JP4532437B2

JP4532437B2 - 液晶表示装置及びその製造方法

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Publication number: JP4532437B2
Application number: JP2006139443A
Authority: JP
Inventors: キョ−ヨン・ク; ミン−ジュ・キム; ボン−チュル・キム; ジョン−ヒョン・キム; ヒョン−チン・ソ; セ−ジョン・シン; ミョン−ホ・イ; スン−ヒョン・イ
Original assignee: エルジーディスプレイカンパニーリミテッド
Priority date: 2005-05-18
Filing date: 2006-05-18
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2026-05-18
Also published as: US7643111B2; DE102006023138A1; TW200643529A; DE102006023138B4; US20100068965A1; KR101186864B1; KR20060119175A; CN1866116A; CN100390648C; JP2006323393A; TWI343493B; US7982831B2; US20060263920A1

Description

本発明は、液晶表示装置及びその製造方法に関し、特に、インクジェット方式により多面体のスペーサを基板上に実現した、液晶表示装置及びその製造方法に関する。

近年、携帯電話、ＰＤＡ(Personal Digital Assistant)、ノートブックコンピュータなどの各種の携帯用電子機器が発展するにつれて、これに適用できる小型・軽量・薄型のフラットパネルディスプレイデバイスに対する要求が次第に増大している。

このようなフラットパネルディスプレイデバイスとして、液晶表示装置(ＬＣＤ：Liquid Crystal Display)、ＰＤＰ(Plasma Display Panel)、ＦＥＤ(Field Emission Display)、ＶＦＤ(Vacuum Fluorescent Display)などが活発に研究されているが、量産化技術、駆動手段の容易性、高画質の実現という理由により、それらの中で、現在は液晶表示装置(ＬＣＤ)が最も脚光を浴びている。

前記液晶表示装置は、単位画素がマトリクス状に配列されるアレイ基板と、前記アレイ基板と対向して色相を表示するためのカラーフィルタ基板と、これら２つの基板の間に充填される液晶層とから構成される。

前記アレイ基板と前記カラーフィルタ基板とは、その縁部でシールラインにより貼り合わせられて所定のセルギャップを形成する。これら２つの基板間のセルギャップは、スペーサにより均一に維持される。
前記スペーサは、その形状によって、球状スペーサと柱状スペーサに区分できる。
前記球状スペーサは、微細な球状を有し、散布方式により、上部のカラーフィルタ基板又は下部のアレイ基板に形成され、前記柱状スペーサは、フォト工程により感光性有機膜で形成される。
前記柱状スペーサは、前記アレイ基板に形成された第１配向膜と前記カラーフィルタ基板に形成された第２配向膜との間には形成することはできない。その理由は、前記柱状スペーサを作るときにフォト工程を用いるので、当該フォト工程は、前記柱状スペーサの上と下とに配向膜が存在している場合には行うことができないためである。なお、柱状スペーサが配設された後に、配向膜を追加するようにしてもよいが、その場合には、柱状スペーサ上の配向膜は、他方の基板の配向膜と接することとなる。
前記球状スペーサの形成方法は、アルコールなどにスペーサを混合して噴射する湿式散布法と、スペーサだけ散布する乾式散布法に区分できる。また、前記乾式散布法としては、静電気を利用する静電散布法と、気体の噴射圧力を利用する除電散布法があるが、静電気に脆弱な液晶表示パネルには除電散布法が主に用いられる。

前記散布方式による球状スペーサの形成方法は、スペーサを容易に形成できるという利点があるが、散布方式を用いるため、所望の位置にスペーサを形成することが相対的に難しく、散布密度を均一にすることも難しいという問題があった。
したがって、前記散布方式によりスペーサを形成した場合は、画像が表示される画素領域にスペーサが形成されて開口率を減少させたり、散布されるスペーサが局所的に集まってしまい画面ムラを発生させたりする。

それに対して、フォト工程により形成される柱状スペーサは、スペーサの形成位置に応じて予め設計されたマスクを使用して、フォト工程によりスペーサを形成するため、スペーサの形成位置を自由に調節でき、スペーサの形成密度及び形状を自由に調節できるという利点がある。
しかし、前記柱状スペーサは、フォト工程を用いるため、スペーサを形成するに際して、廃棄される感光膜が非常に多くてコストの上昇及び環境汚染の原因となると共に、フォト工程のために高価なマスクを使用しなければならず、また、フォト工程に伴う様々な工程を行わなければならないなど、非経済的であるという問題があった。

そこで、このような問題を解決するために、インクジェット方式を用いて所定の位置に適正量のスペーサを形成する方法が提案された。

インクジェット方式によるスペーサの形成方法においては、所定の間隔で形成された複数の噴射孔を有するバータイプの噴射ノズルを利用する。前記噴射ノズルは、滴下方式により、液晶表示パネルのアレイ基板又はカラーフィルタ基板上の所定の位置にスペーサを形成できる。したがって、前記インクジェット方式によるスペーサの形成方法は、滴下方式により少量のスペーサを所望の位置に形成できるため、前記柱状スペーサの形成方式に比べて、使用されるスペーサ量を減らすことができ、前記散布方式による球状スペーサの形成方式に比べて、スペーサの形成位置を容易に制御することができるという利点を有する。

図５は一般のインクジェット方式によるスペーサの形成方法を概略的に示す斜視図であり、図６は一般のインクジェット方式により形成されたスペーサを示す断面図である。
図５に示すように、カラーフィルタ基板１００（またはアレイ基板）にインクジェットヘッド１０１を配置した後、インクジェットヘッド１０１に形成された複数のノズルから所定のスペーサ１０４を噴射する。このようにして、スペーサ１０４は、アレイ基板又はカラーフィルタ基板のいずれか一方の基板に形成できる。図５はカラーフィルタ層１０２がマトリクス状に配列されたカラーフィルタ基板１００にスペーサが形成された場合を示している。

図中、符号１０３は、カラーフィルタ層１０２の間に形成されて光漏れを防止するブラックマトリクスである。
通常、インクジェット方式により形成されるスペーサは、液晶表示パネルの開口率を増加させるために、画素領域を定義するカラーフィルタ層１０２を避けて、ブラックマトリクス１０３上に噴射される。
また、インクジェット方式によるスペーサの形成方法においては、固形質の球状スペーサを揮発性溶媒に混合して滴下するが、溶媒とスペーサが滴下されると、溶媒は揮発し、スペーサだけが残る。通常、滴下される１滴の溶媒に複数のスペーサが含まれるため、滴下後、溶媒の揮発により複数のスペーサが集まり、上部基板と下部基板間のセルギャップを維持する実質的なスペーサの役割を果たす。

しかし、図６に示すように、インクジェット方式により形成される球状スペーサ２０１は、サイズが一定でない場合、位置によってセルギャップが異なることがある。このように、インクジェット方式により形成されるスペーサ２０１は、そのサイズが大きすぎると、スペーサ２０１により上部基板１０５又は下部基板１０６に圧力が作用して、上部基板１０５と下部基板１０６にスクラッチを発生させ、そのサイズが設計されたセルギャップより小さいと、上部基板１０５と下部基板１０６を支持できない。

図７Ａは外部圧力により球状スペーサが移動する現象を示す図であり、図７Ｂは外部圧力により移動した球状スペーサにより液晶分子が正しく配列されない現象を示す図である。
図７Ａに示すように、上部基板１０５と下部基板１０６とが貼り合わせられて形成された液晶表示パネルに外部から圧力が加えられると、球状スペーサ２０１が決定された位置から矢印方向に移動する現象が発生する。特に、外部から加えられた圧力によりスペーサ２０１がブラックマトリクス領域から離脱した場合、スペーサ２０１の位置変化により、スペーサ２０１の周囲に配列された液晶分子の配向が乱れ、スペーサ２０１の周囲に光漏れが発生するという問題があった。

図７Ｂに示すように、貼り合わせられた液晶表示パネルに外部から圧力が加えられると、球状スペーサ２０１の位置が変化し、スペーサ２０１の周囲に配列されていた液晶分子２０５ｂは、初期配向方向に配向された液晶分子２０５ａとは異なる方向に配向される。このようにして、位置ずれが発生したスペーサ２０１の周囲に光漏れが発生する。

本発明は、このような従来技術の問題を解決するためになされたもので、インクジェット方式によるスペーサの形成時に外部圧力によるスペーサの位置変化を最小化した、液晶表示装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、スペーサと基板との接触面積を増加させることによりスペーサの耐圧力性を向上させた、液晶表示装置及びその製造方法を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明による液晶表示装置の製造方法は、ゲートラインと、前記ゲートラインと実質的に交差するデータラインとを備えたアレイ基板を形成する工程と、前記アレイ基板に対応するカラーフィルタ基板を形成する工程と、前記アレイ基板又は前記カラーフィルタ基板のいずれか一方の基板にインクジェットヘッドを配置する工程と、前記インクジェットヘッドに備えられたノズルから多面体のスペーサを噴射する工程と、前記アレイ基板と前記カラーフィルタ基板とを貼り合わせる工程と、前記多面体のスペーサの表面に表面処理層を形成する工程と、を含み、前記表面処理層を形成する工程が、前記多面体のスペーサ上にポリビニルアルコール群を形成する工程と、前記ポリビニルアルコールとレドックス開始剤とを酸化及び還元反応させてラジカルを形成する工程と、前記ラジカルとアルキル基を含むモノマーとを重合反応させる工程と、を含むことを特徴とする。

本発明は、液晶表示パネルのセルギャップを維持するために、多面体のスペーサを使用して基板との接触面積を増加させることにより、外部圧力によりスペーサが移動することを防止する。したがって、本発明によれば、スペーサの位置変化によりスペーサの周囲に光漏れが発生することを防止できる。

また、本発明は、同じサイズを有する多面体のスペーサを形成することにより、基板全体に均一なセルギャップを維持できる。

さらに、本発明は、インクジェット方式によりスペーサを形成することにより、基板の所望の位置にスペーサを形成でき、フォト工程を用いた柱状スペーサの形成方法に比べてスペーサ形成材料の浪費を防止できる。

以下、添付の図面を参照して本発明による液晶表示装置及びその製造方法の好ましい実施形態を説明する。
図１Ａは本発明の実施形態による多面体のスペーサを含むアレイ基板を概略的に示す平面図である。
図１Ａに示すように、アレイ基板５１０上には、並行に配列された複数のゲートライン４０１と、これらゲートライン４０１と実質的に交差する複数のデータライン４０２とが形成されている。また、ゲートライン４０１とデータライン４０２とが交差して単位画素領域が定義される。

前記単位画素領域には、該当画素を駆動するためのスイッチング素子として、薄膜トランジスタ４０３が形成されている。また、前記単位画素領域には、液晶層に電界を印加するための画素電極４０４が形成されている。ここで、画素電極４０４は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明な導電物質で形成できる。

このように構成されたアレイ基板上には、カラーフィルタ基板とのセルギャップを一定に維持するためのスペーサ４０５が形成されるが、本発明の実施形態によるスペーサ４０５は、ゲートライン４０１とデータライン４０２との交差領域に形成される。
スペーサ４０５は、前記アレイ基板上のどこにでも形成できるが、一般に不透明な物質からなるスペーサ４０５が画素領域に形成されると、前記画素領域の開口率を減少させるため、前記画素領域を避けて、ゲートライン４０１又はデータライン４０２上に形成する。特に、本実施形態のように、ゲートライン４０１とデータライン４０２との交差領域にスペーサ４０５を形成することにより、開口率を大きく確保できる。

また、本発明の実施形態によるスペーサ４０５は、形成位置を制御できるインクジェット方式により形成されるため、前述のように、スペーサ４０５をゲートライン４０１とデータライン４０２との交差領域上に選択的に形成することが可能である。

以下、前記アレイ基板と対向して貼り合わせられるカラーフィルタ基板の構造について、図１Ｂを参照して説明する。
図１Ｂは本発明の実施形態による多面体のスペーサを含むカラーフィルタ基板を概略的に示す平面図である。
図１Ｂに示すように、カラーフィルタ基板５２０は、前記アレイ基板の単位画素領域に対応するサブカラーフィルタ層４１０が、前記アレイ基板の単位画素領域のように、マトリクス状に配列されている。ここで、サブカラーフィルタ層４１０は、光漏れを防止するためのブラックマトリクス４１１により分離されている。ブラックマトリクス４１１は、図１Ｂに示すように縦横に延び、前記アレイ基板上のゲートライン、データライン、薄膜トランジスタ領域を遮蔽するように、それらの位置に対応するように形成されている。

また、ブラックマトリクス４１１上には、前記カラーフィルタ基板と前記アレイ基板間のセルギャップを一定に維持するためのスペーサ４０５が形成されるが、本発明の実施形態によるスペーサ４０５は、ブラックマトリクス４１１の交差領域に形成される。
前述のように、スペーサは、アレイ基板又はカラーフィルタ基板のいずれか一方の基板に形成されるが、以下、前記アレイ基板上にスペーサが形成された場合を説明する。
前記構造を有するアレイ基板とカラーフィルタ基板とは、単位画素領域とサブカラーフィルタ層とが精密に対応するように貼り合わせられるが、前記アレイ基板と前記カラーフィルタ基板との間に本発明によるスペーサが形成されて、前記アレイ基板と前記カラーフィルタ基板間のセルギャップを一定に維持する。

図２は図１ＡのＩ−Ｉ線断面図であり、本発明の実施形態によるスペーサを含む液晶表示パネルの断面を概略的に示している。
図２に示すように、アレイ基板５１０は、透明な絶縁物質からなる第１基板５０１上にゲートライン４０１が形成されている。また、ゲートライン４０１が形成された第１基板５０１上には、ゲートライン４０１を絶縁するためのゲート絶縁層５０３が形成され、ゲート絶縁層５０３上には、ゲートライン４０１と実質的に交差するデータライン４０２が形成されている。さらに、データライン４０２が形成されたゲート絶縁層５０３上には、データライン４０２を絶縁し、所定の段差を平坦化するための保護層５０５が形成されている。
さらに、保護層５０５上には、液晶の初期配向方向を決定する配向膜５０７が形成され、配向膜５０７上には、多面体のスペーサ４０５がインクジェット方式により形成されている。

このように、インクジェット方式により多面体のスペーサ４０５を形成する場合は、第１基板５０１に形成された配向膜５０７（又は後述する第２基板５２１に形成された配向膜５２５）上に多面体のスペーサ４０５を噴射するため、多面体のスペーサ４０５は、実質的に配向膜５０７と５２５との間に形成される。
ここで、スペーサ４０５は、例えば、四角形などの多面体であるため、第１基板５０１上に噴射されたとき、基板との接触面積が球状に比べて増加する。

スペーサ４０５は、揮発性溶媒に固形のスペーサを混合して噴射するインクジェット方式により第１基板５０１上に形成されるが、通常、基板に噴射される１滴の溶媒には複数の多面体のスペーサが含まれる。溶媒と共に噴射された複数の多面体のスペーサが前記溶媒の揮発により集まり、セルギャップを支持する独立したスペーサ４０５が形成される。
インクジェット方式により形成されるスペーサ４０５は、液晶の配向のために数百Åの厚さに形成された配向膜５０７上に常温で形成されるので、配向膜形成工程及びラビング工程に引き続いてスペーサ形成工程を行うことができるため、工程時間を短縮することができ、生産性を向上させることができる。

一方、アレイ基板５１０に対応するカラーフィルタ基板５２０は、第２基板５２１と、第２基板５２１上に形成されるブラックマトリクス４１１と、ブラックマトリクス４１１により分離されるサブカラーフィルタ層４１０を備えるカラーフィルタ層５２３と、カラーフィルタ層５２３の段差をなくすためのオーバーコート層５２４とを備える。オーバーコート層５２４上には、アレイ基板５１０に形成された画素電極と対をなして液晶層に電界を印加する共通電極を形成できる。
オーバーコート層５２４上には、液晶の初期配向方向を決定する配向膜５２５が形成されている。また、配向膜５２５上には、スペーサを形成することができる。

本発明の実施形態によるスペーサは、ゲートラインとデートラインとの交差領域に形成され、その形状は多面体である。
スペーサが多面体であるため、スペーサが基板に噴射されたとき、基板との接触面積が増加する。従って、外部圧力によりスペーサが移動することを防止できる。従来は、球状スペーサに制限されており、スペーサが基板と点接触するため、外部から圧力が加えられた場合、スペーサの移動が容易であり、スペーサの位置ずれによる光漏れが発生しやすかった。しかし、本発明においては、基板と面接触又は線接触するように、スペーサを四角形などの多面体にすることにより、基板との接触面積を増加させる。

図３は本発明による多面体のスペーサの多様な形状を示す図であり、本発明によるスペーサは、立方体、直方体、円柱型、六角柱型、又は他の形状の多面体であってもよい。また、本発明によるスペーサは、正多面体にすることができ、特に、本発明による正多面体のスペーサは、基板との接触面積が大きくて、スペーサのサイズが同一であるため、インクジェット方式により基板に噴射された後、セルギャップを均一に維持する。

前記多面体のスペーサを配向膜上に形成する際、配向膜との接着力を向上させるために、本発明においては、前記多面体のスペーサの表面に固着力を増大させるための表面処理を施すが、これについて図４Ａ〜図４Ｃを参照して説明する。
図４Ａ〜図４Ｃは本発明の実施形態による多面体のスペーサの表面処理工程を順次示す図である。

図４Ａに示すように、本発明による多面体のスペーサ７０１は、例えば、ジビニルベンゼンで形成される。
まず、固形のスペーサを高分子化合物であるポリビニルアルコール７０２群溶液と混合する。ここで、ポリビニルアルコール７０２は−ＯＨ基を含む。
次に、前記混合物に酸化及び還元反応するレドックス開始剤７０３を添加して、図４Ｂに示すように、ラジカル７０４を生成する。ラジカル７０４は、ポリビニルアルコール７０２の−ＯＨ基と、レドックス開始剤７０３に含まれる金属、例えば、Ｃｅ^４＋、Ｂ^５＋、Ｃｒ^６＋、Ｍｎ^３＋などとの重合反応により形成される。
次に、図４Ｃに示すように、高分子化のために、前記重合反応により形成されたラジカル７０４に、二重結合を有するアルキル基を含むモノマー７０５を添加して、さらに重合反応を行う。その結果、多面体のスペーサ７０１の表面には、二重結合の一部の鎖が解体されて結合状態が不安定な表面処理層が形成される。
このように形成された表面処理層は、有機膜である配向膜と相互作用して、前記配向膜との接着力を向上させる。

このように、本発明による多面体のスペーサは、表面処理層を備えることにより、より強く基板の表面に接着されるため、外部から圧力が加えられても移動が発生しない。したがって、スペーサの移動による光漏れ現象も改善される。

前記多面体のスペーサは、感光性有機物質にフォトリソグラフィ工程を行って形成できる。すなわち、所定の基板上に感光性有機物質を所定の厚さに塗布し、フォトリソグラフィ工程を行って所定のパターンを形成した後、前記所定のパターンを有する多面体のスペーサを前記基板から分離することにより形成できる。前記形成された多面体のスペーサは、揮発性溶媒と混合された後、インクジェットノズルに供給される。

以下、前記多面体のスペーサがインクジェット方式により基板に噴射される過程を説明する。
液晶表示パネルを構成するカラーフィルタ基板又はアレイ基板にインクジェットヘッドを位置させた後、前記インクジェットヘッドの噴射ノズルから多面体のスペーサを含む溶液を前記基板に噴射する。前記噴射された溶液のうち、揮発性溶媒が揮発することによって、前記基板の表面には多面体のスペーサだけが残る。前記揮発性溶媒が揮発する過程で、前記多面体のスペーサが集まり、結果的に、１つのスペーサが完成する。

前記の過程は噴射される溶液の全ての液滴で行われ、前記基板全体に均一にスペーサが形成される。

また、前記多面体のスペーサが表面処理層を備えることにより、ポリイミドなどからなる配向膜との結合力が向上するため、前記揮発過程でスペーサは、配向膜とのより強い結合力を示す。

したがって、本発明によるスペーサは、第１に、多面体であるため、基板との接触面積が増加し、第２に、前記多面体のスペーサが表面処理層を備えるため、配向膜との接着力が向上して外部圧力による位置変化が防止される。

本発明の実施形態による多面体のスペーサを含むアレイ基板を概略的に示す平面図である。本発明の実施形態による多面体のスペーサを含むカラーフィルタ基板を概略的に示す平面図である。図１ＡのＩ−Ｉ線断面図である。本発明による多面体のスペーサの多様な形状の例を示す図である。本発明の実施形態による多面体のスペーサの表面処理工程を示す図である。本発明の実施形態による多面体のスペーサの表面処理工程を示す図である。本発明の実施形態による多面体のスペーサの表面処理工程を示す図である。一般のインクジェット方式によるスペーサの形成方法を概略的に示す斜視図である。一般のインクジェット方式により形成されたスペーサを示す断面図である。外部圧力により球状スペーサが移動する現象を示す図である。外部圧力により移動した球状スペーサにより液晶分子が正しく配列されない現象を示す図である。

符号の説明

１００カラーフィルタ基板、１０１インクジェットヘッド、１０２カラーフィルタ層、１０３、４１１ブラックマトリクス、１０４，２０１スペーサ、１０５上部基板、１０６下部基板、２０５ａ，２０５ｂ液晶分子、４０１ゲートライン、４０２データライン、４０３薄膜トランジスタ、４０４画素電極、４０５スペーサ、４１０サブカラーフィルタ層、５０１第１基板、５０３ゲート絶縁層、５０５保護層、５０７配向膜、５１０アレイ基板、５２０カラーフィルタ基板、５２１第２基板、５２３カラーフィルタ層、５２４オーバーコート層、５２５配向膜、７０１スペーサ、７０２ポリビニルアルコール、７０３レドックス開始剤、７０４ラジカル、７０５モノマー。

Claims

ゲートラインと、前記ゲートラインと実質的に交差するデータラインとを備えたアレイ基板を形成する工程と、
前記アレイ基板に対応するカラーフィルタ基板を形成する工程と、
前記アレイ基板又は前記カラーフィルタ基板のいずれか一方の基板にインクジェットヘッドを配置する工程と、
前記インクジェットヘッドに備えられたノズルから多面体のスペーサを噴射する工程と、
前記アレイ基板と前記カラーフィルタ基板とを貼り合わせる工程と、
前記多面体のスペーサの表面に表面処理層を形成する工程と、
を含み、
前記表面処理層を形成する工程が、
前記多面体のスペーサ上にポリビニルアルコール群を形成する工程と、
前記ポリビニルアルコールとレドックス開始剤とを酸化及び還元反応させてラジカルを形成する工程と、
前記ラジカルとアルキル基を含むモノマーとを重合反応させる工程と、
を含むことを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
前記多面体のスペーサを噴射する工程が、
固形の多面体のスペーサと溶媒とを含む溶液を基板上に噴射する工程と、
前記溶媒を揮発させる工程と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置の製造方法。
前記多面体のスペーサは、前記スペーサが形成される基板と面接触することを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置の製造方法。
前記多面体のスペーサを噴射する工程で、立方体の形状を有する多面体のスペーサを噴射することを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置の製造方法。
前記多面体のスペーサを噴射する工程で、前記アレイ基板のゲートラインとデータラインとの交差領域に多面体のスペーサを噴射することを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置の製造方法。