KR20040110288A - 횡전계모드 액정표시소자 - Google Patents

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KR20040110288A
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이동훈
강원석
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엘지.필립스 엘시디 주식회사
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Abstract

본 발명은 4서브화소구조로 이루어져 개구율이 향상되고 휘도가 향상된 횡전계모드 액정표시소자에 관한 것으로, 복수의 게이트라인 및 데이터라인에 의해 정의되며, 제1∼4서브화소로 이루어진 복수의 화소와, 상기 서브화소내에 배치된 구동소자와, 상기 서브화소내에 배치되며 데이터라인과 일부가 오버랩되는 공통전극과, 상기 서브화소내에 배치되어 공통전극과 횡전계를 생성하는 화소전극으로 구성된다.

Description

횡전계모드 액정표시소자{IN PLANE SWITCHING MODE LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE}
본 발명은 액정표시소자에 관한 것으로, 특히 화소를 R,G,B,W 4개의 서브화소로 구성하고 R, G, B서브화소의 절연층을 제거함으로써 개구율이 향상되고 휘도가 대폭 향상된 횡전계모드 액정표시소자에 관한 것이다.
근래, 핸드폰(Mobile Phone), PDA, 노트북컴퓨터와 같은 각종 휴대용 전자기기가 발전함에 따라 이에 적용할 수 있는 경박단소용의 평판표시장치(Flat Panel Display Device)에 대한 요구가 점차 증대되고 있다. 이러한 평판표시장치로는 LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), FED(Field Emission Display), VFD(Vacuum Fluorescent Display) 등이 활발히 연구되고 있지만, 양산화 기술, 구동수단의 용이성, 고화질의 구현이라는 이유로 인해 현재에는 액정표시소자(LCD)가 각광을 받고 있다.
이러한 액정표시소자는 액정분자의 배열에 따라 다양한 표시모드가 존재하지만, 현재에는 흑백표시가 용이하고 응답속도가 빠르며 구동전압이 낮다는 장점때문에 주로 TN모드의 액정표시소자가 사용되고 있다. 이러한 TN모드 액정표시소자에서는 기판과 수평하게 배향된 액정분자가 전압이 인가될 때 기판과 거의 수직으로 배향된다. 따라서, 액정분자의 굴절율 이방성(refractive anisotropy)에 의해 전압의 인가시 시야각이 좁아진다는 문제가 있었다.
이러한 시야각문제를 해결하기 위해, 근래 광시야각특성(wide viewing angle characteristic)을 갖는 각종 모드의 액정표시소자가 제안되고 있지만, 그중에서도 횡전계모드(In Plane Switching Mode)의 액정표시소자가 실제 양산에 적용되어 생산되고 있다. 상기 IPS모드 액정표시소자는 화소내에 평행으로 배열된 적어도 한쌍의 전극을 형성하여 기판과 실질적으로 평행한 횡전계를 형성함으로써 액정분자를 평면상으로 배향시키는 것이다.
도 1은 종래 IPS모드 액정표시소자의 구조를 나타내는 도면으로, 도 1(a)는 평면도이고 도 1(b)는 도 1(a)의 I-I'선 단면도이다. 도 1(a)에 도시된 바와 같이, 액정패널(1)의 화소는 종횡으로 배치된 게이트라인(3) 및 데이터라인(4)에 의해 정의된다. 도면에는 비록 (n,m)번째의 화소만을 도시하고 있지만 실제의 액정패널(1)에는 상기한 게이트라인(3)과 데이터라인(4)이 각각 n개 및 m개 배치되어 액정패널(1) 전체에 걸쳐서 n×m개의 화소를 형성한다. 상기 화소내의 게이트라인(3)과 데이터라인(4)의 교차영역에는 박막트랜지스터(10)가 형성되어 있다. 상기 박막트랜지스터(10)는 게이트라인(3)으로부터 주사신호가 인가되는 게이트전극(11)과, 상기 게이트전극(11) 위에 형성되어 주사신호가 인가됨에 따라 활성화되어 채널층을 형성하는 반도체층(12)과, 상기 반도체층(12) 위에 형성되어 데이터라인(4)을 통해 화상신호가 인가되는 소스전극(13) 및 드레인전극(14)으로 구성되어 외부로부터 입력되는 화상신호를 액정층에 인가한다.
화소내에는 데이터라인(4)과 실질적으로 평행하게 배열된 복수의 공통전극(5)과 화소전극(7)이 배치되어 있다. 또한, 화소의 중간에는 상기 공통전극(5)과 접속되는 공통라인(16)이 배치되어 있으며, 상기 공통라인(16) 위에는 화소전극(7)과 접속되는 화소전극라인(18)이 배치되어 상기 공통라인(16)과 오버랩되어 있다. 상기 공통라인(16)과 화소전극라인(18)의 오버랩에 의해 횡전계모드 액정표시소자에는 축적용량(storage capacitance)이 형성된다.
상기와 같이, 구성된 IPS모드 액정표시소자에서 액정분자는 공통전극(5) 및 화소전극(7)과 실질적으로 평행하게 배향되어 있다. 박막트랜지스터(10)가 작동하여 화소전극(7)에 신호가 인가되면, 공통전극(5)과 화소전극(7) 사이에는 액정패널(1)과 실질적으로 평행한 횡전계가 발생하게 된다. 액정분자는 상기 횡전계를 따라 동일 평면상에서 회전하게 되므로, 액정분자의 굴절율 이방성에 의한 계조반전을 방지할 수 있게 된다.
상기한 구조의 종래 IPS모드 액정표시소자를 도 1(b)의 단면도를 참조하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1(b)에 도시된 바와 같이, 제1기판(20) 위에는 게이트전극(11)이 형성되어 있으며, 상기 제1기판(20) 전체에 걸쳐 게이트절연층(22)이 적층되어 있다. 상기 게이트절연층(22) 위에는 반도체층(12)이 형성되어 있으며, 그 위에 소스전극(13) 및 드레인전극(14)이 형성되어 있다. 또한, 상기 제1기판(20) 전체에 걸쳐 보호층(passivation layer;24)이 형성되어 있다.
또한, 상기 제1기판(20) 위에는 복수의 공통전극(5)이 형성되어 있고 게이트절연층(22) 위에는 화소전극(7) 및 데이터라인(4)이 형성되어, 상기 공통전극(5)과 화소전극(7) 사이에 횡전계(E)가 발생한다.
제2기판(30)에는 블랙매트릭스(32)와 컬러필터층(34)이 형성되어 있다. 상기 블랙매트릭스(32)는 액정분자가 동작하지 않는 영역으로 광이 누설되는 것을 방지하기 위한 것으로, 도면에 도시한 바와 같이 박막트랜지스터(10) 영역 및 화소와 화소 사이(즉, 게이트라인 및 데이터라인 영역)에 주로 형성된다. 컬러필터층(34)은 R(Red), B(Blue), G(Green)로 구성되어 실제 컬러를 구현하기 위한 것이다.
상기 제1기판(20) 및 제2기판(30) 사이에는 액정층(40)이 형성되어 액정패널(1)이 완성된다.
상기한 바와 같이, IPS모드 액정표시소자에서는 기판(20)과 게이트절연층(22)에 각각 형성된 공통전극(5)과 화소전극(7)에 의해 액정층(40) 내부에 횡전계가 발생하여 액정층(40) 내부의 액정분자를 구동한다.
한편, 근대 액정표시소자의 기술이 발전됨에 따라 이동통신기기나 노트북에 한정되어 있던 액정표시소자가 대면적의 TV에도 적용되기 시작하였다. TV는 장치의 특성상 넓은 시야각과 높은 휘도가 구현될 것을 요구하고 있다. 상술한 구조의 IPS모드 액정표시소자에서는 횡전계에 의해 액정분자를 기판과 평행하게 구동시킴으로써 시야각을 향상시킬 수 있는 있지만 휘도를 낮다는 문제가 있었다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 액정표시소자의 화소를 R,G, B, W의 4서브화소구조로 형성하여 휘도를 향상시킬 수 있는 횡전계모드 액정표시소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 보호층을 유기물질로 형성하여 데이터라인과 공통전극을 오버랩시킴으로써 개구율을 향상시킬 수 있는 횡전계모드 액정표시소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 R, G, B서브화소의 보호층은 제거하고 W서브화소의 보호층은 그대로 남겨 휘도를 향상시킴과 동시에 셀갭을 균일하게 유지할 수 있는 횡전계모드 액정표시소자를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일실시예에 따른 횡전계모드 액정표시소자는 복수의 게이트라인 및 데이터라인에 의해 정의되며, 제1∼4서브화소로 이루어진 복수의 화소와, 상기 서브화소내에 배치된 구동소자와, 상기 서브화소내에 배치되며 데이터라인과 일부가 오버랩되는 공통전극과, 상기 서브화소내에 배치되어 공통전극과 횡전계를 생성하는 화소전극으로 구성된다.
상기 제1∼4서브화소는 R(Red) 서브화소, G(Green) 서브화소, B(Blue) 서브화소, W(White) 서브화소이고 구동소자는 박막트랜지스터이다. 박막트랜지스터는 제1기판 위에 형성된 게이트전극과, 상기 제1기판 전체에 걸쳐 형성된 게이트절연층과, 상기 게이트절연층 위에 형성된 소스전극 및 드레인전극과, 상기 제1기판 위에 형성된 보호층으로 이루어지는데, 상기 보호층은 유기물질로 이루어져 횡전계모드 액정표시소자는 고개구율구조를 가진다.
이때, R, G, B서브화소의 보호층은 제거되고 W서브화소의 보호층은 그대로남아 있게 된다. 제2기판에는 블랙매트릭스와, R, G, B 컬러필터층과, 상기 컬러필터층 위에 형성된 오버코트층이 형성되어 있다.
W서브화소에는 컬러필터층이 형성되지 않지만 보호층이 그대로 존재하기 때문에, 컬러필터층이 형성되고 보호층이 제거된 R, G, B서브화소와 거의 동일한 셀갭을 가진다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 횡전계모드 액정표시소자는 복수의 게이트라인 및 데이터라인에 의해 정의되고 제1∼4서브화소로 이루어지며 복수의 서브화소가 데이터라인을 공유하는 복수의 화소와, 상기 서브화소내에 배치되며 데이터라인과 일부가 오버랩되는 공통전극과, 상기 서브화소내에 배치되어 공통전극과 횡전계를 생성하는 화소전극과, 상기 서브화소내에 배치된 적어도 하나의 구동소자로 구성된다.
상기 구동소자는 박막트랜지스터로서, 제2서브화소 및 제3서브화소에 각각 형성되어 상기 제2서브화소 및 제3서브화소의 화소전극에 신호를 인가하는 제1박막트랜지스터와, 제2서브화소 및 제3서브화소와 각각 데이터라인을 공유하는 제1서브화소 및 제4서브화소에 형성되어 상기 제1서브화소 및 제4서브화소의 화소전극에 신호를 인가하는 제2박막트랜지스터와, 상기 제2서브화소 및 제3서브화소에 형성되어 제2박막트랜지스터에 신호를 전달하는 제3박막트랜지스터로 이루어진다.
또한, 상기 박막트랜지스터는 제2서브화소 및 제3서브화소에 각각 형성되어 상기 제2서브화소 및 제3서브화소의 화소전극에 신호를 인가하고 제1서브화소 및 제4서브화소에 각각 신호를 전달하는 제1박막트랜지스터와, 제2서브화소 및 제3서브화소와 각각 데이터라인을 공유하는 제1서브화소 및 제4서브화소에 형성되어 상기 제1박막트랜지스터로부터 전달되는 신호를 제1서브화소 및 제4서브화소의 화소전극에 인가하는 제2박막트랜지스터로 이루어질 수도 있다.
도 1(a)는 종래 횡전계모드 액정표시소자의 평면도.
도 1(b)는 도 1(a)의 I-I'선 단면도.
도 2(a)는 종래 3-서브화소구조의 액정표시소자에서 서브화소의 배치를 나타내는 도면.
도 2(b)는 본 발명에 따른 4-서브화소구조의 액정표시소자에서 서브화소 배치의 일례를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 횡전계모드 액정표시소자의 구조를 나타내는 평면도.
도 4(a)는 도 3의 II-II'선 단면도.
도 4(b)는 도 3의 III-III'선 단면도.
도 5(a) 및 도 5(b)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 횡전계모드 액정표시소자의 구조를 나타내는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
103,203 : 게이트라인 104,204 : 데이터라인
105,205 : 공통전극 107,207 : 화소전극
110,210,260 : 박막트랜지스터 111,211,261 : 게이트전극
112,212,262 : 반도체층 113,213,263 : 소스전극
114,214,264 : 드레인전극 116,216 : 공통라인
118,218 : 화소전극라인 266 : 접속라인
본 발명에서는 휘도가 향상된 IPS모드 액정표시소자를 제공한다. 뿐만 아니라 본 발명에서는 개구율이 향상된 IPS모드 액정표시소자를 제공한다. 다시 말해서, 본 발명의 IPS모드 액정표시소자는 개구율이 향상될 뿐만 아니라 휘도도 대폭 향상된다.
액정표시소자에서 휘도가 낮은 이유는 크게 몇가지로 분류할 수 있다. 첫째는 액정표시소자의 개구율이 낮기 때문이다. 개구율이 낮다는 것은 결국 광의 액정층 투과영역이 작다는 것을 의미하므로, 개구율이 낮으면 휘도가 낮게 된다. 따라서, 액정표시소자의 개구율을 향상시키면 휘도를 향상시킬 수 있을 것이다. 둘째는 액정표시소자에 형성되는 절연층에 의해 광이 흡수되기 때문이다. 액정표시소자에는 게이트절연층과 보호막과 같은 절연층이 형성되는데, 이러한 절연층에 의해 광이 흡수되므로 광의 투과율이 저하되고 따라서 휘도가 저하된다. 그러므로, 절연층의 흡수율을 감소시키면 액정표시소자의 휘도를 향상시킬 수 있을 것이다. 셋째는 화소를 구성하는 R, G, B 서브화소에 형성된 R, G, B 컬러필터층에 의한 광흡수에 기인한다. R, G, B 컬러필터층은 컬러레지스트와 같은 수지로 이루어지며, 해당 컬러에 대응하는 파장을 제외한 나머지 파장의 광을 흡수하므로 실제 컬러필터층을 투과하는 광의 세기가 약하게 되며, 그 결과 액정표시소자의 휘도가 저하되는 것이다. 따라서, 한 화소내에서의 광투과율을 향상시키면 액정표시소자의 휘도를 향상시킬 수 있을 것이다.
본 발명의 IPS모드 액정표시소자는 상기한 3가지 요인을 감안하여 구성되었다. 즉, 개구율을 향상시키고 절연층에 의한 광흡수를 감소시키며 컬러필터층의 투과율을 향상시켜 휘도가 향상된 IPS모드 액정표시소자를 제공한다. 본 발명에서는 유기보호층을 이용한 고개구율 구조로 IPS모드 액정표시소자를 구성함으로써 개구율을 향상시키고 W(White) 컬러필터층이 구비된 4컬러구조(혹은 4서브화소구조)로 IPS모드 액정표시소자를 구성하여 컬러필터층으로의 투과율을 향상시킨다. 또한, 광을 흡수하는 절연층을 제거함으로써 광흡수를 감소한다. 이와 같이, 본 발명에서는 IPS모드 액정표시소자를 4컬러구조(또는 4서브화소구조)로 구성하고 보호층을 유기물질로 형성하며, 화상표시영역의 절연층을 제거함으로써 휘도를 대폭 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 IPS모드 액정표시소자를 더욱 상세히 설명한다.
도 2(a) 및 도 2(b)는 본 발명의 기본적인 개념을 설명하기 위한 도면으로, 도 2(a)는 종래 IPS모드 액정표시소자의 화소를 나타내는 도면이고 도 2(b)는 본 발명에 따른 IPS모드 액정표시소자의 화소를 나타내는 도면이다. 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 종래 IPS모드 액정표시소자의 화소는 R, G, B의 컬러필터층으로 이루어진 3개의 서브화소로 구성된다. 반면에, 본 발명에서는 화소가 R, G, B, W의 컬러필터층으로 이루어진 4개의 서브화소로 구성된다. R, G, B 컬러필터층은 액정표시소자의 백라이트(back light)로부터 입사되는 광중에서 해당 파장대의 광만을 투과하고 다른 파장대의 광은 흡수하는 반면에 W 컬러필터층은 백라인트로부터 입사되는 대부분의 광을 투과하다.
W 컬러필터층이 형성된 W서브화소가 포함된 구조의 IPS모드 액정표시소자의 경우, 종래의 IPS모드 액정표시소자에 비해 투과율이 약 55％ 향상되며 그에 따른 액정표시소자의 휘도가 약 40％ 향상된다. 이때, 상기 W 컬러필터층에 의해 화소내의 R, G, B컬러필터층의 색구현에는 아무런 문제가 발생되지 않는다. 이와 같은 구조의 액정표시소자에서는 하나의 화소에 하나의 W 컬러필터층이 구비되므로 해상도에 큰 영향을 미치지도 않으며, 화소가 4개의 서브화소로 이루어져 있으므로 4서브화소구조 또는 4컬러필터 구조라 한다.
본 발명은 기본적으로 4서브화소구조 또는 4컬러필터구조에 대한 것으로, 이러한 구조의 IPS모드 액정표시소자가 도 3에 도시되어 있다. 본 발명의 IPS모드 액정표시소자는 R, G, B, W의 4개 서브화소로 이루어져 있지만, R, G, B 서브화소는 컬러필터층을 제외하고는 모두 동일한 구조로 이루어져 있으므로 도면에서는 하나의 R, G, B 서브화소(101a)와 W서브화소(101b)만을 도시하였다.
도면에 도시된 바와 같이, 액정패널(101)에는 게이트라인(103)과 데이터라인(104)이 실질적으로 수직으로 배열되어 R, G, B서브화소(101a)와 W서브화소(101b)를 정의한다. 상기 서브화소(101a,101b)내의 게이트라인(103)과 데이터라인(104)의 교차영역에는 게이트라인(103)에 접속되어 주사신호가 입력되는 게이트전극(111)과, 상기 주사신호가 인가됨에 따라 활성화되는 반도체층(112)과, 상기반도체층(112) 위에 형성되어 데이터라인(104)으로부터 화상신호가 인가되는 소스전극(113) 및 드레인전극(114)으로 구성된 박막트랜지스터(110)가 형성되어 있다.
상기 R,G,B서브화소(101a)와 W서브화소(101b)내에는 데이터라인(104)과 실질적으로 평행하게 배열된 공통전극(105) 및 화소전극(107)이 형성되어 서브화소(101a,101b)내에 횡전계를 형성한다. 화소전극(107)은 화소내에 배치된 화소전극라인(118)과 접속되고 공통전극(105)은 공통라인(116)에 접속된다. 상기 화소전극라인(118)과 공통라인(116)은 절연층을 사이에 두고 오버랩되어 축적용량을 형성한다.
도면에 도시된 바와 같이, 서브화소(101a,101b)의 양측면에 배치되는 공통전극(105)은 데이터라인(104)과 일부가 오버랩된다. 통상적으로 데이터라인(104)의 양측면에 공통전극(104)이 배치되는 것은 전계의 왜곡을 방지하기 위한 것이다. 즉, 데이터라인(104)을 차단(shielding)하여 데이터라인(104)에 의해 서브화소내에 형성되는 횡전계가 왜곡되어 화질저하가 발생하는 것을 방지하기 위한 것이다.
상기와 같이, 공통전극(105)을 데이터라인(104)과 오버랩시킴으로써 액정표시소자의 개구율을 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 전에 언급한 바와 같이, 이러한 개구율의 향상에 의해 서브화소를 투과하는 광량이 증가하게 되어 휘도가 향상된다.
도 4(a) 및 도 4(b)는 각각 도 3의 II-II'선 및 III-III'선 단면도이다. 도 4(a)에 도시된 바와 같이, 유리와 같이 투명한 물질로 이루어진 제1기판(120) 위에는 게이트절연층(122)이 형성되어 있고 그 위에 데이터라인(104)이 형성되어 있다.도면에는 도시하지 않았지만, 박막트랜지스터(110)의 게이트전극(111)은 제1기판(120) 위에 형성되어 있으며, 반도체층(112)은 게이트절연층(122) 위에 형성되어 있다. 또한, 소스전극(113) 및 드레인전극(114)은 상기 반도체층(112) 위에 형성되어 있다.
R, G, B서브화소에서 공통전극(105)은 게이트절연층(122) 및 보호층(124) 위에 형성되어 있고 화소전극(107)은 게이트절연층(122) 위에 형성되어 있다. W서브화소에서는 상기 화소전극(107)은 게이트절연층(122) 위에 형성되어 있는 반면에 공통전극(105)은 보호층(124) 위에 형성되어 있다. 보호층(124)은 BCB(Benzo Cyclo Butene)이나 포토아크릴과 같은 유기물질로 형성된다. 상기와 같이 보호층(124)을 유기물로 형성하는 이유는 고개구율을 실현하기 위한 것이다. 일반적으로 BCB나 포토아크릴과 같은 유기물질은 종래 액정표시소자의 보호층으로 주로 사용되는 SiNx와 같은 무기물질에 비해 유전율이 작다. 따라서, 데이터라인(104)과 그 근방에 배치되는 공통전극(105) 사이에 발생하는 기생용량을 대폭 감소시킬 수 있게 된다. 더욱이, 도면에 도시된 바와 같이, W서브화소(101b)내의 공통전극(105)의 일부를 데이터라인(104)과 오버랩시키는 경우에도 기생용량이 임계값 이하를 갖기 때문에 화질이 영향을 미치지 않으며, 따라서 종래의 IPS모드 액정표시소자에 비해 개구율이 향상되는 것이다.
R, G, B서브화소에서는 보호층이 제거되어 있으며, 데이터라인(104) 위에만 상기 보호층(124)이 남아 있다. 이러한 보호층의 제거에 의해 R, G, B서브화소에서는 데이터라인(104)의 근처에 배치되는 공통전극(105)은 보호층(124) 위에 형성되어 있으며, 서브화소내의 공통전극(105)과 화소전극(107)은 게이트절연층(122)위에 형성된다.
상기와 같이, R, G, B서브화소내에 보호층(124)을 제거함에 따라 광흡수가 감소된다. 즉, R, G, B서브화소내에서 보호층(124)에 의한 광흡수가 발생하지 않게 되므로 R, G, B서브화소내에서의 광투과율이 향상되며, 그 결과 IPS모드 액정표시소자의 휘도가 향상된다. 또한, 보호층(124)이 제거되므로, 보호층(124)에 의한 전하의 트랩(trap)현상이 감소하게 되어 R, G, B서브화소내의 공통전극(105)과 화소전극(107) 사이의 전계감소를 방지할 수 있게 된다.
또한, R, G, B서브화소(101a)내에 배치되는 화소전극라인(118) 위의 보호층(124) 역시 제거되지 않는다. 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 화소전극라인(118) 위의 보호층(124)에는 공통전극(105)과 접속되는 공통라인(116)이 배치되어 상기 화소전극라인(118)과 축적용량을 형성한다.
R, G, B서브화소의 보호층(124) 위에 형성되는 공통전극(105)은 보호층(124)의 경계면 및 게이트절연층(122) 위까지 연장되어 형성된다. 따라서, 데이터라인(104)과 화소전극(105) 사이를 더욱 확실하게 차단(shielding)할 수 있게 되어, 데이터라인(104)에 의한 전계왜곡을 더욱 효율적으로 방지할 수 있게 될 것이다.
한편, 유리와 같은 투명한 제2기판(130)에는 화상비표시영역(non-display region)으로 광이 투과하는 것을 방지하기 위한 블랙매트릭스(132)가 형성되어 있으며 R, G, B서브화소(101a)에는 각각 R, G, B 컬러필터층(134)이 형성되어 있다.이때, W 서브화소(101b)에는 컬러필터층이 형성되이 있지 않다. 상기 W서브화소(101b)는 백색광선이 투과하는 영역이다. 따라서, 이러한 백색에 대응하는 주파수영역을 갖는 광만을 투고하는 컬러필터층을 형성해야만 한다. 그러나, 백색광이란 것은 모든 주파수영역을 포함하는 것으로 가시광선을 의미한다. 그러므로, W컬러필터층을 형성할 필요가 없게 된다. 따라서, 제2기판(130)에는 R, G, B서브화소에만 컬러필터층(134)이 형성되어 있고 W서브화소에는 컬러필터층(134)이 형성되지 않는다. 상기 컬러필터층(134) 및 제2기판(130)에는 상기 컬러필터층(134)을 보호하고 제2기판(130)을 평탄화하기 위한 오버코트층(overcoat layer;136)이 형성되어 있다.
상기 제1기판(120) 및 제2기판(130) 사이에는 액정층(140)이 형성되어 액정패널(101)이 완성된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 다음의 3가지의 요인에 기초하여 IPS모드 액정표시소자의 휘도를 향상시킨다. 첫째는 개구율을 향상하여 휘도를 향상하는 것이다. 즉, 본 발명에서는 보호층을 유기물질로 사용한 고개구율 구조로 형성함으로써 화소내에서의 광투과영역을 증가시키며, 이에 따라 휘도를 향상시키는 것이다. 더욱이, 데이터라인(104)과 공통전극(105)이 오버랩되므로 개구율을 더욱 향상시킬 수 있게 되며 따라서 휘도를 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
둘째는 절연층에 의한 광흡수를 감소시켜 휘도를 향상하는 것이다. 본 발명에서는 R, G, B서브화소(101a)내에 적층된 보호층(124)을 제거함으로써 보호층(124)에 의한 광흡수를 감소시키며, 그 결과 IPS모드 액정표시소자의 휘도를향상시킬 수 있게 된다.
셋째는 컬러필터층의 광투과율을 향상시켜 휘도를 향상하는 것이다. 본 발명의 IPS모드 액정표시소자에서는 종래의 R, G, B컬러필터층으로 화소를 구성하는 것이 아니라 R, G, B, W컬러필터층으로 화소를 구성한다. 따라서, 가시광선을 투과하는 W컬러필터층(실제적으로는 이러한 W컬러필터층이 존재하지 않지만 W서브화소영역으로 가시광선이 투과하므로 이 영역을 W컬러필터층으로 칭한다)에 의해 광투과율이 증가하여 휘도가 향상되는 것이다.
한편, W서브화소(101b)의 보호층(134)을 제거하지 않는 이유는 다음과 같다. 보호층(134)에 의한 광흡수를 감소시키기 위해서는 R, G, B서브화소(101a)의 보호층(134) 뿐만 아니라 W서브화소(101b)의 보호층(134) 역시 제거해야만 한다. 그러나, W서브화소(101b)의 경우 실질적인 컬러필터층이 존재하지 않기 때문에, W서브화소(101b)의 보호층(134)을 제거하는 경우 R, G, B서브화소(101a)의 셀갭(cell gap;d1)과 W서브화소(101b)의 셀갭(d2)이 다르게 된다(즉, d1≪d2). 그런데, 액정표시소자에서의 불균일한 셀갭은 화질을 저하시키는 요인이 되며, 그 결과 액정표시소자에 불량을 발생시키게 된다. 따라서, W서브화소(101b)의 보호층(134)을 제거하지 않고 그대로 남겨둠으로써 IPS모드 액정표시소자 전체에 걸쳐서 균일한 셀갭(즉, d1=d2)을 형성할 수 있게 되는 것이다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 고개구율 구조, 절연층의 제거에 의한 광흡수율 감소 및 서브화소 구조의 개선에 의한 광투과율 향상에 의해 휘도를 대폭 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 적절한 절연층의 제거에 의해 IPS모드 액정표시소자전체에 걸친 셀갭을 균일하게 유지할 수 있게 된다.
한편, 도 3에 도시된 본 발명의 4서브화소구조 IPS모드 액정표시소자는 R, G, B, W의 서브화소구조가 스트라이프형상으로 배열된(즉, 도 2(b)와 같이 배열된) 형상으로 이루어져 있지만, 본 발명의 IPS모드 액정표시소자의 서브화소가 상기와 같이 스트라이프형상으로 배열될 필요 없이 다른 배열로 이루어질 수도 있다.
도 5(a)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 4서브화소구조 IPS모드 액정표시소자의 기본적인 구조를 나타내는 도면으로, 4개의 서브화소(201a,201b,201c,201d)가 일렬로 배열되어 있는 것이 아니라 위아래로 2개씩 배열되어 있다. 또한, 도 5(b)는 도 5(a)의 배열로 이루어진 4서브화소구조 IPS모드 액정표시소자의 실제 구조를 나타내는 도면이다. 도면에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 IPS모드 액정표시소자는 서브화소(201a,201b,201c,201d)의 배치구조 및 그에 따른 박막트랜지스터(210,260)의 배치를 제외한 다른 구조를, 예를 들면 공통전극(205) 및 화소전극(207)의 구조, 절연층을 사이에 두고 오버랩되어 축적용량을 형성하는 공통라인(216) 및 화소전극라인(218a,218b)의 구조 등은 도 3에 도시된 실시예의 IPS모드 액정표시소자와 그 구조가 동일하다. 따라서, 이하의 설명에서는 도 3에 도시된 구조의 IPS모드 액정표시소자와 다른 구조에 대하여 설명하고 동일한 구조에 대해서는 그 설명을 생략한다.
도 5(b)에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 IPS모드 액정표시소자는 R서브화소(201a), G서브화소(201b), B서브화소(201c) 및 W서브화소(201d)로 이루어져 있다. 이때, G서브화소(201b)와 B서브화소(201c)에는 각각 2개의박막트랜지스터(210)가 형성되어 있으며, R서브화소(201a) 및 W서브화소(201d)에는 각각 하나의 박막트랜지스터(160)가 형성되어 있는데, 그 이유는 다음과 같다.
일반적으로 4개의 서브화소로 이루어진 화소를 구동하기 위해서는 각각의 서브화소에 데이터신호를 인가하는 데이터라인이 4개 필요하며, 각각의 서브화소에는 하나의 박막트랜지스터(화소에 4개)가 필요하게 된다(도 3에 도시된 IPS모드 액정표시소자). 다시 말해서, 3개의 서브화소로 이루어진 일반적인 액정표시소자에 비해 데이터라인의 수가 증가하게 된다. 따라서, 액정표시소자의 제조비용이 증가하게 되고 증가된 데이터라인에 의해 액정표시소자의 개구율이 감소하게 된다. 또한, 라인수가 증가하므로 이에 접속되는 데이터패드가 증가하여 패드의 피치가 조밀하게 되는 문제도 있었다. 반면에 이 실시예에서는 G서브화소(201b)와 B서브화소(201c)에는 각각 2개의 박막트랜지스터(210)를 형성하고 R서브화소(201a) 및 W서브화소(201d)에는 각각 하나의 박막트랜지스터(260)를 형성하여 하나의 데이터라인(204)을 2개의 서브화소가 공유하도록 하였다. 즉, R,G서브화소(201a,201b), B,W서브화소(201c,201d)가 각각 하나의 데이터라인(204)을 공유한다.
G서브화소(201b)와 B서브화소(201c)에 2개의 박막트랜지스터(210)를 형성하는 것은 2개의 서브화소가 하나의 데이터라인(204)을 공유하도록 하기 위해서이다. 이때, 하나의 박막트랜지스터는 해당 서브화소(즉, G서브화소 및 B서브화소)에 신호를 인가하기 위한 것이고 다른 하나의 박막트랜지스터는 인접하는 서브화소(즉, R서브화소 및 W서브화소)에 데이터라인(204)의 신호를 전달하기 위한 것이다. 도면에서는 G서브화소 및 B서브화소에 각각 형성된 박막트랜지스터(210)가 마치 하나의박막트랜지스터인것처럼 도시되어 있지만, 이것은 실제적으로 2개의 박막트랜지스터이다.
이때, 제1소스전극(213a)은 제1드레인전극(214a)과 대향되므로, 게이트라인(203)을 통해 게이트전극(211)에 신호가 입력되면 상기 제1소스전극(213a)과 제1드레인전극(214a) 사이의 반도체층(212)에 제1채널(channel)을 형성한다. 또한, 제2소스전극(213b)과 제2드레인전극(214b)이 대향하므로, 상기 제2소스전극(213b)과 제2드레인전극(214b) 사이의 반도체층(212)에는 제2채널이 형성된다. 다시 말해서, 반도체층(212)에는 각각 다른 2개의 채널이 형성되므로, 결국 2개의 박막트랜지스터와 동일한 기능을 수행할 수 있게 된다. 이하에서는 제1소스전극(213a) 및 제1드레인전극(214a)에 의해 제1채널이 형성되는 박막트랜지스터를 제1박막트랜지스터라 칭하고 제2소스전극(213b) 및 제2드레인전극(214b)에 의해 제2채널이 형성되는 박막트랜지스터를 제2박막트랜지스터라 칭한다.
상기 제1박막트랜지스터의 제1드레인전극(214a)은 서브화소(구체적으로, G서브화소 및 B서브화소)내에 배치된 공통전극(205)과 접속되며, 제2박막트랜지스터의 제2드레인전극(214b)은 접속라인(266)을 통해 인접 서브화소(즉, R서브화소 및 W서브화소)에 형성된 제3박막트랜지스터(260)의 소스전극(263)에 연결된다. 한편, R서브화소(201a) 및 W서브화소(201d)에 형성된 제3박막트랜지스터(260)의 드레인전극(264)은 해당 서브화소에 배치된 화소전극(207)에 접속된다.
도 3에 도시된 IPS모드 액정표시소자와 마찬가지로 이 실시예의 IPS모드 액정표시소자에서도 R, G, B서브화소(201a,201b,201c)의 보호층(도면표시하지 않음)이 제거되어 공통전극(205)과 화소전극(207) 상부에는 절연층이 존재하지 않는다. 따라서, 절연층에 의한 광흡수를 감소시킬 수 있게 된다. 한편, R, G, B서브화소(201a,201b,201c)의 데이터라인 영역 및 W서브화소(201d)에는 보호층이 그대로 남아 있다. 이때, 보호층은 유기물질로 이루어져 있으므로, 데이터라인(204)과 공통전극(205)의 일부가 오버랩되어 고개구율구조를 실현할 수 있게 된다.
도면에는 도시하지 않았지만, 상기 W서브화소(201d)에는 컬러필터층이 형성되어 있지 않고 보호층이 형성되어 있으므로, 액정패널 전체에 걸쳐 균일한 셀갭을 유지할 수 있게 된다.
한편, 제2박막트랜지스터의 제2소스전극(213b) 및 제2드레인전극(114b)의 폭은 제1박막트랜지스터의 제1소스전극(213a) 및 제1드레인전극(214a)의 폭의 2배가 된다. 또한, 제3박막트랜지스터(260)의 소스전극(263)과 드레인전극(264)의 폭 역시 제1박막트랜지스터의 제1소스전극(213a) 및 제1드레인전극(214a)의 폭의 2배가 되는데, 그 이유는 다음과 같다.
일반적으로 박막트랜지스터가 턴온될 때 드레인전류(이 드레인전류는 곧 화소전극에 인가되는 화상신호를 의미한다)는 다음의 수학식 1과 같이 된다.
이때, W는 반도체층에 형성되는 채널의 폭, L은 채널의 길이, Ci는 단위 면적당 채널의 전기용량, μ는 전기이동도, Vg는 게이트전압, Vsd는 소스전극과 드레인전극 사이의 전압, Vth는 문턱전압이다. 한편, 채널의 길이(L)는 소스전극과 드레인전극 사이의 간격과 동일하며 채널의 폭(W)은 서로 대향하는 소스전극 및 드레인전극의 폭과 동일하다. 상기 변수들중 채널의 폭과 길이(즉, 소스전극 및 드레인전극의 폭 및 간격)를 제외한 모든 변수가 제1∼3박막트랜지스터에서 동일하게 된다. 따라서, 제1∼3박막트랜지스터의 드레인전류는 채널의 폭과 길이에 따라 결정된다.
그런데, 제1∼3박막트랜지스터의 소스전극 및 드레인전극의 간격(L)은 동일하고 R서브화소(201a) 및 W서브화소(201d)의 경우 제2박막트랜지스터와 제3박막트랜지스터(260)의 채널을 통해 드레인전류(신호)가 인가되므로 상기 드레인전류를 결정하는 채널의 길이는 2L이 된다. 따라서, G서브화소(201b) 및 B서브화소(201c)에 인가되는 신호와 동일한 크기가 되기 위해서는 제2트랜지스터 및 제3트랜지스터(260)의 채널 폭을 제1트랜지스터의 채널폭의 2배로 해야만 한다. 다시 말해서, 제2트랜지스터 및 제3트랜지스터(260)의 소스전극(213b,263) 및 드레인전극(214b,264)의 폭을 제1트랜지스터의 소스전극(213a) 및 드레인전극(214a)의 폭보다 2배로 해야 하는 것이다.
상기와 같이 이 실시예에서는 개구율의 향상, 광흡수율의 감소 및 투과율의 향상에 의해 휘도를 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 이 실시예에서는 하나의 데이터라인을 2개의 서브화소가 공유하므로 개구율을 더욱 향상시킬 수 있게 되며, 결국휘도를 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
그리고, 이 실시예에서는 데이터라인을 공유하기 위해 G서브화소(201b) 및 B서브화소(201c)에 각각 2개의 박막트랜지스터(110)를 형성했지만, G서브화소(201b) 및 B서브화소(201c)에 박막트랜지스터를 하나만 배치하고 상기 박막트랜지스터의 드레인전극을 별도의 접속라인을 통해 R서브화소(201a) 및 W서브화소(201d)의 소스전극(163)에 연결하여 데이터라인을 공유할 수도 있을 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 다음의 3가지 요인에 의해 IPS모드 액정표시소자의 휘도를 대폭 향상시킬 수 있게 된다.
첫째, 본 발명의 IPS모드 액정표시소자는 고개구율구조로 이루어지므로 광투과영역의 증가에 의해 휘도를 향상시킬 수 있게 된다. 둘째, 화소영역의 절연층 제거에 의해 광흡수를 감소시킬 수 있게 되며 그 결과 휘도가 증가하게 된다. 셋째, W서브화소를 구비함으로써 광투과율을 증가되므로 휘도가 증가하게 되는 것이다.

Claims (24)

  1. 복수의 게이트라인 및 데이터라인에 의해 정의되며, 제1∼4서브화소로 이루어진 복수의 화소;
    상기 서브화소내에 배치된 구동소자;
    상기 서브화소내에 배치되며 데이터라인과 일부가 오버랩되는 공통전극; 및
    상기 서브화소내에 배치되어 공통전극과 횡전계를 생성하는 화소전극으로 구성된 횡전계모드 액정표시소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1∼4서브화소는 R(Red) 서브화소, G(Green) 서브화소, B(Blue) 서브화소, W(White) 서브화소인 것을 특징으로 하는 횡전계모드 액정표시소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 구동소자는 박막트랜지스터인 것을 특징으로 하는 횡전계모드 액정표시소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 박막트랜지스터는,
    제1기판 위에 형성된 게이트전극;
    상기 제1기판 전체에 걸쳐 형성된 게이트절연층;
    상기 게이트절연층 위에 형성된 소스전극 및 드레인전극; 및
    상기 제1기판 위에 형성된 보호층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 횡전계모드 액정표시소자.
  5. 제4항에 있어서, 상기 보호층은 유기물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 횡전계모드 액정표시소자.
  6. 제4항에 있어서, R, G, B서브화소의 보호층은 제거되어 데이터라인 위에만 존재하는 것을 특징으로 하는 횡전계모드 액정표시소자.
  7. 제6항에 있어서, R, G, B서브화소의 화소전극은 데이터라인 위의 보호층 및 게이트절연층에 형성되고 W서브화소의 화소전극은 보호층 위에 형성된 것을 특징으로 하는 횡전계모드 액정표시소자.
  8. 제4항에 있어서, 상기 공통전극은 각 서브화소의 게이트절연층 위에 형성된 것을 특징으로 하는 횡전계모드 액정표시소자.
  9. 제1항에 있어서,
    각 서브화소에 형성되며 상기 공통전극이 접속되는 공통라인; 및
    각 서브화소에 형성되고 상기 화소전극이 접속되며, 상기 공통라인과 축적용량을 형성하는 화소전극라인을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 횡전계모드 액정표시소자.
  10. 제1항에 있어서,
    제2기판 위에 형성된 블랙매트릭스;
    상기 R, G, B, W 서브화소 각각에 형성된 R, G, B, W 컬러필터층;
    상기 컬러필터층 위에 형성된 오버코트층; 및
    상기 제1기판 및 제2기판 사이에 형성된 액정층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 횡전계모드 액정표시소자.
  11. 제1항에 있어서,
    제2기판 위에 형성된 블랙매트릭스;
    상기 R, G, B 서브화소 각각에 형성된 R, G, B 컬러필터층;
    상기 컬러필터층 위에 형성된 오버코트층; 및
    상기 제1기판 및 제2기판 사이에 형성된 액정층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 횡전계모드 액정표시소자.
  12. 복수의 게이트라인 및 데이터라인에 의해 정의되고 제1∼4서브화소로 이루어지며 복수의 서브화소가 데이터라인을 공유하는 복수의 화소;
    상기 서브화소내에 배치되며 데이터라인과 일부가 오버랩되는 공통전극;
    상기 서브화소내에 배치되어 공통전극과 횡전계를 생성하는 화소전극; 및
    상기 서브화소내에 배치된 적어도 하나의 구동소자로 구성된 횡전계모드 액정표시소자.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1∼4서브화소는 R(Red), G(Green), B(Blue), W(White) 서브화소인 것을 특징으로 하는 횡전계모드 액정표시소자.
  14. 제12항에 있어서, 상기 구동소자는 박막트랜지스터인 것을 특징으로 하는 횡전계모드 액정표시소자.
  15. 제14항에 있어서, 상기 박막트랜지스터는,
    제1기판 위에 형성된 게이트전극;
    상기 제1기판 전체에 걸쳐 형성된 게이트절연층;
    상기 게이트절연층 위에 형성된 소스전극 및 드레인전극; 및
    상기 제1기판 위에 형성된 보호층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 횡전계모드 액정표시소자.
  16. 제14항에 있어서, 상기 박막트랜지스터는,
    제2서브화소 및 제3서브화소에 각각 형성되어 상기 제2서브화소 및 제3서브화소의 화소전극에 신호를 인가하는 제1박막트랜지스터;
    제2서브화소 및 제3서브화소와 각각 데이터라인을 공유하는 제1서브화소 및제4서브화소에 형성되어 상기 제1서브화소 및 제4서브화소의 화소전극에 신호를 인가하는 제2박막트랜지스터; 및
    상기 제2서브화소 및 제3서브화소에 형성되어 제2박막트랜지스터에 신호를 전달하는 제3박막트랜지스터로 이루어진 것을 특징으로 하는 횡전계모드 액정표시소자.
  17. 제14항에 있어서, 상기 박막트랜지스터는,
    제2서브화소 및 제3서브화소에 각각 형성되어 상기 제2서브화소 및 제3서브화소의 화소전극에 신호를 인가하고 제1서브화소 및 제4서브화소에 각각 신호를 전달하는 제1박막트랜지스터; 및
    제2서브화소 및 제3서브화소와 각각 데이터라인을 공유하는 제1서브화소 및 제4서브화소에 형성되어 상기 제1박막트랜지스터로부터 전달되는 신호를 제1서브화소 및 제4서브화소의 화소전극에 인가하는 제2박막트랜지스터로 이루어진 것을 특징으로 하는 횡전계모드 액정표시소자.
  18. 제15항에 있어서, 상기 보호층은 유기물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 횡전계모드 액정표시소자.
  19. 제15항에 있어서, R, G, B서브화소의 보호층은 제거되어 데이터라인 위에만 존재하는 것을 특징으로 하는 횡전계모드 액정표시소자.
  20. 제19항에 있어서, R, G, B서브화소의 화소전극은 데이터라인 위의 보호층 및 게이트절연층에 형성되고 W서브화소의 화소전극은 보호층 위에 형성된 것을 특징으로 하는 횡전계모드 액정표시소자.
  21. 제15항에 있어서, 상기 공통전극은 각 서브화소의 게이트절연층 위에 형성된 것을 특징으로 하는 횡전계모드 액정표시소자.
  22. 제12항에 있어서,
    각 서브화소에 형성되며 상기 공통전극이 접속되는 공통라인; 및
    각 서브화소에 형성되고 상기 화소전극이 접속되며, 상기 공통라인과 축적용량을 형성하는 화소전극라인을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 횡전계모드 액정표시소자.
  23. 제12항에 있어서,
    제2기판 위에 형성된 블랙매트릭스;
    상기 R, G, B, W 서브화소 각각에 형성된 R, G, B, W 컬러필터층;
    상기 컬러필터층 위에 형성된 오버코트층; 및
    상기 제1기판 및 제2기판 사이에 형성된 액정층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 횡전계모드 액정표시소자.
  24. 제12항에 있어서,
    제2기판 위에 형성된 블랙매트릭스;
    상기 R, G, B 서브화소 각각에 형성된 R, G, B 컬러필터층;
    상기 컬러필터층 위에 형성된 오버코트층; 및
    상기 제1기판 및 제2기판 사이에 형성된 액정층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 횡전계모드 액정표시소자.
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