KR100303442B1 - 광시야각액정표시장치 - Google Patents

Abstract

컬러 필터 기판의 공통 전극은 가로 방향의 개구부와 세로 방향의 개구부가 교차하여 만들어진 사각형 고리 모양의 개구부 패턴에 의해 다수의 조각으로 나뉘어 있고, 박막 트랜지스터 기판의 화소 전극에는 사각형 고리 모양 개구부 패턴의 가운데에 대응하는 부분에 십자 모양의 개구부가 형성되어 있어서 두 전극에 전압이 인가될 때 두 기판 사이의 액정층이 액정 분자의 배열 방향이 다른 네 개의 영역으로 나누어지도록 한다. 화소 전극의 가장자리를 따라 블랙 매트릭스가 대응되어 있는데, 이 블랙 매트릭스는 공통 전극의 조각들과 각각 전기적으로 연결되어 있어서, 공통 전극의 조각들이 전기적으로 고립되지 않도록 한다.

Description

광시야각 액정 표시 장치

본 발명은 광시야각 액정 표시 장치에 관한 것이다.

일반적으로 액정 표시 장치는 두 장의 기판 사이에 액정을 주입하고, 여기에 가하는 전장의 세기를 조절하여 광 투과량을 조절하는 구조로 되어 있다.

수직 배향 비틀린 네마틱(vertically aligned twisted nematic ; VATN) 방식의 액정 표시 장치는, 안쪽면에 투명 전극이 형성되어 있는 한 쌍의 투명 기판, 두 투명 기판 사이의 액정 물질, 각각의 투명 기판의 바깥면에 부착되어 빛을 편광시키는 두 장의 편광판으로 구성된다. 전기장을 인가하지 않은 상태에서는 액정 분자는 두 기판에 대하여 수직으로 배향되어 있고, 전기장을 인가하게 되면 두 기판 사이에 채워진 액정 분자들이 기판에 평행하며 일정한 피치(pitch)를 가지고 나선상으로 꼬이게 된다.

VATN 액정 표시 장치의 경우 전계가 인가되지 않은 상태에서 액정 분자가 기판에 대하여 수직으로 배향되어 있어, 직교하는 편광판을 사용할 경우 전계가 인가되지 않은 상태에서 완전히 빛을 차단할 수 있다. 즉, 노멀리 블랙 모드에서 오프(off) 상태의 휘도가 매우 낮으므로 종래의 비틀린 네마틱 액정 표시 장치에 비해 높은 대비비를 얻을 수 있다. 그러나, 전계가 인가된 상태, 특히 계조 전압이 인가된 상태에서는 통상의 비틀린 네마틱 모드와 마찬가지로 액정 표시 장치를 보는 방향에 따라 빛의 지연(retardation)에 큰 차이가 생겨 시야각이 좁다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 박막 트랜지스터 기판 또는 컬러 필터 기판의 투명 전극에 개구부를 형성하는 방법이 사용된다. 이 개구부 기준으로 전기장이 대칭적으로 굽는 현상인 프린지 필드를 이용하여 액정의 배향 방향이 다른 다수의 영역을 형성한다.

그러면, 첨부한 도면을 참고로 하여 종래의 기술에 따른 수직 배향 액정 표시 장치에 대하여 설명한다.

도 1 및 도 2는 종래의 기술에 따른 수직 배향 액정 표시 장치에서 액정 분자의 배열을 전계가 인가되지 않은 상태와 전계가 충분히 인가된 상태로 나누어 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수직 배향 액정 표시 장치에서 ITO 전극을 패터닝하여 분할 배향(multi-domain)을 구현한 경우의 액정 분자의 배열을 도시한 단면도이다.

도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 유리나 석영 등으로 만들어진 두 기판(1, 2)이 서로 마주보고 있으며, 두 기판(1, 2)의 안쪽면에는 ITO(indium tin oxide) 등의 투명 도전 물질로 이루어진 투명 전극(12, 120) 및 배향막(14, 140)이 차례로 형성되어 있다. 두 기판(1, 2) 사이에는 음의 유전율 이방성을 가지는 액정 물질로 이루어진 액정층(100)이 있다. 각각의 기판(1, 2) 바깥면에는 액정층(100)으로 입사하는 빛 및 액정층(100)을 통과하여 나오는 빛을 편광시키는 편광판(13, 130)이 각각 부착되어 있으며, 하부 기판(1)에 부착된 편광판(13)의 편광축은 상부 기판(2)에 부착된 편광판(130)의 편광축에 대하여 90°의 각을 이루고 있다. 배향막(14)은 러빙 처리할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.

도 1은 전계를 인가하지 않은 경우를 나타낸 것으로서, 액정층(100)의 액정 분자(3)들은 배향막(14)의 배향력에 의해 두 기판(1, 2)의 표면에 대하여 수직 방향으로 배열되어 있다.

이때, 하부 기판(1)에 부착되어 있는 편광판(13)을 통과한 빛은 편광 방향이 바뀌지 않고 액정층(100)을 통과한다. 다음, 이 빛은 상부 기판(2)에 부착되어 있는 편광판에 의해 차단되어 블랙 상태를 나타낸다.

도 2는 전계를 충분히 인가한 경우를 나타낸 것으로서, 액정 분자(3)들은 하부 기판(1)에서 상부 기판(2)에 이르기까지 90°의 각도를 이루도록 나선상으로 꼬여 있어, 액정 분자(3)의 장축의 방향이 연속적으로 변화하는 비틀린 구조를 갖는다. 여기서, 두 기판(1, 2)에 인접한 부분에서는 가해진 전기장에 의한 힘보다는 배향막(14)의 배향력이 강하므로 액정 분자(3)들은 수직으로 배향된 원래의 상태를 유지한다.

이때, 하부 기판(1)에 부착된 편광판(13)을 통과하여 편광된 빛은 액정층(100)을 통과하면서 그 편광축이 액정 분자(3)의 장축 방향의 비틀림을 따라 90° 회전하게 되고, 이에 따라, 반대편의 기판(2)에 부착되어 있는 편광판(13)을 통과하게 되어 화이트 상태가 된다.

도 3은 종래의 기술에 따른 수직 배향 액정 표시 장치에서 시야각을 보상하기 위해 제안된 구조 및 원리를 도시한 것이다.

도 3을 살펴보면, 하부 기판(1)에 형성되어 있는 ITO 전극(12)의 일부가 제거되어 오픈되어 있다. 전계를 인가하지 않은 상태에서는, 도 1에 도시한 바와 같이, 액정 분자(3)들은 두 기판(1, 2)에 수직하게 배열된 상태를 유지하므로 전극이 오픈되지 않았을 때와 동일한 블랙 상태를 나타낸다. 전계를 인가하면, 대부분의 지점에서는 기판(1, 2)에 수직인 전기장이 형성되지만 ITO 전극(12)이 제거된 부분 근처에서의 전기장은 두 기판(1, 2)에 대하여 완전히 수직으로 형성되지 않는다. 이렇게 오픈된 부분 근처에서 형성되는 휘어진 전기장을 프린지 필드(fringe field)라고 한다.

액정이 음의 유전율 이방성을 가지므로 액정 분자(3)의 배열 방향은 전기장의 방향과 수직이 되고자 한다. 따라서, 이러한 프린지 필드에 의해 오픈된 부분 부근의 액정 분자(3)의 장축은 두 기판(1, 2) 표면에 대하여 기울어진 채로 비틀리게 된다. 이렇게 되면, ITO 전극이 오픈된 부분의 중심선을 기준으로 양쪽에서 액정 분자의 기울어지는 방향이 반대로 되는 두 영역이 생기게 되고 두 영역의 광학적 특성이 서로 보상되어 시야각이 넓어지게 된다.

도면에 도시하지는 않았지만, 하부 ITO 화소 전극(12)과 마찬가지로 상부 컬러 필터 기판(2)의 ITO 공통 전극(120)의 일부가 제거된 개구부를 형성할 수도 있다.

도 3에 도시한 바와 같이 ITO 전극의 일부를 제거하여 개구부를 형성하면, 러빙 등의 방법에 비해 간단한 공정으로 분할 배향을 형성할 수 있을 뿐 아니라, 액정 분자의 배열이 다른 영역을 매우 미세하게 조정하거나 여러 가지 다양한 모양으로 만들 수 있다는 이점이 있다.

보통, 4분할 배향된 영역이 하나의 화소 내에 들어 있는 경우에 가장 좋은 시야각 특성을 얻을 수 있다.

도 4는 종래의 기술에 따른 액정 표시 장치의 4 분할 배향을 위한 개구부 패턴을 하나의 화소 영역을 예를 들어 도시한 평면도이다.

도 4를 보면, 분할 배향을 위한 선형 개구부(10, 21)는 가로 방향으로 박막 트랜지스터 기판(1)과 컬러 필터 기판(2)에 교대로 형성되어 있으며, 세로 방향으로도 역시 박막 트랜지스터 기판(1)과 컬러 필터 기판(2)에 교대로 형성되어 있다. 이와 같은 구조에서는, 컬러 필터 기판(2)의 거의 닫힌 사각형 모양의 개구부(21)와 그 내부에 위치하는 박막 트랜지스터 기판(2)의 개구부(10)에 의해 액정 분자의 배열 방향이 서로 다른 네 영역이 형성된다.

그러나, 신호가 전극 전역에 전달되도록 하기 위해 개구부(10, 21)의 끝이 열리도록 형성되어 있어서, 개구부(10, 21)의 끝에서 액정 분자의 배열이 흐트러지는 전경(disclination)이나 불규칙한 조직(texture)이 발생하기 때문에 안정된 분할 배향을 얻는 것이 어렵다.

배향이 흐트러진 영역에서는 오프 상태에서 빛이 새게 될 뿐 아니라 온 상태에서는 주위의 다른 부분에 비해 어두운 상태로 나타나게 되며, 액정 분자의 배열이 바뀔 때 배열이 흐트러진 부분이 이동하여 잔상 등의 원인이 되기도 한다.

본 발명의 과제는 투명 전극에 4 분할 배향을 위한 개구부 패턴을 형성하여 액정 표시 장치의 시야각을 넓히는 것이다.

본 발명의 다른 과제는 분할 배향을 위한 개구부 패턴의 끝이 닫히도록 형성하여 전경이나 불규칙한 조직에 의한 휘도 저하 및 빛샘을 줄인다.

도 1 및 도 2는 수직 배향 액정 표시 장치에서 액정 분자의 배향을 블랙 모드 및 화이트 모드에 따라 도시한 개념도이고,

도 3은 수직 배향 액정 표시 장치의 분할 배향의 원리를 도시한 단면도이고,

도 4는 종래의 기술에 따른 수직 배향 액정 표시 장치의 분할 배향을 위한 개구부 패턴을 도시한 평면도이고,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수직 배향 액정 표시 장치의 분할 배향을 위한 개구부 패턴을 도시한 평면도이고,

도 6은 도 5의 컬러 필터 기판에서의 개구부 패턴을 도시한 평면도이고,

도 7은 도 6의 VII-VII' 선에 대한 단면도이고,

도 8은 도 6의 VIII-VIII' 선에 대한 단면도이고,

도 9는 도 5의 컬러 필터 기판에서의 다른 개구부 패턴을 도시한 평면도이고,

도 10은 도 9의 X-X' 선에 대한 단면도이고,

도 11은 도 9의 XI-XI' 선에 대한 단면도이다.

위와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 액정 표시 장치에서는 화소 전극 및 공통 전극에 분할 배향을 위한 개구부를 형성하되, 공통 전극에는 가로 방향 및 세로 방향의 개구부가 교차하여 만들어지는 사각형 고리 모양의 개구 패턴을 형성하고, 화소 전극에는 사각형 고리 모양의 서로 마주보는 두 변 사이에 대응하는 영역에 개구부를 형성한다.

이와 같은, 사각형 고리 모양의 개구 패턴은 완전히 닫혀 있으므로 전경이 최소화된다.

화소 전극의 가장자리를 따라 광차단막이 형성되어 있는데, 공통 전극의 조각들이 광차단막과 각각 전기적으로 연결되도록 함으로써, 공통 전극이 조각이 전기적으로 고립되는 것을 막는 것이 바람직하다.

절연막이 광차단막과 공통 전극 사이에 형성되어 있고, 절연막에는 광차단막을 일부 드러내는 다수의 접촉구가 뚫려 있으며, 이 접촉구를 통해 공통 전극의 조각이 광차단막과 접촉되어 있을 수 있다.

광차단막 위에 전면적으로 형성되어 있는 투명 도전막과 이 투명 도전막을 덮는 절연막이 더 형성되어 있을 수 있으며, 절연막에는 투명 도전막을 일부 드러내는 다수의 접촉구가 뚫려 있어서 공통 전극의 조각들이 이 접촉구를 통해 투명 도전막과 접촉되어 있을 수 있다.

화소 전극에 형성되어 있는 개구부는 십자 모양으로 형성될 수 있다.

이와 같이 ITO 전극을 패터닝하면 액정 분자의 배향 방향이 다른 네 개의 영역을 얻을 수 있어 액정 표시 장치의 시야각이 넓어지고, 공통 전극에는 개구부가 완전히 닫힌 사각형 모양을 가지므로 전경을 줄일 수 있다. 또한, 개구부에 의해 조각난 공통 전극을 광차단막과 전기적으로 연결시킴으로써, 공통 전극의 일정 부분에 신호가 인가되지 않는 것을 방지할 수 있다.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 수직 배향 액정 표시 장치의 분할 배향을 위한 개구부 패턴을 도시한 평면도이다. 여기에서는, 하나의 화소 영역만을 도시하였으며, 박막 트랜지스터와 배선 등 기타의 구성 요소는 도시하지 않고 분할 배향을 위한 개구부 패턴만을 도시하였다.

도 5에 도시한 바와 같이, 도 4의 구조와 유사하게 분할 배향을 위한 선형 개구부(10, 22)가 가로 방향으로 박막 트랜지스터 기판(1)과 컬러 필터 기판(2)에 교대로 형성되어 있으며, 세로 방향으로도 역시 박막 트랜지스터 기판(1)과 컬러 필터 기판(2)에 교대로 형성되어 있다. 굵은 실선으로 표시된 부분이 박막 트랜지스터 기판(1)에 형성된 개구부(10)를 나타내며 빗금친 막대 모양으로 표시된 부분은 컬러 필터 기판(2)에 형성된 개구부(22)를 나타내고 있다. 이와 같은 개구부(10, 22)를 갖는 액정 표시 장치의 경우, 액정 분자는 두 기판(1, 2)에 형성되어 있는 개구부(10, 22)에 의해 정의되는 각 미소 영역을 이루는 정사각형의 한쪽 기판에 형성된 패턴이 꺾어진 부분에서 다른쪽 기판에 형성된 패턴이 꺾어진 부분으로 향하는 대각선 방향으로 배열되며 인접한 영역에서의 액정 분자의 배열 방향은 90도를 이룬다. 따라서, 액정 표시 장치의 하나의 화소 내에서 액정 분자의 배열이 다른 네 영역이 형성된다.

뿐만 아니라, 완전히 닫힌 사각형 형태로 컬러 필터 기판(2)의 개구부(22)가 제거되어 있기 때문에 두 기판(1, 2)의 개구부(10, 22) 패턴을 대응시킬 때, 전체 개구 패턴 들이 끝이 완전히 닫혀 있어서, 끝이 열려 있는 박막 트랜지스터 기판(1)의 개구부(10) 끝에서의 불규칙한 조직이나 전경을 막을 수 있다.

본 발명의 실시예에서는, 투명 공통 전극은 컬러 필터 기판(2)의 개구부(22)에 의해 고립된 다수 부분으로 나뉘므로 공통 전압 신호가 공통 전극 전체에 전달되도록 신호 전달 경로를 만들어 줄 필요가 있다.

도 6 내지 도 8에서는 고립된 공통 전극으로 신호가 인가되도록 공통 전극이 블랙 매트릭스와 연결되어 있는 구조를 나타낸다.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 개구부 패턴을 도시한 평면도로서, 도 5의 컬러 필터 기판에 형성되어 있는 개구부 패턴만을 도시하고 컬러 필터 기판의 개구부 패턴과 대응되는 박막 트랜지스터 기판의 개구부 패턴은 나타나 있지 않다. 또한, 도 7은 도 6의 VII-VII' 선에 대한 단면도이고, 도 8은 도 6의 VIII-VIII' 선에 대한 단면도이다.

도 6 내지 도 8에서와 같이, 컬러 필터 기판(1) 위에 크롬(Cr) 등의 금속으로 화소 영역이 될 부분의 가장자리에 블랙 매트릭스(30)가 형성되어 있고, 화소 영역 내에는 블랙 매트릭스(30)의 가장자리와 일부 중첩되는 형태로 컬러 필터(40)가 형성되어 있다. 컬러 필터(40) 및 블랙 매트릭스(30)를 보호막(4)이 덮고 있으며, 보호막(4)에는 블랙 매트릭스(30)를 드러내는 접촉구(C1, C2)가 하나의 화소 영역 내에서 적어도 두 개 이상 뚫려 있다.

보호막(4) 위에는 ITO(indium-tin-oxide)와 같은 물질로 공통 전극(20)이 형성되어 있다. 앞서 도 5를 참고로 이미 설명한 바와 같이, 하나의 화소 영역을 기준으로 살펴볼 때, 화소 영역의 가장자리를 따라 전극이 제거된 부분과 화소 영역의 가운데를 가로지르는 형태로 전극이 제거된 부분을 가지도록 개구부(22)가 형성되어 있다. 이때, 가로 방향으로 뻗은 개구부(22) 패턴과 세로 방향으로 뻗은 개구부(22) 패턴과 교차하여 만들어지는 사각형 고리 형태로 공통 전극(20)이 조각나 있는데, 이 조각 들은 보호막(4)에 뚫려 있는 접촉구(C1, C2)를 통해 블랙 매트릭스(30)와 각각 접촉하고 있어서 공통 전극(20)의 조각들이 전기적으로 고립되지 않고 연결되어 있다.

그러나, 이러한 구조에서는 블랙 매트릭스(30)가 공통 전극(20)의 개구부(22)를 기준으로 양쪽에서 공통 전극(20)과 충분히 중첩되어야 하므로, 전체적으로 개구율이 줄어들 수 있다.

도 9 내지 도 11에는 이를 개선하기 위한 본 발명의 제2 실시예가 나타나 있다.

도 9는 컬러 필터 기판에 형성되어 있는 개구부 패턴을 도시한 평면도로서, 컬러 필터 기판의 개구부 패턴과 대응되는 박막 트랜지스터 기판의 개구부 패턴은 나타나 있지 않다. 또한, 도 10은 도 9의 X-X' 선에 대한 단면도이고, 도 11은 도 9의 XI-XI' 선에 대한 단면도이다.

도 9 내지 도 11에 도시한 바와 같이, 제1 실시예와 마찬가지로 투명한 절연 기판(2) 위에 블랙 매트릭스(31)가 화소 영역이 될 부분의 가장자리를 두르는 형태로 형성되어 있고, 블랙 매트릭스(31)의 가장자리와 일부 중첩되는 형태로 화소 영역 내에 컬러 필터(40)가 형성되어 있다.

이때, 블랙 매트릭스(31)의 폭은 제1 실시예에서의 블랙 매트릭스(30) 폭보다 좁게 형성되어 있다.

블랙 매트릭스(31)와 컬러 필터(40) 위에는 ITO와 같은 물질의 투명 도전막(50)이 전면적으로 형성되어 있으며, 투명 도전막(50) 위에는 보호막(4)이 덮여 있으며, 보호막(4)에는 투명 도전막(50)을 드러내는 접촉구(C3, C4)가 두 개 이상, 즉 다수개 뚫려 있다.

보호막(4) 위에는 ITO로 공통 전극(20)이 앞서 설명한 제1 실시예에서와 동일한 형태로 형성되어 있다. 단, 보호막(4)에 뚫려 있는 접촉구(C3, C4)를 통해 공통 전극(20)의 조각 들이 블랙 매트릭스(31)가 아닌 ITO 투명 도전막(50)과 접촉되어 있다.

이러한 구조에서는 개구부(31) 패턴에 의해 여러 조각으로 나뉘어 있는 공통 전극(20)이 하부에 놓인 투명 도전막(50)에 의해 전기적으로 연결되므로, 공통 전극(20) 전역에 신호가 전달되며, 블랙 매트릭스(31)를 넓게 형성할 필요가 없어서 개구율 감소를 막을 수도 있다.

이상에서 언급한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 수직 배향 액정 표시 장치에서는 투명 전극에 형성된 개구부 패턴을 이용하여 액정 분자의 배향 방향을 4분할함으로써 시야각을 넓힐 수 있다.

개구부 패턴의 끝이 완전히 닫히도록 형성하되 개구부 패턴에 의해 고립된 투명 전극을 하부의 블랙 매트릭스 또는 투명 도전막을 통해 전기적으로 연결함으로써, 전경의 발생 및 휘도의 증가를 막을 뿐 아니라 신호가 전극 전역에 전달될 수 있도록 한다.

따라서, 안정적인 분할 배향이 가능하다.

Claims (8)

1. 제1 개구부가 뚫려 있는 다수의 화소 전극을 가지는 제1 기판,

   가로 방향의 제2 개구부와 세로 방향의 제3 개구부를 가지며 상기 제2 및 제3 개구부가 교차하여 만들어지는 사각형 고리 모양의 개구 패턴에 의해 다수의 조각으로 나뉘는 공통 전극 및 상기 화소 전극의 가장자리를 따라 대응되는 광차단막을 가지는 제2 기판을 포함하며,

   상기 제1 기판의 제1 개구부는 상기 사각형 고리 모양의 개구 패턴의 서로 마주보는 두 변 사이에 대응하는 영역에 형성되어 있는 액정 표시 장치.
2. 제1항에서,

   상기 공통 전극의 다수의 조각은 상기 광차단막에 접촉되어 서로 전기적으로 연결되어 있는 액정 표시 장치.
3. 제2항에서,

   상기 광차단막은 상기 제2 및 제3 개구부를 기준으로 양쪽에서 상기 공통 전극과 중첩되는 액정 표시 장치.
4. 제3항에서,

   상기 광차단막과 상기 공통 전극 사이에 형성되어 있으며 상기 광차단막을 일부 드러내는 다수의 접촉구를 가지는 절연막을 더 포함하며, 상기 접촉구를 통해 상기 공통 전극의 다수의 조각이 상기 광차단막과 접촉되어 있는 액정 표시 장치.
5. 제2항에서,

   상기 광차단막 위에 전면적으로 형성되어 있는 투명 도전막, 상기 투명 도전막을 덮고 있으며 상기 투명 도전막을 일부 드러내는 다수의 접촉구가 뚫려 있는 절연막을 더 포함하며, 상기 공통 전극의 다수의 조각이 상기 접촉구를 통해 상기 투명 도전막과 접촉되어 있는 액정 표시 장치.
6. 제1항에서,

   상기 제1 개구부는 십자 모양으로 형성되어 있는 액정 표시 장치.
7. 제1항에서,

   상기 제2 개구부는 하나의 상기 화소에 대해 두 개 이상 형성되어 있는 액정 표시 장치.
8. 제7항에서,

   상기 제3 개구부는 상기 화소의 가장자리와 대응되도록 형성되어 있는 액정 표시 장치.