JP2016519338A - パルスｕｖを用いた光配向装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、配向膜にパルスＵＶを照射して液晶の光配向を行うことを特徴とする、パルスＵＶを用いた光配向装置に関し、本発明の一実施形態によれば、チャンバと、前記チャンバの上部に設けられ、ＵＶ光を発するランプと、前記チャンバの下部に備えられ、表面に配向膜が形成された基板が装着されるステージと、前記ステージと前記ランプ間に脱着可能に設けられる偏光子とを含む、パルスＵＶを用いた光配向装置が提供される。【選択図】 図１

Description

本発明は、光配向装置に関し、特に配向膜にパルスＵＶを照射して液晶の光配向を行うことを特徴とするパルスＵＶを用いた光配向装置に関する。

液晶パネル製造技術の進歩により、液晶表示素子は光情報処理分野において広く用いられている。

従来から、中小型ディスプレイに応用される液晶表示素子としてＴＮ（Twisted Nematic）表示方法が最も多く応用されているが、これは２つの基板にそれぞれ電極を設置して液晶方向子が９０度ツイストするように配列し、次いで電極に電圧を加えて液晶方向子を駆動する技術である。

ＴＮ方式の液晶表示素子は優れたコントラスト（contrast）と色再現性を提供するが、とりわけ電界が印加されていない状態で液晶分子の長軸を上下表示板に対して垂直となるように配列した垂直配向（VA; Vertical alignment）モード液晶表示素子は、コントラスト比が大きいため脚光を浴びている。しかし、ＴＮ方式の液晶表示素子は視野角が狭いという問題を抱えている。

このようなＴＮ方式の視野角問題を解決するために、垂直配向モードの液晶表示装置に切欠部を適用したＰＶＡモード（Patterned Verticlally Aligned Mode）と、１つの基板上に２つの電極を形成し、２つの電極間に発生する横電界により液晶の方向子を調節するＩＰＳモード（In-Plane Switching Mode）が導入された。

それ以降は、前記ＩＰＳモードの低い開口率及び透過率を向上させるために、相対電極と画素電極を透明伝導体で形成することにより相対電極と画素電極の間隔を狭くし、前記相対電極と画素電極間に形成されるフリンジフィールドにより液晶分子を動作させるＦＦＳモード（Fringe Field Switching Mode）が急成長している。

一方、ＦＦＳモードの光効率がＴＮモードに追いつかないという問題を解決するためにＦＩＳモードが開発されたが、従来のＦＦＳモードにおける画素電極間の低い透過率を向上させることができるだけでなく、２つの薄膜トランジスタによる電圧印加方式で低電圧駆動が可能な液晶表示素子を得ることができる。

また、これら各モードは固有の液晶配列と光学異方性とを有する。よって、これら液晶モードの光学異方性による位相差を補償するためには、各モードに対応する光学異方性の光位相差フィルムが必要である。光位相差フィルムは、ＬＣＤの色補償フィルムとして開発されたものであるが、近年は高波長分散化、広視野角化、温度補償、高位相差フィルムなど様々な機能が求められている。

液晶表示装置においては、予め制御された液晶分子の配向を電界印加により他の配向状態に変化させると共に、透過する光の偏光方向や偏光状態を変化させ、これらの変化を偏光板などで明暗のコントラストに変化させて表示するのが一般的である。

液晶を配向させる通常の方法として、ガラスなどの基板にポリイミドなどの高分子膜を塗布し、その表面をナイロンやポリエステルなどの繊維で一定の方向にラビングする接触式ラビング方法が用いられている。このような接触式ラビング方法による液晶配向は、簡単で安定した液晶の配向性能が得られるという利点があるが、繊維質と高分子膜が摩擦する際に微細な埃や静電気（electrostatic discharge; ESD）が発生するので基板を損傷することがあり、工程時間の増加及びガラスの大型化に伴ってロール（roll）が大型化することにより、ラビング強度（rubbing strength）のバラツキなどの工程の不具合が液晶パネル製造時に深刻な問題となることがある。

このような接触式ラビング方法の問題を解決するために、新しい方法の非接触式配向膜製造に関する研究が盛んに行われている。非接触式配向膜製造方法としては、光配向法、エネルギービーム配向法、蒸気蒸着配向法、リソグラフィを用いたエッチング法などがある。

特に、光配向法とは、線偏光されたＵＶによって光反応性高分子に結合された光反応物質が光反応を起こして一定の配列となることにより、結果として液晶が配向される光重合型液晶配向膜を形成するメカニズムをいう。

そのためには、線偏光された紫外線を照射する際に、光反応性物質が偏光方向に応じて一定の方向と角度で配列される特性がなければならず、反応性液晶との相互作用により液晶配向が良好に行われるように反応性液晶とのマッチングが良好に行われなければならない。特に、光配向膜を形成する光配向物質は、印刷性、配向安定性、熱安定性などの物性がよくなければならない。

紫外線照射による光反応としては、シンナメート、クマリン、カルコン、スチルベン、ジアゾなどの光重合反応、シス−トランス異性質化の光異性化反応、分解の分子鎖切断などが既に知られている。このような紫外線による分子光反応を、適切な配向膜分子の設計と紫外線照射条件の最適化により、紫外線照射による液晶配向に応用した事例がある。

例えば、特許文献１においては、ラビング処理を行わずに直線偏光された紫外線照射により液晶配向能を付与することを特徴とする液晶配向膜の製造方法及びその液晶配向膜を有する液晶表示素子を開示している。特に、ＬＣＤ産業に関連のある日本、韓国、欧州、米国などでこのような光配向法に関する特許が多数出願されている現状である。しかし、初期アイディアが出されてから、一部では量産中であるが、産業界全般に広く適用されているわけではない。

これは、前記光反応に単純な液晶配向を誘導することはできるが、外部の熱、光、物理的な衝撃、化学的な衝撃などの面で安定した配向特性を維持又は提供することができないからである。すなわち、光配向法は、ラビング方法に比べて生産性や信頼性が低い。上記問題の主原因としては、ラビング方法に比べて配向規制力（anchoring energy）が低く、液晶の配向安定性が低いことなどが挙げられる。

韓国登録特許第１０−０４２３２１３号公報

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、偏光パルスＵＶを用いて光配向剤の工程時間を短縮することにより、生産性及び光反応の効率性を最大化することができる、パルスＵＶを用いた光配向装置を提供することを目的とする。

また、配向性及び配向安定性を有し、優れた位相差能をもたらす、パルスＵＶを用いた光配向装置を提供することを目的とする。

本発明の好ましい一実施形態によれば、チャンバと、前記チャンバの上部に設けられ、ＵＶ光を発するランプと、前記チャンバの下部に備えられ、表面に配向膜が形成された基板が装着されるステージと、前記ステージと前記ランプ間に脱着可能に設けられる偏光子とを含む、パルスＵＶを用いた光配向装置が提供される。

ここで、前記ランプはパルスＵＶ光を発することを特徴とする。

ここで、前記ランプは、前記チャンバの上部一側に設けられるハウジング内に設けられる。

また、前記偏光子は、前記ランプと前記ステージ間に設けられる支持台に交換可能に設けられる。

ここで、前記支持台は、前記ランプと前記ステージ間に水平に設けられ、一側に上下方向に開口した開口部が形成され、前記偏光子を挿入装着できるように、スライド溝を有する結合部が前記開口部の枠に沿って形成される。

ここで、前記支持台は前記チャンバ内に昇降可能に設けられてもよい。

また、前記ステージは、摺動可能に設けられてもよく、また高さ調節可能に設けられてもよい。

ここで、前記パルスＵＶ光は、０．１ｍＪ／ｐｕｌｓｅ〜５００Ｊ／ｐｕｌｓｅのエネルギーを有する。

また、前記パルスＵＶ光は、１Ｈｚ〜６０Ｈｚで照射されることが好ましい。

本発明の一実施形態によるパルスＵＶを用いた光配向装置の概略図である。 本発明の一実施形態による支持台の斜視図である。 パルスＵＶの特性を示す概略図である。 本発明の一実施形態による光配向装置を用いる光位相差フィルムの製造方法のフローチャートである。 本発明の一実施形態による光配向装置を用いる一般液晶表示装置の製造方法のフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明のパルスＵＶを用いた光配向装置の好ましい実施形態について説明する。その過程において、図面に示す線の太さや構成要素の大きさなどは、説明の明瞭性と便宜のために誇張して示すこともある。

また、後述する用語は本発明における機能を考慮して定義された用語であり、これらは使用者、運用者の意図や慣例によって異なる用語に置き換えられてもよい。よって、このような用語に対する定義は、本明細書全体の内容に基づいて下されるべきである。

また、後述する実施例は本発明の権利範囲を限定するものではなく、本発明の請求の範囲に示す構成要素の例示的な事項にすぎず、本発明の明細書全体の技術思想に含まれ、請求の範囲の構成要素において均等物に置き換えることのできる構成要素を含む実施例は、本発明の権利範囲に含まれる。

図１は本発明の一実施形態によるパルスＵＶを用いた光配向装置の概略図である。

図１に示すように、本発明の一実施形態によるパルスＵＶを用いた光配向装置（以下、「光配向装置」）１００は、チャンバ２００と、チャンバ２００の上部に設けられてパルスＵＶ光を発するランプ３００と、チャンバ２００の下部に備えられて基板５００が装着されるステージ４００と、ステージ４００とランプ３００間に脱着可能に設けられる偏光子６００とを含む。

ここで、ランプ３００は、パルスＵＶ光源とレンズとを含み、チャンバ２００の上部に備えられるハウジング３１０内に設けられることが好ましい。ランプ３００は、その材質がＵＶの透過効率のよい材質、例えば石英やサファイアなどの材質で作製することができ、直管型、Ｕ字型、スパイラル型など様々な形状に成形することができる。ただし、対象基板５００にパルスＵＶが均一に照射されるようにするためには、基板５００の形状に類似した形態にランプ３００を作製することが好ましい。

ステージ４００は、前後左右方向に摺動可能に設けられてもよい。そのために、例えばチャンバの底面にステージの移動方向を案内するガイドレールが備えられ、ステージを移動させる移動シリンダ又はモータがチャンバの内部一側に設けられてもよい。ここで、移動シリンダのシリンダロッドの端部がステージ４００の一側に結合されるか、モータ軸に結合されたリードスクリューの一端がステージ４００の一側に螺合される。

また、シリンダ又はモータの作動によりステージ４００の高さが調節されるように設けることもできるが、そうすると、ステージ４００上に装着される基板５００とランプ３００又は偏光子６００との間隔を調節することができる。基板５００の表面には配向膜が形成される。ここで、配向膜は、例えばシンナメート（cinnamate）、カルコン、クマリン、スチルベン、ジアゾなどの光反応を含むポリイミド（polyimide）、ポリビニル（polyvinyl）、ポリシロキサン（polysiloxane）、ポリアクリル（polyacryl）系物質からなる。

基板５００はフォトマスク５１０を含む。フォトマスク５１０は、配向膜がコーティングされた基板５００上に位置し、マルチドメイン（multi-domain）パターンの形成を可能にする。ここで、フォトマスク５１０は、基板５００の表面に付着されてもよく、基板５００の上部に離隔して配置されてもよい。

フォトマスク５１０を用いたマルチドメインパターンの形成方法としては、例えば１次露光時にフォトマスクを用いて最初のドメインを形成し、２次露光時にはフォトマスクを除去して全面露光する方法と、１次露光で全面露光を先に行い、その後フォトマスクを用いて部分的に２次露光する方法が挙げられる。ここで、１次露光と２次露光における偏光方向が異なるので、偏光方向の調整のために偏光子６００又は基板５００の回転又は移動が行えるように構成される必要がある。

本発明の一実施形態による光配向装置１００は、チャンバ２００の一側に備えられるＤＣ電力供給器（図示せず）により電源が供給される。こうして供給された一定のエネルギーの電源は、コンデンサにより電流の形態で蓄積され、高いエネルギーとして蓄積される。蓄積された高エネルギー電流はパルス発生器３２０によりパルスに波形が変換されるが、このパルス発生器３２０とＵＶランプ３００の種類によってパルスの形状、波形、波長が決定される。パルス発生器３２０により投入されるパルス状の高エネルギーは、ランプ３００によりパルスＵＶ形態で基板５００に照射される。

一方、本発明の一実施形態による光配向装置１００は、ランプ３００と偏光子６００間に配置されるバンドパスフィルタ（band pass filter）（図示せず）をさらに備える。前記バンドパスフィルタにより、ランプ３００から照射されるパルスＵＶの波長を適宜調節することができる。

図２は本発明の一実施形態による支持台の斜視図である。

ランプ３００とステージ４００間を横切るように、チャンバ２００の内部に六面体バー状の支持台７００が水平に設けられる。支持台７００の一側は上下に開口しているが、これはランプ３００から発せられるパルスＵＶが支持台７００を通過してステージ４００上の基板５００に照射されるようにするためである。

支持台７００の底面の開口部７１０に偏光子６００が設けられ、ランプ３００から発せられたパルスＵＶを偏光させる。ここで、開口部７１０と基板５００は、パルスＵＶのエネルギー及び強度均一度が８０％以上となる領域に対応する面積を有するように形成されることが好ましい。また、偏光子６００は、支持台７００の開口部７１０に固定又は脱着可能に設けられることが好ましい。そのために、支持台７００の底面の開口部７１０の枠に沿ってスライド溝を有する結合部７２０が形成される。

結合部７２０は、開口部７１０の枠に沿って下方に延設される延長部７２１と、延長部７２１の下端から内側に折曲形成される収容部７２２とを含み、延長部７２１の一側は開放される。例えば、開口部７１０が四角形の断面形状を有するように形成される場合、結合部７２０は一辺部が開放され、この開放部から偏光子６００が結合部７２０にスライド結合される。

支持台７００は、チャンバ２００内に昇降可能に設けられてもよい。例えば、チャンバ２００の内壁に支持台７００の昇降方向を案内するガイドレールが備えられ、移動シリンダの作動又はモータの駆動により支持台７００がガイドレールに沿って昇降するように構成されてもよい。ここで、移動シリンダのシリンダロッドの端部が支持台７００の一側に結合されるか、モータ軸に結合されたリードスクリューの一端が支持台７００の一側に螺合される。このように支持台７００が昇降可能に設けられる場合、偏光子６００とランプ３００との間隔、又は偏光子６００と基板５００との間隔を必要に応じて自由に調節することができる。

一方、偏光子６００の回転が可能となるように支持台７００を構成することもできる。例えば、モータの駆動により支持台７００全体がチャンバ２００の内壁の内周面に形成されるガイド溝に沿って回転するように構成することができる。他の例として、偏光子６００が結合される結合部７２０を別途の部材で作製し、モータの駆動により支持台７００上で結合部７２０が回転するように構成することもできる。ここで、支持台７００と偏光子６００が固定された状態で、基板５００と共にステージ４００が回転するように構成できることは言うまでもない。

前述したステージ４００、支持台７００、結合部７２０の移動又は回転作動は、チャンバ２００の外部に備えられるコントローラ（図示せず）により制御することができ、ステージ４００の移動と支持台７００又は結合部７２０の回転により、基板５００上に配向方向が異なるマルチドメイン（multi-domain）を形成することができる。

すなわち、基板５００の表面を複数のドメインに区分した場合、例えば第１ドメインを光配向処理し、その後ステージ４００を移動させて第２ドメインが偏光子６００の下方に位置するようにし、偏光子６００を所定角度回転させ、次いでパルスＵＶを第２ドメインに照射することにより、第１ドメインと第２ドメインの液晶配向方向が異なる方向となるようにすることもできる。

図３はパルスＵＶの特性を示す概略図である。

図３において、ｘ軸は時間ｔであり、ｙ軸はＷ（watt）単位のピークパワー（peak power）である。硬化などの工程に用いられる一般的なＵＶ照射方法は、一定のエネルギーを有する紫外線が継続して照射される方法であるが、本発明においては、高エネルギーを有するＵＶがパルス（pulse）状に照射される。このようなパルスＵＶは、非常に短時間の照射が行われ、相対的に長時間の冷却が行われる。すなわち、デューティサイクル（duty cycle；パルスがオンの時間／パルスが繰り返される総時間×１００(％)）が１％未満と非常に小さな値となるので、全体的に照射時間が短く、冷却時間が長いため、パルスＵＶ照射過程中に熱が発生しなくなるという利点がある。

本発明の一実施形態において、偏光子６００により偏光されたパルスＵＶは、５０ｎｍ〜８００ｎｍの波長を出力することができる。偏光されたパルスＵＶは、５０ｎｍ〜４００ｎｍの紫外線領域の光だけでなく、４００ｎｍ〜８００ｎｍの可視光線領域の波長の光も放射することができる。

よって、従来の水銀ＵＶランプ、メタルハライドＵＶランプ又はガリウムＵＶランプがそれぞれ紫外線領域の特定の波長の光のみ放射するのとは異なり、本発明のランプ３００は広い波長領域の光を放射することができる。

偏光されたパルスＵＶは、パルス幅２０マイクロ秒以下、１秒当たり１〜６０Ｈｚパルスの波形、０．１ｍＪ／ｐｕｌｓｅ〜５００Ｊ／ｐｕｌｓｅで照射することができる。よって、例えば従来のＵＶランプが１００ｍＷで１２秒間継続して照射して光配向層を配向させるのに対して、本発明のランプ３００は、パルスＵＶの強い照射エネルギー及び強度により、例えば０．０２秒以内の照射で基板の光配向層を配向させることができる。すなわち、本発明の一実施形態によれば、光配向時の光照射時間の短縮により工程時間が短縮され、それにより生産性が向上するという効果がある。また、光照射が極めて短い時間であるので、光配向膜の熱損傷や熱変形を防止することができる。

発光ランプは、対象体の表面との距離が長くなるほど、ランプの中心部に対応する地点の光度とその周辺部の光度の差が大きくなる。よって、ＵＶ光度と均一度は基板５００に近いほど優れるが、従来は基板５００が直接受ける熱変形のため、少なくとも所定の照射距離を維持しなければならなかった。一般には約１００〜１５０ｍｍの照射距離を確保するが、その場合、ランプの中心部と周辺部の均一度には約３０％の差が生じる。

しかし、本発明の一実施形態によるランプ３００の場合、パルスＵＶを照射するので熱発生がわずかであり、基板５００の表面に熱的な影響を与えない。よって、基板５００の表面に可能な限り近接（例えば、５ｍｍ以内）させてパルスＵＶを照射することができ、光度の均一度はほぼ１００％の水準を維持することができる。

また、偏光されたパルスＵＶは、超短時間で瞬間的なパルス波を基板５００の光配向層に照射するので、光配向時に強い浸透力を発揮する。その結果、偏光されたパルスＵＶは、光配向層が厚い厚膜（thickness layer）に対しても光配向を均一に行うことができる。

コスト面では、偏光されたパルスＵＶは、従来のアーク放電ランプを用いる場合より電力使用量を８０％以上低減させることができる。偏光されたパルスＵＶは、瞬間的なＵＶエネルギーを用いるので、電力使用量が減少する。

また、偏光されたパルスＵＶは、瞬間ＯＮ／ＯＦＦ機能を有するので、工程フローでＵＶ照射が不要な場合はランプをＯＦＦにすることができ、エネルギー削減効果があり、シャッターなどの開閉装置が不要である。さらに、熱減少によりランプや装置の寿命延長効果をもたらすことができる。さらに、従来のＵＶランプに用いられるコールドミラー、ホットミラーなどの消耗品交換コストがかからないので、経済面においても利点がある。

図４は本発明の一実施形態による光配向装置を用いる光位相差フィルムの製造方法のフローチャートである。図４に示すように、光位相差フィルムの製造のために、まず基板に光配向剤をコーティングして乾燥させる。次に、基板に偏光パルスＵＶを照射するが、ここで本発明の一実施形態による光配向装置を用いることができ、マルチドメイン形成工程が含まれてもよい。その後、反応性液晶混合物のコーティング及び乾燥を行い、無偏光パルスＵＶ又は一般の無偏光ＵＶを基板に照射して仕上げる。

図５は本発明の一実施形態による光配向装置を用いる一般液晶表示装置の製造方法のフローチャートである。図５に示すように、まず洗浄したＴＦＴ基板又はＣＦ基板に光配向剤をコーティングして乾燥させる。次に、基板に偏光パルスＵＶを照射するが、ここで本発明の一実施形態による光配向装置を用いることができ、マルチドメイン形成工程が含まれてもよい。その後、液晶をＯＤＦ（One-Drop-Filling）法で注入してシール（sealing）し、シール（seal）硬化を含むセルアセンブリ（cell assembly）段階を経て熱処理で仕上げる。

本発明の好ましい一実施形態によるパルスＵＶを用いた光配向装置によれば、偏光されたパルスＵＶを用いて反応性液晶を含む光配向剤の露光工程時間を短縮することができるので、生産性向上及び大量生産が容易になる。

また、偏光されたパルスＵＶを用いるので、配向性及び配向安定性を有し、優れた位相差能をもたらすことができる。

Claims (10)

1. チャンバと、
   前記チャンバの上部に設けられ、パルスＵＶ光を発するランプと、
   前記チャンバの下部に備えられ、表面に配向膜が形成された基板が装着されるステージと、
   前記ステージと前記ランプ間に脱着可能に設けられる偏光子とを含む、パルスＵＶを用いた光配向装置。
2. 前記ランプと前記偏光子間に配置されるバンドパスフィルタをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のパルスＵＶを用いた光配向装置。
3. 前記ランプは、前記チャンバの上部一側に設けられるハウジング内に設けられることを特徴とする、請求項１に記載のパルスＵＶを用いた光配向装置。
4. 前記偏光子は、前記ランプと前記ステージ間に設けられる支持台に交換可能に設けられることを特徴とする、請求項１に記載のパルスＵＶを用いた光配向装置。
5. 前記支持台は、前記ランプと前記ステージ間に水平に設けられ、一側に上下方向に開口した開口部が形成され、前記偏光子を挿入装着できるように、スライド溝を有する結合部が前記開口部の枠に沿って形成されることを特徴とする、請求項４に記載のパルスＵＶを用いた光配向装置。
6. 前記支持台は、前記チャンバ内に昇降可能に設けられることを特徴とする、請求項５に記載のパルスＵＶを用いた光配向装置。
7. 前記ステージは、摺動可能に設けられることを特徴とする、請求項１に記載のパルスＵＶを用いた光配向装置。
8. 前記ステージは、高さ調節可能に設けられることを特徴とする、請求項１に記載のパルスＵＶを用いた光配向装置。
9. 前記パルスＵＶ光は、０．１ｍＪ／ｐｕｌｓｅ〜５００Ｊ／ｐｕｌｓｅのエネルギーを有することを特徴とする、請求項１に記載のパルスＵＶを用いた光配向装置。
10. 前記パルスＵＶ光は、１Ｈｚ〜６０Ｈｚで照射されることを特徴とする、請求項１に記載のパルスＵＶを用いた光配向装置。

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