KR20160127856A - 프린지 필드 스위칭 액정 표시장치 및 그 제조방법 - Google Patents

프린지 필드 스위칭 액정 표시장치 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화소영역과 화소영역 사이의 투과율 간섭 현상을 방지하여 고화질을 구현할 수 있는 프린지 필드 스위칭 액정 표시장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 FFS 방식의 액정표시장치는 상기 화소영역과 화소영역 사이에 고분자 네트워크를 형성함으로써 구동전압 인가 후에 화소영역과 화소영역사이에 액정이 거동하지 않고 어둠상태를 유지하여 디바이스 구동 시 빛의 왜곡현상을 막아줄 수 있다. 또한, 본 발명의 액정표시장치는 상부기판의 BM을 최소화하거나 사용하지 않으므로, BM 제조 및 설치로 발생하는 공정시간 단축 및 공정비용 절감으로 공정 수율을 개선할 수 있다.

Description

프린지 필드 스위칭 액정 표시장치 및 그 제조방법{Fringe - Field Switching Liquid Crystal Displays and method of preparing the same}
본 발명은 프린지 필드 스위칭 액정 표시장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 화소영역과 화소영역 사이의 투과율 간섭 현상을 방지하여 고화질을 구현할 수 있는 프린지 필드 스위칭 액정 표시장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
현재 모니터, 노트북, 핸드폰 등 중소형 액정표시소자에서 많이 응용되고 있는 액정 모드는 트위스티드 네마틱(twisted nematic : TN) 모드이다. TN 모드는 높은 광효율 뿐만 아니라 높은 공정 수율을 장점으로 많이 응용되고 있지만, 전압 인가시에 액정 분자가 수직 방향으로 운동하기 때문에 시야각이 협소하다는 단점을 가지고 있다. 좁은 시야각 문제를 해결하기 위하여 수평 전기장을 이용한 인플레인 스위칭(In-Plane Switching : IPS) 모드와 프린지 필드 스위칭(FFS) 모드가 개발되었다.
두 모드는 액정 분자가 기판에 평행하게 한쪽 방향으로 회전하기 때문에 TN 모드보다 시야각이 우수하다. 하지만 IPS 모드의 경우는 전극 윗부분에서 액정 분자들이 회전하지 않아서 광효율이 떨어지고, 구동전압이 높으며, 시야각에 따른 컬러 쉬프트 문제와 같은 고질적인 문제를 가지고 있다. 이러한 IPS 모드가 갖는 여러 가지 문제점들을 개선하기 위해 FFS 모드가 제안되었다. 도 1은 종래 FFS 모드를 나타내고 도 2는 종래 FFS 모드의 투과율 간섭 현상을 보여주는 그래프이고, 도 3은 종래 FFS 모드의 투과율 간섭 현상을 3D로 시뮬레이션한 것이다. 도 1을 참고하면, FFS 모드는 하부편광판(10), 하부기판(20), 유기막(30), 공통 전극(50)과 화소 전극(70)이 절연막(60)을 사이에 두고 투명 전극 구조를 형성하고 있으면서, 공통 전극과 화소 전극과의 수평 간격을 상, 하 기판 사이의 간격인 셀 갭보다 좁게 형성하여 공통 전극과 화소 전극 간에 강한 프린지 전기장이 형성되도록 하여 화소 전극의 윗부분에서도 액정분자들을 회전시켜 높은 광효율, 저전압 구동, 광시야각 특성을 보인다. 하지만 이러한 장점에도 불구하고, 도 2와 도3과 같이, FFS 모드는 데이터 신호 전극과 화소 전극 사이에 노이즈(noise) 전압이 원치 않게 걸리고, 이 전압에 액정이 반응하기 때문에 crosstalk(투과율 간섭 현상)를 가져오는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 이 영역을 가릴 수 있는 블랙매트릭스(black matrix)(100)의 폭을 넓혀야 하므로 결과적으로 개구율이 감소된다.
[선행기술]
1. 공개특허 10-2012-21373호 ; 프린지 필드 스위칭 액정 표시소자
본 발명은 투과율 간섭 현상을 해결할 수 있는 FFS 모드 액정 표시장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 상부 기판에 형성되는 블랙매트릭스 사용하지 않거나 그 사용을 최소화고도 투과율 간섭 현상을 방지할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 양상은
하부 기판, 상부 기판 및 상기 기판들 사이에 삽입된 액정층을 포함하고,
상기 하부 기판에는 상호 교차하는 방향으로 형성되는 게이트 라인들과 데이터 라인들에 의해 각 화소 영역이 규정되고 상기 게이트 라인 및 데이터 라인들의 교차부에는 박막트랜지스터(TFT)가 배치되고,
상기 하부기판 상부에 유기막을 사이에 두고 공통전극이 형성되고, 상기 공통전극 상부에 절연막을 사이에 두고 화소전극이 형성되는 FFS 모드 액정표시장치에 있어서,
상기 화소전극은 적색, 녹색 및 청색 화소 영역에 각각 형성되고, 상기 화소 영역과 화소 영역 사이의 액정층에는 고분자 네트워크가 형성되어 액정이 구동하지 않는 것을 FFS 모드 액정표시장치에 관계한다.
다른 양상에서 본 발명은
하부 기판, 상부 기판 및 상기 기판들 사이에 삽입된 액정층을 포함하고, 상기 하부 기판에는 상호 교차하는 방향으로 형성되는 게이트 라인들과 데이터 라인들에 의해 각 화소 영역이 규정되고 상기 게이트 라인 및 데이터 라인들의 교차부에는 박막트랜지스터(TFT)가 배치되는 프린지 필드 스위칭 액정 표시 장치의 제조방법에 있어서,
하부기판 상부에 다수의 TFT 배선을 형성하는 단계 ;
상기 하부기판과 TFT 배선 상부에 유기막을 형성하는 단계 ;
상기 유기막 상부에 공통전극을 형성하는 단계 ;
상기 공통전극 상부에 절연막을 형성하는 단계 ;
상기 절연막 상부의 상기 화소영역에 화소전극을 형성하는 단계 ;
상기 하부기판과 상부기판을 합착하는 단계 ;
상기 액정, 광경화성 단분자 및 광개시제를 포함하는 액정혼합물을 상기 하부기판과 상부기판 사이에 주입하는 단계 ; 및
상기 화소영역과 화소영역 사이 영역에 대해서만 자외선을 조사하는 프린지 필드 스위칭 액정 표시 장치의 제조방법에 관계한다.
본 발명의 FFS 방식의 액정표시장치는 상기 화소영역과 화소영역 사이에 고분자 네트워크를 형성함으로써 구동전압인가 후에 화소영역과 화소영역사이에 액정이 거동하지 않고 어둠상태를 유지하여 디바이스 구동 시 빛의 왜곡현상을 막아줄 수 있다. 또한, 본 발명의 액정표시장치는 상부기판의 BM을 데이터 배선(TFT 배선)폭의 반 이하로 사용하거나 BM을 사용하지 않으므로, BM 제조 및 설치로 발생하는 공정시간 단축 및 공정비용 절감으로 공정 수율을 개선할 수 있다.
도 1은 종래 FFS 모드를 나타낸다.
도 2는 종래 FFS 모드의 투과율 간섭 현상을 보여주는 그래프이다.
도 3은 종래 FFS 모드의 투과율 간섭 현상을 3D로 시뮬레이션한 것이다.
도 4는 본 발명의 일구현예인 프린지필드 스위칭 모드의 액정 표시장치를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 프린지 필드 스위칭 모드의 평면도이다.
도 6은 화소영역과 화소영역 사이에 고분자 네트워크를 형성하는 것을 보여준다.
본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 4는 본 발명의 일구현예인 프린지필드 스위칭 모드의 액정 표시장치를 나타낸다. 도 5는 본 발명의 프린지 필드 스위칭 모드의 평면도이다. 도 4 및 도 5를 참고하면, 본 발명의 액정 표시장치는 하부 기판(210), 상부 기판(290) 및 상기 기판들 사이에 삽입된 액정층(270)을 포함한다.
상기 하부 기판(210)에는 상호 교차하는 방향으로 형성되는 게이트 라인(320)들과 데이터 배선(310)들에 의해 각 화소 영역이 규정되고 상기 게이트 라인 및 데이터 라인들의 교차부에는 박막트랜지스터(TFT)가 배치된다. 즉, 상기 각 화소영역은 게이트 라인(320)과 데이터 배선(310)에 의해 의해 둘러싸여진 영역으로서, 상기 화소영역에 화소전극이 복수개 배치된다.
상기 하부기판(210) 상부에 유기막(220)을 사이에 두고 공통전극(240)이 형성되고, 상기 공통전극 상부에 절연막(270)을 사이에 두고 화소전극(260)이 형성된다. 상기 하부 기판(210) 아래에는 하부 편광판이 형성된다.
상기 박막트랜지스터(TFT)의 데이터 배선(줄여서 TFT 배선이라고 함, 230)은 상기 화소영역과 화소 영역 사이에 형성된다. 상기 데이터 배선(230)과 화소전극(260)은 일정한 간격을 두고 형성된다.
상기 화소전극(260)은 적색, 녹색 및 청색 화소 영역(A, B, C)에 각각 형성되고, 상기 화소 영역과 화소 영역 사이의 액정층 공간(D)에는 고분자 네트워크(272)가 형성되어 액정(271)이 구동하지 않는다.
상기 고분자 네트워크(272)는 박막트랜지스터(TFT)의 데이터 배선(230) 상부의 액정층에 형성된다.
상기 고분자 네트워크는 중합성기를 갖는 액정성 화합물이 경화되면서 형성되고, 상기 고분자 네트워크 내부에 액정이 갇혀 고정된다.
도 5를 참고하면, 데이터 배선(230, 310) 상부 측을 따라 고분자 네트워크(272)가 형성되어 있으며, 액정(271)이 상기 고분자 네트워크 내부에 갇혀 고정되어 있음을 보여주고 있다.
본원발명의 상기 액정표시장치는 액정층에 전원을 인가하여도 상기 고분자 네트워크에 갇힌 액정(271)이 구동하지 않고 어둠상태를 유지하며 디바이스 구동시 빛의 왜곡현상을 막아줄 수 있다. 따라서, 본원발명의 액정 표시장치는 화소영역과 화소영역 사이의 투과율 간섭 현상을 방지하기 위해 설치되는 블랙 매트릭스(Black matrix)를 데이터 배선 폭의 반 이하로 사용하거나 사용하지 않아도 된다.
다른 양상에서 본원발명은 프린지 필드 스위칭 액정 표시자치의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 액정 표시장치는 하부 기판(210), 상부 기판(290) 및 상기 기판들 사이에 삽입된 액정층(270)을 포함한다. 상기 하부 기판(210)에는 상호 교차하는 방향으로 형성되는 게이트 라인(320)들과 데이터 라인(310)들에 의해 각 화소 영역이 규정되고 상기 게이트 라인 및 데이터 라인들의 교차부에는 박막트랜지스터(TFT)가 배치된다.
먼저 하부기판(210) 상부에 다수의 데이터 배선(230)을 형성하고, 상기 하부기판과 데이터 배선 상부에 유기막(220)을 형성한다. 상기 유기막은 하부기판과 데이터 배선(230) 사이에도 형성될 수 있다.
상기 유기막(220) 상부에 공통전극(240)을 형성하고, 상기 공통전극 상부에 절연막(250)을 형성한다.
상기 절연막(250) 상부의 상기 화소영역(A, B, C)에 화소전극(260)을 형성한다. 하부에 컬러필터(280)가 부착된 상부기판(290)과 상기 하부 기판(210)을 합착한다.
본원발명의 제조방법은 액정, 광경화성 단분자 및 광개시제를 포함하는 액정혼합물을 상기 하부기판과 상부기판 사이의 액정층에 주입하는 단계를 포함한다.
상기 단계의 액정혼합물을 액정층에 제공하는 방법에 대한 제한이 없다. 예를 들면, 스페이서가 형성된 하부기판 상에 액정혼합물을 주입한 후 상부기판을 합착할 수 있으며, 상부 기판과 하부 기판을 합착한 후 액정혼합물을 기판 사이에 주입할 수 있다.
상기 광경화성 단분자는 광 개시제의 자외선 반응에 의해 중합이 가능한 말단기를 포함하는 액정물질이다. 본 발명에서 사용하는 용어인 광경화성 단분자는 액정성을 나타낼 수 있는 메조겐그룹과 광중합이 가능한 말단기를 포함하여 액정상을 띄고 있으며, 자외선에 반응하는 광 개시제에 의해 광중합될 수 있는 단량체 분자를 의미한다. 따라서 광경화성 단분자는 좀 더 포괄적인 용어로 반응성 액정 단량체로 나타낼 수 있다. 메조겐으로는 네마틱 액정상을 발현하는 막대형(calamitic) 메조겐이나 디스코틱 액정상을 발현할 수 있는 접시형태의 디스코틱(discitic) 메조겐이 사용될 수 있다. 중합가능한 말단기로는 일반적으로 라디칼 중합이 쉬운 아크릴기나 메타크릴기가 사용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 사용가능한 광경화성 단분자로는 RM257, EHA 등이 있다.
상기 광 개시제로는 Trimethylopropane triacrylate등이 사용될 수 있다.
상기 액정 혼합물은 상기 액정 100 중량부에 대해 광경화성 단분자 0.01~50중량부, 바람직하게는 0.1~15중량부를 포함할 수 있다.
도 6은 화소영역과 화소영역 사이에 고분자 네트워크를 형성하는 것을 보여준다.
액정 혼합물을 주입하면 도 6의 a와 같이 상기 액정층에 액정, 광경화성 단분자가 골고루 분산된다.
도 6의 b와 같이, 본원발명은 마스크(330)를 사용하여 화소영역과 화소 영역 사이 영역에 대해서만 자외선을 조사한다. 즉, 본원발명은 상기 자외선을 박막트랜지스터(TFT) 배선 상부의 액정층으로 조사한다. 도 6의 c와 같이, 상기 액정층에 자외선이 조사되면 광경화성 단분자들이 자외선이 입사되는 표면쪽으로 이동하게 되면서 중합이 일어나게 된다. 즉, 마스크를 통과한 자외선에 의해 액정층내에서 상분리 현상이 일어남으로 인해 화소영역과 화소영역 사이 공간에 고분자 네트워크를 형성한다.
상기 고분자 네트워크의 크기는 마스크의 투과 영역을 조절하여 제어할 수 있다. 상기 고분자 네트워크는 마스크의 투과영역보다 큰 폭으로 형성될 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (9)

  1. 하부 기판, 상부 기판 및 상기 기판들 사이에 삽입된 액정층을 포함하고,
    상기 하부 기판에는 상호 교차하는 방향으로 형성되는 게이트 라인들과 데이터 라인들에 의해 각 화소 영역이 규정되고 상기 게이트 라인 및 데이터 라인들의 교차부에는 박막트랜지스터(TFT)가 배치되고,
    상기 하부기판 상부에 유기막을 사이에 두고 공통전극이 형성되고, 상기 공통전극 상부에 절연막을 사이에 두고 화소전극이 형성되는 FFS 모드 액정표시장치에 있어서,
    상기 화소전극은 적색, 녹색 및 청색 화소 영역에 각각 형성되고, 상기 화소 영역과 화소 영역 사이의 액정층에는 고분자 네트워크가 형성되어 액정이 구동하지 않는 것을 특징으로 하는 FFS 모드 액정표시장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 네트워크는 박막트랜지스터(TFT) 배선 상부의 액정층에 형성되는 것을 특징으로 하는 FFS 모드 액정표시장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 네트워크는 중합성기를 갖는 액정성 화합물이 경화되면서 형성되고, 상기 고분자 네트워크 내부에 액정이 갇혀 고정된 것을 특징으로 하는 FFS 모드 액정표시장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 액정표시장치는 화소영역과 화소영역 사이의 투과율 간섭 현상을 방지하기 위해 설치되는 블랙 매트릭스(Black matrix)를 데이터 배선 폭의 반 이하로 하거나, 이를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 FFS 모드 액정표시장치.
  5. 하부 기판, 상부 기판 및 상기 기판들 사이에 삽입된 액정층을 포함하고, 상기 하부 기판에는 상호 교차하는 방향으로 형성되는 게이트 라인들과 데이터 라인들에 의해 각 화소 영역이 규정되고 상기 게이트 라인 및 데이터 라인들의 교차부에는 박막트랜지스터(TFT)가 배치되는 프린지 필드 스위칭 액정 표시 장치의 제조방법에 있어서,
    하부기판 상부에 다수의 TFT 배선을 형성하는 단계 ;
    상기 하부기판과 TFT 배선 상부에 유기막을 형성하는 단계 ;
    상기 유기막 상부에 공통전극을 형성하는 단계 ;
    상기 공통전극 상부에 절연막을 형성하는 단계 ;
    상기 절연막 상부의 상기 화소영역에 화소전극을 형성하는 단계 ;
    상기 하부기판과 상부기판을 합착하는 단계 ;
    상기 액정, 광경화성 단분자 및 광개시제를 포함하는 액정혼합물을 상기 하부기판과 상부기판 사이에 주입하는 단계 ; 및
    상기 화소영역과 화소영역 사이 영역에 대해서만 자외선을 조사하는 것을 특징으로 하는 프린지 필드 스위칭 액정 표시 장치의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 방법은 자외선 조사되는 화소영역과 화소영역 사이의 액정층에서 상기 광경화성 단분자가 중합되어 고분자 네트워크를 형성하는 것을 특징으로 하는 FFS 모드 액정표시장치.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 방법은 상기 액정 혼합물은 상기 액정 100 중량부에 대해 광경화성 단분자 0.5~15중량부, 광개시제 0.001~5 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 FFS 모드 액정표시장치.
  8. 제 5항에 있어서, 상기 자외선 조사단계는 마스크의 투과 영역을 조절하여 상기 고분자 네트워크의 크기를 제어하는 것을 특징으로 하는 FFS 모드 액정표시장치.
  9. 제 5항에 있어서, 상기 방법은 상부 기판 아래에 블랙매트릭스의 폭을 TFT 배선 폭의 1/2 이하로 형성하는 것을 특징으로 하는 FFS 모드 액정표시장치.
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