KR100750068B1 - 솔라 셀 내장 액정표시장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 솔라 셀(solar cell)을 내장한 구조의 액정표시장치에 관한 것이다.
본 발명은 액정표시장치의 하판 공정시 박막트랜지스터(TFT) 제작공정 후에 솔라 셀 형성공정을 수행하거나, 또는 폴리 실리콘 공정에서 TFT공정 중에 솔라 셀을 동시에 형성하는 방법으로 액정표시장치에 솔라 셀을 내장한다. 또는 하판 공정은 그대로 두고 상판 공정에서 컬러 필터(C/F)용 상판에 화소(pixel)를 제외한 나머지 부분 모두를 솔라 셀로 제작하는 방법으로 액정표시장치에 솔라 셀을 내장한다. 액정표시장치가 솔라 셀을 내장함으로서, 액정표시장치를 디스플레이 수단으로 채용한 기기의 사용중 혹은 비사용중에 태양광을 이용한 전력을 생산하고 이 생산된 전력을 축전함으로써, 배터리를 채용한 기기의 배터리 사용시간을 연장시킬 수 있다.
액정표시장치,솔라 셀(solar cell)

Description

솔라 셀 내장 액정표시장치{LIQUID CRYSTAL DISPLAY COMPRISING SOLAR CELL}
도1은 액정표시장치의 개략적인 구조를 나타낸 도면
도2는 액정표시장치 구동회로의 개략적인 도면
도3은 액정표시장치의 화소부분의 구조를 나타낸 단면도
도4는 본 발명의 솔라 셀 내장 액정표시장치의 제1실시예
도5는 본 발명의 솔라 셀 내장 액정표시장치에 적용되는 솔라 셀 구조의 실시예
도6은 본 발명의 솔라 셀 내장 액정표시장치의 제2실시예
본 발명은 액정표시장치에 관한 것으로서 특히, 액정표시장치가 솔라 셀(solar cell)을 내장함으로써, 태양광을 액정표시장치가 집광하여 전력을 생산하는 기능을 함께 갖출 수 있도록 한 솔라 셀 내장 액정표시장치에 관한 것이다.
본 발명은 액정표시장치의 하판 공정시 박막트랜지스터(TFT) 제작공정 후에 솔라 셀 형성공정을 수행하거나, 또는 폴리 실리콘 공정에서 TFT공정 중에 솔라 셀을 동시에 형성하는 방법으로 액정표시장치에 솔라 셀을 내장한다. 또는 하판 공정 은 그대로 두고 상판 공정에서 컬러 필터(C/F)용 상판에 화소(pixel)를 제외한 나머지 부분 모두를 솔라 셀로 제작하는 방법으로 액정표시장치에 솔라 셀을 내장한다. 액정표시장치가 솔라 셀을 내장함으로서, 액정표시장치를 디스플레이 수단으로 채용한 기기의 사용중 혹은 비사용중에 태양광을 이용한 전력을 생산하고 이 생산된 전력을 축전함으로써, 배터리를 채용한 기기의 배터리 사용시간을 연장시킬 수 있도록 한 솔라 셀 내장 액정표시장치를 제안한다.
액정표시장치는 예를 들면 제1도에 나타낸 바와 같이 투명기판(11 및 12)이 셀갭(cell gap)을 유지하기 위한 스페이서(도면에 도시되지 않음)에 의하여 액정(13)이 주입될 수 있는 소정의 간격을 두고 서로 대향하여 설치되어 있고, 액정(13)은 시일재(14)에 의해서 봉합되어 있다.
그리고, 한쪽의 투명기판(11)의 내면에 화소전극(15)이 복수개 형성되어 있고, 상기 각 화소전극(15)에는 스위칭소자로 기능하는 박막 트랜지스터(16)가 형성되며, 화소전극(15)위에는 배향막이 형성되어 있다.
여기서, 상기 박막 트랜지스터의 드레인전극이 화소전극에 접속되는 부분이 된다.
한편, 상기 복수개의 화소전극(15)과 대향해서 다른 한쪽의 투명기판(12)의 내면에 투명한 공통전극(17)이 형성되어 있고 이 공통전극(17) 위에도 배향막이 형성되어 있다.
도2는 상술한 바와 같이 이루어지는 액정표시장치를 구동회로와 함께 표현하고 있다.
즉, 액정 표시장치는 액정패널(20)과 상기 액정패널을 구동할 수있는 주사선 구동회로(21) 및 신호선 구동회로(22)로 구성되어 있다.
상기 액정패널(20)은 기판에 복수개의 주사선(23)과 복수개의 신호선(24)이 매트릭스 형태로 교차하여 설치되어 있고, 그 교차부에는 박막 트랜지스터(16)와 화소가 설치된 구조로 되어 있다.
그리고, 상기 주사선 구동회로(21)는 상기 박막 트랜지스터의 게이트에 온(on)신호를 인가하는 주사신호를 상기 주사선에 순차적으로 인가하고, 상기 신호선 구동회로(22)는 상기 주사신호에 의해 구동된 박막 트랜지스터(16)를 통하여 영상신호가 화소에 전달될 수 있도록 영상신호를 신호선에 인가한다.
상기 액정표시장치는 상기 주사선 구동회로(21)에서 주사신호를 상기 액정패널(20)의 주사선(23)에 순차적으로 인가해서 상기 주사신호를 인가받은 상기 주사선에 연결된 모든 박막 트랜지스터(16)가 도통하게(on) 되면, 상기 액정패널(20)의 신호선(24)에 인가된 신호가 상기 도통된 박막 트랜지스터(16)의 소스와 드레인을 통하여 화소로 전달되는 원리로 작동한다.
이러한 동작 원리에 의해 모든 게이트 전극에 순차적으로 펄스를 인가하고, 해당 소스 전극에 신호 전압을 인가함으로써 액정패널의 모든 화소를 구동하는 것이 가능하다. 이런 식으로 한 프레임(frame) 의 화상이 표시되고 난 후 연속적으로 다른 프레임을 표시함으로 인해 동화상 표시가 가능하게 된다.
이와같은 화상의 표시에 있어서, 화이트(white)와 블랙(black) 구동 만으로는 컬러 표시와 같은 방대한 양의 정보를 나타낼 수 없다. 그러므로 계조 표시를 구사하는데 이 계조표시에서는 화이트와 블랙상태 사이에 몇 개의 중간 상태가 더 존재한다. 흑백의 액정표시장치를 예를 들면 화이트와 블랙 사이에 중간 전압을 인가할 경우 회색과 같은 중간 상태가 존재해서 정보를 표시한다.
전압의 중간값을 얻기 위해서는 액정에 인가되는 전압의 세기를 조절하는 방법과 전압 펄스의 폭을 조절하는 방법 등이 있다.
칼라 액정표시장치의 경우 계조 표시 정도에 의하여 칼라 표시를 결정한다.
6비트의 구동IC를 사용하는 경우에는 64계조를 만 들 수 있고, 풀 컬러(Full Color)를 요구하는 모니터나 오디오/비디오(AV) 제품에서는 256계조가 되면 1600만컬러 이상을 구현할 수 있다.
앞에서 설명한 바와같이 액정표시장치는 액정에 인가되는 전압의 크기를 조절하여 화면에 정보를 표시하는 장치이므로 전압에 따라 빛이 투과 되는 정도가 다른 특성을 바탕으로 계조를 조절한다.
액정표시장치는 일반적으로, 일정한 간격을 두고 마주하도록 배치된 2장의 기판과 상기 2장의 기판 사이에 주입되는 액정으로 이루어진다.
TFT 칼라 LCD의 경우 상기 제1의 기판에는 화소전극과 화소 구동을 위한 트랜지스터, 그리고 배향막 등이 구비되며, 제2의 기판에는 배향막과 R,G,B 칼라필터, 공통전극 등이 구비되고, 이 2장의 기판 사이에 액정을 주입함으로써 액정표시장치는 완성된다.
도3은 상기 도1 및 도2와 같은 구조의 액정표시장치에서 화소부분의 구조를 나타낸다.
하판-투명기판(11) 위에 횡방향으로 형성되는 게이트 버스라인과 상기 게이트 버스라인에서 분기하는 게이트 전극(18a)이 형성된다. 상기 게이트 전극(18a)은 절연성을 향상시키고 힐락(hilock)을 방지하기 위하여 양극 산화되어 있다(도면부호 36은 양극 산화된 층을 나타낸다). 상기 게이트 전극(18a)이 형성된 투명기판(11) 위에 질화실리콘(SiNx), 산화 실리콘(SiOx) 등의 무기막으로 된 게이트 절연막(27)이 형성된다. 상기 게이트 전극(18a) 부분의 게이트 절연막(27) 위에 비정질 실리콘(a-Si) 등의 반도체 층(22)이 형성된다. 상기 a-Si 등의 반도체층(22) 위에 오믹 접촉층(25)이 형성된다.
그리고, 종방향으로 형성되는 데이터 버스라인(19)과 상기 데이터 버스라인(19)에서 횡방향으로 분기하는 소스전극(19a) 및 드레인 전극(19b)이 형성된다. 상기 소스전극(19a) 및 드레인 전극(19b)은 오믹 접촉층(25)과 접촉되도록 형성된다. 상기 소스/드레인 전극 등을 덮도록 질화 실리콘 등의 무기막으로 된 보호막(26)이 형성되고, 드레인 전극부의 콘택홀을 통하여 드레인 전극(19b)과 접촉되는 투명 도전막인 ITO(Indium Tin Oxide)막이 보호막(26) 위에 형성되어 화소전극(15)이 구성된다.
그런데 이러한 구조의 종래 액정표시장치가 휴대 가능한 제품 예를 들면 노트북 컴퓨터나 PDA, 이동 전화기 등에 적용될 수 있고, 이러한 경우 휴대기기의 전력 공급은 배터리를 이용하게 되는데, 배터리의 사용시간은 한정되어 있으므로 휴대기기의 사용에 있어서, 이동중의 전력공급은 매우 중요하고 또 까다로운 문제로 대두된다.
종래에는 휴대기기의 배터리 사용시간을 늘리기 위한 방법으로 절전을 위한 각종 알고리즘이나, 절전회로 등에 집중하고 있다. 그러나, 근본적으로 배터리에 축적된 전기 에너지는 무한정한 자원이 아니므로, 절전에 절전을 거듭한다고 해도 새로운 전력을 생산해 내지 않는 이상 그 사용시간은 언제나 사용자를 위협한다.
본 발명은 액정표시장치가 전력을 생산하는 수단으로 응용 가능하도록 하기 위하여 액정표시장치에 솔라셀을 내장한다.
본 발명은 액정표시장치가 솔라 셀(solar cell)을 내장함으로써, 태양광을 액정표시장치가 집광하여 전력을 생산하는 기능을 함께 갖출 수 있도록 한 솔라 셀 내장 액정표시장치를 제안한다.
본 발명은 액정표시장치의 하판 공정시 박막트랜지스터(TFT) 제작공정 후에 솔라 셀 형성공정을 수행하거나, 또는 폴리 실리콘 공정에서 TFT공정 중에 솔라 셀을 동시에 형성하는 방법으로 액정표시장치에 솔라 셀을 내장함으로써, 액정표시장치가 전력을 생산하는 수단으로 기능할 수 있고, 이렇게 생산된 전력은 특히, 휴대기기의 배터리를 충전시키는 에너지원으로 사용됨으로써, 휴대기기의 배터리 사용시간을 연장시킬 수 있다.
또한 본 발명은 액정표시장치의 하판 공정은 그대로 두고 상판 공정에서 컬러 필터(C/F)용 상판에 화소(pixel)를 제외한 나머지 부분 모두를 솔라 셀로 제작하는 방법으로 액정표시장치에 솔라 셀을 내장함으로써, 액정표시장치를 디스플레이 수단으로 채용한 기기의 사용중 혹은 비사용중에 태양광을 이용한 전력을 생산하고 이 생산된 전력을 축전하여, 배터리를 채용한 기기의 배터리 사용시간을 연장 시킬 수 있도록 한 솔라 셀 내장 액정표시장치를 제안한다.
액정표시장치는 일반적으로, 일정한 간격을 두고 마주하도록 배치된 2장의 기판과 상기 2장의 기판 사이에 주입되는 액정으로 이루어지고, 상기 액정의 배향을 위한 배향막이 대향하는 기판의 대향면에 형성되고 있다.
액정표시장치의 기본적인 구조와 그 응용된 구조는 매우 다양하고 또 풍부한 기술력을 바탕으로 하여 발전을 거듭하고 있으므로, 본 발명의 솔라 셀을 내장할 액정표시장치의 구조는 앞에서 설명한 도1 내지 도3의 구조를 이용할 수도 있지만, 여기서 설명되는 구조로 제한될 필요는 없다.
그러나, 설명의 편의를 위하여 도3에 도시한 구조를 기반으로 하는 액정표시장치를 이용하는 것으로 본 발명을 설명한다.
앞에서 설명한 바와같이 본 발명은 솔라 셀을 액정표시장치에 내장함이 그 기술적 사상이다.
따라서, 액정표시장치에 솔라 셀을 내장하는 방법을 다음과 같이 2가지로 실시할 수 있다.
[실시예1]
알려진 액정표시장치 제작공정 중에서 하판 공정시에 동시에 솔라 셀을 형성하는 경우이며, 기존의 TFT 공정 후에 솔라셀 공정을 추가함으로써, 솔라 셀 내장 액정표시장치를 완성할 수 있다.
또는, 폴리 실리콘 공정 적용에서는 TFT공정 중에 솔라 셀을 동시에 형성함 으로써, 솔라 셀 내장 액정표시장치를 완성할 수 있다.
도5에는 본 발명에 적용될 수 있는 솔라 셀의 구조를 예로 들어 도시하였다.
솔라 셀(태양광 전지)의 작동원리는 전기에너지를 빛 에너지로 변환시키는 발광 다이오드(lighting emitting diode, LED)나 레이저 다이오드(laser diode)와 반대의 개념으로 이해할 수 있으며, 대부분 보통의 솔라 셀은 대면적의 p-n 접합 다이오드(p-n junction diode)로 이루어져 있다. 그러므로 이러한 점은 액정표시장치의 상기와 같은 제작공정 중에 솔라 셀을 간단하게 추가 형성할 수 있음을 의미한다.
액정표시장치에 내장된 솔라셀은 광전 에너지 변환(photovoltaic energy conversion)을 위해 기본적으로 갖춰야 하는 요건으로 반도체 구조 내에서 전자들이 비 대칭적으로 존재해야 한다는 것이다. p-n접합 다이오드에서 n-type 지역은 큰 전자밀도 (electron density)와 작은 정공밀도(hole density) 를 가지고 있고 p-type 지역은 그와 정반대로 되어있다. 따라서 열적 평형상태에서 p-type반도체와 n-type반도체의 접합으로 이루어진 다이오드에서는 캐리어(carrier)의 농도 구배에 의한 확산으로 전하(charge) 의 불균형이 생기고 이 때문에 전기장(electric field)이 형성되어 더 이상 캐리어의 확산이 일어나지 않게 된다.
이 다이오드에 그 물질의 전도대 (conduction band) 와 가전자대(valence band) 사이의 에너지 차이인 밴드갭 에너지(band gap energy) 이상의 빛을 가했을 경우, 이 빛 에너지를 받아서 전자들은 가전자대에서 전도대로 여기(excite) 된다.
이때 전도대로 여기된 전자들은 자유롭게 이동할 수 있게 되며, 가전자대에 는 전자들이 빠져나간 자리에 정공이 생성된다. 이것을 엑세스 캐리어(excess carrier)라고 하며 이 엑세스 캐리어들은 전도대 또는 가전자대 내에서 농도차이 에 의해서 확산하게 된다.
이때 p-type반도체에서 여기된 전자들과 n-type반도체에서 만들어진 정공을 각각의 소수 캐리어(minority carrier)라고 부르 며, 기존 접합전의 p-type또는 n-type반도체내의 캐리어(p-type의 정공, n-type의 전자)는 이와 구분해 다수 캐리어(majority carrier)라고 부른다. 이 때 다수 캐리어(majority carrier)들은 전기장으로 생긴 에너지 장벽(energy barrier) 때문에 흐름의 방해를 받지만 p-type의 소수 캐리어(minority carrier)인 전자는 n-type쪽으로 각각 이동할 수 있다.
소수 캐리어(minority carrier)의 확산에 의해 재료 내부의 전하 중립(charge neutrality)이 깨짐으로써 전압차(potential drop)가 생기고 이 때 p-n접합 다이오드의 양극단에 발생된 기전력을 외부 회로에 연결하면 전지로서 작용하게 된다.
따라서, 솔라 셀이 내장된 액정표시장치를 이용해서 전력 생산이 가능하게 되고, 이렇게 생산된 전력을 배터리 충전을 위해 사용하면 휴대 기기의 배터리 사용시간을 연장시킬 수 있게 되는 것이다.
앞에서 설명한 솔라 셀은 그 종류와 구조, 특성이 매우 다양하므로, 액정표시장치의 특성이나 용도에 따라 적합한 구조(기본적으로 반도체 구조)의 것을 사용하면 무난하다.
솔라 셀의 종류를 간단히 살펴보면, 결정질 실리콘 태양전지(Crystalline Silicon Cells), 비정질 실리콘 태양전지(Amorphous Silicon Cells), 다결정 박막 CuInSe2태양전지(CIS Cells), GaAs 태양전지, CdTe 태양전지 등이 있다.
여기서 GaAs 태양전지는 태양전지 재료 중에서 가장 높은 효율을 달성하였고 현재 우주용으로 상용화에 성공하여 흑자를 기록하고 있는 재료이다. GaAs는 최적의 밴 드갭(1.45eV) 및 높은 광 흡수계수와 가장 높은 이론 효율치(39%) 등의 장점과 In, Al등과 쉽게 합금을 형성하여(InGaAs, AlGaAs) 밴드갭을 조 절할 수 있다는 특성을 지녔다. 현재 단일 접합으로 28.7% (200 sun concentrator) 이 기록이며 GaAs/GaSb 중첩전지로는 34.2% (100 sun concentrator) 가 기록이다. 단점은 재료의 가격이 매우 높아(Ga의 희 소성) 상업적으로 실용화하기에 어렵고 As의 유해성이 지적되고 있다.
도4에 나타낸 바와같이 기존의 화소부(A)와 더불어 솔라 셀부(B)를 형성하는 방법을 솔라 셀을 CdTe 태양전지로 할 경우를 예로 들어 설명한다.
CdTe는 밴드갭이 1.45eV로서 이론적으로 이상적인 값을 갖고 있으며 전기적 및 광학적 특성이 태양전지 재료로서 적합한 것으로 알려져 있으나 무엇보다도 중요한 성질은 물질의 합성이 쉽다는 점이다. 현재까지 다양한 방법, 즉 근접승화법(Closed-Spaced Sublimation, CSS), 진공증착법, 전착법, screen printing, spray pyrolysis, metallorganic chemical vapor deposition(MOCVD) 등의 방법이 사용되어 10%이상의 효율이 입증되었다. CdTe층의 합성방법에 상관없이 화학양론비에 맞는 막을 형성하고 CdCl2 용제를 표면에 입힌 후 섭씨 400도 정도에 서 열처리하면 대략 10%의 효율을 쉽게 얻을 수 있다고 알려져 있다. CdTe물성에 관한 일반적인 사항은 Zanio에 의해 정리된 바 있다. CdTe전지 기술은 소위 "superstrate" 구조가 제안되고 마지막으로 화학적 용액 성장법으로 CdS를 입히는 공정이 제안되었을 때 각각 전지의 효율이 획기적으로 증가된다.
[실시예2]
알려진 액정표시장치 제작공정 중에서 하판 공정은 그대로 두고, 상판 공정에서 동시에 솔라 셀을 형성하는 경우이며, 기존의 컬러필터(C/F)용 상판에 화소를 제외한 나머지 부분 모두를 솔라 셀로 제작함으로써, 솔라 셀 내장 액정표시장치를 완성할 수 있다.
도6에 이 것을 나타내었다. 도6에서 보듯이 컬러필터용 상판에 화소(빗금치지 않은 흰색 부분)를 제외한 나머지 부분 전부에 걸쳐서 솔라 셀을 형성하였다.
여기서 솔라 셀의 구조나 종류, 또는 그 형성방법은 앞에서 설명한 바와 같다.
본 발명은 액정표시장치에 솔라 셀을 내장함으로써, 액정표시장치를 채용한 기기에서 태양광을 이용한 전력생산이 가능하고, 이렇게 생산된 전력을 특히 휴대기기의 배터리를 충전시키는데 사용함으로써, 배터리 사용시간을 연장시킬 수 있는 효과가 있다. 또한 액정표시장치의 제작공정 중의 어느 한 단계에서 솔라 셀을 형성할 수 있으므로 제작 또한 용이하다.

Claims (6)

  1. 서로 대향하는 상,하판 사이에 액정을 주입하고 밀봉하여 이루어지는 액정표시장치에 있어서,
    상기 액정표시장치 내부에서 상기 상판과 마주하는 상기 하판 상에 형성된 화소; 및
    상기 하판 상에 형성된 TFT와 연결된 화소 전극 상에 배치된 솔라 셀을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 솔라 셀 내장 액정표시장치.
  2. 서로 대향하는 상,하판 사이에 액정을 주입하고 밀봉하여 이루어지는 액정표시장치에 있어서,
    상기 액정표시장치 내부에서 상기 상판과 마주하는 상기 하판 상에 형성된 화소; 및
    상기 하판 상에 형성된 TFT 형성 공정과 동일 공정으로 형성되며, 상기 하판 상에 형성된 TFT와 동일층에 배치된 솔라 셀을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 솔라 셀 내장 액정표시장치.
  3. 삭제
  4. 서로 대향하는 상,하판 사이에 액정을 주입하고 밀봉하여 이루어지는 액정표시장치에 있어서,
    상기 하판과 마주하는 상기 상판 상에 컬러필터가 형성된 층과 동일층에 형성된 솔라 셀을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 솔라 셀 내장 액정표시장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 솔라 셀은 컬러필터가 형성된 상기 상판 상의 화소를 제외한 나머지 영역 전부에 걸쳐서 형성된 것을 특징으로 하는 솔라 셀 내장 액정표시장치.
  6. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 솔라 셀은 결정질 실리콘 태양전지(Crystalline Silicon Cells), 비정질 실리콘 태양전지(Amorphous Silicon Cells), 다결정 박막 CuInSe2태양전지(CIS Cells), GaAs 태양전지 및 CdTe 태양전지 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 솔라 셀 내장 액정표시장치.
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