KR20050014249A - 액정 표시 장치 - Google Patents

Abstract

수직 배향 모드와 서로 다른 셀갭을 갖는 액정층을 구비하여 표시 특성을 향상시키기 위한 반사-투과형 액정 표시 장치가 개시된다. 하부 기판은 서로 인접하는 게이트 라인과 소오스 라인에 의해 정의되는 화소 영역에 형성된 스위칭 소자와, 스위칭 소자에 연결된 화소 전극과, 화소 영역에 형성되어 반사 영역과 투과창을 정의하는 반사판을 구비하여 상부 기판과 합체된다. 액정층은 수직 배향 모드를 갖고서, 상부 기판과 하부 기판간에 형성된다. 이에 따라, 수직 배향 모드의 액정층을 채용하므로 노멀리 블랙 모드로 동작하여 블랙 컬러 디스플레이시 발생되는 빛샘 현상을 방지할 수 있다.

Description

액정 표시 장치{LIQUID CRYSTAL DISPLAY}

본 발명은 액정 표시 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수직배향(Vertical Alignment, 이하 VA) 모드를 채용하여 표시 특성을 향상시키기 위한 액정 표시 장치에 관한 것이다.

일반적으로 반사형 액정 표시 장치(Reflective type LCD)는 외부로부터 입사되는 자연광을 사용하므로 어두운 장소에서는 광량의 감소에 따라서 표시가 어두워져 디스플레이되는 화상을 제대로 볼 수 없다.

또한, 투과형 액정 표시 장치(Transmissive type LCD)는 백라이트 등의 장치로부터 입사되는 인공광을 사용하므로 밝은 장소든, 어두운 장소든 간에 관계없이 디스플레이되는 화상을 인식할 수 있으나, 광원의 분량만큼 전력 소비가 커지고, 특히 전지에 의해 동작시키는 휴대용 표시 장치 등에는 적합하지 않다.

이러한 단점들을 해결하기 위해 상기한 반사형 액정 표시 장치와 투과형 액정 표시 장치를 병용하는 반사-투과형 액정 표시 장치(Trans-Reflective type LCD)가 있다.

도 1은 일반적인 반사-투과형 액정 표시 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 일반적인 반사-투과형 액정 표시 장치는 반사 영역과 투과창(19a)을 정의하는 반사판(19)을 구비하는 어레이 기판(10)과, 어레이 기판(10)에 대향하는 컬러 필터 기판(20)과, 어레이 기판(10)과 컬러 필터 기판(20)간에 형성된 액정층(30)과, 컬러 필터 기판(20)에 배치된 상부 λ/4 위상 지연 필름(40)과, 상부 편광판(Polarizer)(50)과, 어레이 기판(10) 아래에 배치된 하부 λ/4 위상 지연 필름(60)과, 하부 편광판(70)을 포함한다.

도 2a 및 도 2b는 상기한 도 1의 동작 원리를 설명하기 위한 도면들이다. 특히 도 2a는 반사 모드 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 2b는 투과 모드 동작을 설명하기 위한 도면이다. 특히 액정에 가해지는 전압이 없을 때 화이트 컬러를 나타내는 노멀리 화이트 모드의 액정을 구비하는 것을 그 일례로 도시한다.

도 2a에 도시한 바와 같이, 반사 모드 동작시, 액정에 가해지는 전압이 없을 때 외부 입사광이 상부 편광판(50)을 통과한 다음 선편광이 되고, 다시 상부 λ/4 위상 지연 필름(40)을 통과해 원편광이 된다. 상기 원편광은 원편광일 수도 있고, 원편광일 수도 있다.

상기 원편광이 액정층(30)을 통과하는데, 이때 액정층(30)은 액정에 가해지는 전압이 없으므로 트위스트 상태를 유지하므로 이러한 트위스트된 액정층에 의해 원편광은 위상이 λ/4만큼 변하여 선편광이 된 후, 상기 선편광이 반사판(AlNd)(19)에 반사되어 액정층(30)을 다시 지나면서 λ/4만큼 위상이 변하여 원편광이 된다. 상기 원편광이 상부 λ/4 위상 지연 필름(40)을 지나면 처음에 입사한 광과 동일한 선편광으로 변환된 후 상부 편광판(50)을 경유하여 광이 투과하여 화이트 컬러를 디스플레이한다.

한편, 액정층(30)에 가해지는 전압이 있을 때, 외부 입사광이 상부 편광판(50)을 통과한 다음 선편광이 되고, 다시 상부 λ/4 위상 지연 필름(40)을 통과하여 원편광이 된다.

상기 원편광이 액정층(30)을 통과하는데, 이때 액정층(30)은 액정에 가해진 전압에 의해 수직 배열되므로 원편광을 그대로 통과시키고, 액정층(30)을 통과한 원편광은 반사판(60)에 반사되어 액정층을 다시 지나 상부 λ/4 위상 지연필름(40)에 의해 위상이 λ/4만큼 변하여 λ/4 위상차만큼 지연된 선편광이 된다. 상기 선편광이 상부 편광판(30)을 경유하면서 광이 소실되어 블랙 컬러를 디스플레이한다.

도 2b에 도시한 바와 같이, 투과 모드 동작시, 액정층(30)에 가해지는 전압이 없을 때, 하부로부터 제공되는 인공광은 하부 편광판(70)을 통과하면서 선편광으로 변환되고, 하부 λ/4 위상 지연 필름(60)에 의해 원 편광으로 변환되며, 투명전극(18)을 경유하여 액정층(30)에 인가된다. 이때 인가되는 액정층(30)에는 전압이 인가되지 않으므로 트위스트 상태를 유지하고, 트위스트된 액정층에 의해 선편광으로 변환된 후, 상부 λ/4 위상 지연 필름(40)에 의해 위상이 λ/4 변환되어 원편광이 된다. 이때 변환된 원편광은 편광판(30)을 통과하여 화이트 컬러를 디스플레이한다.

한편, 액정층(30)에 가해지는 전압이 있을 때, 상기 인공광은 편광판(90)을 통과하면서 선편광으로 변환되고, 하부 λ/4 위상 지연 필름(60)에 의해 원편광으로 변환된 후, 투명전극(18)을 경유하여 액정층(30)에 인가된다. 이때 인가되는 액정층(30)에는 전압이 인가되므로 액정은 수직 배열되고, 수직 배열된 액정층에 의해 원편광을 그대로 유지하면서 상부 λ/4 위상 지연 필름(40)에 인가된다.

상부 λ/4 위상 지연 필름(40)에 인가된 원편광은 선편광으로 변환된 후 상부 편광판(50)에 인가되고, 상부 편광판(50)에 인가된 선편광은 광이 소실되므로 블랙 컬러를 디스플레이한다.

이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에 착안한 것으로, 본 발명의 목적은 수직 배향 모드와 서로 다른 셀갭을 갖는 액정층을 구비하는 반사-투과형 액정 표시 장치를 제공하는 것이다.

도 1은 일반적인 반사-투과형 액정 표시 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 2a 및 도 2b는 상기한 도 1의 동작 원리를 설명하기 위한 도면들이다.

도 3은 다중 셀갭 반사-투과형 액정 표시 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 4a 및 도 4b는 상기한 도 3의 동작 원리를 설명하기 위한 도면들이다.

도 5는 본 발명에 따른 다중 셀갭 반사-투과형 액정 표시 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 6a 및 도 6b는 상기한 도 5의 동작 원리를 설명하기 위한 도면들이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100, 600 : 어레이 기판 200, 700 : 컬러 필터 기판

300, 800 : 액정층 420, 912 : 상부 λ/4 위상 지연 필름

410, 914 : 상부 편광판 510, 922 : 하부 λ/4 위상 지연 필름

924, 520 : 하부 편광판

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 하나의 특징에 따른 액정 표시 장치는, 색화소를 구비하는 상부 기판; 서로 인접하는 게이트 라인과 소오스 라인에 의해 정의되는 화소 영역에 형성된 스위칭 소자와, 상기 스위칭 소자에 연결된 화소 전극과, 상기 화소 영역에 형성되어 반사 영역과 투과창을 정의하는 반사판을 구비하는 하부 기판; 및 수직 배향 모드를 갖고서, 상기 상부 기판과 하부 기판간에 형성된 액정층을 포함하여 이루어진다.

이러한 액정 표시 장치에 의하면, 수직 배향 모드의 액정층을 채용하므로 노멀리 블랙 모드로 동작하여 블랙 컬러 디스플레이시 발생되는 빛샘 현상을 방지하여 표시 특성을 향상시킬 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.

이론적으로 반사-투과형 액정 표시 장치의 투과 모드 동작시 투과율은 투과형 액정 표시 장치의 투과율에 비해 대략 50% 감소한다.

왜냐하면, 반사-투과형 액정 표시 장치의 모든 광학 조건이 반사 영역을 중심으로 설계되므로 투과창에 대해서는 투과 모드의 블랙 특성을 기본으로 설정한 상태에서 화이트 상태의 광의 편광 상태가 100%의 광을 이용할 수 없도록 변화되기 때문이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 반사 영역과 투과창에 대한 셀갭을 서로달리하고, 액정의 트위스트 각도를 0도로 해주어야 한다.

도 3은 다중 셀갭 반사-투과형 액정 표시 장치를 설명하기 위한 도면이다. 특히 복굴절제어형(Electrically Controlled Birefringence, 이하 ECB) 모드 액정을 갖는 반사-투과형 액정 표시 장치를 도시한다.

도 3을 참조하면, 반사-투과형 액정 표시 장치는 어레이 기판(100), 컬러 필터 기판(200) 및 어레이 기판(100) 및 컬러 필터 기판(200)간에 형성된 액정층(300)을 포함한다.

어레이 기판(100)은 투명 기판(105) 위에 형성된 게이트 전극(110), 전극(110) 및 투명 기판(105) 위에 형성된 게이트 절연막(112), 반도체층(114), 오믹 콘택층(116), 소오스 전극(120) 및 드레인 전극(130)을 포함하는 스위칭 소자(TFT)와, 상기 스위칭 소자(TFT)를 덮고, 드레인 전극(130)의 일부를 노출시키면서 후박하게 형성된 유기절연층(140)을 포함한다. 여기서, 유기절연층(140)의 표면에는 반사 효율을 높이기 위해 다수의 그루브와 돌출부를 형성한다.

또한, 어레이 기판(100)은 유기절연층(140) 위에 일부 영역이 개구되어 제1 콘택홀(141)을 통해 드레인 전극(130)에 연결되는 화소 전극(150)과, 상기 스위칭 소자(TFT) 전체를 커버하면서 형성된 보호층(152)과, 보호층(152) 위에 형성된 반사판(160)을 포함하고, 반사판(160)이 형성된 영역을 반사 영역으로 정의하고, 반사판(160)이 미형성된 영역을 투과창(145)으로 정의한다.

화소 전극(150)은 광을 투과시키는 일종의 투과 전극으로서, 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide : ITO)이나 주석산화물(Tin Oxide : TO) 또는 인듐아연산화물(Indium Zinc Oxide : IZO)이 이용된다. 도시하지는 않았지만, 화소 전극(150)을 형성하기 이전에 상기 스위칭 소자(TFT)로부터 일정 거리 이격되는 영역에 별도의 캐패시터 배선을 형성시켜 상기 캐패시터 배선과 화소 전극을 스토리지 캐패시터(Cst)로 정의한다.

반사판(160)은 저항이 작고 반사율이 뛰어난 알루미늄(Al) 계열 또는 그와 유사한 특성을 가지는 불투명 도전성 금속의 증착 및 패터닝을 통해 형성된다.

한편, 컬러 필터 기판(200)은 투명 기판(205) 위에 R, G, B 각각의 화소 영역을 정의하는 블랙 매트릭스층(미도시)과, 상기 블랙 매트릭스층에 의해 정의되는 영역에 형성된 색화소층(210)과, 상기 블랙 매트릭스층과 색화소층(210)을 보호하기 위해 도포된 표면 보호층(미도시)을 포함한다. 물론, 상기한 블랙 매트릭스층을 형성하지 않고도 인접하는 색화소층(210)을 서로 오버랩시키는 방식을 통해 블랙 매트릭스 기능을 부여할 수도 있다. 또한, 상기 표면 보호층 상부, 즉 액정층(300)에 근접하는 면에 미도시한 공통 전극층을 더 형성할 수도 있다.

한편, 액정층(300)은 어레이 기판(100)과 컬러 필터 기판(200)간에 형성되어, 어레이 기판(100)의 화소 전극(150)에 인가되는 전원과 컬러 필터 기판(200)의 공통 전극층(미도시)에 인가되는 전원에 응답하여 컬러 필터 기판(200)을 경유하는 자연광을 투과시키거나, 투과창(170)을 경유하는 인공광을 투과시킨다. 이때, 액정층(300)은 반사 영역중 콘택홀(141)이 형성된 영역에 대응하는 액정층과, 콘택홀(141)이 미형성된 영역에 대응하는 액정층과, 투과창에 대응하는 액정층으로 각각 구분할 수 있고, 구분되는 각각의 액정층은 서로 다른 셀갭을 갖는다. 여기서, 콘택홀(141)이 형성된 영역에 대응하는 액정층의 셀갭을 d1로, 콘택홀(141)이 미형성된 영역에 대응하는 액정층의 셀갭을 d2로 정의하고, 투과창(170)에 대응하는 액정층의 셀갭을 d3으로 정의할 때, d2<d1≤d3의 조건을 만족한다.

특히, 상기 액정층을 구성하는 액정분자의 이방성 굴절률을 Δn으로 하고, 셀갭을 d로 할 때, 반사 영역중 상기 콘택홀이 형성된 영역에는 상기 유기절연층이 미형성되므로 액정층(300)은 Δnd1의 특성을 갖고, 상기 콘택홀이 미형성된 영역에는 보다 높은 두께의 유기절연층이 형성되므로 액정층(300)은 Δnd2의 특성을 갖고, 상기 투과창에는 보다 낮은 두께의 유기절연층이 형성되므로 상기 투과창에 대응하는 액정층(300)은 Δnd3의 특성을 갖는다.

상기 반사 영역과 투과창에 대한 최적의 셀갭들은 액정층(300)을 형성하는 액정 분자나 액정층(300)의 상하 양측에 구비되는 광학 필름의 조건에 따라 다르지만 상기 반사 영역에 대응하는 셀갭(d2)은 1.7㎛ 보다 작고, 상기 투과창에 대응하는 셀갭(d3)은 3.3㎛ 보다 작다.

도 4a 및 도 4b는 상기한 도 3의 동작 원리를 설명하기 위한 도면들이다. 특히, ECB 모드를 갖는 다중 셀갭 반사-투과형 액정 표시 장치에 전압 미인가시 화이트 컬러를 나타내는 노멀리 화이트 모드의 액정을 구비하는 것을 도시한다.

도 4a에 도시한 바와 같이, 반사 모드 동작시, 액정에 가해지는 전압이 없을 때 외부 입사광이 상부 편광판(Polarizer)(420)을 통과한 다음 선편광이 되고, 다시 상부 λ/4 위상 지연 필름(410)을 통과해 원편광이 된다.

상기 원편광이 액정층(300)을 통과하는데, 이때 액정층(300)은 액정에 가해지는 전압이 없으므로 수평 배열 상태를 유지하므로 이러한 수평 배열 상태의 액정층(300)에 의해 원편광은 위상이 λ/4만큼 변하여 선편광이 된 후, 상기 선편광이 반사판(AlNd)(160)에 반사되어 액정층(300)을 다시 지나면서 λ/4만큼 위상이 변하여 원편광이 된다. 상기 반사 모드에 대응하는 액정층(300)은 상기한 도 2에서 도시한 바와 같이 Δnd2의 광학 특성을 갖는다.

상기 원편광이 상부 λ/4 위상 지연 필름(410)을 지나면 처음에 입사한 광과 동일한 선편광으로 변환된 후 상부 편광판(420)을 경유하여 광이 투과하여 화이트 컬러를 디스플레이한다.

한편, 액정층(300)에 가해지는 전압이 있을 때, 외부 입사광이 상부 편광판(420)을 통과한 다음 선편광이 되고, 다시 λ/4 위상 지연 필름(410)을 통과하여 원편광이 된다.

상기 원편광이 액정층(300)을 통과하는데, 이때 액정층(300)은 액정에 가해진 전압에 의해 수직 배열되므로 원편광을 그대로 통과시키고, 액정층(300)을 통과한 원편광은 반사판(160)에 반사되어 원편광이 되며, 상기 원편광은 액정층(300)을 다시 지나 상부 λ/4 위상 지연 필름(410)에 의해 위상이 λ/4만큼 변하여 λ/4 지연된 선편광이 된다. 상기 선편광이 상부 편광판(420)을 경유하면서 광이 소실되어 블랙 컬러를 디스플레이한다.

도 4b에 도시한 바와 같이, 투과 모드 동작시, 액정층(300)에 가해지는 전압이 없을 때, 백라이트 어셈블리(미도시)로부터 제공된 광은 하부 편광판(520)을 통과하면서 선편광으로 변환되고, 하부 λ/4 위상 지연 필름(510)에 의해 원편광으로변환되며, 투명전극(150)을 경유하여 액정층(300)에 인가된다. 상기 투과 모드에 대응하는 액정층(300)은 상기한 도 2에서 도시한 바와 같이 Δnd3의 광학 특성을 갖는다. 상기 Δnd3은 상기 반사 모드에 대응하는 액정층(300)의 광학 특성인 Δnd2의 2배이다.

원편광이 인가되는 액정층(300)에는 전압이 인가되지 않으므로 수평 배열 상태를 유지하고, 수평 배열된 액정층(300)에 의해 원편광으로 변환된 후, 상부 λ/4 위상 지연 필름(410)에 의해 위상이 λ/4 변환되어 선편광이 된다. 이때 변환된 선편광은 편광판(420)을 통과하여 화이트 컬러를 디스플레이한다.

한편, 액정층(300)에 가해지는 전압이 있을 때, 백라이트 어셈블리로부터 제공된 광은 편광판(520)을 통과하면서 선편광으로 변환되고, 하부 λ/4 위상 지연 필름(510)에 의해 원편광으로 변환된 후, 투명전극(150)을 경유하여 액정층(300)에 인가된다.

원편광이 인가되는 액정층(300)에는 전압이 인가되므로 액정은 수직 배열되고, 수직 배열된 액정층(300)에 의해 원편광을 그대로 유지하면서 상부 λ/4 위상 지연 필름(410)에 인가된다.

상부 λ/4 위상 지연 필름(410)에 인가된 원편광은 선편광으로 변환된 후 상부 편광판(420)에 인가되고, 상부 편광판(420)에 인가된 선편광은 광이 소실되므로 블랙 컬러를 디스플레이한다.

이상에서 설명한 바와 같이, ECB 모드를 갖는 다중 셀갭 반사-투과형 액정 표시 장치의 경우 투과율 측면에서는 100%의 광을 활용하기 때문에 효과적이라고할 수 있다.

하지만, 이러한 반사 영역의 셀갭 저하로 인해 하이 픽셀 불량이 증가하는 단점이 있다. 또한, 반사 영역과 투과창간의 단차 영역에서 빛샘 현상이 발생하고, 광누설성 잔상 현상이 발생되는 단점이 있다. 또한, 누설광 및 액정의 잔류 복굴절에 의한 콘트라스트 비율이 낮아지는 현상이 발생한다.

도 5는 본 발명에 따른 다중 셀갭 반사-투과형 액정 표시 장치를 설명하기 위한 도면이다. 특히 수직 배향 모드 액정을 갖는 다중 셀갭 반사-투과형 액정 표시 장치를 도시한다.

도 5를 참조하면, 다중 셀갭 반사-투과형 액정 표시 장치는 어레이 기판(600)과, 컬러 필터 기판(700)과, 어레이 기판(600) 및 컬러 필터 기판(700)간에 형성된 액정층(800)과, 컬러 필터 기판(700) 위에 형성된 상부 광학 필름 어셈블리(910)와, 어레이 기판(600) 아래에 형성된 하부 광학 필름 어셈블리(920)를 포함한다.

어레이 기판(600)은 투명 기판(605) 위에 형성된 게이트 전극(610), 게이트 전극(610) 및 투명 기판(605) 위에 형성된 게이트 절연막(612), 반도체층(614), 오믹 콘택층(616), 소오스 전극(620) 및 드레인 전극(630)을 포함하는 스위칭 소자(TFT)와, 스위칭 소자(TFT)를 덮고, 드레인 전극(630)의 일부를 노출시키면서 후박하게 형성된 유기절연층(644)을 포함한다. 여기서, 유기절연층(644)의 표면에는 반사 효율을 높이기 위해 다수의 그루브와 돌출부를 형성한다.

또한, 어레이 기판(600)은 유기절연층(644) 위에 일부 영역이 개구되어 제1콘택홀(641)을 통해 드레인 전극(630)에 연결되는 화소 전극(650)과, 상기 스위칭 소자(TFT) 전체를 커버하면서 형성된 보호층(152)과, 보호층(652) 위에 형성된 반사판(660)을 포함하고, 반사판(660)이 형성된 영역을 반사 영역으로 정의하고, 반사판(660)이 미형성된 영역을 투과창(645)으로 정의한다.

화소 전극(650)은 광을 투과시키는 일종의 투과 전극으로서, 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide : ITO)이나 주석산화물(Tin Oxide : TO) 또는 인듐아연산화물(Indium Zinc Oxide : IZO)이 이용된다. 도시하지는 않았지만, 화소 전극(650)을 형성하기 이전에 상기 스위칭 소자(TFT)로부터 일정 거리 이격되는 영역에 별도의 캐패시터 배선을 형성시켜 상기 캐패시터 배선과 화소 전극을 스토리지 캐패시터(Cst)로 정의한다.

반사판(660)은 보호층(652)의 상부 영역중 상기 반사 영역에 대응하는 영역에 형성된다. 도면상에서는 반사판(660)과 화소 전극(650)이 보호층(652)에 의해 이격되어 전기적으로 절연되는 것을 도시하였으나, 보호층(652)의 일부를 제거하여 반사판(660)과 화소 전극(650)을 연결시킬 수도 있을 것이다.

컬러 필터 기판(700)은 투명 기판(705) 위에 R, G, B 각각의 화소 영역을 정의하는 블랙 매트릭스층(미도시)과, 상기 블랙 매트릭스층에 의해 정의되는 영역에 형성된 색화소층(710)과, 상기 블랙 매트릭스층과 색화소층(710)을 보호하기 위해 도포된 표면 보호층(미도시)을 포함한다. 물론, 상기한 블랙 매트릭스층을 형성하지 않고도 인접하는 색화소층(710)을 서로 오버랩시키는 방식을 통해 블랙 매트릭스 기능을 부여할 수도 있다. 또한, 상기 표면 보호층 상부, 즉 액정층(800)에 근접하는 면에 미도시한 공통 전극층을 더 형성할 수도 있다.

한편, 액정층(800)은 수직 배향 모드를 갖고서, 어레이 기판(600)과 컬러 필터 기판(700)간에 형성되어, 어레이 기판(600)의 화소 전극(650)에 인가되는 전원과 컬러 필터 기판(700)의 공통 전극층(미도시)에 인가되는 전원에 응답하여 컬러 필터 기판(700)을 경유하는 자연광을 투과시키거나, 투과창(670)을 경유하는 인공광을 투과시킨다. 상기한 액정층이 수직 배향 모드를 채용하므로 노멀리 블랙 모드로 동작하여 블랙 컬러 디스플레이시 발생되는 빛샘 현상을 방지한다.

이때, 액정층(800)은 반사 영역중 콘택홀(641)이 형성된 영역에 대응하는 액정층과, 콘택홀(641)이 미형성된 영역에 대응하는 액정층과, 투과창에 대응하는 액정층으로 각각 구분할 수 있고, 구분되는 각각의 액정층은 서로 다른 셀갭을 갖는다. 여기서, 콘택홀(641)이 형성된 영역에 대응하는 액정층의 셀갭을 d4로 정의하고, 콘택홀(641)이 미형성된 영역에 대응하는 액정층의 셀갭을 d5로 정의하며, 투과창(670)에 대응하는 액정층의 셀갭을 d6으로 정의할 때, d5<d4≤d6의 조건을 만족한다.

특히, 액정층(800)을 구성하는 액정분자의 이방성 굴절률을 Δn으로 하고, 셀갭을 d로 할 때, 상기 반사 영역중 콘택홀(641)이 형성된 영역에는 유기절연층(644)이 미형성되므로 액정층(800)은 Δnd4의 광학 특성을 갖고, 콘택홀(641)이 미형성된 영역에는 보다 높은 두께의 유기절연층(644)이 형성되므로 액정층(800)은 Δnd5의 광학 특성을 갖고, 상기 투과창에는 보다 낮은 두께의 유기절연층(644)이 형성되므로 상기 투과창에 대응하는 액정층(800)은 Δnd6의 광학 특성을 갖는다.

상기 반사 영역과 투과창에 대한 최적의 셀갭들은 액정층(800)을 형성하는 액정 분자나 액정층(800)의 상하 양측에 각각 구비되는 광학 필름 어셈블리의 조건에 따라 다르지만 상기 반사 영역에 대응하는 셀갭(d5)은 2.0 내지 2.5㎛이고, 상기 투과창에 대응하는 셀갭(d6)은 4.0 내지 5.0㎛이다.

또한, 액정층(800)에 구비되는 액정은 호메트로픽(homeotropic)(수직) 배향하여 액정 분자의 프리틸트 각도(pretilt angle)를 45도보다 크도록, 바람직하게는 90도로 설계한다. 상기 프리틸트 각도를 45도 이상으로 설계하기 위해서는 어레이 기판(600)에 구비되는 배향막(미도시)을 관찰자 관점에서 제1 방향인 우측 방향으로 러빙 처리하고, 컬러 필터 기판(700)에 구비되는 배향막(미도시)을 상기 제1 방향의 반대 방향인 제2 방향, 즉 좌측 방향으로 러빙 처리하거나, 그 역도 가능하다.

상부 광학 필름 어셈블리(910)는 컬러 필터 기판(700) 위에 순차적으로 형성된 상부 λ/4 위상 지연 필름(912) 및 상부 편광판(914)을 포함하여, 자연광의 특성을 변환하여 컬러 필터 기판(700)에 제공하거나, 반사된 자연광의 특성을 변환하여 외부에 출사한다. 그 상세한 동작에 대해서는 하기하는 도 6a 및 도 6b에서 설명한다. 물론, 액정 표시 장치의 광시야각을 위해 상부 λ/4 위상 지연 필름(912)과 상부 편광판(914)과의 사이에 별도의 광시야각 위상판을 더 구비한다.

하부 광학 필름 어셈블리(920)는 어레이 기판(600) 아래에 순차적으로 형성된 하부 λ/4 위상 지연 필름(922) 및 하부 편광판(924)을 포함하여, 인공광의 특성을 변환하여, 어레이 기판(600)에 제공한다. 그 상세한 동작에 대해서는 하기하는 도 6a 및 도 6b에서 설명한다. 물론, 액정 표시 장치의 광시야각을 위해 하부 λ/4 위상 지연 필름(922) 및 하부 편광판(924)과의 사이에 별도의 광시야각 위상판을 더 구비한다.

이상에서는 어레이 기판(600)에 화소 전극(650)을, 컬러 필터 기판(700)에 공통 전극층(미도시)을 형성하여 액정층(800) 양단간에 전원을 인가하는 방식을 설명하였으나, 컬러 필터 기판(700)에 공통 전극층을 형성하지 않는 경우, 예를들어, IPS(In-Plane Switching) 모드나 FFS(Fringe Field Switching) 모드와 같이 CE(Co-planar Electrode) 모드를 채용하는 액정 표시 장치에도 동일하게 채용할 수 있다.

또한, 이상에서는 컬러 필터 기판(700)에 형성되는 색화소층(710)의 두께를 반사 영역과 투과창에 대응하여 서로 다른 두께, 바람직하게는 상기 반사 영역에 대응하는 색화소층의 두께보다 상기 투과창에 대응하는 색화소층의 두께를 크게 형성하였다. 하지만, 상기 반사 영역에 대응하는 색화소층(710)에 다수의 홀들을 형성하여 상기 반사 영역을 통해 출사되는 광의 휘도를 향상시킬 수도 있다. 이때 상기 반사 영역에 대응하는 색화소층의 두께와 상기 투과창에 대응하는 색화소층의 두께는 상이할 수도 있고, 동일할 수도 있다.

또한, 이상에서는 화소 전극이 유기절연층 상부에 형성되는 탑-ITO 방식을 일례로 설명하였으나, 상기 화소 전극을 유기절연층 하부에 형성하는 바텀-ITO 방식에도 동일하게 채용할 수 있다. 이때 상기 탑-ITO 방식을 갖는 액정 표시 장치에는 콘택홀의 존재에 따라 액정층이 서로 다른 3개의 셀갭에 의해 정의될 수 있고,상기 바텀-ITO 방식을 갖는 액정 표시 장치에는 콘택홀의 미존재에 따라 액정층이 서로 다른 2개의 셀갭에 의해 정의될 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 상기한 도 5의 동작 원리를 설명하기 위한 도면들이다. 특히, 수직 배향 모드를 갖는 반사-투과형 액정 표시 장치의 동작 원리를 설명한다.

도 6a에 도시한 바와 같이, 반사 모드 동작시, 액정층(800)에 가해지는 전압이 있을 때 외부 입사광이 상부 편광판(Polarizer)(914)을 통과한 다음 선편광이 되고, 다시 상부 λ/4 위상 지연 필름(912)을 통과해 원편광이 된다.

상기 원편광이 액정층(800)을 통과하는데, 이때 액정층(800)은 액정에 가해지는 전압이 있으므로 호메트로픽(homeotropic)(수직) 배열 상태를 유지하므로 이러한 수직 배열 상태의 액정층(800)에 의해 원편광은 위상이 λ/4만큼 변하여 선편광이 된 후, 상기 선편광이 반사판(AlNd)(660)에 반사되어 액정층(800)을 다시 지나면서 λ/4만큼 위상이 변하여 원편광이 된다. 상기 반사 모드에 대응하는 액정층(800)은 상기한 도 5에서 도시한 바와 같이 Δnd5의 광학 특성을 갖는다.

상기 원편광이 상부 λ/4 위상 지연 필름(912)을 지나면 처음에 입사한 광과 동일한 선편광으로 변환된 후 상부 편광판(914)을 경유하여 광이 투과하여 화이트 컬러를 디스플레이한다.

한편, 액정층(800)에 가해지는 전압이 없을 때, 외부 입사광이 상부 편광판(914)을 통과한 다음 선편광이 되고, 다시 λ/4 위상 지연 필름(912)을 통과하여 원편광이 된다.

상기 원편광이 액정층(800)을 통과하는데, 이때 액정층(800)은 액정에 가해진 전압에 의해 수직 배열되므로 원편광을 그대로 통과시키고, 액정층(800)을 통과한 원편광은 반사판(660)에 반사되어 원편광이 되며, 상기 원편광은 액정층(800)을 다시 지나 상부 λ/4 위상 지연 필름(912)에 의해 위상이 λ/4만큼 변하여 λ/4 지연된 선편광이 된다. 상기 선편광이 상부 편광판(914)을 경유하면서 광이 소실되어 블랙 컬러를 디스플레이한다.

도 6b에 도시한 바와 같이, 투과 모드 동작시, 액정층(800)에 가해지는 전압이 있을 때, 백라이트 어셈블리(미도시)로부터 제공된 광은 하부 편광판(924)을 통과하면서 선편광으로 변환되고, 하부 λ/4 위상 지연 필름(922)에 의해 원편광으로 변환되며, 투명전극(650)을 경유하여 액정층(800)에 인가된다. 상기 투과 모드에 대응하는 액정층(800)은 상기한 도 5에서 도시한 바와 같이 Δnd6의 광학 특성을 갖는다. 상기 Δnd6은 상기 반사 모드에 대응하는 액정층(800)의 광학 특성인 Δnd5의 2배이다.

원편광이 인가되는 액정층(800)에는 전압이 인가되므로 수평 배열 상태를 유지하고, 수평 배열된 액정층(800)에 의해 원편광으로 변환된 후, 상부 λ/4 위상 지연 필름(912)에 의해 위상이 λ/4 변환되어 선편광이 된다. 이때 변환된 선편광은 상부 편광판(914)을 통과하여 화이트 컬러를 디스플레이한다.

한편, 액정층(800)에 가해지는 전압이 없을 때, 백라이트 어셈블리로부터 제공된 광은 하부 편광판(924)을 통과하면서 선편광으로 변환되고, 하부 λ/4 위상 지연 필름(922)에 의해 원편광으로 변환된 후, 투명전극(150)을 경유하여 액정층(800)에 인가된다.

원편광이 인가되는 액정층(800)에는 전압이 인가되지 않으므로 액정은 수직 배열되고, 수직 배열된 액정층(800)에 의해 원편광을 그대로 유지하면서 상부 λ/4 위상 지연 필름(912)에 인가된다.

상부 λ/4 위상 지연 필름(912)에 인가된 원편광은 선편광으로 변환된 후 상부 편광판(914)에 인가되고, 상부 편광판(914)에 인가된 선편광은 광이 소실되므로 블랙 컬러를 디스플레이한다.

이상에서는 액정층과 편광판 사이에 λ/4 위상 지연 필름을 배치하는 일례를 도시하였으나, 광시야각 위상판을 더 구비할 수도 있다. 즉, 상부 λ/4 위상 지연 필름 위에 광시야각 위상판을 배치하고, 하부 λ/4 위상 지연 필름 아래에 광시야각 위상판을 배치하여 시야각 특성을 향상시킬 수 있다.

상기 광시야각 위상판은 수직 배향(Vertical alignment) 액정셀의 디스코틱 액정에 붙은 위상판으로서, 트리아세틸 셀룰로오스(Triacetyl cellulous: TAC)를 포함하는 제1 필름, 폴리비닐 알콜(Poly Vinyl Alcohol: PVA)을 포함하는 제2 필름, 트리아세틸 셀룰로오스(Triacetyl cellulous: TAC)를 포함하는 제3 필름 상부에 형성된 디스코틱 액정층을 포함한다.

이처럼, 본 발명에 따른 수직 배향 모드의 액정 표시 장치는 노멀리 블랙 모드로 동작하므로 하이 픽셀 손상을 줄일 수 있다.

통상적으로, 노멀리 화이트 모드의 액정 표시 장치에서는 전압이 인가되지 않은 상태에서 화이트 컬러를 디스플레이하다가, 전압이 인가됨에 따라 블랙 컬러를 디스플레이한다. 특히, 하이 레벨의 전압이 인가됨에 따라 정상적으로 블랙 컬러를 디스플레이하지 못하는 픽셀(하이 픽셀 손상)은 화이트 컬러를 나타내고, 이러한 화이트 컬러는 이용자에게는 블랙 화면에서 큰 손상으로 관찰된다.

반면에, 본 발명에 따른 VA 모드를 채용하는 액정 표시 장치는 노멀리 블랙 모드로 동작하므로 전압이 인가되지 않은 상태에서 블랙 컬러를 디스플레이 하다가, 전압이 인가됨에 따라 화이트 컬러를 디스플레이한다. 이때, 하이 레벨의 전압 인가에 따라 정상적으로 화이트 컬러를 디스플레이하지 못하는 픽셀은 블랙 컬러를 나타내고, 이러한 블랙 컬러는 이용자에게는 화이트 화면에서 작은 손상으로 관찰된다.

이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 다중 셀갭 모드 반사-투과형 액정 표시 장치에서 VA 모드를 채용하므로 액정 분자의 초기 배향 상태가 어레이 기판 또는 컬러 필터 기판에 거의 수직하므로 노멀리 블랙 모드의 동작 특성을 갖고, 이에 따라 ECB 모드보다 콘트라스트 비율이 매우 양호하다.

즉, ECB 모드에서는 전압 인가시 액정분자들이 수직 정렬하여 블랙 컬러를 디스플레이하는데, 픽셀의 외곽 영역 근방에서는 인접하는 픽셀들의 영향에 의해 수직 정렬되지 않은 액정분자들이 존재하게 되고, 이에 따라 정상적으로 블랙 컬러를 디스플레이하지 못하게 된다. 하지만, 본 발명에 따른 VA 모드에서는 전압 미인가시 블랙 컬러를 디스플레이하므로 픽셀의 외곽 영역 근방에서도 상기한 수직 정렬되지 않은 액정분자들이 존재하지 않게 되므로 콘트라스트 비율이 모드 특성상 우수하다.

또한, 일반적인 ECB 모드에서 반사 영역의 셀갭은 대략 1.6㎛이고, 투과창의 셀갭은 대략 3.3㎛인 반면, 본 발명에 따른 VA 모드에서 반사 영역의 셀갭은 대략 2.2㎛이고, 투과창의 셀갭은 4.2㎛이므로 셀갭이 크고, 이에 따라 파티클 등에 의한 쇼트를 방지할 수 있다. 즉, 작은 셀갭을 갖는 ECB 모드의 경우 어레이 기판과 컬러 필터 기판간에 파티클이 존재하면 쇼트 등의 불량이 발생하는 문제가 있으나, VA 모드의 경우 셀갭이 상대적으로 크므로 파티클에 의한 쇼트 불량을 대폭 줄일 수 있다.

또한, 반사 영역과 투과창간의 단차 영역에서 빛샘 현상 및 광누설성 잔상 현상을 제거할 수 있다. 왜냐하면, ECB 모드의 경우에는 전압 미인가시 화이트 컬러를 디스플레이하고, 전압 인가시 블랙 컬러를 디스플레이하므로 상기 단차 영역에서 빛샘 및 잔상 현상이 발생한다. 하지만, VA 모드의 경우에는 전압 인가시 화이트 컬러를 디스플레이하고, 전압 미인가시 블랙 컬러를 디스플레이하므로 상기 단차 영역에서 빛샘 및 잔상 현상이 유발되지 않는다.

또한, 일반적인 ECB 모드의 시야각이 ±40도 내외인 반면, 본 발명에 따른 VA 모드의 시야각은 ±70도 내외이므로 시야각 특성이 양호할 뿐만 아니라, 광시야각 위상차판을 사용하므로 시야각 특성을 향상시킬 수 있다.

Claims (7)

1. 색화소를 구비하는 상부 기판;

   서로 인접하는 게이트 라인과 소오스 라인에 의해 정의되는 화소 영역에 형성된 스위칭 소자와, 상기 스위칭 소자에 연결된 화소 전극과, 상기 화소 영역에 형성되어 반사 영역과 투과창을 정의하는 반사판을 구비하는 하부 기판; 및

   수직 배향 모드를 갖고서, 상기 상부 기판과 하부 기판간에 형성된 액정층을 포함하는 액정 표시 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 액정층은 상기 반사 영역과 투과창에 대응하여 서로 다른 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 반사 영역에 대응하는 색화소에는 다수의 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 상부 기판 위에 배치된 상부 λ/4 위상 지연 필름; 및

   상기 상부 λ/4 위상 지연 필름 위에 배치된 상부 편광판을 더 포함하는 액정 표시 장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 하부 기판 아래에 배치된 하부 λ/4 위상 지연 필름; 및

   상기 하부 λ/4 위상 지연 필름 아래에 배치된 하부 편광판을 더 포함하는 액정 표시 장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 상부 기판 위에 배치된 상부 λ/4 위상 지연 필름;

   상기 상부 λ/4 위상 지연 필름 위에 배치된 상부 광시야각 위상판; 및

   상기 상부 광시야각 위상판 위에 배치된 상부 편광판을 더 포함하는 액정 표시 장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 하부 기판 아래에 배치된 상부 λ/4 위상 지연 필름;

   상기 상부 λ/4 위상 지연 필름 아래에 배치된 하부 광시야각 위상판; 및

   상기 하부 광시야각 위상판 아래에 배치된 하부 편광판을 더 포함하는 액정 표시 장치.