KR20020012737A - 멀티도메인 액정표시소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 경사진 슬릿을 이용하여 공정을 단순화시키고 시야각, 투과도를 향상시키는 멀티도메인 액정표시소자에 관한 것으로서, 대향하는 제 1 기판과 제 2 기판, 상기 제 1 기판 위의 블랙 매트릭스와 컬러필터층과 공통 전극, 상기 제 2 기판을 복수의 화소 영역으로 나누는 복수의 데이터 라인과 게이트 라인, 상기 각각의 화소에 위치하여 게이트 전극, 게이트 절연막, 반도체층, 소스/드레인 전극, 보호막, 복수의 슬릿을 포함하는 화소 전극으로 이루어져 형성된 박막 어레이 그리고, 상기한 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 형성된 액정층으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

멀티도메인 액정표시소자{Mltidomain Liquid Crystal Device}
본 발명은 액정표시소자에 관한 것으로 특히, 공정을 단순화하고 시야각, 투과도를 향상시키는 멀티도메인 액정표시소자(liquid crystal display device) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 영상표시소자 제조시에는 화질 향상 즉, 눈에 피로감을 주지 않으면서 선명한 화면 상태를 제공하는 것에 주안점을 둔다.
상기한 액정표시소자는 대향하여 합착된 기판과 그 사이에 채워진 액정으로 이루어지며, 트위스티드 네마틱(TN:twisted nematic)모드를 주로 사용한다. 상기 액정은 액정분자의 장축방향으로 진동하는 빛과 장축방향에 수직방향으로 진동하는 빛의 굴절률이 서로 다른 굴절률 이방성을 나타냄으로 인해 시야각이 좁아진다는 문제점이 있다.
종래 이런 LCD의 좁은 시야각 문제를 극복하기 위한 연구가 활발한데, 보상 필름으로 시야각을 보상하는 필름보상형 모드(Film-compensated mode), 화소를 여러 도메인으로 나눠 각각의 도메인의 주시야각 방향을 달리하여 시야각을 보상하는 멀티도메인 모드(MultiDomain Mode), 액정 배열 방향을 수직화하는 수직배향 모드(Vertical Alignment Mode), 하나의 평면에 전극을 위치시켜 횡전계를 인가하는 IPS(In-Plane Switching)모드와 같은 기술이 있다.
특히, 멀티도메인 모드가 적용된 액정셀에는 DDTN(Domain Divided TN), TDTN(Two-Domain TN), C-TN (Complementary TN), 4도메인 TN액정셀 등이 있는데, 하나의 화소 안에 4도메인을 구현하는 것이 4개 방향에서의 계조 표시 반전이 서로 보상되어 2도메인 액정셀에서보다 더 넓은 시야각을 가진다.
이는 액정셀을 이루는 두 기판의 배향막에 기계적 러빙, 광배향으로 배향처리를 하여 프리틸트 각(pretilt angle) 및 프리틸트 방향을 조절하여 액정방향자를 제어함으로써 가능하다.
러빙을 한 경우에는 여러번의 사진식각 공정을 거쳐 서로 다른 배향 방향을 형성하고, 광배향일 경우에는 마스크를 이용하여 도메인마다 여러번의 조사공정을 거쳐야 하므로 공정상 복잡해지게 된다.
한편, 수직배향 처리(VA: Vertical Alignment)는 액정 분자의 장축 방향이 기판면에 수직(⊥)으로 배향하도록 기판 표면을 처리하는 것, 수평배향처리(Homogeneous Alignment)는 액정 분자의 장축 방향이 기판면에 수평(∥)으로 배향하도록 기판 표면을 처리하는 것 그리고, 경사배향 처리는 액정 분자의 장축 방향이 기판면에 일정한 각도만큼 경사로 배향하도록 기판을 표면 처리하는 것을 말하는데 특히, 수직배향 액정표시소자에는 유전율 이방성이 음인 액정을 주입하여 전압이 걸리지 않았을 때에는 액정 분자의 장축이 배향막 평면에 수직배열하게 하고, 문턱치 이상의 전압이 걸리면 액정 분자의 장축이 배향막 평면의 수직방향에서 배향막 평면으로 움직이기 시작한다.
하지만, 최근에는 배향 처리하지 않고, 기판에 슬릿을 형성하여 액정층에 인가되는 전기장을 왜곡시켜 액정분자의 방향자를 원하는 방향으로 위치시키는데, 다음의 PVA, LFIVA등이 슬릿을 이용하여 액정을 멀티도메인으로 구동시킨 예이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술에 따른 멀티도메인 액정표시소자를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술에 따른 PVA를 설명하기 위한 단면도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 LFIVA를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1에서와 같이, 기존의 PVA(Patterned Vertical Alignment)의 구조는 대향하는 제 1 기판(11) 및 제 2 기판(15)과 상기 제 1 기판(11)과 제 2 기판(15) 사이에 형성된 액정층(10)으로 이루어지는데, 상기 제 1 기판은 블랙 매트릭스와 상기 블랙 매트릭스 위에 형성된 컬러필터층(13)과 상기 컬러필터층 위에 복수의 슬릿(19)을 포함한 공통 전극(14)으로 이루어지고, 상기 제 2 기판은 도시하지는 않았지만 종횡으로 형성되어 제 2 기판을 복수의 화소 영역으로 나누는 복수의 데이터 라인 및 게이트 라인과, 게이트 전극, 게이트 절연막(16), 반도체층, 소스/드레인 전극, 보호막(17), 복수의 슬릿(19)을 포함하는 화소 전극(18)으로 이루어져 상기한 각각의 화소에 형성되는 박막 어레이로 이루어진다.
상기의 액정표시소자는 제 1 기판(11) 상의 공통 전극(14)과 제 2기판(15) 상의 화소 전극(18)에 모두 슬릿(19)을 형성하는데, 이를 위한 패터닝(patterning) 공정이 추가된다.
일반적인 액정표시소자 제조방법은 먼저, 제 1 및 2 기판을 준비하여 상기 제 2 기판 상에 금속으로 게이트 배선과 게이트 전극을 형성하고 그 위에 게이트 배선의 절연을 위해 게이트 절연막을 도포한다. 그리고, 상기 절연막 위에 반도체층을 형성하고 상기의 금속으로 소스 전극과 드레인 전극을 적층한다.
이후, 상기의 적층구조 전면에 보호막을 도포하고, 드레인 전극과 다음에 형성되는 화소전극을 전기적으로 연결하기 위해 보호막 일부를 제거해 콘택홀을 형성한다. 다음, 상기 보호막 상에 투명도전막을 증착하여 화소 전극을 형성하면 박막 어레이가 완성된다.
이 때, 상기 금속은 저항이 낮은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo) 및 알루미늄 합금 등을 사용하여 스퍼터링 법으로 증착하고, 상기 게이트 절연막은 상기 금속과의 밀착성이 우수하며 절연 내압이 높은 실리콘질화물(SiNx) 또는 실리콘산화물(SiOx) 등의 무기물을 사용하여 플라즈마 CVD(PECVD:Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)법으로 증착하며, 상기 보호막 역시 실리콘질화물 또는 실리콘산화물을 사용하고, 유전율이 낮은 BCB(Benzocyclobutene)를 사용할 수도 있다.
그리고, 상기한 제 1 기판 상에는 블랙 매트릭스 및 컬러 필터층을 제작하고 이후, 공통 전극을 형성한 뒤, 상기 제 1 및 2 기판 상의 공통 전극 및 화소 전극 상에 배향막을 도포하여 러빙하고 이를 대향하여 합착한다. 그 사이에 액정을 주입하여 봉지하면 액정표시소자가 제작된다.
이 때, 공통 전극과 화소 전극은 액정에 전압을 가해주기 위해 형성하는 것으로 산화 주석막이나 산화주석을 5%정도 섞은 산화인듐막(ITO)이 사용된다. 그리고, 박막 형성법으로는 유리판에 뿜어 칠하는 스프레이 법, 진공용기 속에서 막재료를 기판에 형성하는 진공 증착법, 저압의 기체 속에서 방전시키는 고주파 스퍼터링(sputtering)법 등이 있다.
그런데, 액정을 디스플레이 소자로 이용하려면 기판 위에 보다 정밀한 패턴을 만들기 위해 포토에칭 방법을 이용하는데, 전면에 투명도전막으로 도포한 기판을 준비하여 포토 레지스트 형성, 노광, 현상, 에칭, 레지스트 제거, 패턴 검사에 이르는 곳까지의 과정을 거친다. 이것을 패터닝 공정이라고 한다.
기존의 PVA는 패터닝 공정을 거친 제 1 및 2 기판 상에 슬릿(19)을 형성해야 하므로 상기의 제조방법 중 화소 전극(18)과 공통 전극(14)을 패터닝하여 슬릿(19)을 형성한다. 여기서 슬릿 각(슬릿경계선과 기판이 이루는 각)은 90°로 하고, 단위 화소 영역내 공통 전극(14)엔 하나의 슬릿을 형성하고, 화소 전극(19)엔 두 개의 슬릿을 형성한다. 그리고, 슬릿(19)에 의해 전기장 인가시 액정분자의 배열 방향이 결정되기 때문에 배향막 도포는 하되, 러빙공정은 생략한다.
도 1에서와 같이, 문턱치 이상의 전압을 인가하면 초기 배향이 수직이었던 액정 분자는 제 1 및 2 기판의 슬릿(19)에 의해서 슬릿을 중심으로 화소전극(18) 방향으로 평행하게 기울어진다. 그런데, C 영역은 제 1 기판(11)의 슬릿에 의한 영향도 동시에 받기 때문에 A 영역과 다른 주시야각 방향을 형성하므로 B 영역과 D 영역이 같고 A 영역과 C 영역이 같아지게 된다. 즉, 단위 화소 영역은 2영역으로 분할되어 2도메인을 형성한다.
도 2에서와 같이, LFIVA(Lateral Field Induced Vertical Alignment)도 PVA처럼 수직배향 광시야각 기술을 적용하지만, 제 1 및 2 기판 상에 슬릿을 형성시키는 것과 달리 제 2 기판(25)상의 화소 전극(28)에만 슬릿(29)을 형성하고, 대향하는 제 1 기판(21) 상의 공통전극(24)에는 배향막을 도포하여 Y축 방향으로 러빙 처리하여 배향 방향을 결정해준다.
이 구조는 화소 전극(28)의 슬릿(29)에 의해 생기는 측면 전계(lateral field)와 공통 전극(24)과 화소 전극(28) 사이에 수직 전계를 동시에 생기게 함으로써 단위 화소 영역내에서 각 하나의 슬릿(29)을 중심으로 2도메인을 구현하는데, 전압이 걸리지 않았을 때에는 액정(20)분자의 장축이 배향막 평면에 수직배열하고, 문턱치 이상의 전압이 걸리면 제 2 기판의 화소 전극(28) 상의 슬릿(29) 사이에 측면 전기장이 유도되어 제 2 기판 쪽의 액정 분자 장축이 배향막 평면쪽으로 눕게 된다.
도 2에서와 같이, 슬릿(29)을 사이에 두고 시계 방향으로 꼬인 액정배향구조와 반시계 방향으로 꼬인 액정배향구조가 연속적으로 나타나 단위 화소내 2방향의 주시야각 방향을 보이는데, 이로 인해 계조 반전이 서로 보상되므로 단일도메인에 비해서 투과율, 응답특성, 시야각이 좋다.
그러나 상기와 같은 기존의 멀티도메인 액정표시소자는 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 기존의 PVA는 4도메인을 구현하기 위해서 제 1 및 2 기판의 투명도전막 상에 슬릿 패턴 공정을 추가해야 하므로 공정이 다소 복잡하다.
둘째, 기존의 LFIVA는 제 1 기판 상의 배향막을 러빙하므로, 먼지나 정전기에 따른 수율 저하를 초래한다.
셋째, 기존 LFIVA는 액정 분자가 갭(gap)방향에 대해서 트위스트가 충분히 크지 않기 때문에 편광축 방향과의 각도에 따라서 투과도가 민감하게 감소한다.
넷째, 기존 LFIVA는 2도메인으로 방향에 대한 의존도를 가지고 있어 시야 방향에 따라 색과 콘트라스트 비가 달라진다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 공정을 단순화시키고 시야각, 투과도를 향상시키는 멀티도메인 액정표시소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 PVA를 설명하기 위한 단면도.
도 2는 종래 기술에 따른 LFIVA를 설명하기 위한 단면도.
도 3a 내지 3b는 본 발명에 따른 액정표시소자를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 경사진 슬릿을 포함하는 화소 전극의 평면도.
도 5는 본 발명에 따른 편광축 각도와 휘도의 괸계를 나타내는 그래프
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명
30 : 액정층 31 : 제 1 기판
34 : 공통 전극 35 : 제 2 기판
38 : 화소 전극 39 : 슬릿
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 멀티도메인 액정표시소자는 대향하는 제 1 기판과 제 2 기판, 상기 제 1 기판 위의 블랙 매트릭스와 컬러필터층과 공통 전극, 상기 제 2 기판을 복수의 화소 영역으로 나누는 복수의 데이터 라인과 게이트 라인, 상기 각각의 화소에 위치하여 게이트 전극, 게이트 절연막, 반도체층, 소스/드레인 전극, 보호막, 복수의 슬릿을 포함하는 화소 전극으로 이루어져 형성된 박막 어레이 그리고, 상기한 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 형성된 액정층으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 멀티도메인 액정표시소자를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3a 내지 3b는 본 발명에 따른 액정표시소자를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 경사진 슬릿을 포함하는 화소 전극의 평면도인데, 도 3b와 도 4에서 실선 화살표는 상,하 전극에 전기장이 인가된 후의 제 1기판 위 액정의 정렬 방향을, 점선 화살표는 제 2 기판 위 액정의 정렬 방향을, 이중선 화살표는 주시야각 방향을 나타낸다.
상기의 액정표시소자를 제조하기 위해서 슬릿 패터닝 공정은 제 2기판(35)에만 이루어지며 이 때, 제 2기판(35)의 슬릿(39) 경사각은 종전의 수직형태와 다르게 경사지게 한다. 그리고, 대향하게 합착된 2개의 기판(31,35) 사이에 액정(30)을 주입할 때는 기존의 네마틱 액정에 카이랄 도펀트를 적량 혼합된 액정을 주입함으로써 원하는 액정표시소자를 만든다.
이런 방식으로 액정표시소자를 제조하여 전압을 인가하게 되면 도 3a에서와 같이 액정 분자의 장축이 각 기판면에 수직이 되도록 초기 배향되어 있다가 도 3b와 같이 된다. 전기장 인가시 제 2 기판(35) 상의 액정분자가 슬릿 경계에 수직한 방향으로 정렬되고, 제 1 기판(31) 상의 액정분자는 카이랄 도펀트의 양에 의해 정렬 방향이 결정된다. 이렇게 하여 슬릿(39)을 중심으로 4도메인(영역G,H,J,K)이 되는데, 궁극적으로는 4도메인 사이의 I,L과 같은 중간 영역들이 있어 4도메인 이상의 멀티도메인을 형성하게 된다(도 4참조).
이 때, 슬릿의 경계조건을 이용하면 슬릿의 경사각 θ,θ'와 액정의 총 트위스트 각 Θ와 주시야각 Ψ,Ψ'의 관계식을 다음과 같이 구할 수 있다.
ⅰ)왼쪽 슬릿 경계선
Ψ= θ+ 90°- Θ/ 2
Ψ=135°인 경우
θ- Θ/ 2 = 45° ----- ①
ⅱ)오른쪽 슬릿 경계선
Ψ'= θ'+ 90°- Θ/ 2'
Ψ'=135°인 경우
θ'+ Θ/ 2 = 45° ----- ②
①,②로부터
θ+θ'= 90°
θ'= 90°- θ> 0° ----- ③
②,③으로부터
Θ= 2θ- 90°≥0°
θ≥45° ----- ④
③,④로부터
45°≤ θ < 90° 0°≤ Θ < 90 °
이와 같은 범위에서 가장 효율적인 4-도메인 VA로 동작하게 된다. 위의 계산에서 주시야각을 135°로 고정한 이유는 편광판이 0°,90°의 구성이므로 최대 투과도를 얻기 위해서는 주시야각 방향이 편광축과 45°의 각을 이루어야 하기 때문이다. 예를 들어 θ가 30°라면 θ'는 60°이고 총 트위스트 각 Θ는 30 °가 되어야 최대투과도를 얻는다. 트위스트 각은 0∼90°정도로, 바람직하게는 30∼80°정도가 적당하다.
즉, 적정량의 카이랄 도펀트로 액정의 피치(pitch)를 적당히 조절하여 전기장 인가시 제 1 기판 상의 액정 분자의 정렬 방향을 조절할 수 있는데, 정렬된 트위스트 각으로 원하는 트위스트각이 되는 슬릿각을 구할 수 있다.
상기한 도펀트 양은 0.1∼1.0wt%이고, 0.3∼0.8wt%가 바람직하다.
만일 슬릿의 경사각이 도 4에서와 같다면, 사다리꼴 형태의 화소전극이 연속적으로 배치된 단위 화소 영역내 주시야각 방향이 4도메인이 되어 멀티도메인이 구현된다.
따라서, 슬릿의 경사각, 액정의 카이랄 도펀트 양 및 액정의 트위스트 각을 조절함으로써 단위 화소내에서 액정의 주시야각 방향을 조절하여 멀티도메인이 구현된다.
참고적으로, 도 5는 셀 갭이 4.0㎛일 때, 편광축 각도에 따른 휘도를 나타낸 그래프로써, 트위스트각이 90°일 때 편광축 각도에 따른 휘도의 변화가 없음을 알 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 멀티도메인 액정표시소자는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 한 쪽 기판에만 슬릿 패터닝 공정을 하고, 러빙 공정을 하지 않기 때문에 공정을 단순화시키고 더불어 비용 절감의 효과를 가진다.
둘째, 이 구조에서 사용되는 액정은 트위스트되어 있으므로 기존 LFIVA에 비해서 편광축 방향과의 각도에 따른 투과율의 변화가 적다.
셋째, 기존 LFIVA는 2도메인이지만 본 발명은 하나의 화소를 주시야각이 각각 다른 4개의 도메인으로 나누어 4개 방향에서의 계조 표시 반전이 서로 보상되게 하므로 보다 넓은 시야각을 가진 액정표시소자를 얻을 수 있다.

Claims (8)

  1. 대향하는 제 1 기판과 제 2 기판;
    상기 제 2 기판을 복수의 화소 영역으로 나누는 복수의 데이터 라인과 게이트 라인;
    상기 각 화소 영역에 일정각으로 상기 기판의 법선 방향으로부터 경사진 복수개의 슬릿을 갖고 형성되는 화소 전극;
    상기한 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 형성된 액정층으로 이루어진
    멀티도메인 액정표시소자.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 각 데이터 라인과 게이트 라인의 교차 부위에 박막트랜지스터가 더 구성되는 것을 특징으로 하는 멀티도메인 액정표시소자.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 액정은 카이랄 도펀트를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티도메인 액정표시소자.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 카이랄 도펀트는 0.1∼1.0wt%인 것을 특징으로 하는 멀티도메인 액정표시소자.
  5. 제 1항에 있어서, 제 1 및 제 2 기판 상에 배향막이 더 구성된 것을 특징으로 하는 멀티도메인 액정표시소자.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 배향막은 배향 처리하지 않는 것을 특징으로 하는 멀티도메인 액정표시소자.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 슬릿은 사다리꼴 모양인 것을 특징으로 하는 멀티도메인 액정표시소자.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 슬릿의 경사각은 45∼90°인 것을 특징으로 하는 멀티도메인 액정표시소자.
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