KR20110061120A - 액정표시장치 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 CR 향상 및 응답속도를 개선할 수 있는 액정표시장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 액정표시장치는 화소부의 제 1 기판 상에 형성되고 공통 배선에 전기적으로 연결된 제 1 공통 전극과, 상기 제 1 공통 전극이 형성된 상기 제 1 기판 전면에 형성되는 패시베이션층과, 상기 패시베이션층 상에 형성되며, 수평으로 이격 거리를 두고 교대로 형성되어 서로 전계가 형성되는 기준 전극과 화소 전극과, 상기 기준 전극 및 상기 화소 전극이 형성된 상기 제 1 기판 상에 형성되는 하부 수직 배향막과, 상기 제 1 기판에 대향하여 배치되며 상부 수직 배향막이 형성된 제 2 기판 및 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에 형성되는 액정층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
LCD, FFS, 배향, 공통 전극, 응답 속도, 명암비

Description

액정표시장치 및 그 제조방법{LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 액정표시장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 CR 향상 및 응답속도를 개선할 수 있는 액정표시장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
근래 정보화 사회의 발전과 더불어, 표시장치에 대한 다양한 형태의 요구가 증대되면서, LCD(Liquid Crystalline Display), PDP(Plasma Display Panel), ELD(Electro Luminescent Display), FED(Field Emission Display), VFD(Vacuum Fluorescent Display)등 평판표시장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 고화질의 구현, 양산성, 구동수단의 용이성, 경량, 박형, 저소비 전력 등의 이유로 액정표시장치(LCD)가 각광을 받고 있다.
액정표시장치는 매트릭스(matrix) 형태로 배열된 화소들에 화상정보에 따른 데이터신호를 개별적으로 공급하고, 액정에 전압을 인가 및 구동하여 화소별로 광투과율을 조절함으로써 원하는 화상을 표시할 수 있도록 한 표시장치이다.
액정표시장치의 액정 구동방법에는 기판에 대하여 수직으로 전압을 인가하는 종전계 방식과, 기판에 대하여 평행으로 전압을 인가하는 횡전계 방식이 있다. 종 전계 방식과 횡전계 방식은 서로 이점 및 결점을 가지고 있다. 예를 들어, TN(Twisted Nematic, 트위스트 네마틱) 방식으로 대표되는 종전계 방식에 비하여, 횡전계 방식은 광시야각, 고콘트라스트, 고계조 표시와 같은 특성을 가지고 모니터나 텔레비전용으로 사용되고 있다.
횡전계 방식의 액정표시장치에는 IPS(In-Plane Switching) 방식과 FFS(Fringe Field Switching) 방식이 있다. IPS 방식은 화소 전극과 공통 전극이 교호로 배치되어 있고, 화소 전극과 공통 전극 사이의 기판에 대략 평행인 방향의 전계를 발생시켜 액정을 구동하는 방식이다.
FFS 방식은 IPS 방식의 낮은 개구율 및 투과율을 개선시키기 위해 제안된 것이다. FFS 방식은 화소 전체에 형성된 평면 형상의 공통 전극 위에 화소 전극을 배치하고, 공통 전극과 화소 전극간의 간격을 줄여 공통 전극과 화소 전극 사이에서 프린지 필드가 형성되도록 함으로써 액정을 구동하는 방식이다.
한편, FFS 방식에서의 액정배향은 도 1에 도시된 바와 같이 러빙된 수평 배향막에 의해 기판에 대해 거의 평행하게 형성되어 있다. 이러한 액정(LC)의 수평배향은 액정(LC)의 리퀴드(liquid)적인 특성에서 기인하는 시간적/공간적인 굴절률 분포의 차이, 불균일한 러빙에 의해 발생하는 복굴절 및 액정(LC)의 산란에 의한 빛샘으로 정면 CR(Contrast Ratio)이 저하된다.
또한, FFS 방식에서의 응답속도는 액정의 물성에 따른 회전점도, 탄성계수 및 유전율에 따라 좌우되는데, 이러한 특성들은 trade-off 관계에 있어 특성을 향상시키기가 쉽지 않다. 액정 물성을 개선한다고 하여도 기존의 FFS 방식의 액정구 동에서 프린지 필드의 형성 영역이 액정 전체에 고르게 작용하지 못한다.
그 결과, 도 2에 나타나는 바와 같이 액정이 초기 배향 상태에서 전계에 반응하여 회전하는데 걸리는 시간과 액정이 회전했다가 다시 초기 배향 상태로 되돌아 가는데 걸리는 시간이 20msec 이상으로 응답속도를 개선하는데 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, CR 향상 및 응답속도를 개선할 수 있는 액정표시장치 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명에 따른 액정표시장치는 화소부의 제 1 기판 상에 형성되고 공통 배선에 전기적으로 연결된 제 1 공통 전극과, 상기 제 1 공통 전극이 형성된 상기 제 1 기판 전면에 형성되는 패시베이션층과, 상기 패시베이션층 상에 형성되며, 수평으로 이격 거리를 두고 교대로 형성되어 서로 전계가 형성되는 기준 전극과 화소 전극과, 상기 기준 전극 및 상기 화소 전극이 형성된 상기 제 1 기판 상에 형성되는 하부 수직 배향막과, 상기 제 1 기판에 대향하여 배치되며 상부 수직 배향막이 형성된 제 2 기판 및 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에 형성되는 액정층을 포함한다.
상기 제 1 공통 전극, 상기 기준 전극 및 상기 화소 전극은 투명 도전 물질로 형성되고, 상기 기준 전극과 상기 화소 전극 간의 수평 이격 거리는 3㎛~15㎛이고, 상기 기준 전극 및 상기 화소 전극은 45도의 빗살 형상이나 스트라이프 형상으로 형성된다.
상기 기준 전극은 상기 공통 배선에 전기적으로 연결되고, 상기 공통 배선을 통해 상기 제 1 공통 전극과 전기적으로 연결되어 동일 전위가 인가될 수 있다.
이때, 상기 기준 전극을 사이에 두고 일편에 형성된 화소 전극에는 (-)전압 이 인가되고, 타편에 형성된 화소 전극에는 (+) 전압이 인가되어, 상기 화소 전극은 상기 기준 전극을 사이에 두고 서로 역위상의 전압을 갖는다.
여기서, 상기 제 1 공통 전극, 상기 기준 전극 및 상기 화소 전극에 전압이 인가되면, 상기 제 1 공통 전극과 상기 화소 전극 사이, 상기 기준 전극과 상기 화소 전극 사이 및 상기 화소 전극들 사이에 전계가 형성된다.
또는, 상기 기준 전극은 박막 트랜지스터의 드레인 전극에 전기적으로 연결되고, 상기 기준 전극은 상기 화소 전극과 서로 역위상의 전압을 갖는다.
여기서, 상기 제 1 공통 전극, 상기 기준 전극 및 상기 화소 전극에 전압이 인가되면, 상기 제 1 공통 전극과 상기 화소 전극 사이, 상기 기준 전극과 상기 화소 전극 사이 및 상기 기준 전극과 상기 제 1 공통 전극 사이에 전계가 형성된다.
상기 액정층은 상기 하부 수직 배향막 및 상기 상부 수직 배향막에 의해 초기 배향시 수직으로 배열되고, 상기 액정층의 두께는 셀 갭과 동일하고, 상기 셀 갭은 2.5㎛~4.0㎛이고, 상기 액정층의 액정 분자의 회전 점도는 40~100mPa-s이고, 유전율은 3.0~13.0, 탄성 계수는 K11=9~20, K22=4~10, K33=10~30이다.
본 발명에 따른 액정표시장치의 제조방법은 화소부의 제 1 기판 상에 공통 배선과 전기적으로 연결되는 제 1 공통 전극을 형성하는 단계와, 상기 제 1 공통 전극이 형성된 상기 제 1 기판 전면에 패시베이션층을 형성하는 단계와, 상기 패시베이션층 상에 수평으로 이격 거리를 두고 교대로 형성되며, 서로 전계가 형성되는 기준 전극과 화소 전극을 형성하는 단계와, 상기 기준 전극 및 상기 화소 전극이 형성된 상기 제 1 기판 상에 하부 수직 배향막을 형성하는 단계와, 상기 제 1 기판 에 대향하여 배치되며, 상부 수직 배향막이 형성된 제 2 기판을 마련하는 단계와, 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에 액정층을 형성하는 단계 및 상기 제 1 공통 전극, 상기 기준 전극 및 상기 화소 전극에 전압을 인가하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 액정표시장치는 공통 전극과 화소 전극들 사이뿐만 아니라 화소 전극들 간에도 전계를 형성하여 수직 배향막을 적용한 일반적인 FFS 모드의 액정표시장치 보다 액정들을 낮은 전압의 인가만으로도 구동할 수 있게 된다.
아울러, 기준 전극을 사이에 두고 서로 역위상의 전압을 갖는 동일 평면 상의 화소 전극들 간에도 전계를 형성하거나, 기준 전극과 화소 전극 사이에 전계를 형성하여 기판에 대하여 평행한 전계를 더욱 증가시키고, 증가된 전계에 따라 액정 분자들의 회전을 증가시켜 응답속도를 향상시킬 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 액정표시장치는 액정 분자들의 초기 배향상태를 수직으로 배열시키는 수직 배향막을 사용함으로써, 액정층의 리퀴드적인 특성에서 기인하는 시간적/공간적인 굴절률 분포의 차이 및 광산란을 최소화시킴으로써 블랙 상태에서의 빛샘을 저감시켜 정면 CR을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명은 러빙 공정이 불필요하여, 러빙 불균일에 따른 빛샘 현상을 원척적으로 차단할 수 있어 CR을 향상시키고, 공정 간소화 및 생산 수율을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 통해 본 발명에 따른 액정표시장치 및 그 제조방법을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 3a 및 3b를 참조하면, 본 발명에 따른 액정표시장치는 다수의 서브 화소 영역과 구동 영역으로 정의되는 박막 트랜지스터 기판인 제 1 기판(20)과, 컬러필터 기판인 제 2 기판(30)과, 제 1 기판(20) 및 제 2 기판(30) 사이의 액정층(LC)을 포함하는 액정표시패널(10) 및 백라이트 유닛(90)을 포함하여 구성된다.
액정표시장치에서는 다수의 서브 화소가 존재하지만 설명을 간단하게 하기 위해 도면에는 하나의 서브 화소의 화소부를 나타내고 있다.
화소부의 제 1 기판(20) 상에는 제 1 공통 전극(22)과, 패시베이션층(24)과, 패시베이션층(24) 상에 교호로 이격되어 배치되는 기준 전극(23) 및 화소 전극(26)들 및 하부 수직 배향막(28)이 형성되어 있다. 제 1 기판(20)과 제 1 공통 전극(22) 사이에는 게이트 절연막(미도시)이 형성될 수 있다.
제 1 공통 전극(22)은 플레이트 형태로 제 1 기판(20)의 화소부 전면에 형성된다. 제 1 공통 전극(22)은 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 산화규소를 함유하는 인듐 주석 산화물(ITSO), 산화아연(ZnO), 인이나 붕소가 함유된 규소(Si) 등의 투명한 도전성 재료로 형성될 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니고 불투명한 도전성 재료로 형성될 수 있다.
한편, 화소부의 가장자리 부분에는 액정표시장치의 다수의 서브 화소의 공통 전극이 같은 전위가 되도록 인출되어 있는 배선인 공통 배선(미도시)이 배열되어 있다. 이러한 공통 배선은 제 1 공통 전극(22)과 전기적으로 연결되어 제 1 공통 전극(22)에 지속적으로 동일 전위의 공통신호를 인가한다.
패시베이션층(24)은 제 1 공통 전극(22)이 형성된 제 1 기판(20) 전면에 형성된다. 패시베이션층(24)은 SiNx, SiOx 또는 SiOxNy의 단층막이어도 좋고 SiNx, SiOx 또는 SiOxNy의 임의의 조합으로 형성된 복합막이어도 좋다.
기준 전극(23)은 패시베이션층(24)을 사이에 두고 제 1 공통 전극(22) 상에 형성되며, 화소 전극(26)과 교대로 배치된다. 이때, 기준 전극(23)은 제 2 공통 전극으로 기능을 하거나 화소 전극일 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에 따라 기준 전극(23)이 제 2 공통 전극일 경우, 기준 전극(23)은 수직면으로는 패시베이션층(24)을 사이에 두고 형성된 제 1 공통 전극(22)과 전기적으로 접속되어 동일 전위가 인가된다. 이때, 기준 전극(23)은 공통 배선(미도시)과 전기적으로 연결되고, 공통 배선(미도시)에 전기적으로 연결된 제 1 공통 전극(22)과 동일 전위를 갖는다. 그 결과, 제 2 공통 전극의 기능을 하는 기준 전극(23)과 화소 전극(26)들 사이에 전계가 형성된다.
도 3c를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따라 기준 전극(123)이 화소 전극일 경우, 기준 전극(123)은 박막 트랜지스터(미도시)의 드레인 전극과 전기적으로 연결된다. 이때, 기준 전극(123)은 화소 전극(1126)과 서로 역위상의 전압을 갖는다.
즉, 기준 전극(123)에 양의 전압이 인가되면, 화소 전극(126)에는 음의 전압이 인가되거나, 화소 전극(126)에 음의 전압이 인가되면, 기준 전극(123)에는 양의 전압이 인가된다. 그 결과, 화소 전극의 기능을 하는 기준 전극(123)과 화소 전극(126) 사이에도 전계가 형성된다.
기준 전극(23, 123)은 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 산화규소를 함유하는 인듐 주석 산화물(ITSO), 산화아연(ZnO), 인이나 붕소가 함유된 규소(Si) 등의 투명한 도전성 재료로 형성될 수 있다. 설계에 따라 기준 전극(23)은 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 티탄(Ti), 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 은(Ag)과 같은 불투명한 도전성 재료로 형성될 수도 있다.
기준 전극(23, 123)은 제 1 공통 전극(22) 또는 화소 전극(26, 126)과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 기준 전극(23, 123)은 45도의 빗살 형상이나 스트라이프 형상으로 형성된다.
화소 전극(26)은 드레인 전극(미도시)의 전위에 따라 전위가 수시로 변화하는 전극이다. 이러한 화소 전극(26)은 패시베이션층(24)의 콘택홀(미도시)을 통해 화소부의 가장자리에 형성된 박막 트랜지스터(미도시)의 드레인 전극과 전기적으로 접속되어 박막 트랜지스터에 의해 제어된다.
화소 전극(26)은 수직면으로는 패시베이션층(24)을 사이에 두고 형성된 제 1 공통 전극(22)과 중첩되도록 형성되고, 수평면으로는 기준 전극(23)을 사이에 두고 형성되거나, 교대로 배치된다. 화소 전극(26)은 45도의 빗살 형상이나 스트라이프 형상으로 형성되는데, 화소 전극(26)과 기준 전극(23)은 동일 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
기준 전극(23)은 위에서 상술한 바와 같이 화소 전극(26)의 기능을 할 수 있는데, 이때 화소 전극(26)은 기준 전극(23)과 서로 역위상의 전압을 갖는다.
화소 전극(26)은 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 산화규소 를 함유하는 인듐 주석 산화물(ITSO), 산화아연(ZnO), 인이나 붕소가 함유된 규소(Si) 등의 투명한 도전성 재료로 형성될 수 있다. 설계에 따라 화소 전극(26)은 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 티탄(Ti), 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 은(Ag)과 같은 불투명한 도전성 재료로 형성될 수도 있다. 화소 전극(26)은 기준 전극(23) 또는 제 1 공통 전극(24)과 동일한 물질로 형성될 수 있다.
본 발명에서는 기준 전극(23)을 사이에 두고 일편에 형성된 화소 전극(26)에는 (-)전압이 인가되며, 타편에 형성된 화소 전극(26)에는 (+) 전압이 인가되거나, 기준 전극(23)과 화소 전극(26)에 서로 역위상의 전압이 인가된다. 이때, 전위차의 값이 같지 않을 수 있다.
이와 같이 기준 전극(23)을 기준으로 양쪽 화소 전극(26)에 서로 역위상의 전압이 인가되거나, 기준 전극(23)과 화소 전극(26)에 서로 역위상의 전압이 인가될 경우, 저전압에서 구동이 가능하고 응답 속도가 향상된다.
구체적으로, 본 발명의 제 1 실시예에 따라 기준 전극(23)이 제 2 공통 전극의 기능을 할 경우, 드레인 전극을 통해 화소 전극(26)에 역위상의 전압이 인가되고, 공통 배선을 통해 제 1 공통 전극(22) 및 기준 전극(23)에 전압이 인가되면 전계가 발생하고, 그 전계에 의해 액정층(LC)의 액정 분자들이 구동된다.
이때, 전계는 화소 전극(26)과 제 1 공통 전극(22)간, 화소 전극(26)과 기준 전극(23)간 뿐만 아니라 기준 전극(23)을 사이에 두고 서로 역위상의 전압을 갖는 화소 전극(26)들간에도 형성된다.
또는, 도 3c에 도시된 바와 같이 본 발명의 제 2 실시예에 따라 기준 전 극(123)이 화소 전극의 기능을 할 경우, 드레인 전극을 통해 화소 전극(26) 및 기준 전극(123)에 교대로 역위상의 전압이 인가되고, 공통 배선을 통해 제 1 공통 전극(22)에 전압이 인가되면 전계가 발생하고, 그 전계에 의해 액정층(LC)의 액정 분자들이 구동된다.
이때, 전계는 화소 전극(26)과 제 1 공통 전극(22)간, 화소 전극(26)과 기준 전극(123)간 및 기준 전극(123)과 제 1 공통 전극(22)간에 형성된다.
따라서, 일반적으로 사용되었던 공통 전극과 화소 전극 간만 전계가 형성되는 FFS 방식 대비 본 발명은 기준 전극(23)을 사이에 두고 서로 역위상의 전압을 갖는 화소 전극(26)들 간에도 전계가 형성되거나, 기준 전극(123)과 화소 전극(26) 간에도 전계가 형성되어, 전계 형성이 액정층(LC) 전체에 대하여 고르고 강하게 발생하게 된다. 그 결과, 액정 분자들은 그 전계에 따라 기판에 평행한 면 내에서 빠르게 전체적으로 회전하므로 응답 속도가 더욱 향상된다.
화소 전극(26)과 기준 전극(23) 간의 거리가 너무 멀면 전압 인가량이 증가하고, 너무 좁으면 휘도가 저하되므로 화소 전극(26)과 기준 전극(23) 간의 수평 이격 거리는 3㎛~15㎛가 바람직하다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니고 설계상 변경 가능하다.
하부 수직 배향막(28)은 액정 분자들의 배열을 일정하게 하기 위한 것으로, 기준 전극(23) 및 화소 전극(26)들이 형성된 제 1 기판(20) 상에 형성된다. 하부 수직 배향막(28)은 액정 분자의 초기 배향 상태를 수직으로 배열시킨다. 정확하게는 액정 분자들을 하부의 전극들에 수직인 방향으로 선경사각이 -10도~+10도로 배 열시킨다.
본 발명은 수직 배향막을 적용하여 액정 분자들의 초기 배향 상태를 기판면에 대해 수직으로 형성함으로써 백라이트 유닛(90)으로부터의 입사광에 대하여 액정층(LC)의 리퀴드적인 특성에서 기인하는 시간적/공간적인 굴절률 분포의 차이를 최소화시킬 수 있다.
또한, 수직 배향막은 종래에 사용되었던 수평 배향막과 달리 러빙 공정이 불필요하다. 따라서, 본 발명은 러빙 불균일에 따른 빛샘 현상을 원척적으로 차단할 수 있어 명암비(CR)을 향상시키고, 공정 간소화 및 생산 수율을 향상시킬 수 있다.
본 발명과 같이 하부 수직 배향막(28)에 의해 액정의 초기 배열 상태를 수직으로 하고, 제 1 공통 전극(22), 기준 전극(23) 및 화소 전극(26)을 사용하여 화소 전극들 간에도 전계가 형성되도록 할 경우, 구동에 의한 전계 형성이 강화되어 도 4에 나타나는 바와 같이 저전압 구동이 가능하고, 응답 속도 특성이 개선됨을 알 수 있다.
액정층(LC)은 자신에게 인가된 전계에 응답하여 제 1 기판(20)을 경유하여 입사되는 빛의 투과량을 조절하는 것으로, 하부 배향막(28)이 형성된 제 1 기판(20)과 상부 수직 배향막(36)이 형성된 제 2 기판(30) 사이에 형성된다.
액정층(LC)은 화소부 내의 전극들에 의해 형성되는 전계에 의해 회전함으로써 백라이트 유닛(90)으로부터의 광의 투과율이나 반사율이 제어될 수 있어 계조를 표시할 수 있다. 액정 분자의 회전 점도는 40~100mPa-s, 유전율은 3.0~13.0, 탄성 계수는 K11=9~20, K22=4~10, K33=10~30의 특성을 갖는 것이 바람직하다.
액정층(LC)의 액정 분자들은 초기 배향상태에서 하부 및 상부 수직 배향막(28, 36)에 의해 수직 상태로 배열되어 있다가, 화소 전극(26)의 장축에 대하여 수직하게 형성되는 전계 방향으로 점차 회전하게 된다.
일반적으로 액정층(LC)의 두께는 셀 갭과 동일한데, 액정표시장치의 셀 갭이 클 경우, 장파장을 갖는 광의 투과율이 커지고, 셀 갭이 작을 경우, 단파장을 갖는 광의 투과율이 커진다. 즉, 액정표시장치의 셀 갭에 따라 색온도가 조절될 수 있으므로 본 발명에 따른 액정표시장치의 셀 갭은 2.5㎛~4.0㎛이 바람직하다.
이와 같이 구성된 제 1 기판(20)은 표시 영역의 외곽에 형성된 실런트(sealant; 미도시)에 의해 제 2 기판(30)과 대향하여 합착되어 액정표시패널(10)을 구성한다.
제 2 기판(30)에는 적, 녹 및 청색의 컬러를 구현하기 위한 다수의 서브 컬러필터로 이루어진 컬러필터층(32)과, 컬러필터층(32)을 평탄화시키는 오버코트층(34) 및 상부 수직 배향막(36)이 형성된다. 제 2 기판(30)의 서브 화소의 경계부에는 컬러필터 사이를 구분하고 빛샘을 방지하는 블랙매트릭스(미도시)가 더 형성될 수 있다.
상부 수직 배향막(36)은 하부 수직 배향막(28)과 동일한 특성을 가지고, 제 2 기판(30)에 형성된 구성 요소는 공지의 구성이므로 상세한 설명은 생략한다.
백라이트 유닛(90)은 액정표시패널(10)에 광을 제공하는 것으로, 액정표시패널(10)의 배면에 배치된다. 백라이트 유닛(90)은 공지의 구성이므로 상세한 설명은 생략한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 화소 전극(26)과 제 1 공통 전극(22)과의 사이의 전계, 화소 전극(26)과 기준 전극(23)과의 사이의 전계 및 화소 전극(26)들 사이의 전계 또는 기준 전극(123)과 제 1 공통 전극(22) 사이의 전계에 의해 액정 분자의 기울기를 제어한다.
즉, 화소 전극과 공통 전극 사이뿐만 아니라 화소 전극들 간에도 전계를 형성하거나, 기준 전극과 화소 전극 사이에 전계를 형성하여 기판에 대하여 평행한 전계를 더욱 증가시키고, 증가된 전계에 따라 액정 분자들의 회전을 증가시켜 응답속도를 향상시킬 수 있다.
도 5에 나타나는 바와 같이, 동일 액정층에서 일반적인 FFS 방식에서의 응답속도가 시뮬레이션으로는 약 45msec, 실측으로는 약 29msec의 특성을 가졌던 반면에, 본 발명에 따른 액정표시장치에서의 응답속도가 시뮬레이션으로는 6.9 ~ 8.3msec, 실측으로는 4.3 ~ 5.2msec의 응답속도 특성을 가질 것으로 예상되었다.
따라서, 본 발명에 따른 액정표시장치는 일반적인 FFS 방식 보다 최대 1/6 수준으로의 응답속도 저감 효과를 볼 수 있다. 즉, 본 발명은 액정층 전체에 고르게 전계를 형성시킴으로써 액정이 초기 배향 상태에서 전계에 반응하여 회전하는데 걸리는 시간을 낮출 수 있고, 액정 탄성 계수 중 상대적으로 작은 값인 K22가 아닌 K11, K33의 영향을 받도록 액정층을 배향시킴으로써 액정물성의 변경 없이 고속 응답이 가능하게 한다.
이하, 본 발명에 따른 액정표시장치의 제조방법에 대하여 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 설명을 간단하게 하기 위해 도면에는 하나의 서브 화소의 화소 부를 나타내고 있다.
6a를 참조하면, 화소부의 제 1 기판(20) 상에 투명 도전층을 증착하고 이를 패터닝하여 플레이트 형태의 제 1 공통 전극(22)을 형성한다. 도면에는 도시하지 않았지만 화소부의 둘레에는 게이트 라인(미도시), 데이터 라인(미도시), 박막 트랜지스터(미도시), 공통 배선(미도시) 등이 형성된다.
제 1 공통 전극(22)은 플레이트 형태로 제 1 기판(20)의 화소부 전면에 형성된다. 제 1 공통 전극(22)은 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 산화규소를 함유하는 인듐 주석 산화물(ITSO), 산화아연(ZnO), 인이나 붕소가 함유된 규소(Si) 등의 투명한 도전성 재료로 형성될 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니고 불투명한 도전성 재료로 형성될 수 있다.
제 1 공통 전극(22)은 다수의 서브 화소의 공통 전극들이 같은 전위가 되도록 인출되어 있는 배선인 공통 배선(미도시)과 전기적으로 연결된다.
도 6b를 참조하면, 제 1 공통 전극(22)이 형성된 제 1 기판(20) 상에 패시베이션층(24)을 전면 형성한다. 패시베이션층(24)은 SiNx, SiOx 또는 SiOxNy의 단층막이어도 좋고 SiNx, SiOx 또는 SiOxNy의 임의의 조합으로 형성된 복합막이어도 좋다.
도 6c를 참조하면, 패시베이션층(24) 상에 도전층을 증착하고 이를 패터닝하여 기준 전극(23) 및 화소 전극(26)을 형성한다. 기준 전극(23)과 화소 전극(26)은 교대로 배치되며, 45도의 빗살 형상이나 스트라이프 형상으로 형성된다.
이때, 기준 전극(23)은 제 2 공통 전극으로 기능을 하거나 화소 전극일 수 있다.
본 발명의 기준 전극(23)이 제 2 공통 전극일 경우, 기준 전극(23)은 수직면으로는 패시베이션층(24)을 사이에 두고 형성된 제 1 공통 전극(22)과 전기적으로 접속되어 동일 전위가 인가되도록 형성된다. 즉, 기준 전극(23)은 공통 배선(미도시)과 전기적으로 연결되고, 공통 배선(미도시)에 전기적으로 연결된 제 1 공통 전극(22)과 동일 전위를 갖는다.
기준 전극(23)이 화소 전극일 경우, 기준 전극(23)은 박막 트랜지스터(미도시)의 드레인 전극과 전기적으로 연결되도록 형성된다.
화소 전극(26)은 패시베이션층(24)의 콘택홀(미도시)을 통해 화소부의 가장자리에 형성된 박막 트랜지스터(미도시)의 드레인 전극과 전기적으로 접속되어 박막 트랜지스터에 의해 제어되도록 형성된다.
기준 전극(23) 및 화소 전극(26)은 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 산화규소를 함유하는 인듐 주석 산화물(ITSO), 산화아연(ZnO), 인이나 붕소가 함유된 규소(Si) 등의 투명한 도전성 재료로 형성될 수 있다. 설계에 따라 기준 전극(23) 또는 화소 전극(26)은 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 티탄(Ti), 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 은(Ag)과 같은 불투명한 도전성 재료로 형성될 수도 있다.
기준 전극(23) 및 화소 전극(26)은 서로 다른 물질로 형성될 수 있다. 그러나, 기준 전극(23)과 화소 전극(26)을 동일한 물질로 동일 공정에 의해 형성할 경우 공정을 간소화할 수 있어 더 바람직하다.
화소 전극(26)과 기준 전극(23) 간의 거리가 너무 멀면 전압 인가량이 증가하고, 너무 좁으면 휘도가 저하되므로 화소 전극(26)과 기준 전극(23) 간의 수평 이격거리는 3㎛~15㎛가 바람직하다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니고 설계상 변경 가능하다.
도 6d를 참조하면, 기준 전극(23) 및 화소 전극(26)들이 형성된 제 1 기판(20) 상에 하부 수직 배향막(28)을 형성한다. 하부 수직 배향막(28)은 액정 분자의 초기 배향 상태를 수직으로 배열시킨다. 정확하게는 액정 분자들을 하부의 전극들에 수직인 방향으로 선경사각이 -10도~+10도로 배열시킨다.
본 발명은 수직 배향막을 적용하여 액정 분자들의 초기 배향 상태를 기판 면에 대해 수직으로 형성함으로써 백라이트 유닛(90)으로부터의 입사광에 대하여 액정층(LC)의 리퀴드적인 특성에서 기인하는 시간적/공간적인 굴절률 분포의 차이를 최소화시킬 수 있다.
또한, 수직 배향막은 종래에 사용되었던 수평 배향막과 달리 러빙 공정이 불필요하다. 따라서, 본 발명은 러빙 불균일에 따른 빛샘 현상을 원척적으로 차단할 수 있어 명암비(CR)을 향상시키고, 공정 간소화 및 생산 수율을 향상시킬 수 있다.
도 6e를 참조하면, 하부 수직 배향막(28)이 형성된 제 1 기판(20)과 컬러 필터층(32), 오버코트층(34) 및 상부 수직 배향막(36)이 형성된 제 2 기판(30)을 합착하여 액정표시패널(10)을 형성하고, 두 기판 사이에 액정층(LC)을 형성한다.
액정표시패널(10)에 백라이트 유닛(90)을 조립하고, 공지의 구성요소들을 부가함으로써 액정표시장치를 완성한다.
두 기판 사이에 액정층(LC)을 형성하는 방법은 액정주입방식 또는 액정적하방식으로 수행될 수 있다. 액정적하방식으로 액정층(LC)을 형성할 경우 두 기판을 합착하기 전에 액정을 적하하여 액정층(LC)을 형성할 수 있다.
액정층(LC)은 제 1 기판(20)에 형성된 하부 배향막(28) 및 제 2 기판(30)에 형성된 상부 수직 배향막(36)에 의하여 초기 배향상태는 수직이다. 액정층(LC)은 화소부 내의 전극들에 의해 형성되는 전계에 의해 회전함으로써 백라이트 유닛(90)으로부터의 광의 투과율이나 반사율이 제어될 수 있어 계조를 표시할 수 있다.
액정 분자의 회전 점도는 40~100mPa-s, 유전율은 3.0~13.0, 탄성 계수는 K11=9~20, K22=4~10, K33=10~30의 특성을 갖는 것이 바람직하다.
일반적으로 액정층(LC)의 두께는 셀 갭과 동일한데, 액정표시장치의 셀 갭이 클 경우, 장파장을 갖는 광의 투과율이 커지고, 셀 갭이 작을 경우, 단파장을 갖는 광의 투과율이 커진다. 즉, 액정표시장치의 셀 갭에 따라 색온도가 조절될 수 있으므로 본 발명에 따른 액정표시장치의 셀 갭은 2.5㎛~4.0㎛이 바람직하다.
액정층(LC)의 액정 분자들은 초기 배향상태에서 하부 및 상부 수직 배향막(28, 36)에 의해 수직 상태로 배열된다.
도 6f를 참조하면, 화소 전극(26), 제 1 공통 전극(22) 및 기준 전극(23)에 전압을 인가한다.
이때, 화소 전극(26)과 제 1 공통 전극(22) 사이, 화소 전극(26)과 기준 전극(23) 사이뿐만 아니라 기준 전극(23)을 사이에 두고 서로 역위상의 전압을 갖는 화소 전극(26) 사이 또는 도 6g와 같이 화소 전극(26)과 제 1 공통 전극(22) 사이, 화소 전극(26)과 기준 전극(123) 사이뿐만 아니라 기준 전극(123)과 제 1 공통 전극(22) 사이에 전계가 형성되고, 액정층(LC)은 화소 전극(26)의 장축에 대하여 수직하게 형성되는 전계 방향으로 점차 회전하게 된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 액정표시장치는 화소 전극과 교대로 배치되는 기준 전극을 추가로 구비하고, 화소 전극들에 기준 전극을 사이에 두고 서로 역위상의 전압을 갖도록 하거나, 화소 전극과 기준 전극을 서로 역위상의 전압을 갖도록 하여 화소 전극과 제 1 공통 전극 사이뿐만 아니라 화소 전극들 사이에도 전계를 형성하여 전계 형성이 액정층(LC) 전체에 대하여 고르고 강하게 발생되도록 한다.
그 결과, 본 발명은 기판에 대하여 평행한 전계를 더욱 증가시키고, 증가된 전계에 따라 액정 분자들의 회전을 증가시켜 응답속도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 액정층(LC) 전체에 고르게 전계를 형성시킴으로써 액정이 초기 배향 상태에서 전계에 반응하여 회전하는데 걸리는 시간을 낮출 수 있고, 액정 탄성 계수 중 상대적으로 작은 값인 K22가 아닌 K11, K33의 영향을 받도록 액정층(LC)을 배향시킴으로써 액정물성의 변경 없이 고속 응답이 가능하게 한다.
이상에서 설명한 기술들은 현재 바람직한 실시예를 나타내는 것이고, 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다. 실시예의 변경 및 다른 용도는 당업자들에게는 알 수 있을 것이며, 상기 변경 및 다른 용도는 본 발명의 취지 내에 포함되거나 또는 첨부된 청구범위의 범위에 의해 정의된다.
도 1은 종래의 FFS 방식에서의 액정의 수평 배향에 따른 빛샘을 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 FFS 방식에서의 응답 속도를 나타내는 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정표시장치의 off/on 상태를 설명하기 위한 단면도이고, 도 3b는 도 3a에 따른 액정표시장치의 off/on 상태에서의 액정 분자의 회전을 평면으로 바라본 도면이다.
도 3c는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액정표시장치의 on 상태에서의 전계형성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 종래 기술과 본 발명에 따른 액정표시장치의 VT-curve를 비교하는 그래프이다.
도 5는 종래 기술과 본 발명에 따른 액정표시장치의 응답속도를 비교하는 그래프이다.
도 6a 내지 도 6g는 본 발명에 따른 액정표시장치의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
<<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>>
20: 제 1 기판 22: 제 1 공통 전극
23: 기준 전극 24: 패시베이션층
26: 화소 전극 28: 하부 수직 배향막
30: 제 2 기판 36: 상부 수직 배향막

Claims (10)

  1. 화소부의 제 1 기판 상에 형성되고 공통 배선에 전기적으로 연결된 제 1 공통 전극;
    상기 제 1 공통 전극이 형성된 상기 제 1 기판 전면에 형성되는 패시베이션층;
    상기 패시베이션층 상에 형성되며, 수평으로 이격 거리를 두고 교대로 형성되어 서로 전계가 형성되는 기준 전극과 화소 전극;
    상기 기준 전극 및 상기 화소 전극이 형성된 상기 제 1 기판 상에 형성되는 하부 수직 배향막;
    상기 제 1 기판에 대향하여 배치되며 상부 수직 배향막이 형성된 제 2 기판; 및
    상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에 형성되는 액정층을 포함하는 액정표시장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 공통 전극, 상기 기준 전극 및 상기 화소 전극은 투명 도전 물질로 형성되고,
    상기 기준 전극과 상기 화소 전극 간의 수평 이격 거리는 3㎛~15㎛이고,
    상기 기준 전극 및 상기 화소 전극은 45도의 빗살 형상이나 스트라이프 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 기준 전극은 상기 공통 배선에 전기적으로 연결되고, 상기 공통 배선을 통해 상기 제 1 공통 전극과 전기적으로 연결되어 동일 전위가 인가되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 기준 전극을 사이에 두고 일편에 형성된 화소 전극에는 (-)전압이 인가되고, 타편에 형성된 화소 전극에는 (+) 전압이 인가되어, 상기 화소 전극은 상기 기준 전극을 사이에 두고 서로 역위상의 전압을 갖는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 공통 전극, 상기 기준 전극 및 상기 화소 전극에 전압이 인가되면, 상기 제 1 공통 전극과 상기 화소 전극 사이, 상기 기준 전극과 상기 화소 전극 사이 및 상기 화소 전극들 사이에 전계가 형성되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 기준 전극은 박막 트랜지스터의 드레인 전극에 전기적으로 연결되고,
    상기 기준 전극은 상기 화소 전극과 서로 역위상의 전압을 갖는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 공통 전극, 상기 기준 전극 및 상기 화소 전극에 전압이 인가되면, 상기 제 1 공통 전극과 상기 화소 전극 사이, 상기 기준 전극과 상기 화소 전극 사이 및 상기 기준 전극과 상기 제 1 공통 전극 사이에 전계가 형성되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 액정층은 상기 하부 수직 배향막 및 상기 상부 수직 배향막에 의해 초기 배향시 수직으로 배열되고,
    상기 액정층의 두께는 셀 갭과 동일하고, 상기 셀 갭은 2.5㎛~4.0㎛이고,
    상기 액정층의 액정 분자의 회전 점도는 40~100mPa-s이고, 유전율은 3.0~13.0, 탄성 계수는 K11=9~20, K22=4~10, K33=10~30인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  9. 화소부의 제 1 기판 상에 공통 배선과 전기적으로 연결되는 제 1 공통 전극을 형성하는 단계;
    상기 제 1 공통 전극이 형성된 상기 제 1 기판 전면에 패시베이션층을 형성하는 단계;
    상기 패시베이션층 상에 수평으로 이격 거리를 두고 교대로 형성되며, 서로 전계가 형성되는 기준 전극과 화소 전극을 형성하는 단계;
    상기 기준 전극 및 상기 화소 전극이 형성된 상기 제 1 기판 상에 하부 수직 배향막을 형성하는 단계;
    상기 제 1 기판에 대향하여 배치되며, 상부 수직 배향막이 형성된 제 2 기판을 마련하는 단계;
    상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에 액정층을 형성하는 단계; 및
    상기 제 1 공통 전극, 상기 기준 전극 및 상기 화소 전극에 전압을 인가하는 단계를 포함하는 액정표시장치의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 기준 전극은 상기 공통 배선을 통해 상기 제 1 공통 전극과 전기적으로 연결되거나, 박막 트랜지스터의 드레인 전극과 전기적으로 연결되며,
    상기 기준 전극이 상기 공통 배선에 전기적으로 연결될 경우 상기 제 1 공통 전극과 상기 화소 전극 사이, 상기 기준 전극과 상기 화소 전극 사이 및 상기 화소 전극들 사이에 전계가 형성되거나, 상기 기준 전극이 상기 박막 트랜지스터의 드레인 전극과 전기적으로 연결될 경우 상기 제 1 공통 전극과 상기 화소 전극 사이, 상기 기준 전극과 상기 화소 전극 사이 및 상기 기준 전극과 상기 제 1 공통 전극 사이에 전계가 형성되며,
    상기 액정층은 상기 하부 수직 배향막 및 상기 상부 수직 배향막에 의해 초기 배향시 수직으로 배열되었다가 상기 전압이 인가되면 상기 화소 전극에 장축에 평행한 방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 제조방법.
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