KR100246161B1 - 액정원자 빔 정렬방법 - Google Patents

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Abstract

저 에너지 및 중성 아르곤 이온 빔에 노출된 폴리이미드 표면 상에 액정을 정렬할 수 있음을 알았다. 입사 이온의 에너지는 74 내지 500 eV 사이에서 변경되었고, 통합된 전류 밀도는 100μA/cm2내지 500mA/cm2사이에서 변경되었고, 정렬이 측정된 입사 각도는 10도 내지 80도 사이에서 변경되었다. 액정의 프리틸트 각도는, 처리 조건들을 제어함으로써 0도 내지 8도 사이에서 변경될 수 있었다. 저 가속 전압으로 동작함으로써, 전하 이동을 야기하는 폴리이미드의 열화가 방지될 수 있었다.

Description

액정원자 빔 정렬방법
제1도는 본 발명에 따른 이온 빔 시스템의 개략도.
제2도는 제6도의 입사 빔의 입사 각도의 함수로서의 프리틸트 각도의 도면.
제3도는 입사 빔에 노출된 시간에 따른 프리틸트 각도의 도면.
제4도는 가속 전압에 따른 프리틸트 각도의 도면.
제5도는 액정 셀에서 사용된 본 발명에 따라 노출된 기판의 휘도 대 시간의 그래프.
제6도는 노출된 기판의 표면에 입사된 본 발명에 따른 빔을 도시한 개략도.
제7도는 액정 분자의 프리틸트 각도를 도시한 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2 : 소스 본체 4 : 스크린 그리드
6 : 추출 영역 8 : 캐소드
12 : 방전 플라즈마 영역 14 : 양극
22 : 접속 저항기 44 : 빔 플라즈마 영역
[발명의 목적]
[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]
“METHOD AND APPARATUS FOR FORMING AN ALIGNMENT PATTERN ON A SURFACE USING A PARTICLE BEAM USEFUL FOR A LIQUID CRYSTAL”이라는 제목의 미국 특허 출원 제 호는 본 발명과 관련된 출원으로서 본 명세서에서 참조용으로 인용되었다.
본 발명은, 액정 디스플레이 셀을 형성하는데 사용될 수 있는 액정 물질의 정렬 층으로서 표면이 작용하도록, 원자 빔 또는 이온 빔과 같은 입자 빔에 상기 표면을 노출시키는 방법에 관한 것이다.
정렬된 액정들은 플랫 패널 디스플레이 분야에서 광범위하게 사용된다. 액정들은 기판 표면에 이방성을 유도함으로써 정렬된다. 이 표면은 통상 유리 기판상에 코팅된 폴리이미드와 같은 중합체이다1. 표면에 이방성을 유도하는 다수의 방법들에는, 러빙2, 중합체 스트레칭3, 랭뮤어-볼제 막(Langmuir-Boldgett film)4, 마이크로리소그래피에 의해 생성된 격자 구조5, SiOx의 경사각 증착(oblique angle deposition)6과 중합체 막의 편광 UV 방사7가 있다. 오늘날 시장에서 유용한 정렬 액정 디스플레이에서 사용되는 보급된 방법은 벨벳 천으로 중합체 막을 러빙(rubbing)하는 방법이다. 이 방법은 몇 몇 단점들을 갖는다8. 이러한 단점에는 클린룸 환경에서의 러빙 처리 중에 옷감 부스러기가 남게 된다는 점과; 정전 방전과 얇은 폴리이미드 막 아래의 전자 회로에 대한 정전 방전의 영향과 관련되고; 거시적 프로세스인 러빙은 통상 수백 ㎛ 정도인 공간 사이즈의 픽셀에서 서로 다른 방향들로 액정들을 정렬하는데는 유용하지 않다. 국부적 정렬은 디스플레이의 시각(angle of viewing)을 상당히 증가시키는 멀티도메인 구조(multidomain structure)를 얻는데 바람직하다. 현재의 액정 디스플레이의 제한된 시각은 이러한 기술 분야의 한계 중의 하나이다. 액정을 정렬하는 새로운 비접촉 방법에 대해 기술하겠다. 이 방법은 러빙 기술에 의해 발생되는 문제점들을 해결한다.
[각주]
1. D.-S. Seo, H. Matsuda, J. Ishizaki, Y. Lamura 및 S. Kobayashi, SID Digest 1993, p.953 참조.
2. P. G. deGennes 및 J. Prost에 의해 인용된 O. Kehmann(1906) 및 P. Chatelain(1943), “The Physics of Liquid Crystals”, Clarendon Press, Oxford(1993), p109, 161 참조.
3. H. Aoyama, Y. Yamazaki, M. Matsuura, H. Mada 및 S. Kobayashi, Mol. Cryst. Liq. Cryst. 72, 127(1981).
4. H. Ikeno, A. Oshaki, M. Nitto, N. Ozaki, Y. Yokoyama. K. Kakaya 및 S. Kobayashi, Jpn. J. Appl. Phys., 27, L475, (1988).
5. M. Nakamura 및 M. Ura, J. Appl. Phys., 52, 210 (1981).
6. J. Ienuing, Appl. Phys. Lett., 21, 173 (1982).
7. M. Schadt, K. Suhmitt, V. Kozinkov 및 V. Chiqvinov, Jpn. J. Appl. Phys., 31, 2155 (1922).
8. S. Kobayashi 및 Y. Limura, SPIE, 2175, 123 (1994).
9. U.S. Patent Document 5030322, 1991년 7월, Shimada 외 저.
10. Japan JP 3217823, 1991년 8월.
[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]
본 발명의 목적은 정렬 표면에 대해 개선된 액정 분자 정렬 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 원자 빔 또는 이온 빔과 같은 입자 빔을 사용하여 그러한 개선된 액정 분자 정렬 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 한 양상은 정렬 표면으로 입자 빔을 향하게 함으로써(direct) 액정 디스플레이 셀의 정렬 표면 상에 정렬 방향을 생성하는 방법이다. 정렬 표면에 대한 액정 분자의 프리틸트 각도(pretilt angle)를 조정하기 위해, 상기 입자 빔은, 조정 가능한 에너지로, 정렬 표면에 대하여 조정 가능한 각도로 그리고 조정 가능한 시간에 상기 표면으로 향하게 된다.
[발명의 구성 및 작용]
아르곤 이온의 저 에너지 빔은 폴리이미드 막의 표면에 충격을 가하는데 사용된다. 아르곤 빔은 그 빔이 표면에 대해 수직이 아닐 때 방향성 정렬(directional alignment)을 야기한다. 다른 기술을 통한 원자 빔 유도 정렬의 장점은 (i) 비접촉 정렬이라는 점과, (ii) 저 에너지 빔, 예를 들어 UV 방사 하에서 결합 파괴에 의해 생기는 래디컬(radical)들의 수가 최소이도록 표면 층들만이 영향을 받는 것을 보장한다는 점이다. 이는 전압이 액정 셀에 인가될 때 전하 생성을 방지하고, (iii) 넓은 영역의 균일하고 평행한 빔들이 쉽게 획들될 수 있는데; SiOx의 경사각 증착이라는 문제점을 갖고, (iv) 원자 빔들은 전자 장치 제조 업계에 공지되어 있고 클린 룸 환경에서도 적합하고, (v) 자체 지지형의 얇은 중합체 막의 양 표면들을 정렬하는데 원자 빔들이 사용될 수 있다.
그러나, 그러한 많은 장점들에도 불구하고, 왕성한 입자들의 중성 빔들은 또한 폴리이미드를 손상시켜 결합 파괴를 야기하여, 디스플레이를 작동시키기 위해 전압이 인가될 때 액정에 있어 유해한 시간 의존 응답(time dependent response)을 야기한다. 이 때문에 실제로 문헌9, 10에 기술된 수백 볼트가 아닌 25 볼트 보다 큰 에너지인 저 에너지 빔을 사용하는 것이 매우 바람직하다. 이러한 저 에너지 빔들은 임의의 측정 가능한 열화 없이 정렬을 생성하는 데 충분하게 표면 층을 변형한다. 이 결론을 지지하는 실험 데이타를 제시하기로 한다.
본 발명의 목적을 위해 사용된 이온 빔 시스템의 개략도는 제1도에 도시되어 있다. 이온 소스는 상업적으로 유용하고 소스의 가족 전압은 75V 내지 500V 범위에서 변경가능하다. 전류 밀도, 또는 1 평방 cm당 이온들의 수는 1 평당 cm당 약 100-500 μA였고, 조사된 변수들 중 하나였다. 원자 빔으로 충격이 가해진 기판은 인듐 주석 산화물과 폴리이미드 막이 증착된 유리로 이루어졌다. 폴리이미드 막으로 커버된 박막 트랜지스터들을 포함하는 기판들이 또한 조사되었다. 자체 지지형인 마일라 막(mylar film)이 조사되었다. 이들은 단지 예시적인 것으로, 이에 제한되는 것은 아니다. 이 기판들은 제1도에 도시된 입력 원자 빔에 대해 다양한 각도로 배치되었다. 아르곤 가스는 플라즈마 소스로서 사용되었다. 이온 빔 장치와 그 동작은 반도체 분야에서 공지되어 있다.
제1도는 이온 소스의 물리적인 구성과 전기적인 구성을 도시한 개략도이다. 이온 소스가 3개의 영역들로 이루어진 것을 인식함으로써 동작의 원칙들을 가장 잘 이해할 것이다. 이온들은 방전 플라즈마 영역(12)에서 발생되고, 주출 영역(6)을 통해 가속화되고, 빔 플라즈마 영역(44)을 통해 이동된다.
이온들은 중성 가스 원자들의 전자 충격에 의해 방전 플라즈마 영역(12)에서 발생된다. 전자들은 열 필라멘트, 캐소드(8)에 의해 방출되고, 음극(8)과 양극(14)간의 전위 차이, 즉, Vd(20)에 의해 가속화된다. 이 전압은 통상 약 40V로서, 15.8eV의 아르곤 이온 전압보다 몇배 높고, 글로 방전(golw discharge)을 설정하는데 사용된다. 방전을 개시하기 전에, 소스 본체(source body;2)는 양극(14)의 전위이다. 그러나, 방전이 개시된 후에는, 접속 저항기(22)는 소스 본체(2)와 스크린 그리드(4)를 캐소드 전위로 플로팅시켜, 방전 전류를 양극으로 흐르게 한다. 이 방전 플라즈마 영역(12)는 캐소드(8), 양극(14), 챔버 벽들(16, 18, 36 및 32)과 스크린 그리드(4) 사이에서 자체 설정된다.
방전 플라즈마로부터 이온 빔을 추출하기 위해, 접지보다 큰 포지티브 전압으로 양극의 전압, 즉, Vanode(26)을 증가시킨다. 양극의 전위를 증가시키면 거의 동일한 값으로 플라즈마 전위가 증가된다. 따라서 방전 플라즈마에서 나와서 접지 타켓(grounded target; 24) 표면에 충돌하는 임의의 이온은 양극 전위에 의해 결정된 에너지에 도달한다. 가속기 그리드(6)는 네가티브 전위로 유지되고 이온들은 충돌 없이 가속기 그리드의 개구들(34)을 통과하여 시준 빔(collimated beam;44)을 형성하고, 결국 접지 전위(30)로 유지된 타켓(24)에 충돌한다.
사용된 기판들은 절연되기 때문에, 이온 빔들이 기판에 충돌할 때, 포지티브 이온들의 입력 선속과 만나기 위해 전자 흐름에 유용한 전류로(current path)가 존재하지 않고 절연 표면은 포지티브로 충전된다. 이러한 충전을 방지하기 위해, 빔의 소정 영역 또는 포지티브로 충전되는 기판 표면에 전자를 적절히 제공하는 열 필라멘트 또는 중화물(42)이 빔 플라즈마 영역(44)에 설치된다.
한 쌍의 유리판은 이온 빔들에 노출된 후에, 5 미크론 스페이서와 함께 조립된다. 2개의 유리판 사이의 공간은 진공 상태로 된 후 중성 액정으로 채워졌다. 액정은, 옷감으로 러빙을 행하는 것과 동일한 방법으로 원자 빔으로 정렬한 것으로 관찰되었다.
정렬은 강력했고, 경사각(tilt angle)이라고 하는 디스플레이 기술 분야에서 매우 관련된 측정치는 빔의 각도, 시간 및 에너지의 함수로서 결정되었다. 활성 매트릭스 액정 디스플레이의 경우, 몇 도의 각도(a few degrees)보다 큰 프리틸트 각도를 갖는 것이 바람직하다. 액정 디스플레이의 동작과 경사각(tilt angle)은 1994년 2월 20일에 출원되고 본 발명의 양수인에게 양도되고 참조용으로 본 명세서에 인용된 미국 출원 제08/194,239호에 기술되어 있다. 제7도는 본 발명의 방법에 의해 형성된 정렬 디렉토리(56)를 갖는 제6도의 기판(54)을 개략적으로 도시한 것으로, 액정 분자(58)는 기판(54)의 표면(62)에 대해 소정 각도(60)를 이루는 것으로 개략적으로 도시되어 있다. 각도(60)는 프리틸트 각도이다. 제2도에는 기판(54)에 대한 입사 빔(52)의 각도(50)의 함수로서의 프리틸트 각도가 도시되어 있다. 이는 2개의 가속 전압들에 대해 도시된 것이다. 45도에서, 최대의 프리틸트 값이 존재한다. 제3도는 일정함 빔 전류로 노출 시간에 따른 프리틸트 각도의 값의 변화를 도시한 것이다. 마지막으로, 제4도는 프리틸트 각도가 가속 전압에 따라 어떻게 변하는지를 도시한 것이다.
이러한 측정으로부터, 프리틸트 각도는 디스플레이 기술 분야의 요구를 만족시키며, 전압과 전류와 같은 원자 빔 파라미터에 따른 변화가 제어될 수 있다는 것을 명백히 알 수 있다. 소정 전압하에서의 디스플레이 디바이스의 임시 응답에 대한 이온 빔 가속 전압의 영향을 조사했다. 이러한 중요한 테스트에서 폴리이미드 또는 액정 셀에 있어서 부유 전하(stray charge)를 발견했다. 후자를 일정하게, 즉, 이온 빔 처리 파라미터와 무관하게 유지함에 따라, 관찰된 임의의 시간 의존 효과는 폴리이미드의 전하 이동과 관련된다. 75V 이온 빔 정렬 순차 후에 실행된 테스트의 결과는 전하 누적의 흔적이 없으나 200 V로부터의 테스트 결과는 전혀 누적의 흔적을 보여준다. 이는 제5(a)도와 제5(b)도에 도시되어 있다.
이러한 측정은 가속 전압이 낮게 유지되면 원자 빔 정렬 기술이 액정 디스플레이들을 정렬하는데 사용될 수 있음을 명백히 보여준다. 폴리이미드와 아르곤 이온들의 경우의 가속 전압은 200V 미만이다.
액정을 정렬하는데 마일라 오브젝트도 또한 사용될 수 있음을 알았다. 2 미크론의 얇은 마일라 시트는 구형 프레임(rectangular frame)에 걸쳐 신장되었고 마일라의 양 표면들은 200V 빔에 노출되었다. 그 후 이러한 마일라 시트는 2개의 폴리이미드 코팅 유리판 사이에 삽입되어서, 본 명세서에 참조용으로 인용되었고, 동일한 날에 출원된 A. Lowe의 “STACKED PARALLAX-FREE LIQUID CRYSTAL DISPLAY CELL”이라는 제목의 미국 출원 제 호에 교시된 바와 같이 종이형 디스플레이(paper-like display)를 형성하였다.
본 발명은 양호한 실시예들과 관련하여 기술되었지만, 본 기술 분야에 숙련된 자라면 본 발명의 원리 및 사상에서 벗어나지 않고 다수의 변형, 변경 및 개선이 가능할 것이다.

Claims (16)

  1. 액정 디스플레이 셀의 정렬 표면 상에 정렬 방향을 생성하는 방법에 있어서, 상기 정렬 표면으로 입자 빔을 향하게 하는(direct) 단계를 포함하고; 상기 입자 빔은, 상기 액정 분자가 정렬된 상기 정렬 표면에 대한 액정 분자의 프리틸트 각도(pretilt angle)를 몇 도의 각도(a few degrees)보다 크게 되도록 조정하기 위해, 약 200 V 미만의 전압을 사용하여 조정 가능한 에너지로, 상기 정렬 표면에 대해 조정 가능한 각도로, 그리고 조정 가능한 시간에 상기 표면으로 향하게 되는, 액정 디스플레이 셀의 정렬 표면 상에 정렬 방향을 생성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 정렬 표면은 중합체 표면인, 액정 디스플레이 셀의 정렬 표면 상에 정렬 방향을 생성하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 중합체 표면은 폴리이미드인, 액정 디스플레이 셀의 정렬 표면 상에 정렬 방향을 생성하는 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 중합체 표면은 마일라 표면인, 액정 디스플레이 셀의 정렬 표면 상에 정렬 방향을 생성하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 입자 빔은 이온들과 중성 입자들로 구성된 그룹으로부터 선택된 입자 빔인, 액정 디스플레이 셀의 정렬 표면 상에 정렬 방향을 생성하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 입자 빔은 원자 빔, 이온 빔, 분자 빔, 전자 빔과 기본 입자 빔으로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 액정 디스플레이 셀의 정렬 표면 상에 정렬 방향을 생성하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 입자 빔은 상기 정렬을 생성하기에는 충분하지만 상기 정렬 기판에 결함을 발생시키기에는 불충분한 상기 표면으로부터의 거리내에서만 상기 입자 빔을 상호 작용시키기 위해, 상기 조정 가능한 에너지 값, 상기 조정 가능한 각도 값, 상기 조정 가능한 시간 값을 갖는, 액정 디스플레이 셀의 정렬 표면 상에 정렬 방향을 생성하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 결함은 상기 정렬 기판에 저장된 전하인, 액정 디스플레이 셀의 정렬 표면 상에 정렬 방향을 생성하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 조정 가능한 에너지는 10V 보다 큰 액정 디스플레이 셀의 정렬 표면 상에 정렬 방향을 생성하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 조정 가능한 각도는 약 0°내지 약 90°인, 액정 디스플레이 셀의 정렬 표면 상에 정렬 방향을 생성하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 액정 디스플레이 셀에 상기 정렬 표면을 통합하는 단계를 더 포함하는, 액정 디스플레이 셀의 정렬 표면 상에 정렬 방향을 생성하는 방법.
  12. 액정 디스플레이 셀의 정렬 표면 상에 정렬 방향을 생성하는 방법에 있어서, 상기 정렬 표면으로 약 200 V 미만의 전압으로 입자 빔을 향하게 하는 단계를 포함하고; 상기 입자 빔은, 상기 액정 분자가 정렬된 상기 정렬 표면에 대한 액정 분자의 프리틸트 각도를 몇 도의 각도보다 높게 되도록 조정하기 위해 조정 가능한 에너지로 상기 표면으로 향하게 되고; 액정 디스플레이 셀에 상기 정렬 표면을 통합하는 단계를 포함하는, 액정 디스플레이 셀의 정렬 표면 상에 정렬 방향을 생성하는 방법.
  13. 액정 디스플레이 셀의 정렬 표면 상에 정렬 방향을 생성하는 방법에 있어서, 상기 정렬 표면으로 약 200 V 미만의 전압으로 입자 빔을 향하게 하는 단계를 포함하고; 상기 입자 빔은, 상기 액정 분자가 정렬된 상기 정렬 표면에 대한 액정 분자의 프리틸트 각도를 몇 도의 각도보다 높게 되도록 조정하기 위해 상기 정렬 표면에 대해 조정 가능한 각도로 상기 표면으로 향하게 되고; 액정 디스플레이 셀에 상기 정렬 표면을 통합하는 단계 - 상기 액정 분자는 몇 도의 각도보다 큰 프리틸트 각도를 - 를 포함하는, 액정 디스플레이 셀의 정렬 표면 상에 정렬 방향을 생성하는 방법.
  14. 입자 빔을 정렬 표면으로 향하게 함에 있어서, 상기 표면이 액정 분자에 노출될 때 상기 액정 분자가 정렬된 상기 표면에 상기 액정 분자들이 정렬되도록 하는 표면 특성을 생성하기 위해 소정 에너지와 소정 각도로 그리고 소정 시간동안 약 200 V 미만의 전압으로 상기 표면으로 상기 입자빔을 향하게 하는 단계를 포함하며, 상기 분자는 몇 도의 각도보다 큰 프리틸트 각도를 갖는, 액정 디스플레이 셀의 정렬 표면 상에 정렬 방향을 생성하는 방법.
  15. 액정 디스플레이 셀의 정렬 표면 상에 정렬 방향을 생성하는 방법에 있어서, 상기 정렬 표면으로 약 200 V 미만의 전압으로 입자 빔을 향하게 하는 단계를 포함하고; 상기 입자 빔은 상기 정렬 표면에 대한 액정 분자의 프리틸트 각도를 조정하기 위해 조정 가능한 시간 동안 상기 표면으로 향하게 되고; 액정 디스플레이 셀에 상기 정렬 표면을 통합하는 단계를 포함하는, 액정 디스플레이 셀의 정렬 표면 상에 정렬 방향을 생성하는 방법.
  16. 액정 디스플레이 셀의 정렬 표면 상에 정렬 방향을 생성하는 방법에 있어서, 상기 정렬 표면으로 약 200 V 미만의 전압으로 입자 빔을 향하게 하는 단계를 포함하고, 상기 입자 빔은, 상기 액정 분자가 정렬된 상기 정렬 표면에 대한 액정 분자의 프리틸트 각도를 몇 도의 각도보다 크게 되도록 조정하기 위해 상기 표면으로 향하게 되는, 액정 디스플레이 셀의 정렬 표면 상에 정렬 방향을 생성하는 방법.
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