발명의 과제는 전경의 발생 없이 안정적으로 화소 분할을 하여 시야각을넓히는 액정 표시 장치를 제조하는 것이다.

도 1은 액정 표시 장치의 상부 및 하부 기판을 배치한 상태를 나타내는 도면이고,

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 액정 표시 장치의 하부 기판 배치도이며,

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 액정 표시 장치의 단면도로서 도 2에서 각각 Ⅲa-Ⅲa´선 및 Ⅲb-Ⅲb´선을 따라 자른 면에 해당하는 것으로, 액정 분자의 배열 및 박막 트랜지스터의 단면을 도시한 것이고,

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 액정 표시 장치의 하부 기판 배치도이며,

도 5a 및 도 5b는 도 4에서 각각 Ⅴa-Ⅴa´선 및 Ⅴb-Ⅴb´선을 따라 자른 면에 해당하는 것으로, 액정 분자의 배열 및 박막 트랜지스터의 단면을 도시한 것이고,

도 6 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따라 생성되는 등전위선 및 액정 분자의 배열 상태를 도시한 것이고,

도 10 내지 도 14는 본 발명의 실시예에서 인가 전압을 다르게 하였을 때 생성되는 등전위선 및 액정 분자의 배열 상태를 도시한 것이다.다.

이러한 과제를 해결하기 위해 본 발명에서는 화소 전극의 개구부 하부에 골을 형성하여 안정하게 화소 분할이 이루어지도록 한다.

본 발명에 따른 액정 표시 장치에는 기판 위에 제1 절연막이 형성되어 있으며, 그 위에 개구부를 가지는 전계 생성 전극이 형성되어 있고 개구부 하부의 제1 절연막에 골이 형성되어 있다.

여기서, 골 하부에 형성되어 있으며 전계 생성 전극과 전기적으로 연결되어 있는 전장 향상 전극을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 액정 표시 장치에는 기판과 제1 절연막 사이에 다수의 게이트선이 형성되어 있고, 그 위에 제2 절연막이 형성되어 있다. 제2 절연막 상부에는 다수의 데이터선, 게이트선과 이어진 게이트 전극, 데이터선과 이어진 소스 전극 및 소스 전극과 분리되어 있는 드레인 전극이 형성되어 있는데 이들은 제1 절연막으로 덮여 있으며, 게이트선의 일부와 소스 전극 및 드레인 전극은 게이트선으로부터 주사 신호를 받아 데이터선으로부터의 화상 신호를 스위칭하는 박막 트랜지스터를 이룬다.

골 하부에는 드레인 전극과 같은 물질로 전장 향상 전극을 형성할 수 있으며, 전장 향상 전극은 드레인 전극과 연결되어 있다.

본 발명에 따른 액정 표시 장치에서 골은 제1 절연막 하부의 제2 절연막에까지 이어져 있을 수 있으며, 이때 게이트선과 같은 물질로 골 하부에 드레인 전극과연결되어 있는 전장 향상 전극을 더 형성할 수도 있다.

전장 향상 전극의 폭은 골의 폭 이상인 것이 좋다.

기판에 수직인 면과 골이 이루는 각도는 0도 보다 크고 80도 이하인 것이 바람직하며, 골의 폭은 10μm 이하인 것이 좋다.

본 발명에 따른 액정 표시 장치에서 기판 위의 절연막에 형성되어 있는 골과 절연막 상부의 전계 생성 전극에 형성되어 있는 개구부는 한 쌍을 이루는 것이 바람직하다.

여기서, 골 하부에 전계 생성 전극과 전기적으로 연결되어 있는 전장 향상 전극이 더 형성되어 있을 수 있다.

이와 같은 액정 표시 장치에서는 화소 전극의 개구부 하부의 절연막에 골을 형성하여 액정 분자를 안정적으로 분할 배열할 수 있다. 또한, 골 하부에 전장 향상 전극을 형성하여 프린지 필드의 효과를 감소시켜 분할되는 영역의 경계에서 액정 분자의 배열을 쉽게 할 수 있으므로 전경의 발생없이 액정 표시 장치의 시야각을 넓게 할 수 있다.

그러면, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 액정 표시 장치에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 상부 및 하부 기판을 배치한 상태를 나타내는 도면으로서, 두 기판(1, 5)이 일정한 거리를 두고 마주 보고 있으며, 두 기판(1, 5)의 안쪽면에는 각각 전계 생성 전극인 화소 전극(2) 및 공통 전극(6)이 형성되어 있는데, 하부 기판(1)의 화소 전극(2)에는 개구부가 형성되어있다. 전극(2, 6) 위에는 각각 수직 배향막(3, 7)이 형성되어 있고, 두 배향막(3, 7) 사이에는 음의 유전율 이방성을 가지는 액정층(9)이 위치하고 있다. 각각의 기판(1, 5) 바깥면에는 액정층(9)으로 들어가는 빛 및 액정층(9)을 통과해 나오는 빛을 편광시키는 편광판(4, 8)이 부착되어 있는데, 하부 기판(1)에 부착된 편광판(4)의 편광축은 상부 기판(5)에 부착된 편광판(8)의 편광축에 대하여 90˚의 각을 이루고 있다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 액정 표시 장치의 하부 기판 배치도이고, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 액정 표시 장치의 단면도로서 도 2에서 각각 Ⅲa-Ⅲa´선 및 Ⅲb-Ⅲb´선을 따라 자른 면에 해당하는 것으로, 액정 분자의 배열 및 박막 트랜지스터의 단면을 도시한 것이다.

먼저, 도 2 내지 도 3b에 도시한 바와 같이 기판(10) 위에 가로 방향으로 뻗어 있는 게이트선(21) 및 게이트선(21)에서 이어진 게이트 전극(22)이 형성되어 있다.

게이트 절연막(30)이 게이트선(21)과 게이트 전극(22)을 덮고 있으며, 그 위에는 비정질 규소 따위의 물질로 이루어진 반도체층(31)이 형성되어 게이트 전극(22) 위에 위치하고 있다.

반도체층(31) 위에는 인(P) 따위의 n형 불순물로 고농도로 도핑되어 있는 비정질 규소 따위로 이루어진 저항성 접촉층(32, 33)이 형성되어 있다.

게이트 절연막(30) 위에는 또한 데이터선(41), 소스 및 드레인 전극(42, 43), 그리고 드레인 전극(43)과 이어진 전장 향상(field enhancement) 전극(401,402, 403)이 형성되어 있다. 데이터선(41)은 세로 방향으로 뻗어 있고, 데이터선(41)에서 이어진 소스 전극(42)과 이와 분리되어 있는 드레인 전극(43)은 게이트 전극(22)을 중심으로 서로 마주 보고 있다. 전장 향상 전극(401, 402, 403)은 생략할 수도 있다.

데이터선(41)과 소스 및 드레인 전극(42, 43), 그리고 전장 향상 전극(401, 402, 403) 상부에는 보호 절연막(50)이 형성되어 있으며, 보호 절연막(50)에는 드레인 전극(43)을 드러내는 접촉구(501) 및 전장 향상 전극(401, 402, 403) 위에 위치하는 골(501, 502, 503)이 형성되어 있다.

게이트선(21)과 데이터선(41)이 교차하여 정의하는 영역인 화소 영역에는 화소 전극(60)이 형성되어 있다. 직사각형 모양의 화소 전극(60)에는 중간부에 우변으로부터 좌측으로 가늘게 패인 제1 개구부(601)가 형성되어 있고, 제1 개구부(601)의 입구 양쪽은 모서리가 잘려 나가 완만한 각도로 구부러져 있다. 제1 개구부(601)를 중심으로 하여 화소 전극(60)을 상부와 하부로 구분할 때 상부와 하부에는 각각 제2 및 제3 개구부(602, 603)가 형성되어 있다. 제2 및 제3 개구부(602, 603)는 각각 화소 전극(60)의 중심 부근 왼쪽에서 우상부와 우하부쪽으로 대각선 방향으로 파고 들어가 있다. 제1 내지 제3 개구부(601, 602, 603)는 그 하부의 골(501, 502, 503) 및 전장 향상 전극(401, 402, 403)과 중첩되어 있다.

화소 전극(60)은 이와 같은 모양 이외에도 사각형이나 톱니 또는 십자 모양의 다양한 형태의 개구부를 가지도록 형성할 수 있다.

골(401, 402, 403)은 개구부(601, 602, 603)의 모양과 동일하게 형성하는 것이 좋으며 그 폭은 10μm 이내로 개구부(601,602, 603)보다 작게 형성할 수도 있다.

전장 향상 전극(401, 402, 403)은 골(501, 502, 503) 및 개구부(601, 602, 603)와 동일한 모양으로 형성하며 그 폭은 개구부(601, 602, 603)와 같거나 크게 형성할 수도 있다.

도 3a에서 화소 전극(60) 및 보호 절연막(50) 상부에는 수직 배향막이 형성되어 있으나 여기에서는 도시하지 않는다.

화소 전극(60)과 일정한 거리를 두고 그 상부에 배치되어 있는 상부 기판(70)의 안쪽면에는 공통 전극(80)이 형성되어 있으며, 공통 전극(80)의 상부에도 수직 배향막이 형성되어 있으나 여기에서는 도시하지 않는다.

이와 같은 액정 표시 장치에서 전압이 인가되지 않았을 때 두 전극(60, 80) 사이에 있는 액정 분자(90)는 두 전극(60, 80) 및 골(501, 502, 503)에 대해 수직으로 배열되어 있다.

그런데, 도 3a에 도시한 바와 같이 두 전극(60, 80) 사이에 문턱 전압(threshold voltage) 이상의 전압이 인가되면 액정 분자(90)는 두 전극(60, 80) 사이에 생성되는 전기장에 의해 기울어지게 된다. 이때, 도 3a의 골(503)을 중심으로 왼쪽 부분과 오른쪽 부분에서 액정 분자(90)들은 서로 대칭인 배열을 가진다.

먼저, 화소 전극(60)의 왼쪽 가장자리에서는 수직으로 서 있던 액정 분자(90)가 프린지 필드(fringe field)에 의해 시계 방향으로 회전하여 두기판(10, 70)에 수직인 방향에 대하여 오른쪽으로 기울어진 상태가 된다.

한편, 골(503)의 왼쪽 부분 위의 액정 분자(90)도 시계 방향으로 회전하여 두 기판(10, 70)에 수직인 방향에 대하여 오른쪽으로 기울어진 상태가 되는데, 이는 액정 분자(90)의 초기 장축 방향이 프린지 필드의 방향에 대해 오른쪽에 위치하기 때문이다.

이와 반대로 골(503)의 오른쪽 부분 위에 위치하는 액정 분자(90)들과 화소 전극(60)의 오른쪽 가장자리 위의 액정 분자(90)들은 반시계 방향으로 회전하여 두 기판(10, 70)의 수직 방향의 왼쪽으로 기울어진 상태가 된다.

따라서, 액정 분자(90)들이 기울어진 방향이 다른 두 영역의 경계는 개구부(603) 또는 골(503)의 중심에 나타난다. 골(503)이 형성되어 있지 않다면 골(503)의 왼쪽 부분 위의 액정 분자(90)는 반시계 방향으로 회전하고 골의 오른쪽 부분 위의 액정 분자(90)는 시계 방향으로 회전하기 때문에 액정 분자(90)의 탄성력으로 인해 두 영역의 경계가 일정하지 않고 개구부(603) 전체, 나아가 화소 전극(60) 위에까지 나타날 수 있다.

또한, 골(503) 하부에 형성되어 있는 전장 향상 전극(403)에 화소 전극(60)과 동일한 전위를 인가하면 골(503)이 형성된 부분에는 화소 전극(60)의 개구부(603)에 의한 프린지 필드와 전장 향상 전극(403)에 의한 수직 방향의 전기장 두 가지가 존재한다. 따라서 이 부분에 작용하는 전기장(Et)은 두 전기장의 벡터(vector) 합으로 도 3a에 도시한 바와 같이 프린지 필드보다 기판(10, 70)의 수직 방향에 가까운 방향을 갖는다. 따라서, 전장 향상 전극(403)이 없는 경우보다액정 분자(90)가 쉽게 시계 방향으로 회전한다.

이때, 화소 전극(60) 및 공통 전극(80) 근처의 액정 분자(90)들은 배향막의 힘이 전기장의 힘보다 크므로 수직 배향된 상태를 유지한다.

여기서, 전장 향상 전극(403)은 두 가지 방법으로 형성할 수 있다. 먼저, 앞서의 실시예에서와 같이 드레인 전극(43)을 형성할 때 드레인 전극(43)과 연결되도록 형성할 수 있고, 다른 하나는 게이트선(21) 및 게이트 전극(22)을 형성할 때 형성할 수도 있다. 그러나 이때에는 드레인 전극(43)과 연결되는 부분(301)을 형성해야 한다. 이에 대한 도면을 도 4 및 도 5b에 도시하였다. 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 액정 표시 장치의 하부 기판 배치도이며, 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 액정 표시 장치의 단면도로서 도 4에서 각각 Ⅴa-Ⅴa´선 및 Ⅴb-Ⅴb´선을 따라 자른 면에 해당하는 것으로, 액정 분자의 배열 및 박막 트랜지스터의 단면을 도시한 것이다.

이와 같이 개구부(601, 602, 603) 하부에 골(501, 502, 503)을 형성하여 액정 분자(90)를 용이하게 분할 배열하는 방법은 STN(super twisted nematic) 방식과 같은 다른 종류의 LCD(liquid crystal display)에도 적용이 가능하다.

도 6 내지 도 9는 골의 기울기 즉, 도 3a에서 기판(10, 70)에 수직인 부분과 골(503)이 이루는 각도(α)에 따라 전압이 인가되었을 때 생성되는 등전위선 및 액정 분자의 배열 상태를 도시한 그래프이다. 여기서 가로축의 하부는 도 3a의 왼쪽 부분에 해당하는 화소 전극(60) 및 골(503)을 도시한 것으로 A는 화소 전극, B는 골, C는 전장 향상 전극, 그리고 D는 액정 분자의 배열 상태를 나타내며, 세로축은두 전극 사이의 거리를 도시한 것이다.

도 6 및 도 7은 골의 기울기(α)가 45도일 때를 나타낸 것으로서 도 6은 인가 전압이 1 V인 경우이고, 도 7은 인가 전압이 4 V인 경우이다.

도 6에 도시한 바와 같이 화소 전극(A) 위의 액정 분자들은 모두 수직으로 배열된 상태를 유지하고, 골(B)에 해당하는 부분의 액정 분자들은 하부 기판 근처에서는 45도 각도로 기울어져 있으며 상부로 갈수록 기판에 대해 수직에 가까워져 상부 기판 근처에서는 수직인 배열을 한다. 화소 전극(A)과 골(B)이 만나는 부분의 등전위선은 볼록하게 형성되어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 골(B)에 의해 기울어진 액정 분자의 배열(D)이 화소 전극(A) 위에 있는 액정 분자에까지 연속적으로 연결되어 나타나는 것으로 액정 분자가 시계 방향으로 회전하는 것을 돕게 된다.

이어, 도 7에 도시한 바와 같이 인가 전압이 4 V가 되면 앞서 도 3a에서 설명한 것처럼 액정 분자들은 모두 시계 방향으로 회전하여 기판의 수직 방향의 오른쪽으로 기울어진 상태가 된다.

도 8 및 도 9는 골의 기울기(α)가 80도를 이루는 경우를 도시한 것으로서 도 8은 인가 전압이 1 V인 경우를 도 9는 인가 전압이 4 V인 경우를 도시한 것이다.

도 8에 도시한 바와 같이 액정 분자는 화소 전극(A) 위에서 기판에 대해 수직으로 서 있으며 골(B)의 내부에서도 약간만 오른쪽으로 기울어져 있다. 그런데, 도 9에 도시한 바와 같이 인가 전압이 4V가 되면 앞서의 경우보다는 약하지만 액정 분자들이 모두 시계 방향으로 회전하여 기판의 수직 방향의 오른쪽으로 기울어지는것을 알 수 있다.

도 8 및 도 9의 실험 결과에 나타난 바와 같이 골(B)이 형성되어 있어 액정 분자가 기판의 수직 방향에 대해 10도 이상만 기울어져 있으면 프린지 필드가 생성되더라도 액정 분자는 기판의 수직 방향의 오른쪽으로 기울어진다. 그러므로 골의 기울기(α)는 80도 이하로 형성할 수 있다.

이와 같이, 골의 기울기(α)가 작을수록 액정 분자가 회전하는 힘이 커지며, 골의 기울기(α)는 0도 이상 80도 이하의 범위 내에서 형성할 수 있다.

한편, 도 10 내지 도 14는 도 3a에서 골의 기울기(α)를 45도로 형성하고 인가 전압을 다르게 하였을 때 생성되는 등전위선 및 액정 분자의 배열 상태를 도시한 것이다. 여기서 가로축의 하부는 도 3a의 화소 전극(60) 및 골(5030), 전장 향상 전극(403) 등을 도시한 것으로 골(5030)은 도 3a의 V자형과 달리 가운데 부분이 평탄하게 되어 있으며, 도면 부호 61은 배향막을 나타낸다. 세로축은 두 전극 사이의 거리를 도시한 것이다.

도 10은 초기 상태를 나타내고, 도 11은 인가 전압이 2V, 도 12는 2.5V, 도 13은 3V, 도 14는 4V이다. 도 11 및 도 12에 도시한 바와 같이 인가 전압이 2V일 때 액정 분자는 거의 움직이지 않고 인가 전압이 2.5V에서 액정 분자가 움직이므로 문턱 전압은 2V 내지 2.5V 사이 값을 가지는 것을 알 수 있다.

도 10 내지 도 14에 도시한 바와 같이 문턱 전압 이상에서 인가 전압이 커질수록 골(5030) 부분에서 등전위선이 휘는 정도가 커지고 액정 분자(90)도 기판에 대해 많이 눕게 되는데, 화소 전극(60) 내에 전경의 발생없이 골(5030)을 중심으로액정 분자(90)가 안정하게 배열하는 것을 알 수 있다.

본 발명에서는 화소 전극의 개구부에 해당하는 부분에 골을 형성함으로써, 화소 전극 내에 전경의 발생없이 안정적으로 화소 분할하여 액정 표시 장치의 시야각을 넓힐 수 있다.

Claims (11)

1. 기판,

   상기 기판 위에 형성되어 있는 제1 절연막,

   상기 제1 절연막 위에 형성되어 있으며 개구부를 가지는 전계 생성 전극

   을 포함하며,

   상기 개구부 하부의 제1 절연막에 골이 형성되어 있는 액정 표시 장치.
2. 제1항에서,

   상기 골 하부에 형성되어 있으며 상기 전계 생성 전극과 전기적으로 연결되어 있는 전장 향상 전극을 더 포함하는 액정 표시 장치.
3. 제1항에서,

   상기 기판과 상기 제1 절연막 사이에 형성되어 있는 다수의 게이트선,

   상기 게이트선 상부에 형성되어 있는 제2 절연막,

   상기 제2 절연막 상부에 형성되어 있으며 상기 제1 절연막으로 덮여있는 다수의 데이터선,

   상기 게이트선과 이어진 게이트 전극, 상기 데이터선과 이어진 소스 전극 및 상기 소스 전극과 분리되어 있는 드레인 전극으로 이루어지며 상기 게이트선으로부터 주사 신호를 받아 상기 데이터선으로부터의 화상 신호를 스위칭하는 박막 트랜지스터

   를 더 포함하는 액정 표시 장치.
4. 제3항에서,

   상기 드레인 전극과 같은 물질로 상기 골 하부에 형성되어 있으며 상기 드레인 전극과 연결되어 있는 전장 향상 전극을 더 포함하는 액정 표시 장치.
5. 제3항에서,

   상기 골이 상기 제1 절연막 하부의 상기 제2 절연막에까지 이어져 있는 액정 표시 장치.
6. 제5항에서,

   상기 게이트선과 같은 물질로 상기 골 하부에 형성되어 있으며 상기 드레인 전극과 연결되어 있는 전장 향상 전극을 더 포함하는 액정 표시 장치.
7. 제2항, 제4항 및 제6항 중 어느 한 항에서,

   상기 전장 향상 전극의 폭은 상기 골의 폭 이상인 액정 표시 장치.
8. 제1항에서,

   상기 기판에 수직인 면과 상기 골이 이루는 각도는 0도 보다 크고 80도 이하인 액정 표시 장치.
9. 제1항에서,

   상기 골의 폭은 10μm 이하인 액정 표시 장치.
10. 기판,

    상기 기판 위에 형성되어 있으며 골을 포함하는 절연막,

    상기 절연막 위에 형성되어 있으며 개구부를 가지는 전계 생성 전극

    을 포함하며,

    상기 골과 개구부는 쌍을 이루고 있는 액정 표시 장치.
11. 제10항에서,

    상기 골 하부에 형성되어 있으며 상기 전계 생성 전극과 전기적으로 연결되어 있는 전장 향상 전극을 더 포함하는 액정 표시 장치.