KR20070025443A - 박막 트랜지스터 표시판 - Google Patents

박막 트랜지스터 표시판 Download PDF

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KR20070025443A
KR20070025443A KR1020050081621A KR20050081621A KR20070025443A KR 20070025443 A KR20070025443 A KR 20070025443A KR 1020050081621 A KR1020050081621 A KR 1020050081621A KR 20050081621 A KR20050081621 A KR 20050081621A KR 20070025443 A KR20070025443 A KR 20070025443A
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한은희
이창훈
김희섭
이준우
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 박막 트랜지스터 표시판은 기판, 기판 위에 형성되어 있는 복수의 게이트선, 기판 위에 형성되어 있으며 투명한 도전체로 이루어진 복수의 공통 전극, 게이트선과 교차하는 데이터선, 게이트선 및 데이터선과 연결되어 있는 박막 트랜지스터, 박막 트랜지스터와 연결되어 있으며, 공통 전극과 중첩하고 있는 복수의 화소 전극을 포함한다. 이때, 화소 전극은 서로 분리되어 있으며 서로 평행하게 뻗어 있는 복수의 가지 전극과 가지 전극을 연결하는 연결부를 포함하며, 연결부는 가지 전극의 양단에서 교대로 배치되어 있다. 이와 같은 구조는 화소의 표시 특성을 향상시킬 수 있다.
액정표시장치, PLS, 화소전극, 공통전극, 가지전극, 텍스쳐

Description

박막 트랜지스터 표시판{THIN FILM TRANSISTOR ARRAY PANEL}
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 표시판의 구조를 도시한 배치도이고,
도 2 및 도 3은 도 1의 박막 트랜지스터 표시판을 II-II 및 III-III 선을 따라 잘라 도시한 각각의 단면도이고,
도 4는 도 1의 박막 트랜지스터 표시판에서 A 부분을 확대하여 도시한 확대도이고,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터 표시판에서 화소 전극과 공통 전극의 구조를 나타내는 배치도이고,
도 6은 도 5에서 VI-VI 선을 잘라 도시한 액정 표시 장치의 단면도로서, 상부 표시판 및 하부 표시판에서 형성되는 전기력선을 함께 도시한 도면이고,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치에서 액정 분자들의 비틀림각 변화를 설명하기 위한 배치도이고,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치에서 기판에 수평이고 화소 전극에 수직인 선에 대한 액정 분자들의 비틀림각의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치에서 기판에 수직인 선에 대한 액정 분자들의 비틀림각 변화를 나타내는 그래프이고,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치에서 액정 분자들의 경사각 변화 를 나타내는 그래프이고,
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치에서 기판에 수직인 선에 대한 액정 분자들의 경사각 변화를 도시한 그래프이고,
도 12는 본 발명의 실시예에서 기판에 수평이고 화소 전극에 수직인 선에 대한 액정 분자들의 경사각 변화를 도시한 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110: 기판 121, 129: 게이트선
124: 게이트 전극 131: 공통 전극
125: 공통 전극선 140: 게이트 절연막
154: 반도체 163, 165: 저항성 접촉 부재
171, 179: 데이터선 173: 소스 전극
175: 드레인 전극 180: 보호막
181, 182, 185: 접촉 구멍 191: 화소 전극
81, 82: 접촉 보조 부재
본 발명은 박막 트랜지스터 표시판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액정 표시 장치의 한 기판으로 사용하는 박막 트랜지스터 표시판에 관한 것이다.
액정 표시 장치는 현재 가장 널리 사용되고 있는 평판 표시 장치 중 하나로서, 화 소 전극과 공통 전극 등 전계 생성 전극이 형성되어 있는 두 장의 표시판과 그 사이에 삽입되어 있는 액정층으로 이루어지며, 전계 생성 전극에 전압을 인가하여 액정층에 전계를 생성하고 이를 통하여 액정층의 액정 분자들의 배향을 결정하고 입사광의 편광을 제어함으로써 영상을 표시한다.
그 중에서도 전계가 인가되지 않은 상태에서 액정 분자의 장축을 상하 표시판에 대하여 수직을 이루도록 배열한 수직 배향(VA, vertical alignment) 모드 액정 표시 장치는 대비비가 커서 각광받고 있다.
그러나, 광시야각에 문제가 있어 수직 배향 모드의 액정 표시 장치에 절개부를 적용한 PVA(patterned vertically aligned) 모드의 액정 표시 장치, IPS(in-plane switching) 모드의 액정 표시 장치 및 PLS(plane to line switching) 모드의 액정 표시 장치가 개발되었다. 이때, 화소 전극은 선형의 가지부와 가지부를 연결하는 연결부를 포함한다.
그러나, 이러한 액정 표시 장치에서는 공통 전극과 화소 전극 사이에서 전기장이 형성되는데, 이러한 전기장 중 가지부와 연결부가 만나는 부분에서 형성된 전기장은 액정 분자들의 배향을 왜곡시킨다. 이러한 배향 왜곡으로 인하여 텍스쳐(texture)나 빛샘 현상이 나타나고, 이는 액정 표시 장치의 표시 특성을 저하시키는 원인으로 작용한다.
본 발명의 기술적 과제는 PLS 모드에서 텍스쳐나 빛샘 현상을 최소화할 수 있는 박막 트랜지스터 표시판을 을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 박막 트랜지스터 표시판은 기판, 상기 기판 위에 형성되어 있는 복수의 게이트선, 상기 기판 위에 형성되어 있으며 투명한 도전체로 이루어진 복수의 공통 전극, 상기 게이트선과 교차하는 데이터선, 상기 게이트선 및 상기 데이터선과 연결되어 있는 박막 트랜지스터, 상기 박막 트랜지스터와 연결되어 있으며, 상기 공통 전극과 중첩하고 있는 복수의 화소 전극을 포함한다. 이때, 상기 화소 전극은 서로 분리되어 있으며 서로 평행하게 뻗어 있는 복수의 가지 전극과 상기 가지 전극을 연결하는 연결부를 포함하며, 상기 연결부는 상기 가지 전극의 양단에서 교대로 배치되어 있다.
공통 전극은 가지 전극 사이에서 연속적인 면으로 이루어진 것이 바람직하다.
가지 전극은 서로 다른 영역에 각각 배치되어 있는 제1 가지 전극과 제2 가지 전극을 포함할 수 있으며, 제1 및 제2 가지 전극은 게이트선을 나란한 화소 전극의 중심선에 대하여 대칭인 것이 바람직하다.
가지 전극은 게이트선 또는 상기 데이터선에 대하여 임의의 각으로 기울어진 것이 바람직하다.
이러한 박막 트랜지스터 표시판 공통 전극을 공통으로 연결하는 공통 전극선을 더 포함할 수 있다.
그러면, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설 명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이제 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 한 기판으로 사용하는 박막 트랜지스터 표시판에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 표시판의 구조에 대하여 도 1 내지 도 4를 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 표시판의 구조를 도시한 배치도이고, 도 2 및 도 3은 도 1의 박막 트랜지스터 표시판을 II-II 및 III-III 선을 따라 잘라 도시한 각각의 단면도이고, 도 4는 도 1의 박막 트랜지스터 표시판에서 A 부분을 확대하여 도시한 확대도이다.
투명한 유리 또는 플라스틱 따위로 만들어진 절연 기판(110) 위에 복수의 게이트선(gate line)(121), 복수의 공통 전극선(125) 및 복수의 공통 전극(common electrode)(131)이 형성되어 있다.
게이트선(121)은 게이트 신호를 전달하며 주로 가로 방향으로 뻗어 있다. 각 게이트선(121)은 위아래로 돌출한 복수의 게이트 전극(gate electrode)(124)과 다른 층 또는 외부 구동 회로와의 접속을 위하여 면적이 넓은 끝 부분(129)을 포함한다. 게이트 신호를 생성하는 게이트 구동 회로(도시하지 않음)는 집적 회로 칩의 형태로 기판(110) 위에 부착되는 가요성 인쇄 회로막(flexible printed circuit film)(도시하지 않음) 위에 장착되거나, 기판(110) 위에 직접 장착될 수 있고, 또는 기판(110)에 집적될 수 있다. 게이트 구동 회로가 기판(110) 위에 집적되어 있는 경우 게이트선(121)이 연장되어 이와 직접 연결될 수 있다.
공통 전극선(125)은 공통 전압(common voltage)을 전달하며, 게이트선(121)과 거의 평행하게 가로 방향으로 뻗어 있다. 공통 전극선(125)은 게이트선(121)과 동일한 층으로 이루어져 있는데, 이웃하는 두 게이트선(121) 사이의 중앙에 위치하며, 누설되는 빛을 차단하기 위해 아래위로 돌출한 확장부(125')를 가진다.
게이트선(121) 및 공통 전극선(125)은 알루미늄(Al)이나 알루미늄 합금 등 알루미늄 계열 금속, 은(Ag)이나 은 합금 등 은 계열 금속, 구리(Cu)나 구리 합금 등 구리 계열 금속, 몰리브덴(Mo)이나 몰리브덴 합금 등 몰리브덴 계열 금속, 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta) 및 티타늄(Ti) 따위로 만들어질 수 있다. 그러나 이들은 물리적 성질이 다른 두 개의 도전막(도시하지 않음)을 포함하는 다중막 구조를 가질 수도 있다. 이 중 한 도전막은 신호 지연이나 전압 강하를 줄일 수 있도록 비저항(resistivity)이 낮은 금속, 예를 들면 알루미늄 계열 금속, 은 계열 금속, 구리 계열 금속 등으로 만들어진다. 이와는 달리, 다른 도전막은 다른 물질, 특히 ITO(indium tin oxide) 및 IZO(indium zinc oxide)와의 물리적, 화학적, 전기적 접촉 특성이 우수한 물질, 이를테면 몰리브덴 계열 금속, 크롬, 탄탈륨, 티타늄 등으 로 만들어진다. 이러한 조합의 좋은 예로는 크롬 하부막과 알루미늄 (합금) 상부막 및 알루미늄 (합금) 하부막과 몰리브덴 (합금) 상부막을 들 수 있다. 그러나 게이트선(121)은 이외에도 여러 가지 다양한 금속 또는 도전체로 만들어질 수 있다.
게이트선(121) 및 공통 전극선(125)의 측면은 기판(110) 면에 대하여 경사져 있으며 그 경사각은 약 30도 내지 약 80도인 것이 바람직하다.
복수의 공통 전극(131)은 공통 전극선(125)에 공통으로 연결되어 공통 전극선(125)으로부터 공통 전압(common voltage)을 인가 받는다. 공통 전극(131)은 직사각형으로 모양을 이루고 매트릭스 형태로 배열되어 게이트선(121) 사이의 공간을 거의 채우고 있다. 공통 전극(131)은 ITO(indium tin oxide) 또는 IZO(indium zinc oxide) 등의 투명한 도전 물질로 만들어지며, 공통 전극선(125)은 공통 전극(131)과 동일한 층으로 만들어질 수 있다.
게이트선(121), 공통 전극선(125) 및 공통 전극(131) 위에는 질화규소(SiNx) 또는 산화규소(SiOx) 따위로 만들어진 게이트 절연막(gate insulating layer)(140)이 형성되어 있다. 게이트 절연막(140)은 게이트선(121)과 공통 전극(131)이 서로 단락되는 것을 방지하고, 이들 위에 형성되는 다른 도전성 박막과의 절연을 도모한다.
게이트 절연막(140) 위에는 수소화 비정질 규소(hydrogenated amorphous silicon)(비정질 규소는 약칭 a-Si로 씀) 또는 다결정 규소(polysilicon) 등으로 만들어진 복수의 섬형 반도체(154)가 형성되어 있다. 섬형 반도체(154)는 게이트 전극(124) 위에 위치하며, 게이트선(121)의 경계를 덮는 연장부(extension)를 포함한다.
섬형 반도체(154) 위에는 복수의 섬형 저항성 접촉 부재(ohmic contact)(163, 165)가 형성되어 있다. 저항성 접촉 부재(163, 165)는 인 따위의 n형 불순물이 고농도로 도핑되어 있는 n+ 수소화 비정질 규소 따위의 물질로 만들어지거나 실리사이드(silicide)로 만들어질 수 있다. 섬형 저항성 접촉 부재(163, 165)는 쌍을 이루어 섬형 반도체(154) 위에 배치되어 있다.
섬형 반도체(154)와 저항성 접촉 부재(163, 165)의 측면 역시 기판(110) 면에 대하여 경사져 있으며 경사각은 30도 내지 80도 정도이다.
저항성 접촉 부재(163, 165) 및 게이트 절연막(140) 위에는 복수의 데이터선(data line)(171)과 복수의 드레인 전극(drain electrode)(175)이 형성되어 있다.
데이터선(171)은 데이터 신호를 전달하며 주로 세로 방향으로 뻗어 게이트선(121)과 교차한다. 각 데이터선(171)은 게이트 전극(124)을 향하여 뻗은 복수의 소스 전극(source electrode)(173)과 다른 층 또는 외부 구동 회로와의 접속을 위하여 면적이 넓은 끝 부분(179)을 포함한다. 데이터 신호를 생성하는 데이터 구동 회로(도시하지 않음)는 기판(110) 위에 부착되는 가요성 인쇄 회로막(도시하지 않음) 위에 장착되거나, 기판(110) 위에 직접 장착되거나, 기판(110)에 집적될 수 있다. 데이터 구동 회로가 기판(110) 위에 집적되어 있는 경우, 데이터선(171)이 연장되어 이와 직접 연결될 수 있다.
드레인 전극(175)은 데이터선(171)과 분리되어 있고 게이트 전극(124)을 중심으로 소스 전극(173)과 마주 본다. 각 드레인 전극(175)은 넓은 한 쪽 끝 부분과 막대형인 다른 쪽 끝 부분을 가지고 있으며, 막대형 끝 부분은 U자형으로 구부러진 소 스 전극(173)으로 일부 둘러싸여 있다.
하나의 게이트 전극(124), 하나의 소스 전극(173) 및 하나의 드레인 전극(175)은 섬형 반도체(154)와 함께 하나의 박막 트랜지스터(thin film transistor, TFT)를 이루며, 박막 트랜지스터의 채널(channel)은 소스 전극(173)과 드레인 전극(175) 사이의 반도체(154)에 형성된다.
데이터선(171) 및 드레인 전극(175)은 몰리브덴, 크롬, 탄탈륨 및 티타늄 등 내화성 금속(refractory metal) 또는 이들의 합금으로 만들어지는 것이 바람직하며, 내화성 금속막(도시하지 않음)과 저저항 도전막(도시하지 않음)을 포함하는 다중막 구조를 가질 수 있다. 다중막 구조의 예로는 크롬 또는 몰리브덴 (합금) 하부막과 알루미늄 (합금) 상부막의 이중막, 몰리브덴 (합금) 하부막과 알루미늄 (합금) 중간막과 몰리브덴 (합금) 상부막의 삼중막을 들 수 있다. 그러나 데이터선(171) 및 드레인 전극(175)은 이외에도 여러 가지 다양한 금속 또는 도전체로 만들어질 수 있다.
저항성 접촉 부재(163, 165)는 그 아래의 반도체(154)와 그 위의 데이터선(171) 및 드레인 전극(175) 사이에만 존재하며 이들 사이의 접촉 저항을 낮추어 준다. 게이트선(121) 위에 위치한 반도체(154)의 연장부는 표면의 프로파일을 부드럽게 함으로써 데이터선(171)이 단선되는 것을 방지한다. 반도체(154)에는 소스 전극(173)과 드레인 전극(175) 사이를 비롯하여 데이터선(171) 및 드레인 전극(175)으로 가리지 않고 노출된 부분이 있다.
데이터선(171), 드레인 전극(175) 및 노출된 반도체(151) 부분 위에는 보호막(passivation layer)(180)이 형성되어 있다. 보호막(180)은 무기 절연물 또는 우기 절연물 따위로 만들어지며, 무기 절연물의 예로는 질화규소와 산화규소를 들 수 있다. 유기 절연물은 감광성(photosensitivity)을 가질 수 있으며 그 유전 상부(dielectic constant)는 약 4.0 이하인 것이 바람직하다. 그러나 보호막(180)은 유기막의 우수한 절연 특성을 살리면서도 노출된 반도체(154) 부분에 해가 가지 않도록 하부 무기막과 상부 유기막의 이중막 구조를 가질 수 있다.
보호막(180)에는 데이터선(171)의 끝 부분(179)과 드레인 전극(175)을 각각 드러내는 복수의 접촉 구멍(contact hole)(182, 185)이 형성되어 있으며, 보호막(180)과 게이트 절연막(140)에는 게이트선(121)의 끝 부분(129)을 드러내는 복수의 접촉 구멍(181)이 형성되어 있다.
보호막(180) 위에는 복수의 화소 전극(pixel electrode line)(191) 및 복수의 접촉 보조 부재(contact assistant)(81, 82)가 형성되어 있다. 이들은 ITO(indium tin oxide) 또는 IZO(indium zinc oxide) 등의 투명한 도전 물질로 만들어질 수 있다.
화소 전극(191) 각각은 접촉 구멍(185)을 통하여 드레인 전극(175)과 물리적 및 전기적으로 연결되어 있으며, 각각 드레인 전극(175)으로부터 데이터 전압을 인가 받는다.
데이터 전압이 인가된 화소 전극(191)은 공통 전압을 인가 받는 공통 전극(131)과 함께 전기장을 생성함으로써 두 전극(191, 131) 위에 위치하는 액정층(도시하지 않음)의 액정 분자의 방향을 결정한다. 이와 같이 결정된 액정 분자의 방향에 따라 액정층을 통과하는 빛의 편광이 달라진다.
화소 전극(191)과 공통 전극(131)은 액정층(3)을 유전체로 액정 축전기(Clc, 도 2 참조)를 이루어 박막 트랜지스터가 턴 오프된 후에도 인가된 전압을 유지하는데, 이들(191, 131)은 또한 게이트 절연막(140) 및 보호막(180)을 유전체로 유지 축전기(Cst)를 이루어 액정 축전기의 전압 유지 능력을 강화시킨다.
화소 전극(191)은 주로 가로 방향으로 뻗어 있으며 공통 전극(31)과 중첩하고 서로 분리되어 있는 복수의 가지 전극(191a)과 가지 전극(191a)을 서로 연결하는 연결부(191b)를 포함한다.
복수의 가지 전극(191a)은 게이트선(121)에 대하여 소정의 각도(øs)로 기울어져 있으며 게이트선(121)과 평행한 화소 전극(191)의 중심선에 대하여 대칭을 이루는 복수의 하부 및 상부 가지 전극을 포함한다. 여기서, 수평 방향(액정 분자의 러빙 방향)은 "R"이고, 상부 가지 전극(191a)이 뻗은 방향은 "S"이다.
연결부(191b)는 화소 전극(191)의 가장자리 둘레를 정의하면서 가지 전극(191a)의 양쪽 끝 부분에 연결되어 있는데, 상부 및 하부를 제외한 대부분의 연결부(191b)는 가지 전극(191a)으로부터 한쪽으로만 예각 또는 둔각으로 연결되어 있다. 따라서, 상부 및 하부를 제외한 화소 전극(191)은 가지 전극(191a)의 양쪽에 뜨여진 개구부를 가지며, 이러한 개구부는 교대로 배치되어 있다. 이와 같이, 연결부(191b)를 가지 전극(191a)을 한쪽에만 배치함으로써 도 4에서 보는 바와 같이, A1 영역에서는 A2 영역에서와 달리 가지 전극(191a)의 중앙부에 인접하게 형성된 전기장과 동일하게 형성된다. 즉, A1 영역에서는 A2 영역과 달리 연결부(191b)가 없어 공통 전극(131)과 화소 전극(191) 사이에 형성되는 전기장이 중앙부의 주전기장과 거의 동일하게 가지 전극(191a)이 뻗은 방향에 대하여 수직하게 형성된다. 그러므로, A1 영역에서는 액정 분자의 배향 왜곡은 발생하지 않으며, 액정 분자가 다른 부분과 동일하게 배향되어 화상을 표시하는데 기여한다. 반면, 연결부(191b)가 배치되어 있는 A2 영역에서는 연결부(191b)의 경계에 대하여 수직하게 형성되는 전기장으로 인하여 중앙부의 주전기장과 다른 방향으로 전기장이 형성되며, 이러한 전지장은 액정 분자의 배향 방향을 왜곡시키며, 이로 인하여 빛샘이나 텍스처가 발생한다. 따라서, 본 발명에서는 연결부(191b)를 가지 전극(191a)의 양쪽에서 교대로 배치함으로써 텍스쳐 또는 빛샘 현상이 발생하는 영역을 최소화할 수 있으며, 이를 통하여 액정 표시 장치의 표시 특성을 향상시킬 수 있다.
접촉 보조 부재(81, 82)는 각각 접촉 구멍(181, 182)을 통하여 게이트선(121)의 끝 부분(129) 및 데이터선(171)의 끝 부분(179)과 연결된다. 접촉 보조 부재(81, 82)는 게이트선(121)의 끝 부분(129) 및 데이터선(171)의 끝 부분(179)과 외부 장치와의 접착성을 보완하고 이들을 보호한다.
이하에서 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치가 동작하는 방법에 대해 상세히 설명한다. 여기서, 화소 전극(191)의 가지 전극은 세로 방향으로 도시하였다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 박막 트랜지스터 표시판의 전극을 나타내는 배치도이고, 도 6은 도 5에서 VI-VI 선을 잘라 도시한 액정 표시 장치의 단면도로서, 상부 기판 및 하부 기판 사이의 전기력선을 함께 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 하부 기판(110) 위에는 면형의 공통 전극(131) 이 형성되어 있으며, 공통 전극(131) 위에는 게이트 절연막(140) 및 보호막(180)이 덮여 있고, 보호막(180) 위에는 폭이 좁은 복수의 화소 전극(191)이 세로 방향으로 서로 평행하게 뻗어 있다. 화소 전극(191)의 폭은 화소 전극(191) 사이의 간격보다 작다. 화소 전극(191) 위에는 폴리이미드(polyimide) 따위의 물질로 만들어진 배향막(alignment layer)(11)이 도포되어 있으며 이들은 수평 배향막일 수 있다. 하부 기판(110)의 바깥 면에는 편광판(12)이 부착되어 있다.
상부 기판(210) 위에는 색 필터(230)가 형성되어 있으며, 색 필터(230) 위에는 폴리이미드 따위의 물질로 만들어진 배향막(21)이 도포되어 있으며 이들은 수평 배향막일 수 있다. 상부 기판(210)의 바깥 면에는 편광판(22)이 부착되어 있다.
그리고, 두 기판(110, 210)의 배향막(11, 21) 사이에는 양의 유전율 이방성을 가지는 액정층(3)이 주입되어 있다. 따라서, 액정층(3)의 액정 분자는 전기장이 없는 상태에서 그 장축이 화소 전극(191)의 방향과 거의 평행하게(화소 전극의 방향과 소정 각도(φs, 도 1참조)를 이루면서 배향되어 있으며, 전압이 인가된 경우에는 화소 전극(191)과 공통 전극(131)사이에서 형성되는 전기력에 의해 액정 분자의 장축이 화소 전극(191)의 방향과 수직하도록 배열되며 이에 따라 액정층을 통과하는 빛의 편광이 달라진다.
이러한 액정 표시 장치는 하부 기판(110)의 하부에 위치하는 조명부(backlight unit)(도시하지 않음)로부터 발생한 빛의 투과율을 조절하여 표시 동작을 할 수도 있지만, 반사형 액정 표시 장치의 경우에는 아래 편광판(12)은 필요하지 않다. 반사형 액정 표시 장치의 경우에는 화소 전극(191)과 공통 전극(131) 모두를 불투명 하고 반사율이 높은 알루미늄(Al) 등의 물질로 만드는 것이 바람직하다.
도 6에 도시한 바와 같이, 이러한 액정 표시 장치의 공통 전극(131) 및 화소 전극(191)에 전압을 인가하여 전위차를 주면 전기장이 생성되며, 도 6에 점선으로 전기력선을 표시하였다.
전기장의 형태는 화소 전극(191) 위의 좁은 영역(NR)의 세로 방향 중앙선(C)(실제로는 면에 해당함) 및 화소 전극(191) 사이의 넓은 영역(WR)의 세로 방향 중앙선(B)(실제로는 면에 해당함)에 대하여 대칭이다. 좁은 영역(NR)의 중앙선(C)으로부터 넓은 영역(WR)의 중앙선(B)까지의 영역에는 좁은 영역(NR)과 넓은 영역(WR)의 경계선(A)(실제로는 면에 해당함)에 정점을 두고 있는 반타원 모양 또는 포물선 모양(이하에서는 편의상 반타원 모양인 것으로 설명한다)의 전기력선 형태를 가지는 전기장이 생성된다. 전기력선의 접선은 좁은 영역(NR)과 넓은 영역(WR)의 경계선(A) 상에서 기판(10)에 대하여 거의 평행하고, 좁은 영역(NR) 및 넓은 영역(WR)의 중앙 위치에서는 기판(10)에 대하여 거의 수직이 된다. 또한, 타원의 중심 및 세로 방향 정점은 좁은 영역(NR)과 넓은 영역(WR)의 경계선(A) 상에 위치하고, 가로 방향의 두 정점은 각각 넓은 영역(WR) 및 좁은 영역(NR)에 위치한다. 이때, 좁은 영역(NR)에 위치하는 가로 방향 정점은 넓은 영역(WR)에 위치하는 가로 방향 정점에 비하여 타원의 중심으로부터의 거리가 짧기 때문에 타원은 경계선(A)에 대하여 대칭을 이루지 않는다. 또한, 전기력선의 밀도가 위치에 따라 달라지고 전기장의 세기도 이에 비례하여 달라진다. 따라서, 좁은 영역(NR)과 넓은 영역(WR) 사이의 경계선(A-A) 상에서 전기장의 세기가 가장 크고, 좁은 영역(NR) 및 넓은 영역(WR)의 중앙선(C-C, B-B)으로 갈수록, 그리고 상부 기판(210)으로 갈수록 작아진다.
그러면, 이러한 전기장에 의하여 액정 분자가 재배열된 상태를 기판에 수평인 성분과 이에 수직인 성분으로 나누어 살펴본다. 먼저, 초기 상태를 설명한다.
두 배향막(11, 21)은 러빙 또는 자외선 조사법으로 배향 처리되어, 액정 분자들이 모두 한 방향으로 배열하되 기판(110, 210)에 대하여 약간의 선경사각을 가지지만 거의 수평이 되고, 기판(110, 210)에 평행한 면상에서 볼 때 화소 전극(191) 방향 및 이에 수직인 방향에 대하여 일정 각(øs, 도 1 참조)을 이루도록 배향되어 있다. 편광판(12, 22)의 편광축은 서로 직교하도록 배치하며, 하부 편광판(12)의 편광축은 러빙 방향과 거의 일치한다.
다음, 화소 전극(191) 및 공통 전극(131)에 각각 전압을 인가하되, 화소 전극(191)에 높은 전압을 인가한다. 이 때 액정 분자의 배열은 전기장에 의한 힘(전기장의 방향과 세기에 의존)과 배향 처리로 인하여 발생하는 탄성 복원력이 평형을 이룸으로써 결정된다.
이러한 액정 분자의 재배열 상태를 기판에 평행한 성분과 수직인 성분으로 나누어 살펴본다. 설명의 편의상 기판에 수직인 방향을 z축, 기판과 평행하고 화소 전극(191) 방향에 수직인 방향을 x축, 화소 전극(191)의 방향에 평행한 방향을 y축으로 정한다. 즉, 도 5에서 왼쪽에서 오른쪽을 향하는 방향을 x축, 화소 전극(191)을 따라 아래에서 위로 향하는 방향을 y축, 도 6에서 하부 기판(110)에서 상부 기판(210)을 향하는 방향을 z축으로 정한다.
먼저, 액정 분자(310)의 비틀림각, 즉, x축 또는 초기 배열 방향에 대하여 액정 분자의 장축이 기판에 평행한 면(xy 평면) 위에서 이루는 각의 변화를 도 7, 도 8 및 도 9를 참고로 설명한다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치에서 액정 분자들의 비틀림각 변화를 설명하기 위한 배치도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치에서 기판에 수평이고 화소 전극에 수직인 선에 대한 액정 분자들의 비틀림각 변화를 도시한 그래프이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치에서 기판에 수직인 선에 대한 액정 분자들의 비틀림각 변화를 도시한 그래프이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 러빙 방향은 벡터
Figure 112005049223403-PAT00001
로, 전기장의 x-y 평면 성분은 벡터
Figure 112005049223403-PAT00002
로, 아래 편광판(12)의 광축은 벡터
Figure 112005049223403-PAT00003
로 나타내었으며, 러빙 방향이 x축과 이루는 각은 ΦR로, 액정 분자의 장축이 x축과 이루는 각을 ΦLC로 나타내었다. 그런데 여기에서 아래 편광판(12)의 광축은 러빙 방향과 일치하므로 아래 편광판(12)의 광축이 x축과 이루는 각 ΦP=ΦR이다.
전기장의 x-y 평면 성분(
Figure 112005049223403-PAT00004
)의 방향은 경계선(A)으로부터 넓은 영역(WR)의 중앙선(B)에 이르기까지는 양의 x 방향이고, 넓은 영역(WR)의 중앙선(B)으로부터 다음 경계선(D)까지는 음의 x 방향이다. 전기장 성분의 세기는 경계선(A, D) 상에서 가장 크고 중앙선(B-B) 쪽으로 갈수록 작아져 중앙선(B-B) 상에서는 0이 된다.
배향 처리에 의한 탄성적 복원력의 크기는 xy 평면상에서는 위치에 관계없이 일정하다. 액정 분자들은 이러한 두 가지 힘이 평형을 이루도록 배열하여야 하므로, 도 8에 도시한 바와 같이, 경계선(A, D)에서는 액정 분자의 장축 방향이 전기장 성분(
Figure 112005049223403-PAT00005
)에 대하여 거의 평행하고 러빙 방향에 대해서는 큰 각도를 가지지만, 영역(NR, WR)의 중심선(C, B)으로 갈수록 액정 분자의 장축이 러빙 방향에 대하여 이루는 각(│ΦR - ΦLC│)이 작아지고, 중심선(B, C)에서는 액정 분자의 장축과 러빙 방향이 동일해진다. 아래 편광판(20)의 광축은 러빙 방향과 평행하므로, 아래 편광판(20)의 광축과 액정 분자의 장축이 이루는 각도도 이와 동일한 분포를 가지며, 이 값은 빛의 투과율과 밀접한 관련이 있다.
좁은 영역(NR)과 넓은 영역(WR)의 폭의 비를 변화시켜 다양한 형태의 전기장을 만들어 낼 수 있다. 화소 전극(191)을 투명한 물질로 만드는 경우에는 좁은 영역(NR) 또한 표시 영역으로 사용할 수 있으나, 불투명 전극으로 하는 경우에는 화소 전극(191) 위의 좁은 영역(NR)을 표시 영역으로 사용할 수 없다.
한편, 전기장의 xy 평면 성분(
Figure 112005049223403-PAT00006
)은 아래 배향막(11)으로부터 위 배향막(21)에 이르기까지, 즉 z축을 따라가며 점점 작아지며, 배향에 의한 탄성적 복원력은 배향막(11, 21)의 표면에서 가장 크고, 두 배향막(11, 21) 사이 액정층의 중앙으로 갈수록 점점 작아진다.
도 9는 z축을 따라가며 액정 분자의 장축 방향이 x축과 이루는 비틀림각을 도시한 도면으로서, 두 배향막 사이의 간격, 즉 셀 간격이 d인 경우이다. 여기에서 가로축은 아래 배향막(11)으로부터의 높이를 뜻하고, 세로축은 비틀림각을 나타낸다.
도 9에 도시한 바와 같이, 비틀림각은 배향막(11, 21)의 표면에서는 배향력에 의한 힘이 강하기 때문에 크고, 액정층의 중앙으로 갈수록 작아져 전기장의 방향에 가깝게 되는 것을 알 수 있으며, 배향막(11, 21) 바로 위에서는 액정 분자의 장축이 러빙 방향과 동일한 방향으로 배열한다. 여기에서 인접한 액정 분자의 비틀림각의 차이를 비틀림(twist)이라고 하면, 도 9에서 비틀림은 곡선의 기울기에 해당되고, 이는 배향막(11, 21)의 표면에서는 크고 액정층의 중앙으로 갈수록 작아진다.
액정 분자의 경사각, 즉, x축 또는 초기 배열 방향에 대하여 액정 분자의 장축이 기판에 수직인 면(zx 평면) 위에서 이루는 각의 변화를 도 10, 도 11 및 도 12를 참고로 설명한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치에서 액정 분자들의 경사각 변화를 설명하기 위한 도면이고, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치에서 기판에 수직인 선에 대한 액정 분자들의 경사각 변화를 도시한 그래프이고, 도 12는 본 발명의 한 실시예에서 기판에 수평이고 화소 전극에 수직인 선에 대한 액정 분자들의 경사각 변화를 도시한 그래프이다.
도 10에서는 편의상 기판(110, 210)만을 도시한 것이며, 도 7에서 도시한 러빙 방향을 나타내는 벡터
Figure 112005049223403-PAT00007
의 zx 평면에 대한 성분을 벡터
Figure 112005049223403-PAT00008
로, 전기장의 zx 평면 성분은 벡터
Figure 112005049223403-PAT00009
로 나타내었으며, 전기장의 zx 평면 성분
Figure 112005049223403-PAT00010
가 x축과 이루는 각은 ??E로, 액정 분자의 장축이 x축과 이루는 경사각을 ??LC로 나타내었다. 그런데, 여기에서 벡터
Figure 112005049223403-PAT00011
은 xy 평면상에 존재하므로(선경사각은 무시)
Figure 112005049223403-PAT00012
는 x 방향이 된다.
전기장의 zx 평면 성분(
Figure 112005049223403-PAT00013
)의 크기는 아래 기판(10)에서 위 기판(11)으로 갈수록 작아지고, 각도 ??E 또한 아래 기판(10)에서 위 기판(11)으로 갈수록 작아진다.
앞서 설명한 것처럼 배향 처리에 의한 탄성적 복원력의 크기는 두 기판(10, 11)의 표면에서 가장 크고, 액정층의 중앙으로 갈수록 작아진다.
액정 분자들은 이러한 두 가지 힘이 평형을 이루도록 배열하여야 한다. 도 11에 나타낸 것처럼, 하부 기판(110) 표면에서는 배향력이 강하므로 액정 분자들이 x축과 평행하게 배열하지만, 위로 올라갈수록 전기장에 의한 힘이 상대적으로 커지므로 경사각(??LC)의 크기가 어느 정도 지점까지는 계속해서 증가하다가 다시 감소하여 위 기판(11) 표면에서는 다시 x축과 평행하게 배열한다. 이때, 곡선의 정점은 아래 기판(10)에 가까운 위치에서 나타난다.
한편, 전기장의 zx 평면 성분(
Figure 112005049223403-PAT00014
)이 x축에 대하여 이루는 각 ??E는 경계선(A, D) 상에서는 0에 가깝고 중앙선(B-B) 쪽으로 갈수록 커지며, 전기장의 zx 평면 성분(
Figure 112005049223403-PAT00015
)의 크기는 경계선(A, D) 상에서 가장 크고 중앙선(B-B) 쪽으로 갈수록 작아진다.
배향 처리에 의한 탄성적 복원력의 크기는 x 축 상에서는 위치에 관계없이 일정하다.
따라서, 도 12에 도시한 바와 같이, 경계선(A, D)에서는 액정 분자의 경사각이 거의 0에 가깝지만 중심선(C, B)으로 갈수록 커져 전기장의 zx 평면 성분(
Figure 112005049223403-PAT00016
)이 x 축과 이루는 각(??E)과 유사한 분포를 가진다. 그러나, ??E보다는 완만하게 변화한다.
이와 같이 공통 전극 및 화소 전극(131, 191)에 전압이 인가되면 액정 분자들은 비틀림각 및 경사각을 가지며 재배열하는데, 그 비틀림각 및 경사각의 변화로 인하여 빛의 투과율이 변화한다. 경계선(A, D) 상에서는 z축을 따라 볼 때 경사각의 변화는 거의 없지만 비틀림각의 변화는 크다. 반면에, 중앙선(B, C) 상에서는 z축을 따라 볼 때 비틀림각의 변화는 거의 없지만 경사각은 약간 변화한다. 따라서, 경계선(A, D)과 중앙선(B, C) 사이의 영역에서는 비틀림각과 경사각이 모두 변화하는 영역이 된다. 결국, 위치에 따른 투과율 곡선은 전기력선의 형태와 유사한 형태가 된다.
또한, 도 1에 도시한 바와 같이, 화소 전극(191)의 상부 및 하부 가지 전극(191a)에 대응하는 영역에 위치하는 액정 분자(310)는 가지 전극(191a)에 대하여 초기 비틀림각(øs)을 가지도록 배향되어 있다.
초기 비틀림각(øs)은 러빙 방향(P)과 화소 전극(191)의 길이 방향(S)이 이루는 각 또는 러빙 방향(P)과 화소 전극(191)이 각으로 정의되며, 휘도 감소를 방지하기 위해 0도보다 크고 10도보다 작거나 같은 것이 바람직하다.
이 때, 화소 전극(191)의 상부 가지 전극(191a)에 대응하는 영역에 위치하는 액정 분자(310)는 전압 인가 시 초기 비틀림각(øs)에 의해 반시계 반대 방향으로 회전하며, 화소 전극(191)의 하부 가지 전극(191a)에 대응하는 영역에 위치하는 액정 분자(310)는 전압 인가 시 초기 비틀림각(øs)에 의해 시계 방향으로 회전한다. 따라서, 두 개의 도메인이 형성되며, 좌우 방향에서의 시인성이 향상된다.
본 발명의 실시예에서는 양의 유전율 이방성을 가지는 액정층(3)에 대해서 설명하였지만, 액정층(3)은 음의 유전율을 가질 수 있다. 이때, 액정 분자는 화소 전극(191)과 공통 전극(131) 사이에서 형성되는 전기장에 대하여 수직하여 배열되므로, 액정 분자의 배향 방향은 화소 전극(191)의 가지 전극(191a) 방향에 대하여 거의 수직이며, 이 경우에도 전압 인가시 액정 분자가 회전하는 방향을 결정하기 위해 초기 비틀림각(øs)을 가지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 박막 트랜지스터 표시판에서는 교대로 배치된 하나의 연결부를 통하여 화소 전극의 가지 전극이 연결되어 있어, 텍스쳐 또는 빛샘 현상을 최소화할 수 있으며, 이를 통하여 표시 특성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (6)

  1. 기판,
    상기 기판 위에 형성되어 있는 복수의 게이트선,
    상기 기판 위에 형성되어 있으며 투명한 도전체로 이루어진 복수의 공통 전극,
    상기 게이트선과 교차하는 데이터선,
    상기 게이트선 및 상기 데이터선과 연결되어 있는 박막 트랜지스터,
    상기 박막 트랜지스터와 연결되어 있으며, 상기 공통 전극과 중첩하고 있는 복수의 화소 전극
    을 포함하고,
    상기 화소 전극은 서로 분리되어 있으며 서로 평행하게 뻗어 있는 복수의 가지 전극과 상기 가지 전극을 연결하는 연결부를 포함하며, 상기 연결부는 상기 가지 전극의 양단에서 교대로 배치되어 있는 박막 트랜지스터 표시판.
  2. 제1항에서,
    상기 공통 전극은 상기 가지 전극 사이에서 연속적인 면으로 이루어져 있는 박막 트랜지스터 표시판.
  3. 제1항에서,
    상기 가지 전극은 서로 다른 영역에 각각 배치되어 있는 제1 가지 전극과 제2 가지 전극을 포함하는 박막 트랜지스터 표시판.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 및 제2 가지 전극은 상기 게이트선을 나란한 상기 화소 전극의 중심선에 대하여 대칭인 박막 트랜지스터 표시판.
  5. 제1항에서,
    상기 가지 전극은 상기 게이트선 또는 상기 데이터선에 대하여 임의의 각으로 기울어져 있는 박막 트랜지스터 표시판.
  6. 제1항에서,
    상기 공통 전극을 공통으로 연결하는 공통 전극선을 더 포함하는 박막 트랜지스터 표시판.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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