KR20030007960A - 감소된 가시적인 결함을 제공하는 스페이서를 구비한 액정디스플레이 디바이스 - Google Patents

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피터 예이. 엠. 잔센
조지 아. 맬닉
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

정상-화이트 모드(normally-white mode) 반사성 액정 디스플레이(LCD) 디바이스는, 디바이스의 콘트라스트 비율은 증가시키면서 가시적인 결함을 감소시키기 위해서, 픽셀 전극 사이의 좁은 픽셀간 간격과, 높은 스페이서 밀도로 상기 픽셀간 간격 내에 배치되는 매우 좁은 스페이서의 조합을 포함한다. 바람직하게는, 각각의 스페이서는 4개의 픽셀 전극의 코너로부터 거의 같은 거리에 위치한다. 또한, 유리하게는, 픽셀 전극의 폭 대 픽셀간 간격의 폭의 비율은 적어도 거의 10:1이다.

Description

감소된 가시적인 결함을 제공하는 스페이서를 구비한 액정 디스플레이 디바이스{LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE HAVING SPACERS WITH REDUCED VISIBLE ARTIFACTS}
반사성 LCD 디바이스는 널리 알려져 있다. 그러한 디바이스, 및 특히 액티브 매트릭스 디바이스의 예는 미국 특허 제 6,023,309호 및 6,052,165호에 도시되어 있다. 다음의 설명과 관련해서는, 그러한 디바이스의 종래 특징을 익히 알고 있다는 것이 가정될 것이고, 따라서 본 발명에 관계되는 특징만이 설명될 것이다.
도 1은 전형적인 종래 기술의 반사성 LCD 디바이스(100)의 일부분을 나타내고 있고, 도 2는 종래 기술의 반사성 LCD 디바이스(100)의 일부분에 대한 평면도를 나타내고 있다. 반사성 LCD 디바이스(100)는, 해당 부분에, 실리콘 기판(110), 절연 층(112), 액정(LC) 층(114), ITO(indium-tin-oxide)와 같은 투명 전극(116), 및 투명(예컨대 유리) 층(118)을 포함한다. 반사성 미러(픽셀) 금속 층(120)이 절연 층(112) 상에 있는 액정 층(114)의 아래 부분에 제공된다. 미러 금속 층(120)은복수의 개별적인 반사성 픽셀 전극(120a)을 포함한다. 셀 간격, 즉 픽셀간 간격 영역(122)이 픽셀 전극(120a) 사이에 위치된다.
또한, 절연 층(112) 내에서 미러 금속 층(120)과 기판(110)의 사이에는 차광 금속 층(124)과 라우팅 금속 층(routing metal layer)(128 및 130)이 제공된다. 금속 층(128 및 130)은 서로 직교하는 행 및 열 라인을 형성하는데, 상기 라인은 밑에 있는 기판(110) 내에 제작되어 있는 픽셀 소자를 위한 MOS 트랜지스터(도 1에 미도시되었음)의 게이트 및 소스 전극에 연결될 수 있다. 또한, 차광 금속 층(124)과 제 3 및 제 4 금속 층(128, 130)의 여러 부분을 서로 연결하기 위해서 금속 플러그(132)가 제공된다.
반사성 LCD 디바이스(100)에서는 광 마스크(light mask)가 사용되지 않는다. 그러나, 투명 전극(116)과 투명 층(118)을 지지하고 액정 층(114)에 간격을 제공하기 위해서 복수의 스페이서나 기둥(134)이 제공된다.
도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 스페이서(134)는 반사성 LCD 디바이스(100)에서 픽셀 전극(120a) 사이에 산발적으로 배치되어 있다. 종래 기술의 디바이스(100)에서, 픽셀 전극(120a)의 전형적인 폭 "P"는 10 ㎛일 수 있고, 셀 간격(122)의 전형적인 폭 "G"는 5 ㎛일 수 있다. 즉, 픽셀 크기 대 셀 간격의 비율은 거의 2:1이다.
그러나, 종래 기술의 반사성 LCD 디바이스(100)에서는, 스페이서(134)가 아래에서 설명될 바와 같이 디스플레이에서 바람직하지 않은 가시적인 결함(visible artifact)을 발생시킨다.
도 3a 및 도 3b는 스페이서(134) 가까이에 위치한 액정 셀에서 평면 정렬된 LC 결정 분자의 예를 예시하고 있다. 반면에, 도 3c 및 도 3d는 스페이서(134) 가까이에 위치한 액정 셀에서 수직 정렬된 LC 결정 분자의 예를 예시하고 있다.
도 3a 및 도 3b는 스페이서(134)가 특히 종래 기술의 "정상-블랙(normally-black)" 모드 LCD 디바이스에서 바람직하지 않은 가시적인 결함을 발생시키게 하는 메커니즘을 설명하기 위해서 이후로 사용될 것이다. "정상-블랙" 모드 LCD 디바이스에서는, 어떠한 전계도 픽셀 전극에 인가되지 않을 때, 액정 셀은 블랙 픽셀을 디스플레이하기 위해서 턴 오프 되며, 전계가 픽셀 전극에 인가될 때, 액정 셀은 화이트 픽셀을 디스플레이하기 위해서 턴 온 된다.
도 3a는 어떠한 전계도 액정 셀에 인가되지 않을 때 액정 셀에서 평면 정렬된 LC 분자의 광 축의 지향성(orientation)을 예시하고, 도 3b는 전계가 셀에 인가될 때 동일한 액정 셀에서 LC 분자의 광 축의 지향성을 예시하고 있다. 어떠한 전압도 평면 정렬된 LC 층에 인가되지 않는 경우에, LC 분자는 노출된 표면에 평행하게 자체 정렬하는 경향이 있다. 그러므로, 도 3a에 도시된 바와 같이, 어떠한 전압도 셀에 인가되지 않는 경우에, LC 분자는 액정 셀의 상단 및 하단 표면과 정렬하는 경향이 있다. 즉 밑에 있는 픽셀 전극(120a)의 상단 표면 및 위에 있는 투명 전극(116)의 하단 표면과 평행하게 정렬하는 경향이 있다. 그와 대조적으로, 도 3b에 도시된 바와 같이, 전계가 액정 셀에 인가될 때, LC 분자는 전계와 평행하게 자체 정렬하는 경향이 있다. 즉 밑에 있는 픽셀 전극의 상단 표면 및 위에 있는 투명 전극의 하단 표면에 수직하도록 자체 정렬하는 경향이 있다.
도 3a에서 분명히 알 수 있는 바와 같이, 바로 옆에 있는 스페이서의 왜곡 효과로 인해서, 어떠한 전계도 액정 셀에 인가되지 않을 때는, LC 분자 정렬은 비균일하다. 즉, 액정 셀의 가장자리 가까이에 있는 LC 분자는 바로 옆에 있는 스페이서(134)의 양쪽으로 정렬되어 셀에서 LC 분자 지향성의 왜곡을 발생시키는 경향이 있다. 정상-블랙 모드 디바이스에서, 일부 광은 LC 분자의 지향성이 왜곡되는 영역 가까이에 있는 픽셀 전극에 의해서 반사되어, 디스플레이의 블랙 레벨이 보다 덜 블랙으로 되게 한다. 이것은 디스플레이에서 감소된 콘트라스트 비율을 발생시키고, 또한 반사성 LCD 디바이스에서의 스페이서(134) 배치에 따른 가시적인 패턴의 결함을 발생시킨다.
따라서, 감소된 가시적인 결함과 증가된 콘트라스트 비율을 제공하는 스페이서를 구비한 반사성 액정 디스플레이 디바이스를 제공하는 것이 바람직할 것이다. 다른 그리고 추가적인 목적 및 장점이 이후로 나타날 것이다.
본 발명은 LCOS(liquid crystal on silicon) 디바이스와 같은 LCD(liquid crystal display) 디바이스 분야에 관한 것으로, 더 상세히 말하자면, 그러한 LCD 디바이스를 위해 통합된 스페이서의 배치에 관한 것이다.
도 1은 종래 기술의 반사성 액정 디스플레이(LCD) 디바이스의 일부분에 대한 간단한 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 반사성 LCD 디바이스의 일부분에 대한 평면도.
도 3a 내지 도 3d는 액정 셀에서 LC 분자의 광 축의 여러 지향성을 예시하는 도면.
도 4는 본 발명의 하나 이상의 양상에 따라 통합된 스페이서를 구비하는 반사성 LCD 디바이스의 일실시예의 일부분에 대한 간단한 단면도.
도 5는 도 4에 도시된 반사성 LCD 디바이스의 일부분에 대한 평면도.
그러므로, 본 발명의 목적은 감소된 가시적인 결함과 증가된 콘트라스트 비율을 제공하는 스페이서를 구비한 반사성 액정 디스플레이(LCD) 디바이스를 제공하는데 있다.
본 발명의 한 양상에 따라, 정상-화이트 모드 반사성 LCD 디바이스는 실리콘 기판과; 상기 기판 상의 절연 층과; 상기 절연 층 위에 있으면서 복수의 픽셀간 간격에 의해 분리되는 복수의 픽셀 전극과; 픽셀간 간격 내에 있는 복수의 스페이서를 포함하는데, 여기서, 상기 복수의 스페이서는 복수의 픽셀 전극과 숫자상으로거의 동일하다. 바람직하게는, 각각의 스페이서는 4개의 픽셀 전극의 각 코너로부터 거의 같은 거리에 위치된다. 또한, 유리하게는, 픽셀 전극의 폭 대 픽셀간 간격의 폭의 비율은 적어도 거의 10:1이다.
도 4는 본 발명의 하나 이상의 양상에 따른 반사성 LCD 디바이스(200)의 일부분에 대한 간단한 단면도를 도시하고 있고, 도 5는 종래 기술의 반사성 LCD 디바이스(200)의 일부분에 대한 평면도를 도시하고 있다. 명확히 하기 위해서, 본 발명에 관한 상기 디바이스의 그러한 부분들이 예시된다.
반사성 LCD 디바이스(200)는, 해당 부분에, 실리콘 기판(210)과, 그 기판(210) 위에 연속적으로 제공되는, 절연층(212)과, 액정 층(214)과, ITO(indium-tin-oxide)와 같은 투명 전극(216)과, 투명 (예컨대, 유리) 층(218)을포함한다. 액정 층(214)의 밑에 있는 절연 층(212) 상에는 제 1 금속 층(220)이 제공된다. 제 1 금속 층(220)은 복수의 개별적인 반사성 픽셀 전극(220a)을 포함한다. 셀 간격, 즉 픽셀간 간격 영역(222)은 픽셀 전극(220a) 사이에 위치된다. 또한, 차광용 제 2 금속 층(224)이 제 1 금속 층(220)과 기판(210) 사이에 제공된다. 제 3 및 제 4 금속 층(228 및 230)이 제 2 금속 층(224)과 기판(210) 사이에 제공된다. 제 2, 제 3, 및 제 4 금속 층의 여러 부분을 서로 연결하기 위해서 금속 플러그(232)가 제공된다.
유리 층(218)을 지지하고 액정 층(214)에 간격(gap)을 제공하기 위해서 복수의 통합된 스페이서(spacer)나 기둥(234)이 제공된다.
바람직한 실시예의 여러 관련된 특징에 대한 설명이 이제 설명될 것이다.
유리하게도, 반사성 LCD 디바이스(200)는 "정상-화이트(normally-white)" 모드 디바이스로서 동작한다. 즉, 어떠한 전계도 반사성 LCD 디바이스(200)의 액정 셀에 인가되지 않을 때는, 셀은 화이트 픽셀을 디스플레이하기 위해서 최대 강도의 광을 반사시킨다. 다른 한편으로, 전계가 정상-화이트 모드 액정 셀에 인가될 때는, 셀은 블랙 픽셀을 디스플레이한다. 정상-화이트 모드 디바이스에서, 바로 옆에 있는 스페이서(234)로 인한 액정 셀 또는 픽셀의 가장자리에서 LC 분자의 지향성의 임의의 왜곡이나 비균일성은 액정 셀이 블랙 상태일 때 그 액정 셀에서의 우세한 균일 전계로 인해 블랙 레벨에 최소의 영향을 미칠 것이다. 반면에, 어떠한 전계도 인가되지 않을 때 픽셀의 가장자리 가까이에 있는 LC 분자의 임의의 지향성의 왜곡이나 비균일성은 보다 덜 눈에 띄는 효과를 발생시키는데, 그 이유는 액정 셀이 화이트 상태에 있고, 광은 픽셀 전극(220a)으로부터 강하게 반사되기 때문이다. 그러므로, 정상-화이트 모드 반사성 LCD 디바이스는 더 큰 콘트라스트 비율을 나타낸다.
바람직하게는, LCD 디바이스(200)의 LC 층은 평면 정렬됨으로써, 어떠한 전계도 셀에 인가되지 않을 때, LC 분자는 일반적으로, 도 3a에 예시된 바와 같이, 셀의 상단 및 하단 노출 표면{즉, 밑에 있는 픽셀 전극(220a)의 상단 표면 및 위에 있는 투명 전극(216)의 하단 표면}과 평행하게 정렬된다. 반면에, 전계가 셀에 인가될 때, LC 분자는, 도 3b에 예시된 바와 같이, 전계에 실질적으로 평행하게(즉, 밑에 있는 픽셀 전극의 상단 표면과 위에 있는 투명 전극의 하단 표면에 실질적으로 수직하게) 정렬된다.
게다가, 도 5에 알 수 있는 바와 같이, 반사성 LCD 디바이스(200)에서 스페이서(234)가 셀 간격 영역(222)에 균일하게 배치되는 것이 유리한데, 스페이서(234) 각각은 4개의 픽셀 전극(220a)의 각 코너(corner) 사이에 거의 같은 거리만큼 떨어져서 위치한다. 유리하게는, 반사성 LCD 디바이스(200)는 픽셀당 거의 한 스페이서를 갖는 높은 스페이서 밀도를 갖는다. 전형적으로, 픽셀 크기는 디스플레이 뷰어(viewer)의 해상도(상분해도) 범위에 있도록 선택된다. 그러므로, 픽셀당 한 픽셀을 갖는 것과 같은 거의 한 스페이서의 높은 스페이서 밀도를 사용함으로써, 스페이서에 의해 발생되는 임의의 결함(artifact)이 일반적으로 너무 근접하여 뷰어에 의해서 분해될 수 없는 이격된 거리에서 발생한다. 따라서, 스페이서에 의해 발생되는 임의의 결함의 가시도가 감소된다.
LCD 디바이스(200)에서 4개의 픽셀 전극(200a)의 네 코너로부터 거의 같은 거리에 스페이서(234)를 배치함으로써, 스페이서는 4 개의 개별적인 액정 셀 각각으로부터 가능한 멀리 배치되고, 그로 인해 스페이서(234)에 의해 야기되는 셀 코너에서의 LC 분자의 지향성의 임의의 왜곡이나 비균일성을 감소시킨다.
유리하게는, LCD 디바이스(200a)에서, 픽셀 전극(220a)의 폭 "P"는 10 ㎛이며, 셀 간격(222)의 폭 "G"는 1 ㎛이다. 즉, 픽셀 폭 대 셀 간격 폭의 비율은 거의 10:1 이상인 것이 바람직하다. 감소된 셀 간격 폭으로 인해, 바로 옆에 있는 스페이서(234)로 인한 LC 분자 지향성의 왜곡이나 비균일성에 의해 영향을 받는 임의의 액정 셀의 아주 작은 부분이 감소된다.
바람직하게는, 통합된 스페이서(234)는, 원하는 높이까지 절연 층(212) 위에 코팅(예컨대, Si3N4;SiO2)을 균일하게 적용하고 통합된 스페이서(234)를 생성하기 위해 코팅된 물질을 에칭함으로써, 형성될 수 있다. 원하는 간격을 액정 층(214)에 제공하기 위해서 스페이서(234)의 높이가 선택된다. 일실시예에서, 스페이서(234)는 1 내지 2 ㎛의 높이를 가질 수 있다.
한편, 스페이서(234)는, 스페이서(234)로부터 네 개의 개별적인 액정 셀 각각까지의 거리를 증가시키고 스페이서(234)로 인한 셀 코너에서의 LC 분자의 지향성의 임의의 왜곡이나 비균일성을 감소시키기 위해, 폭이 좁게 되도록 또한 제작된다. 일실시예에서, 스페이서(234)는 0.6 ㎛의 폭을 가질 수 있다. 즉, 1 ㎛의 셀 간격 또는 픽셀간 간격에 대해서, 스페이서 폭 대 상기 스페이서가 위치한 셀 간격또는 픽셀간 간격의 폭의 비율은 거의 0.6 이하인 것이 바람직하다. 그러나, 스페이서는 도 5에 도시된 바와 같이 실질적으로 수직 방향으로 연장하는 픽셀간 간격의 교차점에 위치하는 것이 바람직하기 때문에, 스페이서 폭 대 상기 스페이서가 위치한 픽셀간 간격의 폭의 비율은 거의 1.0 이하만큼 커질 수 있다.
따라서, 바람직한 실시예에서는, 정상-화이트 모드 반사성 LCD 디바이스가 상기 디바이스의 콘트라스트 비율은 증가시키면서 가시적인 결함을 감소시키기 위해서, 좁은 픽셀간 간격과, 높은 스페이서 밀도(즉, 픽셀당 한 스페이서)로 픽셀간 간격 내에 배치되는 매우 좁은 스페이서의 조합을 사용한다.
비록 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 상세히 도시되고 설명되었지만, 세부사항에 있어 여러 변경이 청구항에 의해 정의된 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것을 당업자는 이해할 것이다.
상술된 바와 같이, 본 발명은 LCD 디바이스를 위해 통합된 스페이서의 배치에 이용가능하다.

Claims (19)

  1. 정상-화이트 모드(normally-white mode) 반사성 액정 디스플레이(LCD) 디바이스로서,
    실리콘 기판과;
    상기 기판 상의 절연 층과;
    상기 절연 층 위에 있으면서 복수의 픽셀간 간격에 의해 분리되는 복수의 픽셀 전극과;
    상기 픽셀간 간격 내에 있으면서, 상기 4개의 픽셀 전극으로부터 거의 같은 거리에 각각 위치해 있는 복수의 스페이서(spacer)를 포함하는데, 여기서,
    상기 복수의 스페이서는 상기 복수의 픽셀 전극과 숫자상으로 거의 동일하고,
    픽셀 전극의 폭 대 인접한 픽셀간 간격의 폭의 비율은 적어도 거의 10:1인, LCD 디바이스.
  2. 제 1항에 있어서, 각각의 스페이서는 상기 4개의 픽셀 전극 각각의 코너로부터 거의 같은 거리에 위치하는, LCD 디바이스.
  3. 제 1항에 있어서, 스페이서의 폭 대 상기 스페이서가 위치한 픽셀간 간격의 폭의 비율은 거의 1:1 보다 작은, LCD 디바이스.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 픽셀 전극 중 하나에 각각 대응하는 복수의 액정 셀을 더 포함하고,
    전계가 상기 픽셀 전극 중 하나에 인가될 때, 상기 대응하는 액정 셀의 액정 분자는 상기 픽셀 전극의 상단 표면에 실질적으로 수직하게 자체 정렬하는, LCD 디바이스.
  5. 정상-화이트 모드 반사성 액정 디스플레이(LCD) 디바이스로서,
    실리콘 기판과;
    상기 기판 상의 절연 층과;
    상기 절연 층 위에 있으면서 복수의 픽셀간 간격에 의해 분리되는 복수의 픽셀 전극과;
    상기 픽셀간 간격 내에 있는 복수의 스페이서를 포함하는데, 여기서,
    상기 복수의 스페이서는 상기 복수의 픽셀 전극과 숫자상으로 거의 동일한,
    LCD 디바이스.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 복수의 스페이서 각각은 상기 픽셀 전극 중 적어도 하나의 코너에 대응하는 상기 픽셀간 간격 내에 위치하는, LCD 디바이스.
  7. 제 5항에 있어서, 픽셀 전극의 폭 대 인접해 있는 픽셀간 간격의 폭의 비율은 적어도 거의 10:1인, LCD 디바이스.
  8. 제 5항에 있어서, 스페이서의 폭 대 상기 스페이서가 위치한 픽셀간 간격의 폭의 비율은 거의 1:1 보다 작은, LCD 디바이스.
  9. 제 5항에 있어서,
    복수의 액정 분자를 포함하면서 상기 픽셀 전극 상에 있는 액정 층과;
    상기 액정 층 및 상기 스페이서 상의 투명 전극을 더 포함하는, LCD 디바이스.
  10. 제 9항에 있어서, 전계가 상기 픽셀 전극에 인가될 때, 상기 액정 분자는 상기 픽셀 전극의 상단 표면에 실질적으로 수직하게 자체 정렬하는, LCD 디바이스.
  11. 반사성 액정 디스플레이(LCD) 디바이스로서,
    실리콘 기판과;
    상기 기판 상의 절연 층과;
    상기 절연 층 위에 있으면서 복수의 픽셀간 간격에 의해 분리되는 복수의 픽셀 전극과;
    상기 픽셀 전극 상의 액정 층과;
    상기 픽셀간 간격 내에 있는 복수의 통합된 스페이서를 포함하는데, 여기서,
    상기 복수의 스페이서는 상기 복수의 픽셀 전극과 숫자상으로 거의 동일한,
    LCD 디바이스.
  12. 제 11항에 있어서, 어떠한 전계도 상기 픽셀 전극에 인가되지 않을 때, 상기 액정 층은 화이트 컬러를 디스플레이하기 위해 정상-화이트 모드에서 동작하도록 배치되는, LCD 디바이스.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 복수의 통합된 스페이서 각각은 상기 픽셀 전극 중 적어도 하나의 코너에 대응하는 상기 픽셀간 간격 내에 위치하는, LCD 디바이스.
  14. 제 11항에 있어서, 픽셀 전극의 폭 대 인접해 있는 픽셀간 간격의 폭의 비율은 적어도 거의 10:1인, LCD 디바이스.
  15. 정상-화이트 모드 액정 디스플레이(LCD) 디바이스를 제작하는 방법으로서,
    기판 상에 절연 층을 형성하는 단계와;
    상기 절연 층 위에 있으면서 복수의 픽셀간 간격에 의해 분리되는 복수의 픽셀 전극을 형성하는 단계와;
    상기 픽셀간 간격 내에 있으면서, 상기 4개의 픽셀 전극으로부터 거의 같은 거리에 각각 형성되는 복수의 스페이서를 형성하는 단계를 포함하는데, 여기서,
    상기 복수의 스페이서는 상기 복수의 픽셀 전극과 숫자상으로 거의 동일한,
    LCD 디바이스를 제작하는 방법.
  16. 제 15항에 있어서, 픽셀 전극의 폭 대 인접해 있는 픽셀간 간격의 폭의 비율은 적어도 거의 10:1인, LCD 디바이스를 제작하는 방법.
  17. 제 15항에 있어서,
    복수의 액정 분자를 포함하는 액정 층을 상기 픽셀 전극 상에 형성하는 단계와;
    상기 액정 층 및 상기 스페이서 상에 투명 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는, LCD 디바이스를 제작하는 방법.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 액정 층은 평면 정렬되도록 형성되고, 어떠한 전계도 상기 픽셀 전극 중 하나에 인가되지 않을 때, 상기 대응하는 액정 셀의 액정 분자는 상기 픽셀 전극의 상단 표면에 실질적으로 평행하게 자체 정렬하는, LCD 디바이스를 제작하는 방법.
  19. 제 15항에 있어서, 스페이서의 폭 대 상기 스페이서가 위치한 픽셀간 간격의 폭의 비율은 거의 1:1 보다 작은, LCD 디바이스를 제작하는 방법.
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