반투과 수평전계인가형 액정표시장치 및 그 제조 방법 document_id A220623029258

본 발명은 액정표시장치에 관한 것으로서, 특히, 대각 시야각을 향상시킬 수 있는 반투과 수평전계인가형 액정표시장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 액정표시장치는 전계를 이용하여 액정의 광투과율을 조절함으로써 화상을 표시하게 된다. 이러한 액정표시장치는 액정을 구동시키는 전계의 방향에 따라 수직전계인가형과 수평전계인가형으로 대별된다. 수직전계인가형 액정표시장치는 상부기판 상에 형성된 공통전극과 하부기판 상에 형성된 화소전극이 서로 대향되게 배치되어 이들 사이에 형성되는 수직 전계에 의해 TN(Twisted Nemastic) 모드의 액정을 구동하게 된다. 이러한 수직 전계형 액정 표시 장치는 개구율이 큰 장점을 가지는 반면 시야각이 90도 정도로 좁은 단점을 가진다. 수평전계인가형 액정 표시 장치는 하부 기판에 나란하게 배치된 화소 전극과 공통 전극 간의 수평전계에 의해 인 플레인 스위치(In Plane Switch; 이하, IPS라 함) 모드의 액정을 구동하게 된다. 이러한 수평전계인가형 액정 표시 장치는 시야각이 160도 정도로 넓은 장점을 가진다. 또한, 액정표시장치는 백라이트 유닛(Back light unit)으로부터 입사된 광을 이용하여 화상을 표시하는 투과형과, 자연광과 같은 외부광을 반사시켜 화상을 표시하는 반사형으로 대별된다. 투과형은 백라이트 유닛의 전력 소모가 크고, 반사형은 외부광에 의존함에 따라 어두운 환경에서는 화상을 표시할 수 없는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 백라이트 유닛을 이용하는 투과 모드와 외부광을 이용하는 반사 모드가 선택 가능한 반투과형 액정표시장치가 대두되고 있다. 반투과형 액정표시장치는 외부광이 충분하면 반사 모드로, 불충분하면 백라이트 유닛을 이용한 투과 모드로 동작하게 되므로 투과형 보다 소비 전력을 줄일 수 있으면서 반사형과 달리 외부광 제약을 받지 않게 된다. 도 1은 종래의 반투과 기능을 가지면서 수평전계에 의해 액정을 구동시키는 반투과 수평전계인가형 액정표시장치를 나타내는 단면도이다. 도 1에 도시된 반투과 수평전계인가형 액정표시장치는 액정표시패널(70)과, 액정표시패널(70)의 앞면에 위치하는 제1 위상차판(retardation film)(64)과, 액정표시패널(70)의 뒷면에 위치하는 제2 위상차판(62)과, 제1 위상차판(64) 위에 위치하는 제1 편광판(68)과, 제2 위상차판(62) 위에 위치하는 제2 편광판(66)과, 제2 편광판(66) 뒤에 위치하여 액정표시패널(70)에 광을 공급하는 백라이트(80)을 포함한다. 제1 위상차판(64) 및 제2 위상차판(62)은 λ/4의 위상지연특성을 가지는 위상지연 수단이다. 여기서, 제1 위상차판(64) 및 제2 위상차판(62)을 각각 제1 QWP(Quarter Wave Plate)(64) 및 제2 QWP(62) 라고도 한다. 액정표시패널(70)은 액정(72)을 사이에 두고 합착된 컬러필터 어레이 기판(50)과 박막 트랜지스터 어레이 기판(60)으로 구성된다. 액정표시패널(70)을 이루는 각각의 화소들은 반사전극(28)이 형성된 반사영역(P1)과, 반사전극(28)이 형성되지 않은 투과영역(P2)으로 구분된다. 컬라필터 어레이 기판(50)은 상부기판(52) 위에 형성되는 컬러필터 어레이(56)를 포함한다. 컬러필터 어레이에는 화소들을 구획하는 블랙 매트릭스, 블랙 매트릭스에 의해 구획되는 화소에 위치하는 컬러필터, 컬러필터 및 블랙 매트릭스 위에 형성되어 컬러필터 어레이 기판(50)을 평탄화시키는 오버코트층이 형성되고, 오버코트층 위에는 액정 배향을 위한 상부 배향막 등으로 구성된다. 박막 트랜지스터 어레이 기판(60)은 하부기판(2) 위에 형성되어 각 화소영역을 정의하는 게이트 라인(미도시) 및 데이터 라인(11), 게이트 라인 및 데이터 라인(11)의 교차영역에 위치함과 아울러 데이터 라인(11)에 접속된 박막 트랜지스터(5), 박막 트랜지스터(5)에 접속된 화소전극(26), 화소전극(26)과 수평전계를 이루는 공통전극(27), 각 화소의 반사영역(P1)에 형성되고 화소전극(26)과 중첩된 반사전극(28)을 구비한다. 박막 트랜지스터(5)는 게이트 라인과 접속된 게이트 전극(6), 데이터 라인(11)과 접속된 소스 전극(16), 소스 전극(16)과 마주하는 드레인 전극(18), 게이트 전극(6)과 게이트 절연막(8)을 사이에 두고 중첩되어 소스 및 드레인 전극(16, 18) 사이의 채널을 형성하는 활성층(10), 활성층(10)과 소스 및 드레인 전극(16, 18)과의 오믹 접촉을 위한 오믹 접촉층(12)을 구비한다. 여기서, 활성층(10)과 오믹 접촉층(12)을 반도체 패턴(13)이라 명명한다. 이러한 박막 트랜지스터(5)는 게이트 라인으로부터의 스캔 신호에 응답하여 데이터 라인(11) 상의 비디오 신호가 화소전극(26)에 충전되어 유지되게 한다. 공통전극(27)은 화소전극(26)과 나란하게 형성되고 액정구동을 위한 기준전압(Vcom)을 공급받아 화소전극(26)과 수평전계를 형성시킨다. 반사전극(28)은 컬러필터 어레이 기판(50)을 통해 입사된 외부광을 컬러필터 어레이 기판(50) 쪽으로 반사시킨다. 이때, 반사전극(28) 아래에 형성된 유기막(24)의 표면이 엠보싱(Embossing) 형상을 갖게 됨으로써 그 위의 반사전극(28)도 엠보싱(Embossing) 형상을 갖게 된다. 이에 따라, 산란 효과로 인하여 반사 효율이 증대될 수 있게 된다. 화소전극(26)은 유기막(24) 및 보호막(22)을 관통하는 제1 접촉홀(34)을 통해 박막 트랜지스터(5)의 드레인 전극(10)과 접속되며 박막 트랜지스터(5)를 통해 공급된 화소 신호에 의해 공통전극(27)과 수평전계를 발생시킨다. 이 수평전계에 의해 유전 이방성을 갖는 액정이 회전하여 반사영역(P1)과 투과영역(P2) 각각의 액정(72)층을 경유하는 광의 투과율을 조절함으로써 상기 비디오 신호에 따라 휘도가 달라지게 된다. 이 경우, 반사영역(P1)과 투과영역(P2)에서 액정(72)층을 경유하는 광 경로의 길이가 동일하도록 투과영역(P2)에서는 유기막(24)이 형성되지 않는다. 다시 말하면, 유기막(24)을 형성하는 경우 투과영역(P2)에는 유기막이 제거됨으로써 각각의 화소에서는 유기막(24)을 관통하며 투과영역과 대응되는 투과홀(36)이 형성된다. 이에 따라, 투과영역(P2)에서의 셀갭의 두께(d2)가 반사영역(P1)에서의 셀갭(cell gab) 두께(d1)의 두배가 되는 듀얼(dual) 셀갭 구조가 형성될 수 있게 된다. 그 결과, 반사영역(P1)으로 입사된 주변광, 즉 반사광이 제1 QWP(64), 액정(72)층, 반사 전극(28), 액정(72)층 및 제1 QWP(64)를 경유하는 반사모드에서의 반사광(RL)의 광경로와, 투과 영역(P2)으로 입사된 백라이트 유닛(80)의 광이 제2 QWP(62), 액정(72)층 및 제1 QWP(64)을 경유하는 투과광(TL)의 광경로의 최종 편광상태를 동일함으로써 반사 모드와 투과 모드의 투과 효율이 같아지게 된다. 도 2a 및 도 2b는 노멀리 화이트(normally White) 모드에서 투과영역(P2) 및 반사영역(P1)에서의 광의 편광 과정을 도시한 도면이다. 먼저, 도 2a를 참조하여 투과영역(P2)에서의 광의 편광과정을 설명한다. 백라이트(80)에서 출사된 광은 하부 편광판(66)을 통과하면서 하부 편광판(66)의 편광축과 나란한 선편광으로 편광되고, λ/4 위상지연특성을 가지는 제2 QWP(62)을 투과하면서 좌원편광으로 편광되고, λ/2 위상지연특성을 가지는 액정(72)층을 투과하면서 우원편광으로 편광되고, λ/4 위상지연특성을 가지는 제1 QWP(64)을 투과하면서 상부 편광판(68)의 편광축과 나란한 선편광으로 편광된다. 이와 같이, 백라이트(80)에서 출사된 광은 다수번의 편광에 의해 상부 편광판(68)의 편광축과 나란한 선편광으로 편광됨으로써 상부 편광판(68)을 투과할 수 있게 되어 화상을 구현할 수 있게 된다. 다음으로, 도 2b를 참조하면, 반사영역(P1)에서의 광의 편광과정을 설명한다. 외부광은 상부 편광판(68)을 통과하면서 상부 편광판(68)의 편광축과 나란한 선편광으로 편광되고, λ/4 위상지연특성을 가지는 제1 QWP(64)를 투과하면서 좌원편광으로 편광되고, λ/4 위상지연특성을 가지는 액정(72)층을 투과하면서 상부 편광판(68)의 편광축과 직교하는 선편광으로 편광되고, 반사판에서 반사된 후 다시 λ/4 위상지연특성을 가지는 액정층을 투과하면서 우원편광으로 편광되고, 다시 λ/4 위상지연특성을 가지는 제1 QWP(64)를 투과하면서 상부 편광판(68)의 편광축과 나란한 선편광으로 편광된다. 이와 같이, 상부 편광판(68)을 경우하여 액정표시패널(70)로 입사된 외부광은 액정표시패널(70) 내에서 다수번 편광된 후 상부 편광판(68)을 투과할 수 있는 선편광으로 편광됨으로써 화상을 구현할 수 있게 된다. 그러나, 이러한 듀얼(dual) 셀갭 구조는 반사영역(P1)과 투과영역(P2) 사이의 높은 단차로 인하여 반사영역(P1)과 투과영역(P2)의 경계영역에 위치하는 액정(72)들이 정상적으로 배향되지 않게 된다. 그 결과, 경계영역에 위치하는 액정들은 전계에 의해 정상적으로 제어되지 않게 되는 문제가 발생된다. 이러한, 문제를 해결하기 위해 도 3에 도시된 바와 같이 싱글(single) 셀갭을 가지는 반투과 수평전계인가형 액정표시장치가 제안되었다. 도 3에 도시된 액정표시장치는 유기막(24)이 반사영역(P1) 뿐만 아니라 투과영역(P2)에도 위치하고, 반사판(28) 및 화소전극(26) 등이 형성된 하부기판(2) 상에 전면 보상필름(88)이 형성되고, 도 1에서 액정표시패널(70)의 전면에 위치하는 제1 QWP(64)은 제거되고 액정표시패널(70)의 뒤면에 위치하는 제2 QWP(62)는 λ/2의 위상지연특성을 가지는 제3 위상차판(82)으로 대체된다. 이러한 싱글 셀갭 구조의 액정표시장치는 유기막(24)이 반사영역(P1) 뿐만 아니라 투과영역(P2)에도 위치하게 됨에 따라 반사영역(P1)과 투과영역(P2)에서의 셀캡(d2)이 동일하게 된다. 이에 따라, 반사영역(P1)과 투과영역(P2)의 경계영역에 위치하는 액정(72)들이 정상적으로 배향될 수 있게 된다. 한편, 도 3에서의 액정표시장치는 반사영역(P1)과 투과영역(P2)에서의 셀갭은 도 1에서의 투과영역(P2)의 셀갭(d2)과 동일한다. 이에 따라, 도 3에서의 액정(72)층은 λ/2의 위상지연특성을 가지게 된다. 여기서, 액정(72)층이 λ/2의 위상지연특성을 가지게 됨에 따라 반사영역(P1)에서의 광투과 효율과 투과영역에서의 광투과 효율이 달라질 수 있게 된다. 이를 방지하기 위하여 반사영역(P1)과 투과영역(P2)에 λ/4의 위상지연특성을 가지는 보상필름(88)을 구비하고 도 1에서의 액정표시패널(70)의 전면에 위치하였던 제1 QWP(64)는 제거되고 동시에 제2 QWP(62)는 투과영역(P2)의 위상지연을 보상하기 위하여 λ/2의 위상지연특성을 가지는 제3 위상차판(82)으로 대체된다. 여기서, 제3 위상차판(82)은 λ/2의 위상지연특성을 가지는 위상지연 수단으로써 이하, HWP(Half Wave Plate)(82) 라고 한다. 보상필름(88)은 배향막(86)과, 배향막(86) 위에 형성되며 λ/4의 위상지연특성을 가지는 액정코팅층(84)으로 이루어진다. 한편, 종래 1에서의 듀얼 셀갭을 가지는 반투과 수평전계인가형 액정표시장치 및 도 3에서의 싱글 셀갭을 가지는 반투과 수평전계인가형 액정표시장치는 각각 투과영역(P2)에서의 시야각이 취약한 문제가 있다. 도 4는 블랙을 구현하는 경우 투과영역(P2)에서 시야각에 따른 빛샘 발생 정도를 나타내는 시뮬레이션 결과이다. 도 4를 참조하면, IPS 모드에서의 상부 및 하부 편광판들의 편광축 즉 십자가 형태의 편광축에 대응되는 시야각에서는 빛샘이 거의 발생되지 않지만 화면의 중심에서 대각 시야각으로 갈수록 빛샘이 발생되어 표시품질이 저하되는 문제가 나타난다. 이에 따라, IPS 모드에서의 대각 시야각을 개선하여 표시품질을 향상시키기 위한 방안이 요구되고 있다.