KR20060092369A - 잔상을 줄인 티에프티 액정표시소자 - Google Patents

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KR20060092369A
KR20060092369A KR1020050013085A KR20050013085A KR20060092369A KR 20060092369 A KR20060092369 A KR 20060092369A KR 1020050013085 A KR1020050013085 A KR 1020050013085A KR 20050013085 A KR20050013085 A KR 20050013085A KR 20060092369 A KR20060092369 A KR 20060092369A
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노봉규
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Abstract

본 발명은 잔상을 줄인 TFT 액정표시소자에 관한 것이다. TFT 액정표시소자는 응답특성을 개선하려고 액정층(cell gap)을 얇게 한다. 90°TN 액정모드를 쓴 액정층의 두께는 현재 3.2 ∼ 4.0㎛ 정도이지만, 앞으로 3.0㎛ 이하가 될 전망이다. 액정셀이 두께가 3.0㎛ 이하로 작아지면 액정셀 제조공정에서 먼지 등의 영향으로 생산수율이 떨어진다. 액정층과 전극 사이에 유전막을 두면, 액정층의 두께 공차가 커진다. 그러나 유전막 때문에, 배향막과 유전막에 흡착된 이온이 전극으로 빠져나가는데 많은 시간이 걸리므로, 잔상에 매우 취약하다. 유전막을 두는 경우에는 액정층과 유전막에 직류전압이 걸리지 않도록 TFT 기판을 설계해야한다.
본 발명에서는 주사선 패드로부터 화소까지 떨어진 거리에 따라서 보전축적용량(Storage Capacitor)의 크기와 게이트전극과 드레인전극 사이의 겹치는 면적을 다르게 설계하여, 액정층과 유전막에 걸리는 잔류직류전압(Residual DC Voltage)을 최소로 줄였다. 본발명의 TFT 액정표시소자는 응답특성이 좋고, 생산수율이 높고, 잔상이 거의 없으므로 대화면 TV용에 적합하다.
유전막, 액정층 두께, 응답특성, 잔상, TFT LCD

Description

잔상을 줄인 티에프티 액정표시소자 { TFT LCD with Minimized Residual Image}
도1은 TFT 액정표시소자의 화소의 전극 평면도이다.
도2는 TFT 액정표시소자의 화소의 등가회로도이다.
도3은 TFT 액정표시소자의 여러 화소를 나타내는 회로도이다.
도4는 보전축적용량이 공통전극방식인 TFT 액정표시소자의 등가회로도이다.
도5는 보전축적용량이 공통전극방식인 TFT 액정표시소자의 전극 구조이다.
도6은 보전축적용량이 전단주사선 방식인 TFT 액정표시소자의 등가회로도이다.
도7은 보전축적용량이 전단주사선 방식인 TFT 액정표시소자의 전극 구조이다.
도8은 유전막이 있는 TFT 액정표시소자의 단면도이다.
도9는 유전막이 있는 TFT 액정셀의 등가회로도이다.
도10은 유전막이 없는 경우 이온분포도이다.
도11은 유전막이 있는 경우 이온분포도이다.
도12는 강하전압(Feed-through Voltage)를 설명하는 회로도이다.
도13은 TFT 액정판이다.
도14는 주사선 구동파형이다.
도15는 보전축적용량이 공통전극방식인 본 발명의 전극 구조이다.
도16는 보전축적용량이 전단주사선방식인 본 발명의 전극 구조이다.
도17은 본 발명의 TFT 전극 구조이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 공통전극 유리기판 2 : TFT 기판 11 : 주사선
12 : 신호선 13 : TFT 14 : 화소전극
15 : 보전축적용량 공통전극 16 : 주사선 패드 17 : 신호선 패드
20: 공통전극 21 : 상배향막 22 : 유전막
23 : 하배향막 24 : 액정층 131 : 소스전극
132 : 드레인전극 133 : 게이트전극 134 : 비정질 규소층
본 발명은 잔상을 줄인 TFT(Thin Film Transistor) 액정표시소자에 관한 것이다. 액정층과 전극 사이에 유전막을 두면, 액정층의 두께 공차가 커진다. 그러나 유전막 때문에, 배향막과 유전막에 흡착된 이온이 전극으로 빠져나가는데 많은 시간이 걸리므로, 잔상에 매우 취약하다. 본 발명에서는 보전축적용량(Storage Capacitor)의 크기와 게이트전극과 드레인전극 사이의 겹치는 면적을, 주사선 패드로부터 화소까지 떨어진 거리에 따라서 다르게 설계하여, 잔상을 최소화하였다.
TFT LCD는 대화면 TV로 많이 응용될 전망이다. 도1은 TFT 액정표시소자의 화소의 전극 평면도이다. 각 화소에는 TFT(13)를 두어, 전압을 걸고 차단한다. TFT의 게이트전극(133)은 주사선(11)에 연결되어 있고, 소스전극(131)은 신호선(12)에 연결되어 있고, 드레인전극(132)은 화소전극(14)에 연결되어 있다. 드레인전극과 소스전극은 같은 층이고, 게이트전극(133)과 드레인전극 사이에 비정질규소(amorphous silicon)층(134)이 형성되어있다. 도2는 TFT 액정표시소자의 등가회로이다. TFT 액정표시소자의 동작원리는 다음과 같다. 각각의 화소에는 전압에 따라서 투과율을 조절하는 액정층(CL)이 있다. 주사선(11)이 선택기간이 되면 게이트 전극에 신호선보다 높은 전압이 걸려 TFT의 채널의 저항이 작아져, 신호선에 걸린 전압이 액정층에 걸린다. 비선택기간에는 게이트전극에 신호선보다 낮은 전압이 걸려, TFT의 채널의 저항이 커져서 신호선과 화소는 전기적으로 단절된다. 화소들이 도3과 같이 가로 및 세로로 수천개씩 연결되어 한 화면을 이룬다.
비선택기간 동안에 액정층에 걸어준 전압이 잘 유지되도록 보전축적용량(Storage Capacitor; CS)을 액정층과 병렬로 연결한다. 보전축적용량을 만드는 방법에 따라서 공통전극방식과 전단주사선방식이 있다. 공통전극방식은 별도의 보전축적용량의 공통전극을 두어, 화소전극과 이 공통전극 사이에 축전기가 되게 한다. 도4는 보전축적용량이 공통전극방식인 TFT 액정표시소자의 등가회로도이다. 도5는 보전축적용량이 공통전극방식인 TFT 액정표시소자의 전극 구조이다. 화소전극(14)과 보전축전기의 공통전극(15) 사이에 축전기가 놓인다. 도6은 보전축적용량이 전 단주사선 방식인 TFT 액정표시소자의 등가회로도이다. 주사선은 (n-1), (n), (n+1) 순서로 주사된다. 도7은 보전축적용량이 전단주사선 방식인 TFT 액정표시소자의 전극 구조이다.
TFT 액정표시소자는 응답특성을 개선하려고 액정층(cell gap)을 얇게 한다. 90°TN 액정모드를 쓴 액정층의 두께는 현재 3.2 ∼ 4.0㎛ 정도이지만, 앞으로 3.0㎛ 이하도 개발될 전망이다. 액정셀이 두께가 3.0㎛ 이하로 작아지면 액정셀 제조공정에서 먼지 등의 영향으로 생산수율이 떨어진다. 액정층과 전극 사이에 유전막을 두면, 액정층의 두께 공차가 커진다. 도8는 유전막(22)이 들어간 액정표시소자의 단면도이다. 도8에서 TFT는 생략하였다. 공통전극 기판(2)에는 공통전극(20)이 표시면적 전체에 형성되어 있다. TFT 기판에는 각각의 화소마다 액정층에 전압을 독립적으로 걸어줄 수 있는 화소전극(14)이 형성되어 있다. 액정층은 상하배향막(21, 23) 사이에 놓인다. 공통전극(20)과 상배향막(21) 사이에 유전막(22)이 형성되어 있다. 전압에 따라서 액정층에 걸린 전압은 유전막과 액정층이 직렬로 연결된 등가회로로부터 구할 수 있다. 도9는 유전막이 들어간 액정화소의 등가회로이다. 액정층(CL)과 유전막(CD)으로된 축적용량이 직렬로 연결된 구조이다. 유전막은 화소전극(14)과 하배향막(23) 사이에 둘 수도 있다. 도9에서 배향막은 보통 두께가 500Å 정도로 액정층이나 유전막에 비하여 매우 얇기 때문에 무시한다. 유전막의 두께는 보통 0.5∼1.5㎛ 정도이다. 액정층의 유전율을 εL, 액정층의 두께를 dL, 유전막의 유전율을 εD, 유전막의 두께를 dD라고하면, 단위면적의 유전율은 아래식과 같 다.
Figure 112005502067379-PAT00001
도9에서 바이어스전압(VB)은 액정층과 유전율의 임피던스의 비에 따라서, 액정층과 유전막에 분할하여 걸린다. 액정층에 걸린 전압(VL)은 아래식과 같다.
Figure 112005502067379-PAT00002
유전막은 스핀코팅으로 만들기 때문에 두께 편차가 수십Å 이하로 유전막의 두께편차는 거의 없다고 가정한다. 식2에서 액정층이 두꺼워지면 액정층의 축적용량은 작아지고, 액정층에 걸린 전압은 커진다. 반대로 액정층이 얇아지면 액정층의 축적용량은 커지고 액정층에 걸린 전압은 작아진다. 액정층의 두께가 δ만큼 달라질 때 액정층의 전압 변화는 아래식과 같다.
Figure 112005502067379-PAT00003
액정층의 두께가 커지면 액정층에 걸린 전압이 커지고, 액정분자의 장축은 배향막 평면에서 수직방향으로 배열하므로 액정층에 수직으로 지나는 빛에 대한 액 정의 굴절률 이방성(Δn)이 줄어든다. 투과율은 액정의 굴절률 이방성 Δn과 두께 d의 함수인데, d가 커지면 Δn이 줄어들고, d가 줄어들면 Δn이 커지므로, 서로 보완하는 구조이다. 이렇게 d와 Δn이 보완하는 구조는 액정층에 걸리는 전압이 커질수록 Δn이 줄어드는 액정배열이 되어야한다. 전압이 커질수록 액정분자가 수직으로 배열하는 특성을 띄어야한다. 이러한 특성을 띄는 대표적인 예가 TN이나 STN에서 많이 쓰는 유전율 이방성이 양인 니메틱 액정이다.
공통전극과 상배향막 사이에 유전막을 두면, 액정층의 두께 공차를 크게 할 수 있다. 그러나 유전막이 배향막과 화소전극 사이에 있기 때문에, 배향막과 유전막에 흡착된 이온이 전극으로 빠져나가는데 많은 시간이 걸리므로, 이러한 구조는 잔류DC전압(Residual DC Voltage)이 걸려 생기는 잔상에 매우 취약하다. 도11은 유전막이 있었을 때의 흡착된 이온들의 분포이고, 도10은 유전막이 없이 배향막 한층만 두었을 때의 흡착된 이온분포이다. 이온들은 최종적으로 전극에서 주입된 반대극성의 전하로 중성화되므로, 유전막을 두는 경우에는 유전막이 장벽이 되어 흡착된 이온들이 쉽게 사라지지 않는다. 따라서 액정층과 유전막에 직류전압이 걸리지 않도록 TFT 기판을 설계해야한다.
TFT의 전극이 서로 겹치는 부분의 기생축적용량(parasitic capacitance)이 액정층에 직류전압을 주는 주된 요인이다. 특히 게이트전극과 드레인전극 사이의 기생축적용량(CGD)이 가장 큰 문제가 된다. 주사선이 비선택기간으로 변할 때, 게이트전극의 전압변화가 게이트전극과 드레인전극 사이의 기생축적용량(CGD)을 통하여 액정층에 걸린 전압을 다르게 한다. 도12는 게이트전극과 드레인전극 사이의 기생축적용량(CGD)을 나타낸다. 도13은 TFT 액정판(LCD Panel)의 평면도이다. 주사선패드(16)에는 주사선 구동 IC가 부착된다. 신호선패드(17)에는 신호선 IC가 부착된다. 도14는 게이트전극에 걸리는 전압의 파형을 나타낸 것이다. 주사선은 비선택기간이 될 때 ΔVg 만큼 전압이 변한다. 주사선에는 여러 축적용량이 연결되어 있다. 축적용량은 주사선패드로부터떨어진 거리에 비례하므로, 주사선 패드 가까운 부분 A에서는 RC 지연이 거의 없으므로 (가)와 같은 파형이 걸리고, 주사선 패드로부터 멀리 떨어진 영역 B에서는 RC 지연이 된 (나)와 같은 파형이 게이트전극에 인가된다.
게이트전극의 전압변화가 ΔVg 일때의 화소의 강하전압(ΔV; Feed-through Voltage)은 아래 식과 같다.
Figure 112005502067379-PAT00004
강하전압(ΔV)은 신호선에 걸린 전압의 극성에 관계없이 화소전압을 낮추므로, 강하전압을 보상하기 위하여 공통전극을 ΔVg 만큼 낮추어 구동한다. 강하전압(ΔV)은 주사선 패드로부터 떨어진 위치에 따라 다르다. 주사선패드의 가까운 부분 에는 게이트전극의 구동파형의 왜곡이 거의 없으므로, 강하전압이 크다. 주사선패드에서 떨어질수록 파형이 도14의 (나)와 같이 지연이 생기는데, 이러한 주사선의 신호지연으로 시간에대한 전압변화율이 떨어져서, 강하전압이 주사선 패드 가까운 곳보다 작다. 강하전압(ΔV; Feed-through Voltage)이 위치마다 다르다. 강하전압이 주사선 패드로부터 떨어진 거리에 따라서 다르기 때문에, 강하전압의 차이만큼 액정층에는 잔류직류전압(Residual DC Voltage)이 걸린다.
본 발명에서는 유전막을 두는 TFT LCD의 경우, 보전축적용량(Storage Capacitor)과 게이트전극과 드레인전극 사이의 기생축적용량을, 주사선 패드로부터 화소까지 떨어진 거리에 따라서 다르게 하여, 액정층과 유전막에 걸리는 잔류직류전압(Residual DC Voltage)을 최소로 줄였다. 주사선 패드로부터 멀어질수록 보전전기용량(CS)을 작게하거나 또는 주사선 패드로부터 멀어질수록 게이트전극과 드레인전극 사이의 기생축적용량(CGD)을 크게한다. 즉 게이트전극의 파형지연으로 생기는 강하전압의 차이를 화소의 전극 설계로 보상한다. 도15는 보전축적용량이 공통전극방식인 본 발명의 전극 구조이다. (n)번째 화소가 (n+1)번째 화소보다 게이트 패드로부터 가깝다. 주사선 패드로부터 멀어질수록 보전축적용량의 공통전극(15)의 폭을 작게 하였다. 주사선패드로부터 멀어질수록 보전축적용량의 공통전극의 폭을 작게하여, 화소전극과 보전축적용량의 공통전극이 겹치는 부분의 면적을 줄여서 보전축적용량을 작게 하였다. 도16는 보전축적용량이 전단주사선방식인 본 발명의 전극 구조이다. (n)번째 화소가 (n+1)번째 화소보다 주사선페드로부터 가깝다. 주사 선패드로부터 멀어질수록 주사선의 폭을 작게 하였다. 주사선패드로부터 멀어질수록 주사선의 폭을 작게하여, 화소전극과 전단의 주사선이 겹치는 부분의 면적을 줄여서 보전축적용량을 작게 하였다. 도15와 도16은 보전축적용량을 조절하여 강하전압을 화소의 위치에 관계없이 일정하게 하였다.
도17은 본 발명의 TFT 전극 구조이다. (n)번째 화소가 (n+1)번째 화소보다 주사선패드로부터 가깝다. (n)번째 화소와 (n+1)번째 화소는 드레인전극(132)의 크기만 다르고, 그 외는 동일하다. 주사선패드로부터 멀어질수록 드레인전극과 게이트전극이 겹치는 부분을 크게하여, 기생축적용량(CGD)을 크게한다. 주사선 패드로부터 멀어질수록 기생축적용량(CGD)을 크게하여, 게이트파형의 신호지연으로 생기는 강하전압을 보상한다. 도17은 기생축적용량을 달리하여 화소의 위치에 관계없이 강하전압을 일정하게 하였다.
본 발명에서는 보전축적용량(Storage Capacitor)의 크기와 게이트전극과 드레인전극 사이의 겹치는 면적을, 주사선패드로부터 화소까지 떨어진 거리에 따라서 다르게 설계하여, 액정층과 유전막에 걸리는 잔류직류전압(Residual DC Voltage)을 최소로 줄였다. 따라서 본 발명은 유전막 때문에 생산 수율이 높고, 얇은 액정층 때문에 응답특성이 우수하고, 강하전압이 화소의 위치와 관계없이 일정하므로 잔상이 없어 대화면 TV용에 적합하다.

Claims (6)

  1. 화소에 TFT(13) 소자가 형성되어 있고, 액정(24)이 네마틱이면서 유전률 이방성이 양이고, 화소전극(14)과 하배향막(23) 사이 또는 공통전극(20)과 상배향막(21) 사이에 적어도 한곳에 유전막(22)이 입혀지고, 주사선패드(16)로부터 멀어질수록 화소의 보전축적용량이 작아지는 것을 특징으로 하는 TFT액정표시소자.
  2. 제1항에 있어서 보전축적용량의 방식이 전단주사선 방식이고, 주사선패드(16)로부터 멀어질수록 화소전극(14)과 전단주사선 사이에 겹치는 부분의 전단 주사선의 면적이 작아지는 것을 특징으로 하는 TFT 액정표시소자.
  3. 제1항에 있어서 보전전기용량의 방식이 공통전극 방식이고, 주사선패드(16)로부터 멀어질수록 화소전극(14)과 보존전기용량의 공통전극(20)사이에 겹치는 부분의 보존전기용량의 공통전극(20)의 면적이 작아지는 것을 특징으로 하는 TFT 액정표시소자.
  4. 화소에 TFT(13) 소자가 형성되어 있고, 액정(24)이 네마틱이면서 유전률 이방성이 양이고, 화소전극(14)과 하배향막(23) 사이 또는 공통전극(20)과 상배향막(21) 사이에 적어도 한곳에 유전막(22)이 입혀지고, 주사선패드(16)로부터 멀어질수록 화소의 게이트전극(133)과 드레인전극(132) 사이의 겹치는 부분의 면적이 커 지는 것을 특징으로 하는 TFT 액정표시소자.
  5. 제4항에 있어서, 주사선패드(16)로부터 멀어질수록 게이트전극(133)과 드레인전극(132) 사이의 겹치는 부분의 드레인전극(132)이 커지는 것을 특징으로 하는 TFT 액정표시소자.
  6. 제4항에 있어서, 주사선패드(16)로부터 멀어질수록 게이트전극(133)과 드레인전극(132) 사이의 겹치는 부분의 게이트전극(133)이 커지는 것을 특징으로 하는 TFT 액정표시소자.
KR1020050013085A 2005-02-17 2005-02-17 잔상을 줄인 티에프티 액정표시소자 KR20060092369A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109997071A (zh) * 2016-11-29 2019-07-09 夏普株式会社 液晶装置、液晶装置的求出残留dc电压值的方法、液晶装置的驱动方法以及液晶装置的制造方法
CN109997071B (zh) * 2016-11-29 2022-03-29 夏普株式会社 液晶装置、液晶装置的求出残留dc电压值的方法、液晶装置的驱动方法以及液晶装置的制造方法

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