KR20090036870A - 액정표시장치 - Google Patents

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KR20090036870A
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임은정
박구현
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엘지디스플레이 주식회사
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Abstract

본 발명은 시야 방향에 따른 블랙의 시감 특성, 즉 대조비(contrast ratio)를 개선한 액정표시장치에 관한 것으로서, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 제1기판과; 상기 제1기판상에 서로 교차·형성되어 다수의 단위화소를 구획하는 게이트 배선 및 데이터 배선과; 상기 게이트 배선 및 데이터 배선의 교차영역에 형성된 TFT와; 지그-재그(zig-zag) 형태로 동일 형상의 전극 패턴을 형성하여 열을 이루는 제1영역과 상기 제1영역의 단위화소들에 이웃하여 지그-재그 형태로 동일 형상의 전극 패턴을 형성하여 열을 이루는 제2영역으로 구분되는 상기 제1기판상의 단위화소마다 형성되고, 상기 제1영역 및 제2영역의 단위화소에서 서로 다른 방향의 전계를 생성하는 공통전극 및 화소전극과; 상기 제1기판과 서로 대향하여 합착된 제2기판과; 상기 제1기판 및 제2기판 중 적어도 하나의 기판상에 형성되고, 상기 제1영역 및 제2영역에서의 전계 방향과 서로 반대 방향의 배향 사슬이 형성된 배향막; 및 상기 제1기판과 제2기판의 사이에 충진되고, 상기 공통전극 및 화소전극에 인가된 전압 차가 최대가 될 때 상기 제1영역 및 제2영역의 경계부위에서 제1기판의 법선 벡터를 기준으로 양측이 서로 비대칭을 이루어 구동하는 액정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
리타데이션(retardation), 분할배향, 광배향, TAC(tri-acetyl-cellulose)

Description

액정표시장치{LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE}
본 발명은 액정표시장치에 관한 것으로, 더 자세하게는 블랙 화면 구현시 시야 방향에 따른 블랙의 시감 특성을 개선하여 대조비(contrast ratio)를 증가시키려는 액정표시장치에 관련된다.
일반적으로, 액정표시장치의 구동원리는 액정의 광학적 이방성 및 분극성질을 이용하는 것이다. 다시 말해, 액정은 그 구조가 가늘고 길기 때문에 분자의 배열에 방향성을 띠게 되는데, 액정에 전기장이 인가되면 분자배열의 방향이 제어된다. 따라서, 액정표시장치는 전기장의 방향을 임의로 조절함으로써 액정의 분자배열을 변화시키고, 광학적 이방성에 의한 액정의 분자배열 방향으로 빛을 굴절시켜 화상정보를 표현할 수 있게 된다.
현재까지는 박막트랜지스터와 그 박막트랜지스터에 연결된 화소전극이 행렬(matrix) 형태로 배열되어 형성된 능동행렬 액정표시장치(AM-LCD : Active Matrix LCD)(이하, 액정표시장치)가 해상도 및 동영상 구현능력이 우수하여 특히 주목받고 있다.
상기 액정표시장치는 TN(Twisted Nematic) 방식의 경우 공통전극이 형성된 컬러필터기판과 화소전극이 형성된 박막트랜지스터 어레이기판, 그리고 그 두 기판 사이에 충진된 액정으로 이루어지는데, 이와 같은 액정표시장치는 공통전극과 화소전극이 상측 및 하측에 각각 위치하고, 그 두 전극 사이에 걸리는 전기장에 의해 액정을 구동하는 방식으로, 투과율과 개구율 등의 특성이 우수하다.
그러나, TN 방식의 액정표시장치는 시야각 특성이 우수하지 못한 단점이 있어, 그 단점을 극복하기 위해 개발된 것이 다름 아닌 IPS(In-Plane Switch) 방식의 액정표시장치이다.
이하, 도면을 참조하여 일반적인 IPS 방식의 액정표시장치에 대하여 살펴보고자 한다.
도 1은 일반적인 IPS 액정표시장치의 단위화소를 나타내는 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, IPS 액정표시장치(B)는 상판인 컬러필터기판(B1)과 하판인 박막트랜지스터 어레이기판(B2)이 대향하여 합착되며, 컬러필터기판(B1) 및 박막트랜지스터 어레이기판(B2) 사이에 액정층(LC)이 개재되어 있다.
먼저, 박막트랜지스터 어레이기판(B2)은 투명한 절연기판(50)상에 형성된 다수의 단위화소(P1, P2)마다 박막트랜지스터(T)와 공통전극(58), 그리고 화소전극(72)이 구성된다.
여기에서, 박막트랜지스터(T)는 절연기판(50)상의 게이트 전극(52)과, 그 게이트 전극(52)의 상부에 형성된 절연막(60), 그리고 상기 절연막(60)상에 구성된 반도체패턴(62)과, 그 반도체패턴(62)의 상부에 서로 이격하여 구성된 소스 및 드레인 전극(64, 66)을 포함한다.
또한, 상기 공통전극(58)과 화소전극(72)은 동일 기판상에 서로 평행하게 이격되어 형성된다. 이때 상기 공통전극(58)은 게이트 전극(52)과 동일층에서 동일물질로 형성되고, 화소전극(72)은 보호막(70)상에 형성되며 개구율을 높이기 위하여 투명한 전극으로 형성될 수 있다.
그리고 상기 단위화소(P1, P2)의 일측을 따라 연장된 게이트 배선(미도시)과, 그 게이트 배선에 수직한 방향으로 연장된 데이터 배선(미도시)이 형성되고, 상기 공통전극(58)에 전압을 인가하는 공통 배선(미도시)이 형성된다.
한편, 컬러필터기판(B1)은 투명한 절연기판(30)상에 상기 게이트 배선(미도시)과 데이터 배선(미도시) 및 박막트랜지스터(T)에 대응하는 부위에 블랙매트릭스(32)가 형성되어 있고, 상기 단위화소(P1, P2)에 대응하여 컬러필터(34a, 34b)가 형성된다.
그리고 상기 액정층(90)을 이루는 액정은 공통전극(58)과 화소전극(72)의 수평전계(95)에 의해 동작된다.
도 2는 도 1의 어레이기판을 나타내는 단위화소의 평면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 절연 기판(50)상에 일 방향으로 연장되어 형성된 게이트 배선(54)과, 그 게이트 배선(54)에 수직하게 교차하는 데이터 배선(68)에 의하여 단위화소영역(P)이 정의된다.
또한, 상기 게이트 배선(54)과는 평행하게 이격하여 단위화소영역(P)을 가로지르는 공통 배선(56)이 형성된다.
상기 게이트 배선(54)과 데이터 배선(68)의 교차영역에는 상기 게이트 배 선(54)과 연결된 게이트 전극(52)과, 상기 게이트 전극(52)의 상측에 형성된 반도체패턴(62)과, 상기 반도체패턴(62)의 상측에 형성되어 게이트 전극(52)과 일부 영역이 오버랩되는 소스 전극(64) 및 드레인 전극(66)을 포함하는 박막트랜지스터(T)가 형성된다.
상기 단위화소영역(P)에는 상기 공통 배선(56)에 수직하게 연장되고 서로 평행하게 이격된 공통전극(58)이 형성되고, 상기 공통전극(58)의 사이에 공통전극(58)과 평행하게 이격된 화소전극(72)이 형성된다.
이에 더하여, 가령 상기 화소전극상에 배향막이 형성되고 그 배향막상에 45도 방향으로 러빙(rubbing)이 되어있다고 가정하자. 이때 두 기판 사이에 충진되어 있는 액정은 유전율 이방성이 양일 때 장축 방향의 액정이 트위스트되어 전계의 방향과 수평하게 위치하게 되고, 유전율 이방성이 음일 경우 단축 방향의 액정이 트위스트되어 장축방향의 액정이 전계방향과 수직하게 위치하게 되는데, 블랙 화면 구현시 두 전극 사이에 최대 차의 전압을 갖도록 전압을 인가할 때 단위화소마다 구동한 액정들은 서로 대칭을 이루게 된다.
이로 인해, 상기의 구조를 갖는 액정표시장치는 화면의 좌·우, 상·하 시야각에 따라 트위스트되는 액정의 리타데이션(retardation) 등이 서로 다르게 됨으로써 특히 상·하 시야각 및 대각 방향의 시야각에 대한 보상 효과가 약한 편이다.
그 결과, 정상적인 블랙(normally black) 화면 구현시 그 시야 방향에 따라 컬러 시프트 현상, 즉 서로 다른 휘도의 블랙이 구현되는 현상이 발생하게 되어 액정표시장치의 대조비가 감소하고, 이는 곧 화질 저하로 이어지고 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 지그 재그 형태의 열을 이루어 동일 형상의 전극패턴을 각각 형성한 제1영역 및 제2영역으로 구분되는 단위화소들에 있어서, 단위화소당 공통전극 및 화소전극간 전압 차를 최대로 한 블랙화면 구현시 시야 방향에 관계없이 균일한 평균 리타데이션 값을 갖도록 제1영역 및 제2영역의 액정을 서로 비대칭적으로 구동시키는 액정표시장치를 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 제1기판과; 상기 제1기판상에 서로 교차·형성되어 다수의 단위화소를 구획하는 게이트 배선 및 데이터 배선과; 상기 게이트 배선 및 데이터 배선의 교차영역에 형성된 TFT와; 지그-재그(zig-zag) 형태로 동일 형상의 전극 패턴을 형성하여 열을 이루는 제1영역과 상기 제1영역의 단위화소들에 이웃하여 지그-재그 형태로 동일 형상의 전극 패턴을 형성하여 열을 이루는 제2영역으로 구분되는 상기 제1기판상의 단위화소마다 형성되고, 상기 제1영역 및 제2영역의 단위화소에서 서로 다른 방향의 전계를 생성하는 공통전극 및 화소전극과; 상기 제1기판과 서로 대향하여 합착된 제2기판과; 상기 제1기판 및 제2기판 중 적어도 하나의 기판상에 형성되고, 상기 제1영역 및 제2영역에서의 전계 방향과 서로 반대 방향의 배향 사슬이 형성된 배향막; 및 상기 제1기판과 제2기판의 사이에 충진되고, 상기 공통전극 및 화소전극에 인가된 전압 차가 최대가 될 때 상기 제1영역 및 제2영역의 경계부위에서 제1기판의 법선 벡터를 기준으로 양측이 서로 비대칭을 이루어 구동하는 액정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기의 구성 결과, 본 발명은 상·하, 좌·우 및 대각 방향의 시야 방향에 따라 액정의 평균 리타데이션 값이 균일하도록 액정을 구동함으로써 블랙 화면의 구현시 시야 방향에 따른 컬러의 시프트 현상을 개선하여 액정표시장치의 대조비를 증가시키고, 그 결과 화질을 개선할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 IPS 방식의 액정표시장치는 크게 상부의 컬러필터기판(미도시)과 하부의 박막트랜지스터 어레이기판(100)이 소정 간격을 두고 서로 대향하여 합착되어 있고, 이러한 두 기판 사이에 액정이 충진되어 액정층을 이루고 있다.
본 발명의 제1실시예에 따른 액정표시장치는 두 기판 사이에 형성된 단위화소들이 적어도 2개의 영역, 예컨대 상측의 제1영역 및 하측의 제2영역으로 구분되어 있다. 그리고 단위화소마다 공통전극 및 화소전극으로 이루어지는 전극 패턴이 상측 및 하측의 1/2영역을 단위로 하여 서로 동일한 형상으로 형성되어 지그-재그 형태의 열을 이루는 제1영역 및 제2영역으로 구분된다. 이때 지그-재그 형태의 열을 이루는 제1영역 및 제2영역의 단위화소들은 서로 교번하여 동일한 형상을 이루게 된다. 또한 제1영역 및 제2영역의 단위화소에 형성된 공통전극 및 화소전극에 전압을 인가하여 그 전압 차가 최대가 될 때, 즉 블랙 화면 구현시 하부의 박막트랜지스터 어레이기판의 법선 벡터를 기준으로 하여 그 두 영역에서 구동하는 액정 이 비대칭을 이루게 된다. 그 결과 화면의 시야 방향에 관계없이 상·하, 좌·우 및 대각 방향에서 그 액정의 평균 리타데이션 값이 균일하게 되어 대조비가 증가하는 것이 특징이다.
본 발명의 제2실시예에 따른 액정표시장치는 단위화소마다 공통전극 및 화소전극으로 이루어진 전극 패턴이 서로 동일한 형상으로 형성되어 지그재그 형태의 열을 이루는 제1영역 및 제2영역으로 구분되는데, 이때 서로 동일한 형상을 띠는 제1영역 및 제2영역의 전극 패턴은 합착된 두 기판 사이에서 적(R)·녹(G)·청(B)의 서브컬러필터에 대응하는 서브 화소(sub-pixel) 단위로 이루어진다. 그리고 그 서브 화소에의 전압인가시 그 전압 차가 최대일 때 이웃하는 영역에서의 서브 화소간 구동하는 액정이 하부의 박막트랜지스터 어레이기판의 법선 벡터를 기준으로 하여 서로 비대칭되게 구동하게 되고, 그 결과 화면의 시야 방향에 관계없이 상·하, 좌·우 및 대각 방향에서 액정의 평균 리타데이션 값이 균일하게 되어 대조비가 증가하게 되는 것이 특징이다.
본 발명의 제3실시예에 따른 액정표시장치는 단위화소마다 공통전극 및 화소전극으로 이루어진 전극 패턴이 서로 동일한 형상으로 형성되어 지그재그 형태로 열을 이루는 제1영역 및 제2영역으로 구분되는데, 이때 서로 동일한 형상을 갖는 제1영역 및 제2영역의 전극 패턴은 합착된 두 기판 사이에서 도트 단위로 형성된 적(R)·녹(G)·청(B)의 컬러필터에 대응하는 화소 단위로 이루어진다. 그리고, 그 화소에의 전압인가시 그 전압 차가 최대가 될 때 그 이웃하는 영역에서의 화소간 구동하는 액정이 서로 비대칭되게 구동하게 됨으로써 시야 방향에 관계없이 화면의 상·하, 좌·우 및 대각 방향에서의 평균 리타데이션 값이 균일하게 되어 대조비가 증가하게 되는 것이 특징이다.
이하, 도면을 참조하여 상기 실시예별로 좀더 구체적으로 살펴보고자 한다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 IPS 방식의 액정표시장치를 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 박막트랜지스터 어레이기판(100)은 다수개의 게이트 배선(111)과 데이터 배선(121)이 교차하여 구획된 영역에 형성된 다수개의 단위화소(130)와, 상기 게이트 배선(111) 및 데이터 배선(121)이 교차되는 영역에 형성된 TFT로 구성된다. 이에 더해, 실질적으로 어레이기판(100)의 가장자리영역에는 상기 게이트 배선(111)과 데이터 배선(121)에 각각 전기적으로 접속하여 외부의 구동회로부로부터 주사 신호 및 데이터 신호를 인가받아 게이트 배선(111)과 데이터 배선(121)에 전달하는 게이트 패드와 데이터 패드가 형성되어 있다. 이때 주사 신호는 물론 게이트 구동 IC에 의해 생성되어 전달되며, 데이터 신호는 데이터 구동 IC에 의해 생성되어 전달된다.
여기서, 상기 TFT는 게이트 배선(111)에 연결되어 형성되는 게이트 전극(101a), 상기 데이터 배선(121)에 연장·형성되어 게이트 전극(101a)에 소정영역이 오버랩(overlap)되는 소스 전극(121a) 및 상기 게이트 전극(101a)에 소정영역 오버랩되어 소스 전극(121a)과 대응하는 위치에 형성된 드레인 전극(121b)을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 단위화소(130)가 형성된 단위화소영역 내에는 게이트 배선(111) 에 수평하게 형성되어 있는 최외곽 공통전극(103a)이 게이트 절연막 및 보호막을 사이에 두고 화소전극(125)과 오버랩되어 스토리지 커패시터(140)를 형성하고, 상기 스토리지 커패시터(140)는 데이터 배선(121)으로부터 인가된 화소 신호를 일정시간 동안 유지하게 된다.
이에 더해, 본 발명의 제1실시예에 따른 액정표시장치의 단위화소(130)들은 단위화소(130)마다 상·하측의 1/2영역에 형성된 공통전극(103b) 및 화소전극(125)으로 이루어진 전극 패턴이 지그재그 형태의 열(列)을 이루어 서로 동일한 형상으로 형성된 제1영역 및 제2영으로 각각 구분되어 있다. 이때 제1영역 및 제2영역에 형성된 슬릿 형태의 공통전극(103b) 및 화소전극(125)은 각 영역에서 서로 반대 방향의 전계가 생성되도록 서로 다른 형상의 전극 패턴을 이룰 수 있으며, 각 영역의 배향은 전계의 방향과 서로 수직한 방향으로 배향이 이루어져 있다. 이때 각각의 단위화소(130)마다 그 상측 및 하측에서 인접하는 단위화소(130)의 제1영역 및 제2영역에 형성된 공통전극(103b) 및 화소전극(125)으로 이루어진 전극 패턴은 서로 동일하지만, 좌측 및 우측에서 서로 인접하는 단위화소(130)의 제1영역 및 제2영역에 형성된 공통전극(103b) 및 화소전극(125)으로 이루어진 전극 패턴은 그 전극 패턴의 형상이 서로 교차하여 형성되어 있다. 따라서, 하나의 수평라인을 기준으로 볼 때 1/2영역으로 구분되는 단위화소(130)의 서로 이웃하는 단위화소(130)는 제1영역 및 제2영역에 형성된 전극 패턴의 형상이 서로 교차되어 동일 형상의 전극 패턴을 형성하게 된다.
이를 통해 가령, 노멀리 화이트 모드(normally white mode)에서 블랙 화면을 구현하기 위하여 공통전극(103b)과 화소전극(125)간 전압 차가 최대가 되도록 모든 단위화소(130)에 전압을 인가할 경우 전계의 방향에 따라 제1영역 및 제2영역의 액정이 박막트랜지스터 어레이기판(100)의 법선 벡터를 기준으로 해 그 경계영역의 좌우에서 서로 비대칭되게 구동함으로써 화면 전체적으로는 그 시각 방향에 관계없이 가장 이상적인 블랙(black)을 구현하게 된다. 이는 다시 말해 화면 전체적으로 볼 때 액정의 평균 리타데이션 값이 균일하게 유지됨으로써 대각 방향을 포함하는 전방위(全方位), 즉 상하, 좌우 방향에서의 빛의 굴절율, 빛의 투과량, 빛 샘 정도 혹은 빛의 편광 정도 중 어느 하나가 균일하게 유지되고, 그 결과 블랙 휘도가 개선되어 대조비가 증가하게 된다.
여기에서, 리타데이션 값(u)은 보통 복굴절율(△n)과 액정층 두께(d)의 곱으로 표현되는데 위에서 "평균 리타데이션 값이 균일하게 유지"된다는 의미는 액정의 복굴절율(△n)이 조절된다는 것이며, 이때 액정의 복굴절율(△n)은 배향막상에 광 배향을 통해 선경사각(pretilt angle)을 작게 함으로써 화면 전체적으로 빛의 굴절 정도를 균일하게 하거나, 혹은 이를 빛의 투과량으로 나타낼 수 있다면 그 빛의 투과량이 서로 균일하게 되거나, 혹은 이를 빛 샘의 정도로 표현할 수 있다면 그 빛 샘 정도가 균일하게 되어 블랙 휘도가 증가하게 되는 것이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 액정표시장치의 단위화소구조 및 액정의 구동상태를 나타내는 평면도이다.
도 4를 참조하여 단위화소(130)의 제1영역 및 제2영역의 전극 패턴에 대하여 좀더 살펴보면, 예컨대 본 발명의 제1실시예에 따른 단위화소(130)의 제1영역은 멀 티도메인(multi-domain)을 갖는 지그재그(zig-zag) 형태의 슬릿(slit) 전극 패턴이 상측에서 하측 방향으로 형성되어 있고, 이때 편광 방향과 반대 방향인 액정의 배향이 하측에서 상측을 향하여 이루어져 있다. 또한 제2영역은 그 영역을 다시 상하의 제1 및 제2도메인으로 구분하고 이때 제1도메인 및 제2도메인에 형성되는 공통전극(103b) 및 화소전극(125)은 그 경계영역에서 대략 0보다 크고 90도보다 작은 사잇각을 형성하고 있으며, 이때 배향은 사잇각을 이루는 영역에서 점차 멀어지는 방향, 즉 좌측에서 우측 방향으로 이루어져 있다.
가령, 단위화소(130)의 제1영역 및 제2영역에 형성되어 있는 공통전극(103b) 및 화소전극(125)이 모두 ITO(Indium Tin Oxide) 혹은 IZO(Indium Tin Oxide) 등의 투명전극으로 형성되었다고 가정하자. 그러면 이때 단위화소영역의 유리기판상에 형성된 절연막은 TFT의 게이트 전극(101a) 및 게이트 배선(111), 그리고 게이트 배선(111)과 나란하게 형성된 공통전극배선(103) 및 단위화소(130)의 최외곽에 형성된 최외곽 공통전극(103a)이 형성된 후, 위의 게이트 전극(101a) 등이 형성된 유리기판상에 게이트 절연막이 형성될 때 동시에 형성된다.
또한 단위화소영역의 유리기판상에 형성된 절연막상의 보호막은 TFT의 절연막상에 비정질 실리콘으로 이루어진 반도체패턴 및 인(P)이 고농도로 도핑된 n+ 비정질 실리콘으로 이루어진 오믹콘택패턴이 적층된 액티브패턴이 형성되고, 그 액티브패턴상에 게이트 전극(101a)에 일부 영역이 오버랩되어 소스 전극(121a) 및 드레인 전극(121b)이 형성되며, 그 소스 전극(121a) 및 드레인 전극(121b)이 형성된 유리기판상에 보호막이 형성될 때 동시에 형성된다.
이때 보호막상에는 단위화소(130)의 제1영역 및 제2영역에 형성된 화소전극(125)과 TFT의 드레인 전극(121b)을 서로 전기적으로 접속하기 위한 콘택홀(124)이 형성되며, 단위화소영역에 형성된 공통전극(103b)과 단위화소(130)의 외곽으로 형성되는 공통전극배선(103) 및 최외곽 공통전극(103a)을 전기적으로 접속시키기 위한 콘택홀(미도시)이 형성된다. 이와 같이 콘택홀이 형성된 후 보호막이 형성된 유리기판의 단위화소영역의 제1영역 및 제2영역에 공통전극(103b) 및 화소전극(125)이 동시에 패터닝될 수 있다.
이어, 도 4를 계속 참조하여 상기 전극 패턴의 구조에 따른 액정 구동상태를 살펴보고자 한다.
도 4에서 볼 때, 점선으로 나타낸 바와 같이 단위화소(130)의 제1영역 및 제2영역의 배향막상에는 각각 그 반대 방향으로 액정(150)들이 배향되어 있다. 이후 노멀리 화이트(혹은 노멀리 블랙) 모드에서 블랙 화면을 구현하기 위하여 공통전극(103b) 및 화소전극(125)에의 전압 인가시 그 전압 차가 최대가 될 때, 실선에 나타낸 바와 같이 제1영역 및 제2영역에서 대략 45도 각도로 생성되는 전계에 의해 액정(150)의 장축방향이 회전하여 제1영역 및 제2영역 모두 그 전경 영역(disclination)을 기준으로 45도 각도로 액정(150)이 트위스트된다. 물론 여기에서 장축방향의 액정(150)이 트위스트된다는 것은 액정(150)의 유전율 이방성이 양인 것을 의미하는 것인데, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.
상기의 구동 결과, 블랙 화면을 구현하기 위하여 공통전극(103b)의 공통전압과 화소전극(125)의 화소 전압의 차가 최대가 될 때 트위스트된 액정(150)은 제1영 역 및 제2영역에서 각각 그 전경 영역을 기준으로 대칭되지만, 반면 제1영역 및 제2영역의 경계영역에서 박막트랜지스터 어레이기판의 법선 벡터를 기준으로 하여 비대칭을 이루어 구동하고 있다.
이와 같이, 블랙 화면을 구현하기 위하여 모든 단위화소(130)마다 최대 차의 전압을 인가하게 되면 단위화소(130)마다 액정(150)이 제1영역 및 제2영역간에 서로 비대칭을 이루게 되고, 이로 인해 화면 전체적으로는 상하, 좌우 및 대각 영역에서의 빛의 굴절 정도, 빛의 투과량, 빛 샘 혹은 빛의 위상지연 정도 중 어느 하나로 나타내어질 수 있는 액정(150)의 평균 리타데이션 값이 서로 균일하게 유지되고, 그 결과 시각 방향에 따라 전 영역에서의 블랙 휘도가 균일하게 되어 시감 특성이 개선된다.
이와 같은 현상은 본 발명에서와 같은 배향막 형성 방법에 의해 그 효과가 배가(倍加)될 수도 있다. 다시 말해, 박막트랜지스터 어레이기판의 단위화소(130)마다 구분되어 있는 제1영역 및 제2영역상에 PVA(poly vinyl acetate)와 같은 광 배향제로 분할 배향을 하고, 그 분할 배향된 배향막상에 UV 편광을 통해 배향 사슬을 형성하는 광 배향을 수행하여 배향 사슬을 따라 배향된 액정의 선경사각(pretilt angle)을 0도에 가깝도록 형성하는 것이다. 이를 통해 공통전압과 화소전압이 블랙 화면을 위한 최대 전압 차를 가질 때 단위화소(130)의 제1영역 및 제2영역에서 구동하는 액정(150)이 그 경계영역에서의 박막트랜지스터 어레이기판의 법선 벡터를 기준하여 서로 비대칭을 이루고, 이를 통해 상하, 좌우 및 대각 영역에서의 평균 리타데이션 값의 편차가 더욱 작아지게 됨으로써 시각 방향에 따라 컬 러가 시프트되는 현상이 더욱 개선된다.
물론 위와 같은 광 배향을 위한 광 배향장치 등과 관련해서는 한국 등록특허 제0413474호를 참조해 볼 수 있다. 다시 한번 언급해 보면, 광 배향장치는 배향제의 선택프린트부와 노광부로 구성되는데, 이 두 부위를 기판이 자동 또는 수동으로 오가며 멀티 도메인 배향막을 형성할 수 있다. 이때 선택프린트부와 노광부의 사이에는 다른 목적의 장치부나 장치가 적어도 하나 설치될 수도 있는데, 배향제 프린트시 노광을 동시에 실시하도록 구성할 경우 이 두 부위가 일체로 형성될 수도 있다.
여기에서, 선택프린트부는 노즐 또는 헤드(head)와 같은 배향제 토출부와, 스테이지(stage) 또는 지그(jig)와 같은 기판 고정부와, 배향제가 원하는 위치에 프린트되도록 기판, 기판 고정부, 또는 노즐부를 움직이는 구동부로 나뉘어지고, 이에 필요한 각 제어계, 구동계, 소프트웨어 및 하드웨어, 기판 반송부 및 유틸리티를 포함한다. 이때 배향제 토출부는 복수로 형성될 수 있으며 토출 방식은 피에조분사방식, 버블분사방식, 열전자방식 또는 도트프린트방식으로 접촉하여 프린트하는 방법 등이 사용될 수 있다. 또한 프린트 위치 구동부는 수백 ㎛이상, 수십 Å이하의 정밀도를 요하므로 장치 운용자가 소프트웨어 또는 하드웨어상에 임의로 설정한 곳에 배향제를 선택적으로 위치시키는 모든 방법을 포함한다. 구동은 기판상의 어느 위치든지 임의로 지정하여 프린트 할 수 있도록 2축 구동(X, Y 또는 r, θ)으로 하고, 필요에 따라 본 발명에 따른 방법의 구현을 돕는 구동축을 추가로 가질 수 있다. 기판과 기판고정부는 고정하고 배향제토출부를 구동하는 방법, 이와 는 반대로 배향제토출부를 고정하고 기판과 기판고정부를 구동하는 방법, 또는 상기 두 부분에 구동을 분배하여 가하는 방법이 있을 수 있다. 추가로, 프린트 위치 구동부와 배향제토출부의 기준위치와 기판의 기준위치와의 정렬을 위한 장치도 포함된다.
또한, 노광부는 배향광을 조사하는 부분으로 광원, 광학계, 기판고정부 및 반송부로 구성된다. 배향광의 조사는 기판상의 조사면적 전체를 한 번에 조사할 수도 있고, 필요에 따라 분할조사할 수도 있다. 분할조사는 조사 필요면적보다 광의 유효면적의 크기가 작은 경우로 스캔방식으로 전면을 조사할 수 있고, 스텝방식으로 이동하며 조사할 수도 있다. 스캔 또는 스텝방식의 경우 구동부는 광학계 또는 기판측일 수 있다. 또한, 수직입사각(tilt angle)을 변경하는 장치, 수평입사각(azimuthal angle)을 변경하는 장치가 포함될 수 있다.
예컨대 상기의 광배향제로는 일반적인 광배향제, 즉 PVA, 계피산(cinnamate)계 등이 사용될 수 있다.
한편, 상기와 같이 구성되는 박막트랜지스터 어레이기판은 도면에 별도로 도시되지는 않았지만 컬러필터기판과 소정거리를 유지하며 서로 대향하여 합착되어 있다. 이때, 컬러필터기판은 박막트랜지스터 어레이기판의 단위화소영역에 각각 대응하여 적(R), 녹(G), 청(B)의 색상을 구현하는 다수의 서브 컬러필터로 구성되는 컬러필터와, 상기 서브 컬러필터를 서로 구분하고 액정층을 투과하는 광을 차단하는 블랙매트릭스, 그리고 상기 블랙매크릭스 사이에 형성된 컬러필터를 평탄화하기 위한 오버코트층이 추가적으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 박막트랜지스터 어레이기판 및 컬러필터기판은 외부로부터 신호를 인가받아 영상이 구현되는 화상표시영역의 외곽에 형성된 실런트(sealant)에 의해 합착되어 액정표시장치를 구성하는데, 그 두 기판의 합착은 컬러필터기판 혹은 어레이기판의 가장자리에 형성된 합착키(미도시)를 통해 이루어지고 있다.
그리고, 상기의 합착된 두 기판의 적어도 일측면에는 트리 아세틸 셀룰로오스(tri-acetyl-cellulose; TAC) 혹은 ORT 필름이 폴리염화비닐(poly vinyl chloride: PVC)의 양측에 부착되어 형성된 편광필름이 구성되어 있다. 이때 편광필름의 실질적인 편광성분은 PVC 필름이 된다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 액정표시장치를 나타내는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 액정표시장치는 컬러필터기판상에 형성된 적(R), 녹(G), 청(B)의 컬러필터에 대응하는 박막트랜지터 어레이기판(200)상의 서브 화소를 단위로 하여 게이트 배선(211) 및 데이터 배선(221)에 의해 정의되는 단위화소(230)마다 형성된 공통전극(203b) 및 화소전극(225)으로 이루어진 전극 패턴이 지그재그 형태로 열(列)을 이루어 서로 동일한 형상으로 형성된 제1영역 및 제2영역으로 각각 구분되어 있다. 이때 제1영역 및 제2영역에 형성된 슬릿 형태의 공통전극(203b) 및 화소전극(225)은 각 영역에서 서로 반대 방향의 전계가 생성되도록 서로 다른 형상의 전극 패턴을 이룰 수 있으며, 각 영역의 배향은 전계의 방향과 서로 수직한 방향으로 배향이 이루어져 있다.
따라서, 하나의 수평라인을 기준으로 볼 때 그 인접하는 서브 화소간 공통전극(203b) 및 화소전극(225)의 전극패턴 형상은 서로 교차되어 동일한 전극패턴 형 상을 이루고, 제1열의 수평라인 및 제2열의 수평라인간 수직한 방향에서 이웃하는 서브 화소에 형성된 공통전극(203b) 및 화소전극(225)의 전극패턴 형상 또한 서로 교차하여 형성되어 있다. 그 결과 액정패널의 수직방향으로 볼 때 서브 화소들에 형성된 공통전극(203b) 및 화소전극(225)의 패턴이 지그 재그로 동일 형상을 이루고 있다.
가령 이와 같은 구조에 있어서도 그 구동방법은 본 발명의 제1실시예에서와 동일하다. 다시 말해, 노멀리 화이트 모드(혹은 노멀리 블랙 모드)에서 블랙 화면을 구현하기 위하여 공통전극(203b)과 화소전극(225)간 전압 차가 가장 크도록 모든 서브 화소에 전압을 인가할 경우 전계의 방향에 따라 제1영역 및 제2영역의 액정이 박막트랜지스터 어레이기판(200)의 법선 벡터를 기준으로 해 그 경계영역의 좌우에서 서로 비대칭되게 구동함으로써 화면 전체적으로는 그 시각 방향에 관계없이 가장 이상적인 블랙(black)을 구현하게 된다. 이는 다시 말해 화면 전체적으로 볼 때 액정의 평균 리타데이션 값이 균일하게 유지됨으로써 대각 방향을 포함하여 상하, 좌우 방향에서의 빛의 굴절율, 빛의 투과량, 빛 샘 정도 혹은 빛의 편광 정도 중 어느 하나가 균일하게 유지되고, 그 결과 블랙 휘도가 개선되어 대조비가 증가하게 된다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 액정표시장치를 나타내는 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 액정표시장치는 컬러필터기판상에 형성된 도트 단위의 적(R), 녹(G), 청(B) 컬러필터에 대응하는 박막트랜지터 어레이기판(300)상의 화소 단위로 하여 게이트 배선(311) 및 데이터 배 선(321)에 의해 정의되는 단위화소(330)마다 형성된 공통전극(303b) 및 화소전극(325)으로 이루어진 전극 패턴이 지그재그 형태로 열(列)을 이루어 서로 동일한 형상으로 형성된 제1영역 및 제2영역으로 각각 구분되어 있다. 이때 RGB의 도트 단위를 기준으로 하는 제1영역 및 제2영역에 형성된 슬릿 형태의 공통전극(303b) 및 화소전극(325)은 각 영역에서 서로 반대 방향의 전계가 생성되도록 서로 다른 형상의 전극패턴을 이룰 수 있으며, 각 영역의 배향은 전계의 방향과 서로 수직한 방향으로 배향이 이루어져 있다.
따라서, 하나의 수평라인을 기준으로 볼 때 RGB를 도트 단위로 하는 그 인접하는 화소간 공통전극(303b) 및 화소전극(325)의 전극패턴 형상은 서로 교차되어 동일하게 형성되고, 제1열의 수평라인 및 제2열의 수평라인간 이웃하는 화소에 형성된 공통전극(303b) 및 화소전극(325)의 전극패턴 형상 또한 RGB의 도트 단위별로 교차하여 동일하게 형성된다. 따라서, 액정패널의 수직방향으로 볼 때 화소들에 형성된 공통전극(303b) 및 화소전극(325)의 전극패턴 형상은 RGB를 도트 단위로 지그 재그 형상을 이루고 있다.
예컨대, 노멀리 화이트 모드(혹은 노멀리 블랙 모드)에서 모든 화소에 전압이 인가되어 블랙 화면을 구현한다고 가정해 보자. 이때 전계의 방향에 따라 제1영역 및 제2영역의 액정이 박막트랜지스터 어레이기판(300)의 법선 벡터를 기준으로 하여 그 경계영역의 좌우에서 서로 비대칭되게 구동함으로써 화면 전체적으로는 그 시각 방향에 관계없이 가장 이상적인 블랙을 구현하게 된다. 이는 다시 말해 화면 전체적으로 볼 때 액정의 평균 리타데이션 값이 균일하게 유지됨으로써 대각 방향 을 포함하여 상하, 좌우 방향에서의 빛의 굴절율, 빛의 투과량, 빛 샘 정도 혹은 빛의 편광 정도 중 어느 하나가 균일하게 유지되고, 그 결과 블랙 휘도가 개선되어 대조비가 증가하게 된다.
그러면, 이하에서는 도면에 별도로 나타내지는 않았지만 상기의 구성을 갖는 액정표시장치의 제조방법에 관하여 살펴볼 것이다.
액정표시장치의 화소부는 TFT부에 의해 구동하게 되는데, 이때 TFT부의 유리기판상에는 게이트 전극이 형성되어 있고, 게이트 전극이 형성된 유리기판상에는 다시 게이트 절연막이 형성되어 있다. 이때 화소부에도 게이트 절연막이 증착된다.
이와 같이, TFT부의 유리기판상에 게이트 전극이 형성될 때 게이트 배선, 공통전극 배선, 공통전극 배선에 접속하여 단위화소영역의 최외곽으로 형성되는 최외곽 공통전극 등이 동시에 형성될 수 있다.
또한, 게이트 절연막이 증착된 유리기판상에는 비정질 실리콘으로 이루어진 반도체패턴과, 인(P)이 고농도로 도핑된 n+ 비정질 실리콘으로 이루어진 오믹콘택패턴이 증착된 액티브패턴이 형성되어 있다.
그리고, 게이트 전극이 위치하는 상기 액티브패턴의 상부에 소스 및 드레인 전극을 형성함으로써 게이트 전극과 함께 TFT를 이루게 되는데, 이때 게이트 절연막상에 데이터 배선을 함께 패터닝하게 된다.
상기 소스 전극과 드레인 전극이 형성된 유리기판상에는 보호막이 형성된다. 이때, 보호막은 질화실리콘(SiNx) 또는 산화실리콘(SiOx) 등과 같은 무기 절연막이 사용될 수 있으며, 액정표시장치의 개구율을 향상시키기 위하여 유전율이 낮은 벤 조싸이클로부텐(benxocyclobuten: BCB), 스핀-온-글래스(spin on glass) 또는 아크릴 등의 유기절연막이 사용될 수도 있다.
상기 보호막상에는 드레인 전극의 일부를 노출시키기 위한 콘택홀이 형성되어 있다. 또한 본 발명에서와 같이 화소전극과 공통전극을 모두 ITO 전극으로 형성하는 경우, 단위화소영역에 형성된 공통전극과 공통전극배선을 전기적으로 접속시키기 위한 콘택홀이 추가적으로 형성될 것이다.
이어, 콘택홀이 형성된 보호막상에는 ITO(Indium Tin Oxide) 혹은 IZO(Indium Zinc Oxide) 등의 투명전극을 증착한 후, 포토리소그래피(photolithography) 공정에 의해 공통전극 및 화소전극을 동시에 패터닝하게 된다.
이때 화소전극은 콘택홀을 통하여 드레인 전극과 접속하게 되고, 또한 공통전극은 공통전극배선상에 형성된 콘택홀을 통하여 공통전극배선과 접속하게 되며, 두 전극에 인가되는 전압의 전위차에 의하여 전계를 생성하게 된다.
또한, 상기와 같이 제조되는 박막트랜지스터 어레이기판과 합착되는 컬러필터기판의 제조과정에 대하여 간략하게 살펴볼 것이다.
상기 컬러필터기판상에는 박막트랜지스터 어레이기판상의 게이트 배선 및 데이터 배선과, 그 게이트 배선 및 데이터 배선의 교차하는 영역에 위치하는 박막트랜지터를 투과하는 광을 차단하기 위한 블랙매트릭스를 격자형으로 형성하게 된다.
이어서는 상기 블랙매트릭스 사이의 컬러필터기판상에 적(R), 녹(G), 청(B) 의 컬러필터를 순차적으로 반복하여 형성한다. 다시 말해, 컬러필터기판의 전면(全面)에 적(R)의 컬러필터를 증착한 후 포토리소그래피 공정을 통하여 적(R)의 컬러필터를 형성하고, 이와 같은 방식으로 녹(G) 및 청(B)의 컬러필터를 형성한다. 이때 하나의 수평라인을 기준으로 볼 때 컬러필터기판상에 "RGBRGBRGB……RGB"의 순으로 컬러필터를 형성하는 것이 바람직하지만 그것에 특별히 한정되지는 않는다.
이와 같이 적(R), 녹(G), 청(B)의 컬러필터가 형성되고 나면, 그 컬러필터의 보호와 평탄화를 위하여 오버코트층(overcoat layer)을 형성한다. 이때, 상기 오버코트층으로는 아크릴계와 폴리이미드계 수지를 사용한다.
이어서, 상기 박막트랜지스터 어레이기판 및 컬러필터기판상에는 적어도 일면에 배향막을 형성하게 된다. 이때 배향막은 바람직하게는 PVA와 같은 광 배향제를 박막트랜지스터 어레이기판상의 제1영역 및 제2영역을 분할하여 배향하고, 이때 분할 배향과 동시에 광 편광을 통해 배향 사슬을 형성하게 된다.
그리고, 배향막이 형성된 두 기판 사이에 액정을 주입하면 액정층이 형성된다. 이때 액정은 보통 트위스트 네마틱(twisted nematic) 액정으로서 액정층의 액정분자는 기판에 대해 거의 0에 가까운 선경사각을 가지면서 일정하게 배열하게 된다.
요컨대, 지금까지의 내용들에 근거해 볼 때 본 발명에 따른 액정표시장치는 단위화소를 복수 개의 영역으로 구분하여 그 일부 영역을 각각 제1영역 및 제2영역으로 하거나, 혹은 서브-화소별로 혹은 도트 단위의 화소별로 제1영역 및 제2영역을 설정하고, 그 제1영역과 제2영역의 단위화소에 서로 다른 전계 및 서로 다른 방 향의 배향을 함으로써 블랙 화면 구현을 위한 공통전극과 화소전극간 전압 차가 최대가 될 때 단위화소에서 구동된 액정들이 그 제1영역 및 제2영역을 경계로 하여 서로 비대칭을 이룬다. 이를 통해 액정패널의 전면(全面)에서 구동하는 액정의 평균 리타데이션 값이 균일하게 유지됨으로써 액정패널의 상하, 좌우 및 대각 방향에서의 시각방향에서 볼 때 블랙의 시감 특성이 개선된다. 그 결과 대조비가 증가한다.
그러나, 본 발명은 블랙 화면 구현시 단위화소에 형성된 공통전극과 화소전극간 전압 차가 최대가 될 때 구동하는 액정의 평균 리타데이션 값이 균일할 수 있다면, 그 지그재그 패턴을 이루어 형성되는 제1영역 및 제2영역의 전극 패턴을 서브-화소별 혹은 도트 단위의 화소에 한정하는 것이 아니라, 2개의 서브 화소나 4개의 서브 화소, 혹은 2도트 단위의 화소로도 얼마든지 확장하여 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 단위화소에 형성된 공통전극과 화소전극간 전압 차가 최대가 될 때 제1영역 및 제2영역간 서로 비대칭을 이루도록 액정을 구동시키기 위하여 단위화소에 형성되는 전극패턴의 형상 및 배향막의 배향방법도 얼마든지 변형될 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 IPS 액정표시장치의 단위화소를 나타내는 단면도
도 2는 도 1의 어레이기판을 나타내는 단위화소의 평면도
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 액정표시장치를 나타내는 도면
도 4는 도 3의 단위화소구조 및 액정구동상태를 나타내는 도면
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 액정표시장치를 나타내는 도면
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 액정표시장치를 나타내는 도면

Claims (11)

  1. 제1기판;
    상기 제1기판상에 서로 교차·형성되어 다수의 단위화소를 구획하는 게이트 배선 및 데이터 배선;
    상기 게이트 배선 및 데이터 배선의 교차영역에 형성된 TFT;
    지그-재그(zig-zag) 형태로 동일 형상의 전극 패턴을 형성하여 열을 이루는 제1영역과 상기 제1영역의 단위화소들에 이웃하여 지그-재그 형태로 동일 형상의 전극 패턴을 형성하여 열을 이루는 제2영역으로 구분되는 상기 제1기판상의 단위화소마다 형성되고, 상기 제1영역 및 제2영역의 단위화소에서 서로 다른 방향의 전계를 생성하는 공통전극 및 화소전극;
    상기 제1기판과 서로 대향하여 합착된 제2기판;
    상기 제1기판 및 제2기판 중 적어도 하나의 기판상에 형성되고, 상기 제1영역 및 제2영역에서의 전계 방향과 서로 반대 방향의 배향 사슬이 형성된 배향막; 및
    상기 제1기판과 제2기판의 사이에 충진되고, 상기 공통전극 및 화소전극에 인가된 전압 차가 최대가 될 때 상기 제1영역 및 제2영역의 경계부위에서 제1기판의 법선 벡터를 기준으로 양측이 서로 비대칭을 이루어 구동하는 액정을 포함하여 구성되는 액정표시장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 동일 형상의 전극 패턴을 형성하여 지그-재그 형태의 열을 이루는 단위화소는 서브 화소(sub-pixel)인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 동일 형상의 전극 패턴을 형성하여 지그-재그 형태의 열을 이루는 단위화소는 적(R), 녹(G), 청(B)을 도트(dot) 단위로 하는 화소(pixel)인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 동일 형상의 전극 패턴을 형성하여 지그-재그 형태의 열을 이루는 단위화소는 단위화소영역을 상측 및 하측 영역으로 구분한 그 1/2영역인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1영역의 단위화소에 형성되는 공통전극 및 화소전극은 멀티 도메인(multi-domain)을 갖는 지그-재그 형태의 슬릿(slit) 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2영역의 단위화소에 형성된 공통전극 및 화소전극은 2개의 도메인을 이루고 그 도메인의 경계부위에 사잇각을 갖도록 하는 슬릿 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 배향막은 제1영역과 제2영역을 분할하여 배향하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1영역 및 제2영역의 배향 사슬은 배향막에 광을 조사하여 형성되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1기판 및 제2기판은 적어도 일측에 편광판이 추가적으로 구비되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 편광판은 편광성분인 폴리염화비닐(polyvinyl chloride)와: 상기 PVC의 양측에 부착되어 PVC를 지지하는 트리 아세틸 셀룰로오스(tri-acetyl-cellulose; TAC) 필름으로 구성되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 공통전극 및 화소전극에 인가된 전압 차가 최대가 될 때 상기 제1영역 및 제2영역의 경계부위에서 제1기판의 법선 벡터를 기준으로 양측이 서로 비대칭을 이루도록 구동하는 액정은 액정패널의 상하, 좌우, 대각 방향에서의 평균 리타데이션 값을 균일하게 유지시키는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
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US10274780B2 (en) 2013-11-13 2019-04-30 Samsung Display Co., Ltd. Liquid crystal display

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