KR200233899Y1 - 액정셀의 두께 공차가 큰 티에프티 액정표시소자 - Google Patents

Abstract

본고안은 액정셀의 두께의 공차(cell gap tolerance)가 큰 액정표시소자에 관한 것이다. 종래의 액정표시소자는 액정셀의 두께(cell gap)를 균일하게 유지하려고, 시일(seal)재와 액정셀 내부에 간극재(spacer)를 두었다. 시일재에 들어간 간극재는 그라스 파이버로 재질이 유리이고, 액정셀 내부에 들어간 간극재는 플라스틱 수지로 만든 구 형태로, 외부의 압력이나 힘에 대하여 모양이 변하는 탄성체이다. 액정셀 내부에 들어가는 플라스틱 수지의 간극재는 액정의 배향과 투과율 및 명암대비율 등의 화질 특성에 나쁜 영향을 준다. 본고안에서는 액정셀 내부에 간극재가 없거나 또는 빛이 차단되는 영역에만 간극재를 두는 액정표시소자에 관한 것이다. 그러나 플라스틱 수지로 만든 간극재가 들어가지 않는 경우에, 액정셀의 두께의 균일도가 많이 떨어져, 액정셀 위치마다 계조별 화면의 밝기가 많은 차이가 났다. 본고안에서는 간극재가 없거나 또는 간극재를 노광공정을 이용하여 빛이 차단되는 영역에 있는 액정셀에서, 슬릿패턴이나 플로팅 전극을 화소전극 또는 공통전극에 두어, 액정셀 두께에 따른 계조별 투과율 차이를 최소화 하였다. 본고안은 액정셀 두께의 공차를 완화하여 수율이 높은 액정표시소자를 실현할 수 있다.

Description

액정셀의 두께 공차가 큰 티에프티 액정표시소자{TFT LCD with Wide Cell Gap Tolerance}

본고안은 액정셀의 두께의 공차(cell gap tolerance)가 큰 액정표시소자에 관한 것이다.

도1은 TFT 액정판넬의 단면도이다. 도2는 TFT 액정판넬의 전극의 평면도이다. 신호선(20)과 주사선(21)이 모든 화소마다 교차되어 있다. TFT 액정판넬의 동작원리는 다음과 같다. 각 화소에 있는 TFT의 게이트전극(11)은 주사선에, 소스전극(8)은 신호선에, 드레인전극은 화소전극(5)에 각각 연결되어 있다. 공통전극(6)과 화소전극 사이에는 액정층(4)이 있다. 액정층에 전압을 걸어주는 전극(5,6) 위에는 액정을 균일하게 배열하도록 배향막(3,3')이 입혀져 있다. 선택기간에는 주사선에 연결된 게이트전극에 신호선보다 높은 전압이 걸려, 드레인전극과 소스전극 사이의 채널의 연결저항이 작아져서, 신호선에 걸린 전압이 화소전극을 통해 액정층에 걸린다. 비선택기간에는 주사선에 연결된 게이트전극에 신호선보다 낮은 전압이 걸려, 드레인전극과 소스전극이 전기적으로 단절되어, 선택기간 동안 액정층에 축적된 전하가 유지된다. 주사선을 순차로 주사하면서 신호선을 통하여 각 화소전극을 충전하여 액정층에 전압을 걸어준다. 화소전극과 공통전극 사이의 액정층에 걸린 rms(root means square)전압을 조절하면, 편광판을 지나 선편광된 빛이 액정층을 지나면서 편광상태가 변하고, 이 빛을 검광판이 선택투과 시켜서 화소의 밝기로서 정보를 표시한다. 도2에서 화소전극(5) 안에 점선으로 표기된 부분은 실제로 빛이 투과하는 투과영역(12)이고, 투과영역에 대향하는 부분의 칼라필터기판(1)은 빛이 투과되고, 나머지 부분은 BM(Black Matrix)으로 가려서 빛을 차단한다. TFT 액정표시소자에서 칼라필터가 보통 공통전극(6)이 있는 유리기판에 있으므로, 공통전극이 있는 기판을 칼라필터기판(1)이라고 부르고, TFT가 만들어진 기판을 어레이 유리기판(2)이라고 부르기도 한다.

종래의 TFT 액정표시소자는 액정셀의 두께를 균일하게 유지하려고, 시일재(7)에도 간극재(14)를 두었고, 액정셀 내부에도 간극재(10)를 두었다. 도3은 액정셀에서 간극재의 위치를 나타내는 도면이다. 액정층(4)안에 간극재가 놓여있고, 시일재(7) 내에도 간극재(14)가 있다. 시일재에 들어간 간극재는 그라스 파이버 (glass fiber)로 재질이 유리이고, 액정셀 내부에 들어간 간극재는 플라스틱수지로 만든 구 형태로 외부 압력이나 힘에 대하여 모양이 변하는 탄성체이다. 플라스틱 수지로 된 간극재(10)는 액정셀 공정에서 유리기판 위에 뿌리기 때문에 놓인 위치를 제어 할 수 없다. 간극재는 어느 정도 직경에 분산이 있기 때문에, 액정셀 내부에 들어가는 간극재는 플라스틱 수지를 써야, 외부 힘에 대하여 변형이 있어 액정셀 두께를 비교적 정밀하게 조절할 수 있다. 또한 간극재는 액정과 열팽창계수가 비슷해야 온도의 변화에 대하여 액정에 기포가 생기는 것을 막을 수 있다. 액정셀 내부에 있는 간극재가 액정보다 열팽창 계수가 크면 고온에서 액정셀 내부에 기포가 생길 수 있고, 반대로 액정보다 작으면 저온에서 액정셀 내부에기포가 생길 수 있다.

액정셀 안의 간극재는 주위 액정 배향에 불안정을 주고, 간극재가 뭉쳐있는 경우에는 화소의 표시불량이 되고, 또한 해상도가 큰 경우에는 간극재가 차지하는 부분이 크기 때문에 명암대비율과 밝기 등의 화질 특성에 나쁜 영향을 준다. 본고안은 액정셀 내부에 간극재가 없거나 또는 빛이 차단되는 영역에만 간극재를 두는 액정표시소자에 관한 것으로, 액정셀 내부에 플라스틱 수지로 된 간극재(10)가 없는 경우에는 액정셀의 두께 편차가 크다. 특히 계조별 투과율 차이가 매우 크기 때문에 수율이 낮다. 본 고안은 액정셀 내부에 간극재가 없거나 또는 빛이 차단되는 영역에만 간극재를 두는 액정표시소자에서 액정셀 두께에 따른 계조별 화면의 밝기의 차이를 줄인 것이다.

도 1 TFT 액정판넬의 단면도이다.

도 2 TFT 액정판넬의 전극의 평면도이다.

도 3 액정셀에서 간극재의 위치도이다.

도 4 신호선 위에 간극재를 둔 액정셀의 단면도이다.

도 5 도4의 간극재를 만드는 공정도이다.

도 6 칼라필터 공정을 이용한 간극재의 단면도이다.

도 7 본고안의 TFT 액정판넬의 단면도이다.

도 8 슬릿패턴이 들어간 TFT 액정판넬의 화소전극의 평면도이다.

도 9 플로팅전극이 들어간 TFT 액정판넬의 화소전극의 평면도이다.

도 10 슬릿패턴의 전압분포를 구하는 설명도이다.

도 11 본고안의 액정셀 갭에 따른 각 계조별 상대 밝기 변화율이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 공통전극 기판 2 어레이 기판 3 배향막 4 액정층

5 화소전극 6 공통전극 10 간극재 12 투과영역20 신호선 50 슬릿패턴 60 플로팅전극

본고안에서는 간극재가 없거나 또는 간극재를 노광공정을 이용하여 빛이 차단되는 영역에 두는 경우에 슬릿패턴(50)이나 플로팅 전극(60)을 이용하여 액정셀 두께에 따른 계조별 투과율 차이를 최소화 하였다.

2인치 미만의 화소의 피치가 25㎛ 이하의 고해상도 TFT 액정판넬이나 LCOS(Liquid Crystal On Silicon)에서는 액정셀 내에 간극재를 뿌리지 않고, 시일재 내부에 있는 간극재(14)로 액정셀의 두께를 조절하기도 한다. 또한 대형 TFT LCD의 경우에는 도4와 같이 액정셀 안의 신호선(20)이나 주사선 위의 비표시 영역 위에 간극재(13)를 노광공정으로 만들기도 한다. 도5는 도4의 간극재를 만드는 공정도의 한 예이다. 신호선 또는 주사선이 피막된 어레이 유리기판 위에 광감성(photo active) 유기막(30)을 입히고, 노광마스크로 노광하여, 신호선이나 주사선 위의 화소의 비투과 영역에 간극재를 만든다. 도4와 같이 간극재를 만들면 화소의 투과영역(12)에는 간극재가 없으므로, 명암대비율과 밝기가 우수하나 공정이 추가되는 문제가 있다.

칼라필터를 만드는 과정에서 간극제를 만들 수 있다. 도6은 칼라필터 제작 공정에서 만든 간극재의 단면도이다. 빨간색 칼라필터(15)과 초록색 칼라필터(16) 그리고 파란색 칼라필터(17)가 칼라필터기판 위에 형성되어 있다. 칼라필터 공정에서 만든 간극재는 도6의 18와 같이 빨간색 칼라필터가 제일 밑에 형성되어 있고, 그 위에 초록색 칼라필터, 그리고 맨 위에 파란색 칼라필터가 차례로 적층된 구조이다. 칼라필터는 빨간색과 초록색 그리고 파란색은 연속하여 노광공정으로 만드는데, 간극재 부분은 3 칼라필터 층이 적층된 구조이다. 칼라필터를 만드는 과정에서 칼라필터를 계속 적층하여 간극재를 만든다.

액정셀의 두께의 공차를 완화하려면 화소전극(5)이나 공통전극(6)에 슬릿패턴(50) 또는 플로팅 전극(60)을 둔다. 도7은 화소전극에 슬릿패턴을 둔 TFT 액정판넬의 단면도이다. 도7은 도1과 화소전극의 모양만 다르고, 나머지 다른 부분은 같다. 도7의 화소전극의 평면도는 도8에 나타나 있다. 슬릿패턴(50)은 화소전극을 식각(etching)한 것으로, 액정공정에서 배향막으로 채워진다. 도9는 슬릿패턴 대신에 플로팅 전극(60)이 들어간 TFT 액정판넬의 화소전극의 평면도이다.

슬릿패턴에서의 전압 분포는 간단한 유도할 수 있다. 도10은 슬릿패턴의 전압분포를 구하는 설명도이다. 슬릿패턴 A 위치에 매우 작은 미세 전극이 있다고 가정한다. 미세전극 주위에는 여러 전압분포(V1, V2, V3....)를 갖는 전극이 놓여있고, 각각의 전극과 미세전극이 이루는 축전용량(capacitance; C1, C2, C3...)을 알고 있으면, A 부분의 유도 전압 V(A)는 아래 식으로 구할 수 있다.

도9처럼 화소전극 내부에 플로팅 전극(60)이 있는 경우에도 플로팅 전극에 유도전압은 플로팅전극과 주변 전극이 이루는 축적용량을 계산하여 (1)식으로 알 수 있다.

TN 모드나 ECB형 액정모드를 적용한 액정셀의 투과율은 액정판넬의 Δnd의 함수이다. 도10에서 V1과 V3를 화소전극의 전압, V2를 공통전극의 전압이라고 가정한다. A의 미세전극 부분의 전압분포가 화소전극의 전압분포(V1,V3;V1=V3)와 다르면 그 차이에 해당하는 전압의 수평전기장이 A영역과 화소전극 사이에 걸린다. 액정셀의 두께가 줄어들면 미세전극과 공통전극 사이의 축전용량 C2가 커지므로 슬릿패턴 A곳의 전압 V(A)는 공통전극의 전압분포 쪽으로 이동하고, 반대로 액정셀의 두께가 커지면 축적용량 C2가 작아져 V(A)는 화소전극의 전압분포 쪽으로 움직인다. 액정의 유전율 이방성이 양이고, 측면전기장과 수직전기장이 동시에 걸려있는 경우, 측면전기장이 세지면 액정분자는 수평으로 배향하려는 힘이 강해지고, 반대로 측면전기장이 약해지면 액정분자는 수직으로 배향하려는 힘이 강해진다. 이것을 액정의 굴절율 이방성(Δn)의 변화로 바꾸어보면, 액정셀의 두께(d)가 줄어들면 수평전기장이 커져서 액정의 굴절률 이방성은 커지고, 반대로 액정셀의 두께(d)가 커지면 수직전기장 성분이 커지므로 굴절률 이방성은 작아진다. 따라서 액정셀의 투과율은 Δnd의 함수인데, Δn과 d가 서로 반대 방향으로 움직이므로, 슬릿패턴이나 플로팅전극이 화소전극 안에 있는 경우에, 액정셀의 두께 변화에 대한 Δnd의 변화가 줄어들어 결과적으로 투과율 변화가 적어져, 액정셀의 두께의 공차를 완화할 수 있다.

액정셀 내부에 간극재가 없거나 또는 간극재를 노광공정을 이용하여 빛이 차단되는 영역에 두는 경우에는 액정셀 두께를 정밀하게 제어하는 것이 매우 어렵다. 플라스틱 간극제가 있는 경우에는 간극제가 외부 힘에 대하여 어느 정도 변형되어 액정셀의 두께를 균일하게 유지되지만, 액정셀 내부에 간극제가 없거나, 또는 칼라필터막이나 기타 유기막으로 간극제를 만드는 경우에는 공정에 따라서 액정셀의 편차가 매우 크다. 그러한 경우 화소전극이나 또는 공통전극에 슬릿패턴이나 플로팅 전극을 두면, 전압이 걸린 상태에서 어느 정도 액정셀의 두께에 따른 화면의 밝기의 차이를 줄일 수 있다.

도11은 슬릿패턴의 폭이 없는 경우와, 슬릿패턴의 단축방향의 폭과 슬릿패턴 사이 화소전극의 단축의 폭이 4㎛이고, 액정셀의 두께가 4㎛인 경우에, 액정셀의 두께에 따른 계조별 투과율 차이이다. 액정셀의 모드는 TN이고 액정의 굴절율 이방성은 0.12, 유전률 이방성은 4이고, 스프레이(splay) 탄성계수와 트위스트(twist) 탄성계수 그리고 밴드(bend) 탄성계수는 각각 12pN과 8pN과 18pN이었다. (가)는 액정셀의 두께가 4.4㎛이고 슬릿패턴이 없는 경우이고, (나)는 액정셀의 두께가 3.6㎛이고 슬릿패턴이 없는 경우이고, (다)는 액정셀의 두께가 4.4㎛이고 슬릿패턴이 있는 경우이고, (라)는 액정셀의 두께가 3.6㎛이고 슬릿패턴이 있는 경우이다. 밝은 계조에서는 슬릿패턴이 있는 경우와 없는 경우 차이가 별로 없으나, 화면이 어두운 낮은 계조로 갈수록 슬릿패턴이 있는 경우가 액정셀의 두께의 편차에 따라서 휘도(또는 밝기)의 변화량이 적은 것을 알 수 있다.

본고안에서는 간극재가 없거나 또는 간극재를 노광공정을 이용하여 빛이 차단되는 영역에 두는 경우에 슬릿패턴이나 플로팅 전극을 이용하여 액정셀 두께에 따른 계조별 투과율 차이를 최소화 하였다. 본고안은 액정셀 두께의 공차를 완화하여 수율이 높은 액정표시소자를 실현할 수 있었다.

Claims (4)

1. 화소마다 TFT 소자가 놓여있고, 액정셀 내부에 니메틱 액정이 주입되어있고, 액정의 유전율 이방성이 양이고, 화소전극(5)의 투과영역(12) 부분에 간극재(10,13,18)가 없고, 화소전극(5) 또는 공통전극(6) 가운데 최소한 한 곳에 슬릿패턴(50)이 있거나 또는 플로팅 전극(60)이 있는 것을 특징으로하는 액정표시소자.
2. 제1항에 있어서 간극재가 시일제(14)에만 있는 것을 특징으로하는 액정표시소자.
3. 제1항에 있어서 간극재가 빛이 투과되지 않는 부분에 유전막(30)을 노광공정을 이용하여 형성된 것을 특징으로하는 액정표시소자.
4. 제1항에 있어서 간극재가 칼라필터 기판(1)에 다층의 칼라필터 막으로 형성된 것을 특징으로하는 액정표시소자.