KR100315557B1 - 액정표시장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 액정표시장치에 관한 것으로서, 투명절연기판(10)상에 형성된 단일 평활한 염료수용층(21) 상에 수지의 도포 및 패터닝에 의해 돌출길이 및 분포가 균일한 다수의 기둥형상 스페이서 돌기(11)를 설치하고, 컬러 필터를 구성하는 착색 패턴(12-R, 12-G, 12-B)은 염료수용층(12)을 3색의 염료로 각각 소정의 영역마다 염색하는 것에 의해 형성하며, 특히 액정재료의 복굴절 효과에 의해 표시광의 제어를 실행하는 액정표시장치에 있어서, 액정층의 두께의 균열을 저감할 수 있고, 이것에 의해 국소적인 콘트라스트 비(比)의 어긋남 등의 표시화상의 열화를 방지할 수 있는 것을 제공하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 액정재료의 복굴절 효과에 기초하여 액정층의 표시면측에 출사되는 광의 온 오프 또는 증감조정을 실행하는 액정표시장치에 관한 것이다.
액정표시장치는 박형, 경량, 저소비전력 및 눈에 주는 피로의 적음 등의 우수한 특성에 의해 노트북 컴퓨터, 휴대가능한 워드 프로세서 전용기의 표시장치 등에 광범위하게 이용되고 있고, 점점 용도 및 시장이 확대되고 있다.
근래, 중소형의 액정표시장치의 시장이 계속해서 확대될 뿐만아니라, 표시화면이 13인치 이상의 대형 액정표시장치의 시장이 급속하게 상승하고 있다. 이와 같은 대형의 액정표시장치에 있어서는 색조와 콘트라스트의 시야각 의존성을 저감하는 것이 과제가 되고 있다. 특히 CAD 등에 사용가능한 대형 액정 모니터와, 회의·면담용 디스플레이 등에서는 시야각 의존성의 저감이 큰 과제가 된다.
시야각 의존성을 해결하는 방법의 하나로서 액정재료의 복굴절 효과를 이용한 액정표시장치, 특히 IPS(In-Plane Switching)형 액정표시장치의 연구 및 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
IPS형 액정표시장치의 액정표시의 원리에 대해 도 5의 모식도를 이용하여 설명한다. 여기에서는 노멀리 블랙 모드로 동작하는 IPS형 액정표시장치를 예로 들어 설명한다.
액정분자는 기판면에 대해 대략 수평으로, 서로 대략 평행하게 배향된다.
이 액정분자를 유지하는 어레이 기판(2)의 외면(도 5 중에서는 아래쪽 기판의 아래면)과 표시면측의 대향기판의 외면(도 5 중에서는 위쪽 기판의 윗면)에는 각각 편광판(15, 28)이 서로의 편광방향이 대략 직교하도록 배치된다.
초기상태(전압 무인가 상태)에 있어서는 도 5의 좌반부에 나타낸 바와 같이, 액정분자는 아래의 편광판(28)의 편광방향과 대략 평행하게 되도록 배치되고, 이것에 의해 아래쪽 광원의 광이 위쪽의 표시면측에 투과하지 않는다.
한편, 도 5의 우반부에 나타낸 바와 같이, 어레이 기판(2) 상의 각 화소(최소표시단위)의 영역에 있어서, 화소전극(21)과 대향전극(22) 사이에 전압이 인가되면 액정분자의 배향(다이렉트 방향)(5)이 전기력선의 방향을 따른 방향으로 제어되고, 이것에 의해 복굴절 효과에 기초하여 광이 투과된다.
컬러표시를 실행하기 위해서는 통상, 대향기판(1)에 광의 3원색인 적(R), 청(B) 및 녹(G)의 미세한 착색영역으로 이루어진 착색 패턴이 설치된다. 컬러 필터라 불리는 이 착색 패턴은 서로 인접하는 3가지 화소마다 3원색의 착색막을 각각 할당하는 것이고, 이와 같은 인접하는 3가지 화소에 대해 광의 강도의 상대비를 조정하는 것에 의해 색조표시를 가능하게 하는 것이다. 컬러표시를 실행하는 표시장치에 있어서는 R, G 및 B의 3가지 최소표시단위의 조를 1화소로 세는 경우도 많지만, 본 명세서에 있어서는 최소표시단위를 화소로 부르는 것으로 한다.
3원색의 착색패턴은 다음과 같이 하여 형성된다. 어떤 원색의 안료를 분산시킨 재료를 스핀 코터(spin coater) 또는 커튼 코터(curtain coater) 등에 의해 기판 전면에 도포한 후, 포토리소그래피(photolithography)를 이용하는 패터닝에 의해 상기 원색에 할당된 화소 상에만 착색만이 형성되도록 한다. 다른 원색에 대해서도 마찬가지로 실행하고, 합계 3회의 도포 및 패터닝 공정에 의해 3원색의 착색 패턴을 얻는다.
한편, 액정층의 두께를 균일하게 하기 위해서는 어레이 기판과 대향기판을 맞추어 붙이기 전에 어느 한 기판 상에 직경이 균일한 수지의 구(球)가 산포된다. 이 수지의 구는 스페이서라 부르고 있다.
그러나, 이 구형상 스페이서는 부분적으로 응집을 일으키고, 심한 경우에는 액정표시장치의 표시면에 휘점(輝點)형상의 결점을 형성한다. 또, 산포 밀도의 편중에 의해 구형상 스페이서가 거의 존재하지 않는 영역이 생기면, 이 영역의 액정층 두께가 다른 영역에 비해 작아지는 점에서 표시화면에 있어서 콘트라스트비가 불균일하게 되고, 표시화상의 열화를 일으킨다. 또, 구형상 스페이서는 화소중의 표시영역에도 분포하기 때문에, 이 구형상 스페이서 그 자체에 의한 광 누출이 생기는 것 이외에, 구형상 스페이서 주변의 액정분자의 배향불량에 의한 광 누출도 생긴다. 이러한 광 누출은 콘트라스트비의 저하를 초래한다.
한편, 착색 패턴을 이룬 착색막은 일반적으로는 3원색에 대해 각각 개별 공정에 의해 형성된다. 이 때문에, 두께를 충분히 균일하게 하는 것은 곤란하고, 통상 어느 원색의 착색막 영역과, 이것에 인접하는 별도 원색의 착색막 영역 사이에는 단차, 즉 기판 표면에서 본 경우의 고저차가 생긴다.
특히, 액정표시장치에 의한 색 재현성에 대해 자연색 표시에 가깝게 개선하기 위해서는 착색 패턴의 색농도를 증대시켜야 하고, 착색 패턴을 형성하는 착색막의 두께를 크게 취할 필요가 있다. 그런데, 이와 같이 3원색의 각각의 착색막 두께를 전체적으로 크게 하면, 착색막 영역간의 두께 차이도 또한 커진다. 통상, 착색막의 두께를 1㎛ 정도로 할 필요가 있지만, 이 경우 두께의 균열은 0.2㎛ 정도까지 달한다.
착색막의 두께를 1㎛보다도 크게 하는 경우에는 두께의 균열이 더욱 커진다. 스핀 코터, 커튼 코터 등의 도포장치에서는 안료를 많이 포함하고 높은 점도인 착색막 재료의 기판 상의 분포를 충분히 균일하게 할 수 없기 때문이다.
이와 같은 착색막 두께의 균열은 착색 패턴을 형성하는 기판의 사이즈가 대형이 될 수록, 한층 현저해진다.
상기에 설명한 바와 같은 구형상 스페이서의 분포의 편중과, 착색막 두께의 균열에 의해 액정층의 두께가 불균일하게 된 경우, 특히 액정재료의 복굴절 효과를 이용한 표시모드의 액정표시장치에 있어서 표시성능의 열화가 심하다.
본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 액정재료의 복굴절 효과에 기초하여 표시광의 제어를 실행하는 액정표시장치에 있어서, 액정층 두께의 균열을 저감할 수 있고, 이것에 의해 콘트라스트비의 어긋남 등의 표시화상이 열화된 부분이 생기는 것을 방지할 수 있는 것을 제공한다.
도 1은 실시예의 액정표시장치의 요부를 설명하기 위한 모식적인 부분 절개사시도,
도 2는 실시예에 관련된 3원색의 착색 패턴의 형성공정에 대해 모식적으로 나타낸 공정도,
도 3은 실시예에 관련된 기둥형상의 스페이서 돌기의 형성공정에 대해 모식적으로 나타낸 공정도,
도 4는 IPS형 액정표시장치에 있어서 어레이 기판의 각 화소의 기본구성에 대해 모식적으로 나타낸 평면적인 사시도 및
도 5는 IPS형 액정표시장치의 액정표시의 원리에 대해 설명하기 위한 개념적인 단면 사시도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1: 대향기판 11: 스페이서 돌기
12: 단일 염료수용층 2: 어레이 기판
청구항 1의 발명의 액정표시장치는 제 1 절연기판 상에 컬러 필터층이 배치된 제 1 기판과, 상기 제 1 기판에 대향하는 제 2 기판과, 상기 제 1 또는 상기 제 2 기판의 적어도 한쪽에 일체적으로 배치되고 소정의 간격을 유지하는 스페이서 돌기와, 상기 간격에 유지되는 액정층을 구비하고, 이 액정층의 복굴절 효과에 기초하여 표시동작을 실행하는 복수의 화소영역을 구비한 액정표시장치에 있어서, 상기 컬러 필터층은 상기 제 1 절연기판 상에 배치된 수지층이 상기 화소영역에 대응하여 소망하는 색으로 염색되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 구성이면, 구형상 스페이서를 이용한 경우와 같은 분포의 편중과 응집에 의한 표시성능의 열화가 생기지 않고, 또 액정층 두께의 불균일에 의한 표시성능의 열화를 대폭 저감할 수 있다.
청구항 2의 액정표시장치는, 상기 수지층은 염료수용재료로 이루어지고, 상기 화소영역마다 염료가 토출되어 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 의해 일체형의 컬러 필터층을 낮은 비용으로 용이하게 작성할 수 있다.
청구항 3의 액정표시장치는, 상기 제 1 기판은 상기 화소영역의 주변에 배치되는 차광막을 포함하고, 상기 스페이서 돌기는 상기 차광막에 대응하는 영역 내에 설치되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 구성이면, 스페이서재 자체에 의한 광 누출과, 스페이서재 주변의 액정의 배향불량 영역형성에 기인하는 콘트라스트비의 저하와 개구율의 저하를 방지할 수 있다.
청구항 4의 액정표시장치는, 상기 스페이서 돌기가 상기 염료수용재료의 층위에 직접 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 구성이면, 스페이서 돌기가 요철이 적은 면 위에 설치되기 때문에, 기판간의 간격을 보다 균일하게 제어할 수 있다.
청구항 6의 액정표시장치는 상기 스페이서 돌기가 투명한 광경화성 수지로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이와 같은 구성이면, 돌출길이가 균일한 스페이서 돌기를 용이하게 작성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 대해 IPS형의 액정표시장치의 예에 의해 도 1∼도 4를 이용하여 설명한다.
도 1은 실시예의 액정표시장치의 요부를 설명하기 위한 모식적인 부분절개 사시도이다.
아래쪽에 도시하는 대향기판(1)은 투명절연기판(10)상에 바둑판 눈 형상의 블랙 매트릭스(13), 기판상의 거의 전면을 피복하는 단일 염료수용층(12) 및 기둥형상의 복수의 스페이서 돌기(11)가 이 순서대로 형성되어 이루어진다.
염료수용층(12)의 윗면은 요철 및 투명절연기판(10)에서 본 고저차가 현저하게 작다. 또, 이 위에 형성된 스페이서 돌기(11)의 돌출길이의 균열은 매우 적다. 따라서, 셀 갭(cell gap)이라 부르는, 대향기판(1)과 어레이기판(2)과의 간격에 대한 액정표시장치 내에 있어서 균열은 매우 작다.
이하에 이 대향기판(1)의 제조공정에 대해 도 2∼도 3을 이용하여 설명한다.
도 2에는 3원색의 착색 패턴을 구비한 염료수용층(12)의 형성공정에 대해 모식적으로 나타낸다.
1. 블랙 매트릭스 수지층의 형성
대향기판(1)의 투명절연기판(10) 상에 카본 등의 블랙안료를 포함하는 수지가 거의 전면에 도포된 후, 포토리소그래피에 의해 소정의 바둑판 눈 형상으로 패터닝된다. 블랙 매트릭스(13)를 이룬 수지층의 두께는 약 1㎛가 되도록 했다. 블랙 매트릭스(13)를 금속이 아닌 수지층에 의해 형성하는 것은 IPS형 액정표시장치에 있어서 가로방향 전계에 대한 영향을 없애기 위해서이다. 수지층에서 블랙 매트릭스(13)를 형성하기 때문에 금속층인 경우에 비해 큰, 약 1㎛ 이상의 두께로 하는 것이 바람직하다.
2. 염료수용층의 도포
스핀 코터를 이용하여 염료수용층(12)을 이룬 경화성 수지를 기판 상에 도포한다. 이 경화성 수지는 안료를 포함하지 않고 점도가 충분히 낮은 것이기 때문에, 스핀 코터 등에 의해 기판 전면에 걸쳐 균일한 두께로 도포할 수 있다. 따라서, 도포된 수지의 표면은 요철이 거의 없고 매우 평활하다.
3. 잉크젯 묘화(描畵)(R, G, B동시)
충분하게 경화하기 전의 염료수용층(12) 상에 잉크젯 묘화방식에 의해 염료의 패턴이 묘화된다. 레드(R), 그린(G) 및 블루(B)의 착색 패턴을 형성하는 각 영역에 소정 색의 염료가 토출된다. 잉크젯 묘화방식이기 때문에, 3색의 염료(3-R, 3-B, 3-G)를 동시에 각 소정영역에 도포할 수 있고, 패터닝의 공정을 필요로 하지 않는다.
잉크젯 장치로서는 예를 들면 버블젯식을 이용할 수 있다.
이와 같은 방법에 의해 염료를 도출하는데 있어서, 색간(色間)에서의 소망하지 않는 혼색을 방지하기 위해 블랙 매트릭스(13) 상의 영역만 염료를 수용하지 않도록 충분히 경화처리 등을 하는 것이 효과적이다.
4. 염료의 정착 및 염료수용층의 경화
수용층이 열경화성 수지로 구성되는 경우는 소정의 가열을 실행하는 것에 의해 토출된 염료(3-R, 3-B, 3-G)층을 염료수용층에 정착시키면서 염료수용층(12)의 경화를 진행한다. 또, 이 수용층은 광경화형 수지 등으로 구성할 수도 있고, 이 경우는 광조사에 의해 정착처리를 실행한다.
이 후, 더욱 충분히 가열하여 염료수용층(12)의 경화를 완결시킨다. 얻은 염료수용층(12)의 두께는 약 1.5㎛였다.
평평한 염료수용층(12)을 염료로 염색한 것이기 때문에, 착색 패턴을 이룬 층의 표면 요철은 매우 적다. R, G, B 각각의 착색영역을 안료를 포함하는 코팅층의 패터닝에 의해 작성하는 경우에 비해, 표면 거칠음은 10분의 1 정도, 또는 그 이하로 할 수 있다.
도 3에는 기둥형상의 스페이서 돌기(11)의 형성공정에 대해 모식적으로 나타낸다.
1. 광경화성 수지의 도포
상기 도 2의 공정에 이어서, 스핀 코터를 이용하여 광경화성 수지(4)를 약 5㎛의 균일한 두께로 도포한다. 광경화성 수지(4)로서 충분히 낮은 점도인 것을 선택하는 것에 의해 매우 균일하게 도포할 수 있다.
2. 마스크 패턴을 이용한 노광
마스크 패턴을 이용한 노광에 의해 스페이서 돌기(11)를 형성하는 영역에만 자외선을 조사하여 경화를 실행시킨다. 광경화성 수지로서 투명도가 높은 것을 선택하고, 증감제 등의 선택 및 배합을 최적화하는 것에 의해 이와 같이 두께가 꽤 큰 도포층이어도 충분히 선택적인 경화를 실행시킬 수 있다.
또, 스페이서 돌기(11) 자체에 의한 콘트라스트비의 저하와 개구율의 저하를 초래하지 않도록 하기 위해 스페이서 돌기(11)는 블랙 매트릭스(13)가 배치된 영역내, 또는 하기의 어레이기판의 보조용량 형성용 전극 등의 배선에 의해 광이 차폐되는 영역내에 설치한다.
3. 미경화수지의 제거
적당한 용제 또는 에칭약제를 이용하여 자외선 조사영역 이외의 미경화부분의 광경화성 수지(4)를 제거하고, 세정을 실행한다.
광조사의 선택성 및 미경화 수지의 제거공정에 대해 완벽하다고는 할 수 없기 때문에, 얻은 기둥형상의 스페이서 돌기(11)의 둘레면은 선단을 향해 약간 테이퍼(taper)형상이 된다. 그러나, 약간의 테이퍼의 형성은 전혀 문제가 되지 않는다. 테이퍼의 형성은 상기한 바와 같은 수지조성의 선택과 노광조건 및 제거공정의 조건을 최적화하는 것에 의해 충분히 억제할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 실시예에 관련된 스페이서 돌기(11)의 형성공정에 있어서는 돌기의 돌출길이를 매우 균일하게 제어할 수 있다. 따라서, 도 2를 이용하여 설명한 바와 같이 평평하고, 고저차가 없는 염료수용층(12) 상에 스페이서 돌기(11)를 설치하면 스페이서 돌기(11)의 선단면의 높이를 균일하게 할 수 있다.
또, 실시예의 액정표시장치에 있어서 어레이 기판(2)의 구성은 하기에 도 4를 이용하여 설명한 바와 같이 IPS형 액정표시장치에 대한 일반적인 것이다.
도 4에는 어레이기판(2)의 각 화소영역에 대한 기본구성을 모식적으로 나타낸다.
선형상으로 뻗은 화소전극(21)의 양측에는 2개의 선형상의 대향전극(22, 27)이 화소전극(21)에서 항상 일정한 거리를 이루고 나란히 뻗어 있다.
화소전극(21)은 주사선(23)을 게이트 전극으로 하는 TFT(박막 트랜지스터)부(26)를 통해 신호선(24)과 접속하고 있다. 도시한 바와 같이 이 TFT부(26)는 화소전극(21)에 대한 TFT측의 선단에서 연장된 연장부(21a)를 소스전극으로 하고, 신호선의 연장부(24a)를 드레인 전극으로 하고 있다.
2개의 대향전극(22, 27)에 대한 TFT에서 먼 쪽의 선단은 대향전극측의 보조용량 전극판(22b)을 통해 커먼 배선(25)에 접속된다. 또, 화소전극(21)에 대한 TFT에서 먼 쪽의 선단에서는 화소전극측의 보조용량 전극판(21b)이 연장되어 있다.
2개의 대향전극(22, 27)에 대한 TFT측의 선단은 연결부(22a)에 의해 서로 전기적으로 접속되어 있고, 이것에 의해 양대향기판(22, 27)의 전위차의 균열이 저감된다.
도 1∼도 3 중에 나타낸 블랙 매트릭스(13)는 대향전극(22) 또는 그 연장부와, 주사선(23) 또는 신호선(24)과의 간격 및 TFT부분(16)을 차폐하는 것이다.
또, 상기한 각 화소영역의 착색막은 화소전극(21)과 대향전극(22)에 끼워진 화소표시영역을 덮기 위한 것이다.
이상으로 설명한 바와 같이, 본 실시예에서는 대향기판(2)과 어레이기판(1) 사이의 간격을 균일하게 하기 위한 스페이서가 대향기판(2) 상의 돌기로서 설치되기 때문에, 구형상 스페이서를 이용한 경우와 같은 분포의 편중과 응집 등의 문제가 생기는 일이 없다. 또, 착색패턴을 형성한 기판표면이 평평한 염료수용층(12)으로 이루어지기 때문에 요철과 단차가 매우 적은 것이고, 이 평평한 염료수용층(12) 상에 균일한 돌출길이의 스페이서 돌기(11)가 설치되기 때문에, 기판간의 간격의 균열을 최소한으로 할 수 있다.
이와 같이 기판간의 간격 즉, 액정층 두께의 균열을 대폭 저감할 수 있기 때문에, 화상표시면 중의 콘트라스트비의 균열과 표시성능 열화부분의 발생이 대폭 억제된다.
또, 스페이서 돌기(11)의 제조는 통상의 코팅 및 패터닝에 의해 실행할 수 있기 때문에, 액정표시장치의 비용의 증대를 거의 초래하지 않는다. 또, 염료수용층(12)의 염색에 의한 착색 패턴의 형성은 잉크젯 방식 등에 의해 간편하게 실행할 수 있기 때문에, 색깔마다 코팅과 패터닝을 실행하는 경우에 비해 제조비용을 저감할 수 있는 것이다.
상기 실시예에 있어서는 대향기판(1) 상에 기둥형상의 스페이서 돌기(11)를 설치했지만, 어레이기판(2) 상에 형성해도 거의 같은 효과를 얻을 수 있다. 또, 어레이 기판의 구조에 따라서는 염료수용층(12)을 어레이기판(2) 상에 설치할 수도있다.
기판간의 간격, 즉 액정층 두께의 균열을 대폭 저감할 수 있기 때문에, 특히 액정재료의 복굴절 효과에 의해 표시광의 제어를 실행하는 액정표시장치에 있어서, 화상표시면 중의 콘트라스트비의 균열과 표시성능 열화부분의 발생을 대폭 억제할 수 있다.
Claims (9)
- 제 1 절연기판 상에 컬러필터층이 배치된 제 1 기판과, 상기 제 1 기판에 대향하는 제 2 기판과, 상기 제 1 또는 상기 제 2 기판의 적어도 한쪽에 일체적으로 배치되어 소정의 간격을 유지하는 스페이서 돌기와, 상기 간격에 유지되는 액정층을 구비하고, 이 액정층의 복굴절 효과에 기초하여 표시동작을 실행하는 복수의 화소영역을 구비한 액정표시장치에 있어서,상기 컬러필터층은 상기 제 1 절연기판 상에 배치된 수지층이 상기 화소영역에 대응하여 소망하는 색으로 염색되어 이루어진 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 수지층은 염료수용재료로 이루어지고, 상기 화소영역마다 염료가 토출되어 구성되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 기판은 상기 화소영역의 주변에 배치된 차광막을 포함하고, 상기 스페이서 돌기는 상기 차광막에 대응하는 영역 내에 설치되는 것을 특징으로 하는액정표시장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 스페이서 돌기가 상기 염료수용재료의 층 위에 직접 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 또는 제 2 기판 상에는 상기 화소영역마다 대향배치되는 화소전극과 대향전극을 포함하고, 상기 액정층에 상기 제 2 기판의 주면(主面)에서 대략 평행한 전계를 작용시키는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 스페이서 돌기는 투명한 광경화성 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 액정층을 이룬 액정분자는 상기 제 1 및 제 2 기판면에 대해 대략 수평으로, 서로 대략 평행하게 배향되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
- 제 5 항에 있어서,각 상기 화소영역마다의 상기 화소전극은 주사선 및 신호선에 의해 제어되는 스위칭 소자에 전기적으로 접속되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
- 제 8 항에 있어서,상기 화소전극과 상기 대향전극 사이의 전위차가 대략 0인 상태로 흑표시를 이루는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
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