KR20070100549A - 횡전계 모드 액정표시장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구동전압이 낮은 횡전계 모드 액정표시장치를 개시한다. 개시된 본 발명의 횡전계 모드 액정표시장치는, 스위칭 소자를 포함한 하부기판과, 상기 하부기판 내측면에 배치된 플레이트 타입의 제1화소전극과, 상기 제1화소전극 상에 절연막의 개재하에 배치되고, 등간격을 갖는 다수의 제1라인패턴들을 포함하는 상대전극과, 상기 상대전극 상에 보호막의 개재하에 배치되고, 상대전극의 제1라인패턴들 사이 마다 배치되는 다수의 제2라인패턴들을 포함하며, 상기 제1화소전극과 전기적으로 연결된 제2화소전극과, 상기 하부기판과 대향 배치되고 컬러필터를 구비한 상부기판과, 상기 하부기판과 상부기판 사이에 개재된 액정층을 포함하며, 상기 제1화소전극과 상대전극은 프린지 필드(Fringe field)를 유발하고, 상기 제2화소전극과 상대전극은 인 프레인 필드(In plane field)를 유발하는 것을 특징으로 한다.

Description

횡전계 모드 액정표시장치{In Plane Field Mode Liquid Crystal Display}

도 1 내지 도 3은 종래의 FFS 모드 액정표시장치들을 도시한 단면도.

도 4는 본 발명의 횡전계 모드 액정표시장치를 도시한 단면도.

도 5는 도 2 내지 도 4의 a지점에서의 V-T 그래프.

도 6는 도 2 내지 도 4의 b지점에서의 V-T 그래프.

도 7는 도 2 내지 도 4의 c지점에서의 V-T 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 하부기판 P1 : 제1화소전극

10 : 게이트절연막 C : 상대전극

20 : 보호막 P2 : 제2화소전극

200 : 상부기판 300 : 액정층

본 발명은 횡전계 모드 액정표시장치에 관한 것으로, 특히, 구동전압을 낮출 수 있는 전극 구조를 갖는 횡전계 모드 액정표시장치에 관한 것이다.

액정표시장치(Liquid Crystal Display)는 화상표시기구의 하나로, 대표적 화 상표시기구인 CRT(Cathode Ray Tube)에 비해 경량, 박형 및 저소비전력을 실현할 수 있는 장점이 있다.

특히, 각 화소가 스위칭 소자인 박막트랜지스터에 의해 개별 구동되는 박막트랜지스터 액정표시장치(이하, TFT-LCD)에 대한 많은 연구/개발이 이루어져 표시성능의 현저한 향상이 이루어졌음이 주지의 사실이며, 그래서, 상기 TFT-LCD는 현재 노트북 PC 및 모니터 시장에서 크게 각광 받고 있고, 향후 TV 시장도 잠식할 것으로 예상되고 있다.

한편, 상기 TFT-LCD는 그 대표적 구동 모드로서 트위스트 네마틱(Twist Nematic : 이하, TN) 모드를 채택하여 왔다. 이러한 TN 모드는 수직전계를 이용하여 액정 분자들을 제어하는데, 그 구동이 쉽고 제작이 간편하다는 장점을 가지고 있으나, 시야각이 협소하고 응답 시간이 느리다는 단점이 있기 때문에, 최근 추세인 대화면과 동영상을 디스플레이하기에는 어려움이 많다.

이에, TFT-LCD의 구동 모드로서 상기 TN 모드에 비해 상대적으로 응답속도가 빠르고, 시야각을 현저하게 개선시킨 횡전계 모드가 제안되었다. 횡전계 모드로는 대표적으로 인 플레인 스위칭(In-Plane Switching : 이하, IPS) 모드와 프린지 필드 스위칭(Fringe Field Switching : 이하, FFS) 모드가 있으며, 이러한 횡전계 모드를 갖는 TFT-LCD는, 상대전극과 화소전극이 단일기판, 즉, 어레이기판(하부기판)에 모두 배치되어 있어서 액정 분자들의 배열이 수평 방향의 강한 전계에 의해 제어된다.

특히, FFS 모드 액정표시장치는 IPS 모드 액정표시장치의 개구율 및 투과율 을 개선시킨 횡전계 모드 액정표시장치로서, 이하에서는, FFS 모드에 대해 보다 자세히 설명하도록 한다.

FFS 모드 액정표시장치는 상대전극과 화소전극 모두가 ITO와 같은 투명금속으로 형성되므로 높은 개구율 및 투과율을 갖고, 아울러, 상대전극과 화소전극 사이의 간격이 하부기판과 상부기판 사이의 간격인 셀갭(cell gap) 보다 좁은 것과 관련해서 상대전극과 화소전극 사이에 프린지 필드가 발생되어 전극들 상부에 존재하는 액정분자들까지 모두 동작하므로 더욱 향상된 투과율을 갖는다.

도 1은 종래 FFS 모드 액정표시장치의 개략적인 단면도로서, 이를 참조하면, 종래 FFS 모드 액정표시장치는 플레이트(plate) 타입의 상대전극(C)과 슬릿(slit) 타입의 화소전극(P)이 게이트절연막(1) 및 보호막(2)의 개재하에 프린지 필드를 형성하도록 적층된 하부기판(10)과, 상기 하부기판(10)과 대향 배치되고 컬러필터(미도시)를 구비한 상부기판(20)과, 상기 하부기판(10)과 상부기판(20) 사이에 개재된 액정층(30)을 포함한다.

부가해서, 도시하지는 않았지만, 상기 하부기판(10)과 액정층(30) 사이 및 상부기판(20)과 액정층(30) 사이에는 배향막들이 배치되고, 하부기판(10)과 상부기판(20)의 외측면 각각에는 편광판이 배치된다.

여기서, 화소전극(p)의 폭(w) 및 간격(ℓ′)은 각각 3㎛와 5㎛ 이다.

그런데, 도 1과 같은 구조를 갖는 종래의 FFS 모드 액정표시장치에서는 화소전극(P)의 폭(w) 및 간격(ℓ′)이 좁을수록 투과율이 향상되기 때문에, 도 2에 도시된 바와 같이 화소전극(P)들이 좁은 간격(3㎛)을 갖도록 함이 바람직하나, 기존 의 기술만으로는 소정 폭 이하의 개구부를 갖는 미세 패턴을 구현하는 것이 어렵기 때문에 실제로 도 2와 같은 액정표시장치의 제조는 용이하지 않다.

이에, 최근에는 도 3에 도시된 바와 같이 화소전극들을 서로 다른 층에 나누어 형성하되, 서로 다른 층에 형성된 제1 및 제2화소전극들(P1, P2)이 일정한 간격을 두고 교대로 배치되도록 함으로써, 미세 패터닝 공정 없이 화소전극들의 유효 간격(effective width)을 좁혀 투과율을 용이하게 향상시킬 수 있는 기술이 국내출원번호 제10-2005-0050823호로 동일 출원인에 의하여 제안되었다. 이때, 상기 제1 및 제2화소전극(P1, P2)은 보호막(2) 내에 구비된 콘택플러그를 통해 전기적으로 연결된다.

좀더 자세히 설명하면, 도 3와 같은 구조에서는 게이트절연막(1) 상에 폭(w)과 간격(ℓ′)이 각각 3㎛와 9㎛인 제1화소전극(P1)을 형성하고, 보호막(2) 상에도 역시 폭(w)과 간격(ℓ′)이 각각 3㎛와 9㎛인 제2화소전극(P2)을 형성하되, 상기 제1화소전극(P1)과 제2화소전극(P2)이 교대로 배치되게 함으로써, 구동시 화소전극들의 유효 간격(ℓ)이 3㎛인 것과 같은 효과를 얻을 수 있다. 이러한 방법으로 더 미세한 유효 간격을 갖는 화소전극도 용이하게 구현할 수 있다.

그러나, 도 3와 같은 구조의 FFS 모드 액정표시장치의 경우, 화소전극의 유효 간격이 감소함에 따라 투과율이 증가하지만, 그와 더불어 구동전압이 증가한다는 문제점이 있다. 구동전압은 일반적으로 전압(V)-투과율(T) 곡선에서 최대 투과율의 98% 이상을 나타내는 영역의 대응 전압으로 결정하는데, 이것은 최대 투과율을 나타내는 지점에서 그래프의 경사(slope)가 최소가 되므로 특성 변 동(variation)폭, 즉, 셀 갭(cell gap) 차이에 의한 투과율 변동이 가장 작기 때문이다. FFS 모드 액정표시장치의 경우, 화소전극의 유효 간격이 감소함에 따라 최대 투과율을 나타내는 전압이 5V 이상으로 증가하게 되고, 따라서, 구동전압도 높아진다.

이와 같이, 화소전극의 유효 간격이 감소함에 따라 구동전압이 증가하는 이유는 화소전극의 유효 간격이 감소함에 따라 프린지 필드의 횡전계 성분이 작아져 전체적으로 전계가 감소하게 되므로 이를 보상하기 위해 더 높은 구동전압이 요구되기 때문이다.

이와 같은 문제는 비단 도 3과 같은 구조에서만 유발되는 것은 아니며, 도 1과 같은 구조에서도 화소전극간의 간격이 좁아지면 동일하게 유발될 수 있다. 즉, 도 1에서도 ℓ′가 감소하면 투과율 및 구동전압이 함께 증가된다.

그러므로, 종래의 도 2 및 도 3과 같은 구조의 FFS 모드 액정표시장치들은 낮은 구동전압을 요하는 모바일(mobile) 제품으로 적용되기에는 적합하지 못하다는 단점이 있다. 이에, 모바일 제품들을 위해서는 구동전압을 낮출 수 있는 새로운 전극 구조를 갖는 횡전계 모드 액정표시장치가 요구되고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 구동전압을 낮출 수 있는 전극 구조를 갖는 프린지 필드 스위칭 모드 액정표시장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 스위칭 소자를 포함한 하부기판; 상기 하부기판 내측면에 배치된 플레이트 타입의 제1화소전극; 상기 제1화소전극 상에 절연막의 개재하에 배치되고, 등간격을 갖는 다수의 제1라인패턴들을 포함하는 상대전극; 상기 상대전극 상에 보호막의 개재하에 배치되고, 상대전극의 제1라인패턴들 사이 마다 배치되는 다수의 제2라인패턴들을 포함하며, 상기 제1화소전극과 전기적으로 연결된 제2화소전극; 상기 하부기판과 대향 배치되고 컬러필터를 구비한 상부기판; 및 상기 하부기판과 상부기판 사이에 개재된 액정층;을 포함하며, 상기 제1화소전극과 상대전극은 프린지 필드(Fringe field)를 유발하고, 상기 제2화소전극과 상대전극은 인 프레인 필드(In plane field)를 유발하는 것을 특징으로 하는 횡전계 모드 액정표시장치를 제공한다.

여기서, 상기 상대전극과 제2화소전극은 슬릿형 구조로 이루어진다.

상기 제1라인패턴과 제2라인패턴은 2∼4㎛의 폭으로 형성될 수 있고, 제1라인패턴과 제2라인패턴 사이의 수평이격거리는 3∼7㎛ 정도가 될 수 있다.

상기 제1라인패턴과 제2라인패턴은 각각의 폭이 3㎛가 되도록, 그리고, 제1라인패턴과 제2라인패턴 사이의 수평이격거리가 3㎛가 되도록 형성됨이 바람직하다.

한편, 상기 제1화소전극 및 제2화소전극은 0∼4V의 구동전압으로 구동되고, 상기 상대전극은 0∼4V의 구동전압으로 구동된다.

(실시예)

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한 다.

도 4은 본 발명의 일실시예에 따른 횡전계 모드 액정표시장치를 도시한 단면도로서, 이를 참조하면, 본 발명의 횡전계 모드 액정표시장치는 스위칭 소자(미도시)를 포함한 하부기판(100)과, 상기 하부기판(100) 내측면에 배치된 플레이트 타입의 제1화소전극(P1)과, 상기 제1화소전극(P1) 상에 게이트절연막(10)의 개재하에 배치되고, 등간격을 갖는 다수의 제1라인패턴들을 포함하는 상대전극(C)과, 상기 상대전극(C) 상에 보호막(20)의 개재하에 배치되고, 상대전극(C)의 제1라인패턴들 사이 마다 배치되는 제2라인패턴들을 포함하며, 상기 제1화소전극(P1)과 전기적으로 연결된 제2화소전극(P2)과, 상기 하부기판(100)과 대향 배치되고 컬러필터(미도시)를 구비한 상부기판(200)과, 상기 하부기판(100)과 상부기판(200) 사이에 개재된 액정층(300)을 포함한다.

부가해서, 도시하지는 않았지만, 본 발명의 횡전계 모드 액정표시장치는 상기 하부기판(100)과 액정층(300) 사이 및 상부기판(200)과 액정층(300) 사이에 개재되는 배향막들 및 하부기판(10)과 상부기판(20)의 외측면 각각에 배치되는 편광판들을 더 포함한다.

여기서, 상기 상대전극(C)과 제2화소전극(P2)은 슬릿형 구조로 이루어지는데, 도시된 본 발명의 일실시예에서는 상기 상대전극(C)은 3㎛의 폭(w) 및 9㎛의 간격(ℓ′)을 가지고, 제2화소전극(P2) 역시 3㎛의 폭(w) 및 9㎛의 간격(ℓ′)을 가져, 제1화소전극(P1)과 제2화소전극(P2)간 수평 이격 거리(ℓ)는 3㎛가 된다.

한편, 상기 게이트절연막(10) 및 보호막(20)은 각각 4000Å 및 2000Å 정도 의 두께를 갖는데, 이는 도 2에 도시된 구조에서의 그것들과 동일하다.

도 4과 같은 구조를 갖는 본 발명의 횡전계 모드 액정표시장치에서는 제1화소전극(P1)과 상대전극(C)은 프린지 필드(Fringe field)를 유발하고, 상기 제2화소전극(P2)과 상대전극(C)은 인 프레인 필드(In plane field)를 유발한다. 이와 같이, 본 발명의 횡전계 모드 액정표시장치에서 프린지 필드(Fringe field)와 인 프레인 필드(In plane field)가 함께 유발되는 것과 관련하여 종래 보다 구동전압이 낮아지는 효과를 얻을 수 있다. 이하에서는, 이와 같은 본 발명의 효과에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다.

도 5는 도 2 내지 도 4의 a지점(화소전극의 중앙부 또는 제1화소전극의 중앙부 또는 상대전극의 중앙부)에서의 전압-투과율(이하, V-T) 그래프로서, 이를 참조하면, 도 2 및 도 3에 도시된 종래의 액정표시장치들의 경우 유사한 V-T 값을 나타내며 모두 5.2V 정도의 구동전압을 갖지만, 본 발명의 액정표시장치의 경우 3.8V 정도의 구동전압을 갖는 것을 확인할 수 있다.

도 6는 도 2 내지 도 4의 b지점(a지점과 c지점의 중앙 ; c지점은 아래에서 설명)에서의 V-T 그래프로서, 이를 참조하면, 종래 기술의 액정표시장치의 경우 4.8∼5.2V 정도의 구동전압을 갖지만, 본 발명의 액정표시장치의 경우 3.8V 정도의 구동전압을 나타내는 것을 확인할 수 있다.

도 7은 도 2 내지 도 4의 c지점(화소전극의 중앙부 또는 제2화소전극의 중앙부)에서의 V-T 그래프로서, 이를 참조하면, 종래 기술의 액정표시장치의 경우 5.2V 정도의 구동전압을 갖고, 본 발명의 액정표시장치의 경우에 5.0V 정도의 구동전압 을 나타내는 것을 확인할 수 있다.

구동전압은 V-T 그래프에서 최대 투과율을 나타내는 지점에서 결정되므로, 상기와 같은 a, b, c 지점에서의 V-T 그래프들을 고려해 볼 때, 본 발명에 따른 액정표시장치는 구동전압이 4V 이하로 종래의 FFS 모드 액정표시장치 보다 1V 이상 작은 구동전압으로 구동된다. 한편, 구현하고자 하는 계조의 종류에 따라 전압을 인가하지 않는 경우(일반적으로, 다크 계조 구현시 전압을 인가하지 않음)도 있으므로 본 발명의 액정표시장치의 구동전압은 0∼4V 정도라고 할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 프린지 필드(Fringe field)와 인 프레인 필드(In plane field)를 동시에 유발시켜, 횡전계 모드의 광시야각 특성을 가지면서도 낮은 구동전압을 갖는 새로운 구조의 횡전계 모드 액정표시장치를 구현할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 액정표시장치는 특히 저소비전력 특성을 요하는 모바일 제품에 적용되기에 적합하다.

그러나, 본 발명에 따른 액정표시장치는 도 5 내지 도 7의 V-T 그래프에 나타나듯이 전체 투과율에서 종래의 액정표시장치 보다 다소 낮은 투과율 특성을 갖는데, 이것은 본 발명의 액정표시장치에서 유발되는 인 프레인 전계(In plane field)에 의해 c지점에서 액정분자들의 회전력(twist force)이 약화되기 때문이다. 하지만, 이러한 투과율 저하의 문제는 다른 수단으로 보상해 줄 수 있으며, 본 발명은 광시야각을 갖는 횡전계 모드 액정표시장치의 구동전압을 낮추는 것에 목적을 두는 바, 상기한 투과율 저하의 문제는 배제한다.

한편, 전술한 본 발명의 실시예에서는 상기 상대전극(C)의 제1라인패턴과 제 2화소전극(P2)의 제2라인패턴이 3㎛의 폭을 가지고, 제1라인패턴과 제2라인패턴 사이의 수평이격거리가 3㎛인 경우에 대해서만 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 상기 제1라인패턴과 제2라인패턴은 2∼4㎛ 정도의 폭 및 3∼7㎛ 정도의 수평이격거리(제1라인패턴과 제2라인패턴간 수평이격거리)를 갖도록 형성될 수 있다. 여기서, 상기 2∼4㎛ 정도의 폭 및 상기 3∼7㎛ 정도의 수평이격거리는 FFS 모드 액정표시장치에서 일반적으로 사용되는 전극 패턴의 폭 및 이격거리 수치에 기초한 것이다.

이상, 여기에서는 본 발명을 특정 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명이 그에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구의 범위는 본 발명의 정신과 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변형될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 알 수 있다.

이상에서와 같이, 본 발명은 플레이트 형상의 제1화소전극, 슬릿 타입의 상대전극 및 슬릿 타입의 제2화소전극을 차례로 적층 배치하여 프린지 필드(Fringe field)와 인 프레인 필드(In plane field)를 동시에 유발시킴으로써, 횡전계 모드 액정표시장치의 구동전압을 종래 보다 1V 이상 낮춰 줄 수 있다.

Claims (5)

1. 스위칭 소자를 포함한 하부기판;

   상기 하부기판 내측면에 배치된 플레이트 타입의 제1화소전극;

   상기 제1화소전극 상에 절연막의 개재하에 배치되고, 등간격을 갖는 다수의 제1라인패턴들을 포함하는 상대전극;

   상기 상대전극 상에 보호막의 개재하에 배치되고, 상대전극의 제1라인패턴들 사이 마다 배치되는 다수의 제2라인패턴들을 포함하며, 상기 제1화소전극과 전기적으로 연결된 제2화소전극;

   상기 하부기판과 대향 배치되고 컬러필터를 구비한 상부기판; 및

   상기 하부기판과 상부기판 사이에 개재된 액정층;을 포함하며,

   상기 제1화소전극과 상대전극은 프린지 필드(Fringe field)를 유발하고, 상기 제2화소전극과 상대전극은 인 프레인 필드(In plane field)를 유발하는 것을 특징으로 하는 횡전계 모드 액정표시장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1라인패턴과 제2라인패턴은 2∼4㎛의 폭으로 형성되고, 제1라인패턴과 제2라인패턴 사이의 수평이격거리가 3∼7㎛가 되도록 형성된 것을 특징으로 하는 횡전계 모드 액정표시장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1라인패턴과 제2라인패턴은 3㎛의 폭으로 형성되 고, 제1라인패턴과 제2라인패턴 사이의 수평이격거리가 3㎛가 되도록 형성된 것을 특징으로 하는 횡전계 모드 액정표시장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1화소전극 및 제2화소전극은 0∼4V의 구동전압으로 구동되는 것을 특징으로 하는 횡전계 모드 액정표시장치.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상대전극은 0∼4V의 구동전압으로 구동되는 것을 특징으로 하는 횡전계 모드 액정표시장치.

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