KR20020066874A - 횡전계모드 액정 표시장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액정표시장치에 관한 것으로, 동영상을 구현하기 위해 충분한 응답특성을 가지며, 광시야각과 선명한 대비비(contrast ratio)를 가지는 횡전계방식 액정표시장치(In plane switching mode LCD)의 구성에 관한 것이다.
전술한 액정층의 응답특성을 개선하기 위해, 본 발명에 따른 액정분자의 초기 러빙방향은 전계 인가방향에 대해 45o비틀려 구성된다. 즉, 상부기판과 하부기판에 근접한 액정분자의 분자축(장축)이 이루는 각은 상기 전계인가 방향을 중심으로 평면적으로 각각 45o와 -45o를 이루도록 구성한다.
이와 같이 하면, 응답특성이 빨라져 동영상 구현이 가능한 액정표시장치를 제작할 수 있으며, 액정패널의 상부에 소정의 트위스트 각을 가지는 고분자 필름을 광학보상용 필름(optical compensating film)으로써 더욱 구성하여 저 전압 구동으로 선명한 화질을 가지는 액정패널을 제작 할 수 있다.

Description

횡전계모드 액정 표시장치{In Plane Switching mode Liquid crystal display device}
본 발명은 화상 표시장치(Image display device)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor : TFT)를 포함하는 액정표시장치(Liquid Crystal Display : LCD)에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 액정표시장치의 액정을 구동하는 제 1 및 제 2 전극이 동일한 기판에 형성된 횡전계 방식(In-Plane Switching : 이하 IPS 모드라 칭함)의 액정표시장치에 관한 것이다.
일반적으로 액정표시장치의 구동원리는 액정의 광학적 이방성과 분극성질을 이용한다. 상기 액정은 구조가 가늘고 길기 때문에 분자의 배열에 방향성을 가지고 있으며, 인위적으로 액정에 전기장을 인가하여 분자배열의 방향을 제어할 수 있다.
따라서, 상기 액정의 분자배열 방향을 임의로 조절하면, 액정의 분자배열이 변하게 되고, 광학적 이방성에 의하여 편광된 빛이 임의로 변조되어 화상정보를 표현할 수 있다.
이러한 액정은 전기적인 특성분류에 따라 유전율 이방성이 양(+)인 포지티브액정과 음(-)인 네거티브 액정으로 구분될 수 있으며, 유전율 이방성이 양인 액정분자는 전기장이 인가되는 방향으로 액정분자의 장축이 평행하게 배열하고, 유전율 이방성이 음인 액정분자는 전기장이 인가되는 방향과 액정분자의 장축이 수직하게 배열한다.
현재에는 박막 트랜지스터와 상기 박막 트랜지스터에 연결된 화소전극이 행렬 방식으로 배열된 능동행렬 액정표시장치(Active Matrix LCD : AM-LCD)가 해상도 및 동영상 구현능력이 우수하여 가장 주목받고 있다.
일반적으로 액정표시장치를 구성하는 기본적인 부품인 액정 패널의 구조를 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 일반적인 TN 액정 표시장치의 일부를 나타낸 분해사시도이다.
도시한 바와 같이, 일반적인 컬러 액정표시장치는 블랙매트릭스(6)와 서브컬러필터(적,녹,청)(8)를 포함한 컬러필터(7)와 컬러필터 상에 투명한 공통전극(18)이 형성된 상부기판(5)과, 화소영역(P)과 화소영역 상에 형성된 화소전극(17)과 스위칭소자(T)를 포함한 어레이배선이 형성된 하부기판(22)으로 구성되며, 상기 상부기판(5)과 하부기판(22) 사이에는 액정(14)이 충진되어 있다.
상기 하부기판(22)은 어레이기판이라고도 하며, 스위칭 소자인 박막트랜지스터(T)가 매트릭스형태(matrix type)로 위치하고, 이러한 다수의 박막트랜지스터를 교차하여 지나가는 게이트배선(13)과 데이터배선(15)이 형성된다.
상기 화소영역(P)은 상기 게이트배선(13)과 데이터배선(15)이 교차하여 정의되는 영역이다. 상기 화소영역(P)상에 형성되는 화소전극(17)은 인듐-틴-옥사이드(indium-tin-oxide : ITO)와 같이 빛의 투과율이 비교적 뛰어난 투명도전성 금속을 사용한다.
전술한 바와 같이 구성되는 액정표시장치는 상기 화소전극(17)상에 위치한 액정층(14)이 상기 박막트랜지스터(T)로부터 인가된 신호에 의해 배향되고, 상기액정층의 배향정도에 따라 상기 액정층(14)을 투과하는 빛의 양을 조절하는 방식으로 화상을 표현할 수 있다.
상술한 액정표시장치는 즉, 상기 공통전극(18)과 상기 화소전극(17)을 통해 상-하로 걸리는 전기장에 의해 액정을 구동하는 방식으로, 투과율과 개구율 등의 특성이 우수하며, 상부패널의 공통전극이 접지역할을 하게 되어 정전기로 인한 액정셀의 파괴를 방지할 수 있다.
도 2a와 도 2b는 상기 TN(Twisted nematic) 액정패널의 전압인가시 액정(14)의 동작을 도시한 도면으로, 도 2a는 전압 무인가시의 TN 액정패널의 액정의 배열을 도시한 도면이다. 이 때, 상기 액정(14)은 유전성이방성이 양(+)이고, 배향방향으로부터 평면적으로 보아 상, 하 액정이 90o로 꼬인 수평적 배열상태를 갖는다.
도 2b는 상/하 기판에 전압을 인가했을 때의 액정분자의 배열상태를 도시한 도면으로, 상기 상/하 기판에 전압을 인가하면, 상기 90o로 꼬인 액정분자(14)는 전기장의 방향으로 재배열하게 되어 액정분자의 극값은 대체로 90°가 된다.
따라서 시야각에 따른 대비비(contrast ratio : C/R)와 휘도의 변화가 심하게 되어 광시야각을 구현할 수 없게 되는 문제점이 있다.
도 3은 이러한 수직 전기장에 의한 시야각의 문제를 해결하기 위해 제안된 IPS모드 액정표시장치의 구성을 도시한 도면으로, 기판(30) 상에 화소전극(34)과 공통전극(36)이 동일 평면상에 형성되어 있다. 즉, 액정(14)은 상기 동일 기판상에 상기 화소전극(34)과 공통전극(36)의 수평 전계(35)에 의해 작동한다. 상기액정층(14) 상에는 컬러필터 기판(32)이 형성되어 있다.
도 4a와 도 4b는 IPS 모드에서 전압 온/오프시 액정분자 배열의 변화를 나타내는 도면으로, 도 4a와 같이, 화소전극(34) 또는 공통전극(36)에 전계(35)가 인가되지 않은 오프상태에서는 액정분자 배열의 변화가 일어나지 않고 있음을 보이고 있다.
도 4b는 상기 화소전극(34)과 공통전극(36)에 전압이 인가되었을 때 액정 분자배열의 변화를 도시한 도면으로, 횡전계(35)가 형성되고, 횡전계의 분포와 거의 평행하게 액정분자가 배열함을 알 수 있다.
도 5a와 도 5b는 상기 공통전극과 화소전극에 전기장의 인가여부에 따른 액정의 분자배열상태를 평면적으로 도시한 도면으로, 도 5a는 상기 공통전극(34)과 화소전극(36)에 전압이 인가되지 않았을 경우에는 액정분자의 배열방향(41)은 초기 배향막(미도시)의 배열방향과 동일한 방향으로 배열된다.
도 5b는 화소전극(34)과 공통전극(36)에 전압이 인가될 때 액정분자의 배열방향(41a)을 도시한 도면으로, 전기장이 인가되는 방향(35)으로 액정분자가 배열함을 알 수 있다.
상기 IPS 모드의 장점은 전기장인가시 각 액정의 극값의 변화가 작으므로 광시야각이 가능하다는 것이다. 즉, 액정표시장치를 정면에서 보았을 때, 상/하/좌/우 방향으로 약 70°방향에서 가시할 수 있다는 것이다.
전술한 바와 같은 동작특성을 보이는 횡전계 방식 액정표시장치는 두 가지 형태로 구성할 수 있다.
첫 번째 형태는 상부기판에 근접한 액정분자는 전계인가 방향에 대해 평행하게 구성하고, 하부기판에 근접한 액정분자는 전계인가 방향에 대해 수직하게 구성되도록 비틀림 각을 가진 액정층을 포함하는 구성이다.
이와 같은 구성은 하부기판 쪽 계면부근의 액정분자를 약 90o로 회전시키지 않으면 안되기 때문에 구동전압이 10V 이상으로 매우 높아야 한다.
그렇지 않으면 상기 액정층을 통과한 빛에 복굴절이 발생하게 되어 휘도가 저하되는 문제가 발생한다.
더욱이, 전술한 바와 같은 액정의 구성은 전압을 인가하였을 경우인 전압 상승시간(rising time)은 어느 정도 빨리 할 수 있으나, 전압의 공급이 중단되었을 때의 하강시간(falling time)은 상기 액정분자가 90도 되돌아오지 않으면 안되기 때문에 빨라도 40ms이상이 걸려야 한다.
이와 같은 하강속도는 동화상을 구현하기 위해 충분한 시간이라 볼 수 없다.
두 번째 형태로는 상기 액정층의 액정분자의 초기 배향이 상 하부기판의 계면에서 대략 동일한 구성이다.
즉, 전압 무인가시에는 상기 액정층의 분자배열은 비틀림이 없는 균등한 배열을 하게 된다.
이와 같은 액정분자의 구성을 가지는 액정층에 전계를 인가하게 되면, 상기 액정분자는 전계의 방향으로 약 45도 회전하게 된다.
이와 같은 동작특성은 상기 제 1 형태에 비해 상기 전계 방향에 대한 액정분자를 약 45o만큼만 회전하도록 하면 되므로 저 전압 구동이 가능한 장점이 있다.
그러나, 이러한 구성의 액정층의 응답특성은 액정층의 두께에 크게 의존한다.
즉, 액정층의 두께가 작을수록 상기 응답특성이 좋아진다.
그러나, 상기 액정층의 두께를 줄이는 것은 한계가 있으며, 액정층의 두께를 줄이기 위해 상부기판과 하부기판의 합착된 갭을 줄이게 되면 두 기판사이에 액정을 충진하기 위한 시간이 너무 많이 걸리므로 생산수율이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 상기 액정셀 갭의 한계치를 고려하였을 경우, 상기 두 번째 형태의 IPS모드 액정표시장치의 응답특성 또한 동영상을 구현하기 위해 충분하지 않다.
이하, 도 6내지 도 10을 통해 종래의 IPS모드 액정표시장치의 색특성에 대해 알아본다.
도 6은 상기 IPS 모드 액정 표시장치의 시야각에 따른 색좌표의 특성으로 좌/우, 상/하, 45o, 135o의 각에 따른 특성을 도시한 도면이다.
상기 IPS 모드는 광시야각의 장점은 있으나, 표준 백색광(0.329, 0.333)에서 시야각에 따라 색변이가 일어나는 것을 알 수 있다. 이는 액정의 복굴절특성에 기인하고, 엔도(S.Endow) 등이 발표한 "광시야각과 20 ms의 빠른 응답속도를 갖는 18.1인치의 액정표시장치"(Advanced 18.1-inch Diagonal Super-TFT-LCDs with Mega Wide Viewing Angle and Fast Response Speed of 20ms : IDW 99' 187page)에서도 이 문제를 지적하고 있다.
한편, 도 7은 일반적인 액정 표시장치의 계조를 8단계로 구분하여 각 계조에서 시야각에 따른 투과도를 도시한 도면으로, 정면에서 투과도가 0 %의 계조를 표현할 때, 좌/우측의 시야각이 60o가 되는 영역에서는 투과도가 약 25 %정도로 제 4 레벨의 계조를 표현할 때보다도 투과도가 큼을 알 수 있다.
즉, 다시 설명하면, 암 상태를 표시하는 1 레벨의 계조는 정면에서는 암상 태를 표시하나, 좌/우 시야각이 약 60o정도 되면 계조반전이 발생하여 약 4레벨에 해당하는 계조반전(grey inversion)이 발생하여 암 상태가 아닌 백 상태가 된다.
상기와 같은 현상을 계조반전이라 하며, 이러한 현상은 액정의 복굴절특성에 기인한 것으로 각 계조 레벨간의 투과도의 역전현상이 존재하게 되어 고품위의 액정표시장치를 구현하는데 문제점이 있다.
이와 같이, 중간계조에서 밝기의 불균일이 발생하는 원인은 액정 자체의 복굴절 특성에 기인한다.
즉, 액정 표시장치에서 완전한 암 상태를 표시하기 위해서는 두 장의 편광판 사이에 복굴절이 0이 되어야 하나, 액정의 자체 특성이 복굴절로 동작하는 광학계(optical system)이기 때문에 이를 보상하기 위해서는 값은 반대이고 크기는 동일한 복굴절을 갖는 새로운 계(system)를 만들면 된다.
이를 위해 종래에는 동일한 화소영역 내에 크기는 같고 방향은 반대인 적어도 2개의 도메인(domain)을 형성하여 액정의 복굴절을 보상하는 방법을 사용하면 된다. 이하 도 8a 와 8b를 참조하여 복굴절을 보상하는 방법에 대해 설명한다.
도 8a와 도 8b는 일반적인 액정 표시장치와 2 도메인을 갖는 액정 표시장치의 시야각에 따른 복굴절의 차이를 도시한 도면으로, 서로 다른 방향으로 배열되는 2 도메인 액정 표시장치의 경우 한 방향의 복굴절 값을 다른 도메인이 보상하기 때문에 시야각에 따른 계조반전의 현상이 줄어들게 된다.
즉, 도 8a는 한 도메인을 갖는 액정 표시장치의 단면을 도시한 도면으로, a, b, c의 위치에서의 복굴절 값은 각각 다르게 된다. 따라서, 도 8a에 도시된 한 도메인을 갖는 액정 표시장치에서는 필연적으로 시야각에 따른 화질특성의 저하가 발생하게 된다.
도 8b는 한 화소영역에 두개의 도메인을 형성한 액정 표시장치의 단면을 도시한 도면으로, 제 1 액정분자의 a1의 복굴절 값은 제 1 액정 분자와 반대방향으로 분자배열을 취하는 제 2 액정 분자의 a2의 복굴절 값이 보상하게 되어(결과적으로 복굴절 값이 약 0이 된다) 시야각에 따른 화질의 저하가 작게 된다.
따라서, 이러한 복굴절 보상을 위한 전극형태가 제안되었으며, 이하 도 9에서는 공통전극과 화소전극이 헤링본 형상(herringbone shape)으로 구성된 IPS모드 액정표시장치를 예를 들어 설명한다.
도 9는 종래의 헤링본 형상(herring bone shape)으로 구성된 IPS모드 액정표시장치용 어레이기판의 일부 화소를 도시한 확대 평면도이다.
(헤링본 형상은 ">" 또는"<"의 형상이 상하좌우로 연속하여 구성되는 형태를 말한다.)
도시한 바와 같이, 어레이기판(51)은 화소영역(P)을 매트릭스 형태로 정의하는 다수의 게이트배선(53)과 데이터배선(55)으로 구성된다.
상기 인접한 게이트배선(53)사이에는 공통배선(54)이 구성된다.
상기 게이트배선(53)과 데이터배선(55)이 교차하는 부분에는 게이트전극(57)과 반도체층(59)과, 소스전극(61)과 드레인전극(63)으로 구성된 박막트랜지스터(T)가 구성된다.
상기 다수의 게이트배선(53)은 크롬(Cr)과 같은 금속물질로 형성되며, 소정의 갭을 두고 서로 평행하게 구성된다.
상기 화소영역(P)은 공통전극(65)과 화소전극(67)으로 구성된다.
이러한 구성에서, 상기 공통전극(65)은 상기 공통배선(54)에서 상/하로 인접한 게이트배선(53)으로 각각 돌출 연장된 제 1 공통전극(65a)과 제 2 공통전극(65b)으로 구성된다.
상기 공통전극(65)사이에는 절연막(미도시)을 사이에둔 화소전극(67)이 위치한다.
상기 화소전극(67)은 상기 게이트배선의 상부에 가로방향으로 구성된 제 1 전극(67a)과, 상기 제 1 전극(67a)의 일측에서 하부로 수직하게 연장되어 그 끝이 상기 반도체층(59)의 일측과 겹쳐지고, 상기 소스전극(61)과 대응하여 구성된 제 2 전극(67b)과, 상기 제 1 전극(67a)의 타측에서 수직하게 연장된 제 3 전극(67c)으로 구성된다.
이때, 상기 제 2 전극(67b)중 상기 반도체층(59)의 일측과 겹쳐진 부분은 드레인전극(63)이 된다.
이와 같은 구성에서, 상기 제 1 전극(67)은 상기 게이트배선(53)과 함께 절연막(미도시)을 사이에 두고 형성되어 스토리지 용량부(C)를 형성한다. 상기 스토리지 용량부(C)는 상기 화소영역(P)에 인가된 전압을 유지하는 역할을 한다.
전술한 바와 같은 구성에서, 상기 공통배선(54)에서 돌출된 제 1 공통전극(54a)과 제 2 공통전극(54b)은 상기 공통배선(54)에 대해 각각 5o정도의 각을 이룬다.
즉, 상기 공통전극(65a,65b)은 단일 화소영역(P)내에서 상기 공통배선(51)에 대해 ">"와 같은 형태가 연속으로 구성된 헤링본 형상(herring bone)으로 구성된다.
상기 공통전극(65a,65b)과 소정간격 평행하게 구성된 화소전극(67b,67c) 또한 헤링본 형상으로 구성하며, 상기 데이터배선(55)또한 상기 공통배선(54)을 기준으로 구부러진 헤링본 형상으로 구성한다.
이와 같은 구성은 상기 화소영역을 상기 공통배선을 중심으로 제 1 영역(D)과 제 2 영역(E)으로 나누는 결과를 가진다.
상기 공통전극(65)과 화소전극(67) 사이에 전계가 인가되면, 상기 제 1 영역(D)과 제 2 영역(E)에 위치한 액정분자(69a,69b)의 방향은 각각 인가된 전계의 방향에 따라 움직이거나 회전하게 된다.
즉, 상기 제 1 영역(D)에 위치한 액정분자 중 상기 공통배선(54)과 근접한부분에 위치한 액정분자(69a)의 방향은, 상기 제 2 영역(E)중 상기 공통배선(54)과 근접한 부분에 위치한 액정분자(69b)의 배향방향과 반대이다.
이와 같은 형상은, 상기 도 8b의 구성과 유사하게 액정분자의 배향 방향이 서로 대칭성을 가지도록 정의한 구조이다.
전술한 바와 같이 서로 대칭성을 가지는 멀티도메인 구조로 인해 액정배향 방향에 따른 복굴절을 서로 상쇄시켜 색반전(color shift)현상을 최소화하고, 계조반전이 없는 영역을 넓힐 수 있다.
색특성을 개선하기 위한 또 다른 방법으로 IPS모드 액정표시장치의 상측 또는 하측에 별도의 보상필름을 구성하는 것이다.
도 10은 종래의 IPS모드 액정표시장치의 단면도이다.
도시한 바와 같이, 어레이기판(71)과 상부 컬러필터기판(73)과, 상기 두 기판(71,73)사이에 충진된 액정층(LC layer)(75)과, 상기 상부 컬러필터 기판(73)의 상부에 트위스트 배향된 액정 보상셀(77)로 구성된다.
상기 어레이기판(71)은 투명한 절연기판(79)상에 다수의 화소영역(P)을 정의하고, 각 화소영역(P)마다 스위칭 소자인 박막트랜지스터(T)와 화소전극(81)과 공통전극(83)을 구성한다.
상기 박막트랜지스터(T)와 화소전극(81)과 공통전극(83)이 구성된 기판(79)의 상부에는 소정의 방향으로 러빙방향(rubbing direction)이 정의된 제 1 배향막(85)을 형성한다.
상기 제 1 배향막(85)이 형성된 투명한 절연기판(79)의 하부에는 제 1 편광판(polarizer)(87)을 구성한다.
상기 어레이기판(71)에 소정간격 대응하여 구성되는 상기 컬러필터 기판(77)은 투명한 절연기판(89)에 상기 어레이기판(71)에 정의된 화소영역(P)에 대응하여 적/녹/청의 각 컬러필터(91)를 형성한다.
상기 컬러필터(91)상부에는 표면을 평탄화하기 위해, 투명한 유기물질을 도포하여 평탄화막(over coating film)(93)을 형성한다.
상기 평탄화막(93)의 상부에는 제 2 배향막(95)을 형성한다.
상기 컬러필터 기판(73)의 상부에는 앞서 언급하였던 트위스트 배향된 액정 보상셀(77)을 구성한다.
다음으로, 상기 액정 보상셀(77)의 상부에는 제 2 편광판(100)을 구성한다.
상기, 액정 보상셀(77)은 액정(97)을 사용하여 형성할 수 있으며, 이때 에는 상기 액정의 피치(pitch)를 조절하여 형성하는 방법으로 광학보상 효과를 극대화한다.
전술한 바와 같이 액정을 이용하여 보상셀을 형성할 경우에는 별도의 상/하부 기판(98,99)을 사용하여 각각의 마주보는 면에 배향막(미도시)을 형성한 후, 상기 두 기판(98,99)의 사이에 액정(97)을 충진하여 구성하게 되므로 공정이 매우 복잡하다.
또한, 기판의 외측에 보상필름을 더욱 구성해야 하므로 공정이 복잡해진다.
따라서, 전술한 바와 같은 액정의 응답특성 문제와 색특성 문제를 해결하여 동영상구현과 선명한 대비비를 가지기 위한 본 발명에 따른 IPS모드 액정표시장치는 전계인가 방향에 대해 45o의 비틀림각을 가지는 액정을 사용하는 동시에 광학보상용 필름인 고분자 필름을 더욱 구성한다.
이와 같이하여, 광시야각과 동영상을 구현하며 색 특성이 개선된 IPS모드 액정표시장치를 제작하는데 그 목적이 있다.
도 1은 일반적인 TN 액정표시장치의 일부를 도시한 분해 사시도이고,
도 2a와 도 2b는 TN 모드 액정표시장치의 동작을 도시한 도면이고,
도 3은 일반적인 IPS 모드 액정표시장치의 한 화소부에 해당하는 단면을 도시한 도면이고,
도 4a와 도 4b는 각각 오프 상태(off state)와 온 상태(on state)일 때 IPS 모드 액정표시장치의 동작을 나타내는 사시도이고,
도 5a와 도 5b는 일반적인 IPS 모드 액정 표시장치의 동작을 나타낸 평면도이고,
도 6은 일반적인 IPS 모드 액정표시장치의 시야각에 따른 색좌표를 도시한 도면이고,
도 7은 일반적인 IPS모드 액정 표시장치의 각 계조에 따라 시야각에 따른 투과도를 도시한 도면이고,
도 8a와 도 8b는 일반적인 IPS모드 액정 표시장치와 2 도메인을 갖는 액정 표시장치의 시야각에 따른 복굴절의 차이를 도시한 도면이고,
도 9는 종래의 헤링본(herringbone)방식으로 구성된 IPS모드 액정표시장치용 어레이기판의 일부 화소를 도시한 확대 평면도이고,
도 10은 종래의 IPS모드 액정표시장치의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 11은 본 발명에 따른 IPS모드 액정표시장치의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 12는 본 발명의 제 1 실시예에 따라 상기 각 구성요소를 설계한 평면도이고,
도 13은 본 발명의 제 2 실시예에 따라 상기 각 구성요소를 설계한 평면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 어레이기판 112 : 컬러필터기판
114 : 고분자 필름 115 : 액정층
116 : 화소전극 118 : 공통전극
119 : 제 1 배향막 121 : 제 1 편광판
123 : 컬러필터 125 : 평탄화막
127 : 제 2 배향막 129 : 제 2 편광판
131 : 수평전계(횡전계)
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 IPS모드 액정표시장치는 공통전극과 화소전극이 소정간격 이격되어 구성되는 화소영역과, 화소영역의 일 측에 박막트랜지스터가 구성된 제 1 기판과; 상기 화소전극과 공통전극과 박막트랜지스터의 상부에 구성되고, 러빙방향이 X축과 45o를 이루는 제 1 배향막과; 상기 제 1 기판의 하부에 구성되고 투과축이 X축과 평행한 제 1 편광판과;
상기 제 1 배향막의 상부에 형성된 액정층과; 상기 액정층의 상부에 구성되고, 러빙방향이 상기 제 1 배향막의 러빙방향과 수직을 이루는 제 2 배향막과; 상기 제 2 배향막의 상부에 구성된 제 2 기판과; 상기 제 2 기판의 상부에 구성된 트위스트 배열된 고분자 필름과; 상기 고분자 필름의 상부에 구성되고, 투과축이 상기 제 1 편광판의 투과축과 수직을 이루는 제 2 편광판을 포함한다.
상기 고분자 필름은 카이랄 도펀트(chiral dopant)가 포함된다.
상기 액정층은 상기 제 1 기판과 제 2 기판에 근접한 액정분자가 상기 제 1 배향막과 제 2 배향막의 러빙방향과 평행하도록 비틀림각을 가진다.
본 발명의 다른 특징에 따른 IPS모드 액정표시장치는 공통전극과 화소전극이 소정간격 이격되어 구성되는 화소영역과, 화소영역의 일 측에 박막트랜지스터가 구성된 제 1 기판과; 상기 화소전극과 공통전극과 박막트랜지스터의 상부에 구성되고, 러빙방향이 X축과 45o를 이루는 제 1 배향막과; 상기 제 1 기판의 하부에 구성되고 투과축이 X 축과 450를 이루는 제 1 편광판과; 상기 제 1 배향막의 상부에 형성된 액정층과; 상기 액정층의 상부에 구성되고, 러빙방향이 상기 제 1 배향막의 러빙방향과 수직을 이루는 제 2 배향막과; 상기 제 2 배향막의 상부에 구성된 제 2 기판과; 상기 제 2 기판의 상부에 구성된 트위스트 배열된 고분자 필름과; 상기 고분자 필름의 상부에 구성되고, 투과축이 상기 제 1 편광판의 투과축과 수직을 이루는 제 2 편광판을 포함한다.
도 11은 본 발명의 특징에 따른 IPS모드 액정표시장치의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
앞서 간략히 설명한 본 발명에 따른 IPS모드 액정표시 장치는 개략적으로 하부 어레이기판(110)과 상부 컬러필터기판(112)과, 상기 두 기판(110, 112)사이에 충진된 액정층(LC layer)(115)과, 상기 상부 컬러필터 기판(112)의 상부에 구성된 트위스트 배향된 고분자 필름(114)으로 구성한다.
상기 어레이기판(110)은 투명한 절연기판(119) 상에 다수의 화소영역(P)을 정의하고, 각 화소영역(P)마다 스위칭 소자인 박막트랜지스터(T)와 화소전극(116)과 공통전극(118)을 구성한다.
상기 화소전극은 소스/드레인전극과 동일층에 형성할 수도 있다.
상기 박막트랜지스터(T)와 화소전극(116)과 공통전극(118)이 구성된 기판(110)의 상부에는 소정의 방향으로 러빙방향(rubbing direction)이 정의된 제 1 배향막(117)을 형성한다.
상기 제 1 배향막(117)이 형성된 투명한 절연기판(119)의 하부에는 제 1 편광판(polarizer)(121)을 구성한다.
상기 어레이기판(110)에 소정간격 대응하여 구성되는 상기 컬러필터 기판(112)은 투명한 절연기판(113)에 상기 각 어레이기판(110)에 정의된 화소영역(P)에 대응하여 적/녹/청의 각 컬러필터(123)를 형성한다.
상기 컬러필터(123)상부에는 표면을 평탄화하기 위해, 투명한 유기물질을 도포하여 평탄화막(over coating film)(125)을 형성한다.
상기 평탄화막(125)의 상부에는 제 2 배향막(127)을 형성한다.
상기 컬러필터 기판(112)의 상부에는 앞서 언급하였던 트위스트 배향된 고분자 필름(114)과 제 2 편광판(129)을 구성한다.
전술한 구성에서 상기 액정층(115)은 상기 화소전극(116)과 공통전극(118)간에 분포하는 전계인가 방향(131)에 대해, 상기 제 2 배향막(127)에 근접한 액정분자(115a)는 45o를 이루고, 상기 제 1 배향막(119)에 근접한 액정분자(115b)는 -45o를 이루도록 구성한다. 따라서, 전압 무인가시에는 상기 컬러필터 기판(112)에 근접한 액정(115a)과 상기 하부 어레이기판(110)에 근접한 액정(115b)은 약 90도의 비틀림을 가지는 배열이 된다.
전술한 바와 같은 액정분자는 종래와는 달리 인가된 횡전계의 방향과 평행하게 되려면 상기 두 기판의 계면의 액정분자를 각각 약 45도만 회전시키면 되므로, 낮은 전압으로 액정을 구동할 수 있다.
상기와 같은 액정층은 액정층의 중심에 대해서 45도 비틀린 액정층이 적층된 형태로 되어 기판간 갭(gap)이 약 절반으로 되는 것과 같다.
일반적으로 액정층의 응답속도는 액정층의 두께가 좁아질수록 응답속도가 빨라지고, 액정층 두께의 제곱에 반비례하는 속도를 가진다.
이러한 원리에 따라, 본 발명에 따른 액정층은 약 4 배정도의 빠른 응답속도를 가지게 된다. 또한, 종래와는 달리 액정분자가 45o만큼만 회전하므로 응답속도는 더욱 빨라지게 된다.
상기 보상필름(compensating film)은 보다 낮은 구동전압으로 높은 대비비를 가지는 효과를 위해 구성한다.
상세히 설명하면, 낮은 전압으로 구동하게 되면 상기 두 기판에 근접한 액정분자는 배향막과의 엔커링 에너지에 의해 강하게 배열되므로, 두 기판에 근접하게 구성된 액정분자는 인가된 전계에 대해 강한 영향을 받지 못한다.
결과적으로, 빛은 액정층을 통과하면서 상기 기판에 근접한 액정분자에 의해 복굴절이 발생하게 된다. 따라서 복굴절을 상쇄하기 위한 방법으로 광학보상용 고분자 필름(114)을 더욱 구성하는 것이다.
상기 고분자 필름은 러빙된 배향막이 형성된 기판에 스핀코팅(spin coating) 또는 롤러코팅(roller coating)방식을 이용하여 고분자 용액(polymer solution)을 도포하여 형성한다.
상기 고분자 용액은 비틀림 특성을 가지는 카이랄 도펀트(chiral dopant)를 포함하며, 이러한 카이랄 도펀트를 가지는 고분자 필름은 비틀림 특성을 가지게 된다.
상기 비틀림 각은 상기 카이랄 도펀트의 농도와 이를 포함한 상기 고분자 필름의 광화학적 특성을 이용하여 제어할 수 있는데, 예를 들면 상기 초기 비틀림 각이 90o인 고분자 필름을 소정의 강도를 가지는 빛에 노출하게 되면 상기 비틀림 각이 90o이하로 낮아진다.
따라서, 이와 같은 광화학적 반응을 이용하여 상기 고분자 필름의 비틀림 각을 제어하면 된다.
전술한 바와 같은 고분자 필름(114)의 광화학적 특성은 논문(App. Phys., Vo 85, No. 11, 1 June 1999)에 자세히 기재되어 있다.
이러한 고분자 필름은 종래의 비틀림 액정으로 제작한 트위스트 필름과 동일한 광학적 보상효과를 가지며, 액정으로 보상셀을 제작하는 것보다 훨씬 더 간단한공정으로 제작할 수 있는 장점이 있다.
상기 고분자 필름(114)은 컬러필터 기판(112)과 어레이기판(110)을 합착한 후에 상기 컬러필터 기판(112)의 상부에 형성해도 되며, 상기 컬러필터 기판(112)을 제작하는 공정 중 형성한 후, 상기 고분자 필름(114)이 구성된 컬러필터 기판(112)과 어레이기판(110)을 합착할 수도 있다.
전술한 구성에서, 빛의 편광특성에 관여하는 구성요소는 제 1, 제 2 편광판(121, 129)과, 제 1, 제 2 배향막(117, 127)과, 액정층(115)과, 트위스트 배향된 고분자 필름(114)이다.
본 발명에 따른 IPS모드 액정표시장치는 상기 각 편광판(121, 129)의 투과축(polarizing axis)이 이루는 각과, 상기 각 배향막(117, 127)이 이루는 러빙방향과, 상기 액정층(115)을 구성하는 액정모드를 아래의 제 1 예와 제 2 예에 따라 설계하여 구성한다.
-- 제 1 실시예 --
도 12는 본 발명의 제 1 실시예에 따라 상기 각 구성요소를 설계한 평면도이다.
(X축은 0o이고, Y축은 X축에 대해 90o를 이룬다.)
도시한 바와 같이, 제 1 편광판(121)의 투과축(121a)은 X축과 평행하게 구성하고, 상기 제 2 편광판 (129)은 투과축(129a)이 상기 제 1 편광판(121)의 투과축(121a)과 90o를 이루도록 구성한다. 상기 제 1 배향막(117)의 러빙방향(119a)은 상기 X축과 45o를 이루도록 구성하고, 상기 제 2 배향막(127)의 러빙방향(127a)은 상기 X축과 -45o를 이루도록 구성하여, 상기 제 1 배향막과 상기 제 2 배향막의 러빙방향이 서로 90o를 이루도록 구성한다.
상기 트위스트 배향된 고분자 필름(114)의 트위스트각(twisted angle)은 상기 액정층(115)의 비틀림각과 동일한 값을 가지도록 구성한다.
전술한 바와 같은 구성으로 설계된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정표시장치는 노멀리 화이트모드(normally white mode)로 구동하며, 저전압 구동으로 빠른 응답특성과 함께 넓은 시야각 범위에서 선명한 이미지의 화상을 표현할 수 있게 된다.
상기 제 1 실시예에 따라 구성된 액정표시장치는 고분자 필름(114)의 위상차(dΔn)와 상기 액정층의 위상차를 제어하여 노멀리 블랙모드(normally black mode)로 구동하는 것 또한 가능하다.
이하, 도 13을 참조하여 본 발명에 따른 제 2 실시예를 설명한다.
-- 제 2 실시예 --
이하, 도 12는 본 발명의 제 2 예에 따라 상기 각 구성요소를 설계한 평면도이다.
도시한 바와 같이, 상기 제 1 편광판(121)의 투과축(121a)은 X축에 대해 45O를 이루도록 구성하고, 제 2 편광판(129)은 투과축(129a)이 상기 제 1 편광판의 투과축과 수직을 이루도록 구성한다.
이때, 상기 제 1 배향막(117)과 제 2 배향막(127)의 러빙방향(119a, 127a)은 상기 제 1 편광판(121)과 상기 제 2 편광판(129)의 투과축 방향과 각각 평행하게 구성한다.
또한, 상기 트위스트 배향된 고분자 필름(114)의 비틀림각은 상기 배향막(119, 127)의 방향과 동일하게 배열된 비틀림 액정(115)의 비틀림각과 동일하게 구성한다.
이와 같이 구성된 액정표시장치는 전압을 인가하지 않았을 경우에 화면이 블랙상태(black)가 되고, 전압을 인가하게 되면 백색(white)으로 구동하는 노멀리 블랙모드(normally black mode)로 동작하게 된다.
이때, 상기 액정층(115)의 위상차는 기판의 전 면적에 대해 일정해야 하는 것이 일반적이지만 부분적으로 위상차가 다를 수 있다. 따라서 구동 액정층(115)의 임의의 갭에 대한 위상차의 변화가 발생하게 된다.
전술한 바와 같은 위상차의 변화를 낮추기 위해, 상기 고분자 필름(114)을 더욱 구성하게 되면, 상기 고분자 필름(114)의 위상차와 상기 액정층(115)의 전체의 위상차에 대해 상기 위상차의 변화분에 대한 비율이 작아지므로 선명한 블랙이 된다.
따라서, 생산상의 불균일, 특히 기판간의 갭 불균일에 대한 마진을 넓힐 수 있어 보다 안정적인 고 콘트라스트(high contrast) 특성을 보일 수 있다.
전술한 바와 같은 공정으로 본 발명에 따른 횡전계 방식 액정표시장치를 제작할 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따라 제작된 IPS모드 액정표시장치는 아래와 같은 특징이 있다.
첫째, 비틀림 액정을 사용하여 액정의 응답시간을 더욱 빠르게 구성할 수 있으므로 동영상의 표현이 가능한 효과가 있다.
둘째, 보상필름을 더욱 구성하여, 대비비(contrast ratio)를 더욱 개선하는 효과가 있다.
셋째, 상기 보상셀을 액정으로 구성하지 않고 고분자 필름을 트위스트 배향하여 사용하였기 때문에 공정을 단순화 할 수 있다.

Claims (6)

  1. 공통전극과 화소전극이 소정간격 이격되어 구성되는 화소영역과, 화소영역의 일 측에 박막트랜지스터가 구성된 제 1 기판과;
    상기 화소전극과 공통전극과 박막트랜지스터의 상부에 구성되고, 러빙방향이 X축과 45o를 이루는 제 1 배향막과;
    상기 제 1 기판의 하부에 구성되고 투과축이 X축과 평행한 제 1 편광판과;
    상기 제 1 배향막의 상부에 형성된 액정층과;
    상기 액정층의 상부에 구성되고, 러빙방향이 상기 제 1 배향막의 러빙방향과 수직을 이루는 제 2 배향막과;
    상기 제 2 배향막의 상부에 구성된 제 2 기판과;
    상기 제 2 기판의 상부에 구성된 트위스트 배열된 고분자 필름과;
    상기 고분자 필름의 상부에 구성되고, 투과축이 상기 제 1 편광판의 투과축과 수직을 이루는 제 2 편광판
    을 포함하는 IPS모드 액정표시장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 필름은 카이랄 도펀트(chiral dopant)가 포함되어 구성된 IPS모드 액정표시장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 액정층은 상기 제 1 기판과 제 2 기판에 근접한 액정분자가 상기 제 1 배향막과 제 2 배향막의 러빙방향과 평행하도록 비틀림각을 가지고 구성된 IPS모드 액정표시장치.
  4. 공통전극과 화소전극이 소정간격 이격되어 구성되는 화소영역과, 화소영역의 일 측에 박막트랜지스터가 구성된 제 1 기판과;
    상기 화소전극과 공통전극과 박막트랜지스터의 상부에 구성되고, 러빙방향이 X축과 45o를 이루는 제 1 배향막과;
    상기 제 1 기판의 하부에 구성되고 투과축이 X 축과 45o를 이루는 제 1 편광판과;
    상기 제 1 배향막의 상부에 형성된 액정층과;
    상기 액정층의 상부에 구성되고, 러빙방향이 상기 제 1 배향막의 러빙방향과 수직을 이루는 제 2 배향막과;
    상기 제 2 배향막의 상부에 구성된 제 2 기판과;
    상기 제 2 기판의 상부에 구성된 트위스트 배열된 고분자 필름과;
    상기 고분자 필름의 상부에 구성되고, 투과축이 상기 제 1 편광판의 투과축과 수직을 이루는 제 2 편광판
    을 포함하는 IPS모드 액정표시장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 고분자 필름은 카이랄 도펀트(chiral dopant)가 포함되어 구성된 IPS모드 액정표시장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 액정층은 상기 제 1 기판과 제 2 기판에 근접한 액정분자가 상기 제 1 배향막과 제 2 배향막의 러빙방향과 평행하도록 비틀림각을 가지고 구성된 IPS모드 액정표시장치.
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