KR100343084B1 - 무응력 액정 셀 조립 - Google Patents

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Abstract

봉함 부재(sealing member)로 결합되어 있는 한 쌍의 기판(substrates)과 기판 사이에 삽입되어 있는 액정을 포함하는 액정 디스플레이 장치 조립 방법은, 기판 사이의 봉함 부재 영역에 다수의 스페이서(spacers)를 배열하는(disposing) 단계와, 각 기판의 외부 표면상에 프레임(frame)을 상기 봉함 부재와 정렬되도록 배치하는(positioning) 단계와, 디스플레이 영역(display area)에 해당하는 범위(region)가 실질적으로 압력을 받지 않고 균일한 셀 간극을 얻을 수 있도록 각 프레임에 압력을 인가하는 단계를 포함한다.

Description

무응력 액정 셀 조립{STRESS-FREE LIQUID CRYSTAL CELL ASSEMBLY}
본 발명은 액정 디스플레이에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 디스플레이 영역에 스페이서(spacers)를 갖지 않고 셀 전반에 걸쳐 응력이 거의 없는 액정 셀 조립 장치 및 방법에 관한 것이다.
전통적으로, 액정 디스플레이(LCD) 셀 간극(gap)의 크기는 스페이서 또는 스페이서 기둥(spacer post)에 의해 제어된다. 셀 간극 균일성(cell gap uniformity)은 스페이서의 크기, 밀도 및 분포에 따라 결정된다. 스페이서는 LCD 패널이 정확한 셀 간극을 갖도록 하고, 기판을 지지하여 서로 붕괴되는 것을 방지한다. 그러나, 디스플레이 영역에서 스페이서에 인접한 액정 분자들은 대응하는 벌크 방향(bulk orientation)으로부터 왜곡된다. 그 결과, 스페이서 위치에서 광 누설이 일어난다. 이 문제는 소형 디스플레이가 10 내지 100배 확대되는 투사형 디스플레이(projection displays)에서 더 현저하다. 따라서, 스페이서는 결손점(defective spot)으로 나타나서 콘트라스트비(contrast ratio)와 영상의 품질을 저하시킨다.
이와 같은 문제를 해결하는 한 가지 방법은 스페이서를 디스플레이 또는 시계 영역(viewing area)에서 벗어나도록, 즉 주변 영역, 및 화소 간극들 사이에 배치하는 것이었다. 직접 시계 디스플레이(direct view display)에서 스페이서는 10 μm 정도이고 셀 간극보다 큰 화소간 간극내에 숨겨질 수 있다. 따라서, 패널 전체는 고르게 지지될 수 있다. 그러나, 투사형 디스플레이에서는 화소간 간극은 단지 1 μm나 그 이하 정도이다. 이 경우, 스페이서는 화소의 코너에 배치되더라도 보인다. 따라서, 스페이서 가시성 문제(spacer visibility problem)를 제거하기 위해 스페이서는 투사형 디스플레이 장치에서 주변 영역으로 제한되어야 한다.
도 1은 종래의 LCD 셀 조립 방법을 도시하는 도면이다. 전형적으로, LCD 패널 조립 과정에서 외력 또는 외압이 기판 중 하나 또는 양 기판 전체에 걸쳐 기계적인 압축 공기나 진공에 의해 인가되어 기판을 눌러서 둘 다 스페이서와 접촉하도록 한다. 도 1에서 외력이 강판(100) 및 평판 플랫폼(110)에 인가되고 이들은 각각 두 개의 기판(120, 130)의 외표면에 배치되어 있다. 이 압력 때문에 기판(120, 130)은 둘 다 스페이서(140)와 접촉하게 된다. 압력이 제거된 다음 패널은 균일한 셀 간극을 유지하거나 내재된 응력(builtin stress)때문에 휘게 된다. 패널이 휘는 경우, 셀 간극은 액정의 주입 이후에 최종 봉함 과정에서 또다 른 압력에 의해 교정되게 될 것이다.
이와 같은 구성에서, 시계 품질을 향상시키기 위해 스페이서(140)가 시계 영역에서 제거된다면 외압을 견딜만한 지지물이 없게 된다. 대각선이 1/2 인치 이하인 디스플레이에서는, 기판(120, 130)의 강도에 의해 충분히 간극이 붕괴되지 않고 지지된다. 그러나, 1/2 인치 이상의 디스플레이에 대해서는 두 개의 기판이 서로 붕괴되게 된다. 그 결과, 셀 간극은 일정하지 않고, 시계 품질은 저하된다.
이와 같은 문제를 해결하려는 시도가 쯔보타(Tsubota) 등에게 1996년 3월 12일 등록된 미국 특허 제 5,499,127호에 개시되었다. 쯔보타 등의 도 2에 도시된 발명은, 스페이서(240)가 LCD 장치의 봉함 부재(sealing member)를 형성하는 경화 레진(curing resin) 내에 배치되어 있다. 두 기판(220, 230)(하나는 봉함 부재로 도포됨)은 스페이서(240)가 각 기판에 충돌할 때까지 초기에 압력판(200, 210)으로 서로 눌려서 장치의 패널(도시되지 않음)을 형성한다. 다음, 유리 섬유인 탄성 시트(250)를 압력판(200) 근처의 상부 기판(220)에 배열한다. 이 탄성 시트(250)의 일부는 잘려서 그 나머지 시트가 다양한 봉함 부재(240) 사이 및 그 위에 배치되도록 한다. 제2 압력을 받자 마자, 상부 기판(220)은 변형되어 기판(220, 230)간의 간극은 봉함 부재에서와 그 외부에서는 좁고 봉함 부재 내부에서는 넓게 된다. 그 후에, 봉함 부재는 접착제(glue)의 내재 응력을 감소시키도록 열경화되고 액정 주입 장치가 셀 간극 균일성을 회복시키는데 사용된다.
쯔보타 등에 개시된 방법은 다음과 같은 문제를 갖고 있다. 첫번째로, 단일 탄성 시트를 사용함에 따라 LCD 장치상에 응력이 생성되어, 셀 간극에 균일하지 않은 경우 액정 셀 공동(cavity)의 두 내표면으로부터의 광 간섭에 의해 야기되는 뉴튼 링(Newton rings)과 연관된 3-5개의 프린지(fringes)를 가지고 LCD 셀이 생산되게 된다. 바꾸어 말하면, 셀 간극 왜곡이 발생하고 균일성이 저해받는다. 둘째로, 개시된 방법에 의해 생성되는 응력은 후속하는 액정 주입 및 최종 봉함 전후의 어닐링(anneals) 후에도 완전히 제거될 수 없다. 셀 간극 균일성을 개선시키기 위해 내재 응력의 감소가 필수적이다. 이와 같은 응력 레벨 하에서는 봉함제 파열(sealant breakage)의 가능성도 높다. 셋째, 기판이 100% 단단하고 평편하지 않으므로, 압력판(210)에 직접 대향되게 배열된 하부 기판(230)은 그 압력판의 표면과 합치되어 상부 기판(220)의 표면과 달라진다. 이에 따라 셀 간극이 불균일해진다. 마지막으로, 하부 기판(230)과 그와 인접하여 배열된 압력판(210) 사이에 낀(trapped) 미립자들에 의해 디스플레이가 왜곡될 것이다.
본발명의 목적은 전술한 문제점의 영향을 받지 않는 LCD 장치의 조립 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본발명의 LCD 셀 조립 장치 및 방법은 실질적으로 응력을 생성하지 않고 디스플레이 영역에 스페이서를 포함하지 않으면서 셀 간극 균일성을 얻을 수 있다. 압력을 봉함제 영역에만 인가하기 위해 두 개의 프레임이 사용된다. 신규한 두 개의 프레임을 사용하는 방법에 의해 LCD 패널에 응력을 거의 또는 전혀 주지 않으면서 균일한 셀 간극이 생성된다. 실험에 의하면, 본 발명을 사용하여 조립된 셀의 70%에서 프린지가 생기지 않았다. 나머지 30%에서도 고작 하나의 프린지가 생겼다. 본 발명에서 얻은 저응력과 균일 셀 간극에 의해 종래 기술에서 발견된 액정 주입 및 최종 봉함 과정에 대한 요구사항이 완화되었다. 더욱이, 본발명을 이용하여 조립된 LCD 장치는 셀 간극 균일성과 주변 봉함 품질 면에서 장기적인 신뢰성이 높다. 본 발명의 두 개의 프레임을 사용하는 방법에 의하면 기판이 압력 인가판(pressure application plates)과 직접 접촉하지 않게 된다. 따라서, 기판 형태가 특정 곡률을 갖더라도 셀 간극이 균일하도록 기판들이 오목 또는 볼록한 관계로 서로 합치된다. 본 발명에서는 압력이 프레임 형성 영역에만 인가되므로, 디스플레이 영역의 나머지 부분의 압력은 거의 0이고 기판 및 압력판의 평탄함(smoothness), 평평함(flatness), 또는 강도(rigidity)에서 비롯되는 문제들을 피할 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 셀 간극 균일성을 최적화하기 위해 본발명의 장치의 두 개의 프레임은 디스플레이의 유형 및 크기에 따라 서로 상대적으로 배치될 수 있다. 어떤 기판도 압력판과 직접 접촉하지 않으므로, 끼인 미립자들(trapped particles)에 기인하는 불균일성은 염려하지 않아도 된다.
마지막으로, 본발명에 의해 균일한 셀 간극과 실질적으로 무응력을 얻을 수 있으므로, 봉함제로 사용되는 접착제는 가열할 필요 없이 UV 조사(irradiation)만으로 완전히 경화될 수 있다.
본발명의 스페이서 없는 셀 조립 방법은 기판 중 하나 또는 두 기판이 모두Si-웨이퍼, 유리, 수정, 및 플라스틱 물질로 되어 있는 LCD 셀에도 적용될 수 있다.
특히, 본 발명은 봉함 부재(sealing member)로 결합되어 있는 한 쌍의 기판과 상기 기판들 사이에 삽입되어 있는 액정을 포함하는 액정 디스플레이 장치를 조립하는 방법에 있어서, 상기 기판 사이의 상기 봉함 부재 영역에 다수의 스페이서들을 배열하는 단계, 각 기판의 외표면상에 프레임을 상기 봉함 부재와 정렬되도록 배치하는 단계, 및 디스플레이 영역에 해당하는 범위가 실질적으로 압력을 받지 않고 균일한 셀 간극을 얻을 수 있도록 각 프레임에 압력을 인가하는 단계를 포함하는 액정 디스플레이 장치 조립 방법을 제공한다.
바람직하게, 프레임은 액정 디스플레이 장치의 상기 봉함 부재의 형태이고, 고무, 플라스틱, 금속 및 합성물(composite), 또는 압력 전달 매체 역할을 하는 임의의 유형의 재료로 되어 있다. 프레임은 소정의 압력 전달 요건을 충족하도록 견고한 구조를 갖는 것이 바람직하다.
압력은 기계적인, 압축 가스 또는 진공 장치에 의해 인가될 수 있다.
바람직하게, 다수의 봉함 스페이서는 상기 기판 사이의 상기 봉함 부재 영역에 배열되어 있고, 다수의 디스플레이 스페이서는 디스플레이 영역에 배치되어 있다. 봉함 스페이서는 고밀도 스페이서가 바람직하고, 디스플레이 스페이서는 저밀도 스페이서가 바람직하다. 스페이서는 바람직하게 볼 또는 기둥(post)으로 형성되어 있고 포토리소그래픽 수단으로 제조된다.
액정 디스플레이 장치의 기판 중 하나는 결정질 실리콘, 다결정질 실리콘,또는 비결정질 실리콘로 만들어진 박막 트랜지스터(thin film transistors)와 같은 액티브 매트릭스 소자(active matrix elements)를 포함하는 것이 바람직하다. 대안으로, 액정 디스플레이 장치는 수동-매트릭스-어드레싱되는(passive-matrix-addressed) LCD일 수도 있다. 기판은 바람직하게는 실리콘, 유리, 수정, 플라스틱, 유전체 또는 금속으로 되어 있다.
액정 디스플레이 장치는 단일-셀 조립체거나 다수의 액정셀을 포함하는 큰 기판들이 이용되는 다중-셀 조립체이다.
봉함 부재는 열, UV 또는 UV 열 봉함제를 포함한다.
본 발명은 또한 한 쌍의 기판과 상기 기판들을 접합시키기 위해 상기 기판의 내표면에 배치된 봉함 부재 - 상기 봉함 부재는 상기 기판 사이의 셀 간극을 결정하기 위한 적어도 하나의 스페이서를 포함함 - 를 포함하는 액정 디스플레이 장치를 조립하기 위한 장치를 제공하는데, 상기 장치는 각각 상기 기판 중 하나의 외표면상에 배열되어 있는(disposed) 두 개의 프레임과, 디스플레이 영역에 해당하는 범위(region)에서 상기 액정 장치상의 응력이 실질적으로 0이고 셀 간극이 균일하도록 상기 프레임들에 압력을 인가하는 수단을 포함한다.
프레임은 상기 봉함 부재의 형태이고, 고무, 플라스틱, 금속 및 합성물, 또는 압력 전달 매체 역할을 할 수 있는 임의의 유형의 재료로 되어 있는 것이 바람직하다. 프레임은 소정의 압력 전달 요건을 충족하도록 견고한 구조를 갖는 것이 바람직하다.
압력 인가 수단은 기계적인, 압축 가스 또는 진공 장치를 포함할 수 있다.
상기 장치는 디스플레이 영역에 다수의 디스플레이 스페이서들을 더 포함할 수 있다. 봉함 부재내의 적어도 하나의 스페이서는 고밀도 스페이서가 바람직하고, 디스플레이 스페이서들은 저밀도 스페이서가 바람직하다. 스페이서들은 볼 또는 기둥 형태이고 바람직하게는 포토리소그레픽 수단에 의해 제조된다.
액정 디스플레이 장치의 기판 중 하나는 결정질 실리콘, 다결정질 실리콘, 또는 비결정질 실리콘으로 만들어진 박막 트랜지스터와 같은 액티브 매트릭스 소자를 포함하는 것이 바람직하다. 대안으로, 액정 디스플레이 장치는 수동-매트릭스-어드레싱되는 LCD일 수도 있다. 기판은 바람직하게 실리콘, 유리, 수정, 플라스틱, 유전체 또는 금속으로 되어 있다.
액정 디스플레이 장치는 단일-셀 조립체거나 다수의 액정셀을 포함하는 큰 기판들이 이용되는 다중-셀 조립체이다.
봉함 부재는 바람직하게는 열, UV 또는 UV 열 봉함제를 포함한다.
도 1은 종래 기술의 LCD 셀 조립 방법을 도시한 도면.
도 2는 종래 기술의 다른 LCD 셀 조립 방법을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 LCD 셀 조립 방법을 도시한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
300, 310 : 압력판
320 : 스페이서
330, 340 : 기판
350 : 프레임
본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점은 도면과 함께 이하의 발명의 상세한 설명을 참조함으로써 명백해질 것이다.
도 3은 본 발명의 무응력, 스페이서 없는 LCD 셀 조립 방법을 도시하고 있다. 두 개의 압력판(300, 310)이 셀들을 조립하기 위해 사용된다. 전술된 바와 같이, 압력은 기계적인, 압축 공기 또는 진동 수단에 의해 얻어질 수 있다. 압력판(300)은 봉함제의 경화가 가능하도록 (UV-경화성 봉함제가 사용되는 경우) UV 투과성(UV transparent)이어야 한다. 압력판(310)은 불투명한 물질로 만들 수도 있다. 스페이서(320)는 두 기판 사이에(330, 340) 셀의 주변 부분에만 배열되어 있다(도 3에는 하나의 셀만 도시되어 있음). 스페이서(320)는 볼 또는 기둥으로 형성될 수 있다. 기판(330, 340)은 실리콘, 유리, 플라스틱, 유전체 또는 금속으로 구성될 수 있다. 스페이서(320)는 기판(330, 340)상에 포토리소그래피에 의해 만들어질 수 있고 또는 봉함제와 섞어서 기판(330, 340)상에 분배될 수도 있다. 주변 봉함제의 형태를 갖는 두 개의 프레임(350)은 봉함제 패턴과 정렬되도록 (각 기판의 바깥쪽에서) 패널의 양 쪽에 배치된다(도 3에서는 각 프레임의 양쪽 측면만이 도시되었지만 만일 봉함제가 4각형 형태를 하고 있다면 실제로는 4개 측면이 있다). 압력판(300, 310)에 의해 압력이 인가될 때 프레임(350)은 압력을 스페이서(320)를 갖는 셀 영역으로 전달한다. 그 결과, 어레이 영역에는 응력이 없고 기판(330, 340)은 서로 붕괴되지 않는다. 즉, 셀에서 지지부가 있는 부분에만 압력이 인가되므로 두 기판을 분리시키는 스페이서가 없는 디스플레이 영역에는 응력이 집결되지 않는다. 따라서, 셀 간극은 균일하고 압력이 제거된 후에도 변하지 않는다. 실리콘 디스플레이상의 액정에 대해서 실리콘와 유리 사이의 기계적 특성이 서로 다르므로, 내재 응력은 장기적인 안정성 문제를 야기시킬 수 있다. 본 조립 방법은 내재 응력을 제거함으로써 이와 같은 문제를 제거한다.
프레임은 고무, 플라스틱, 금속, 합성물 또는 충분히 압력 전달 매체의 역할을 할 수 있는 임의의 유형의 물질로 만들어질 수 있다. 바람직하게는, 그 구조는 견고하다.
본 조립 방법은 대각선이 0.5' 내지 3.0'인 LCD 디스플레이에 이용될 수 있다. 그 결과로 얻는 셀의 셀 간극 균일성은 프린지 하나 이내이거나 그보다 좋다. 이 셀 조립 방법은 주변 봉함제로서 열, UV 또는 UV 열 접착제를 사용하는 LC 셀을 조립하는데 이용될 수 있다. 압력 인가 메카니즘은 기계적인, 압축 가스 또는 진공일 수 있다.
셀에 사용된 물질에 따라, 프레임과 압력 전달 메커니즘도 서로 다른 요건을 만족시키도록 적절하게 선택된다. 예를 들어, UV 또는 UV 열 봉함제가 LC 셀에서 사용된다면 위해서는 UV 투과성 물질이 프레임과 압력 전달판 중 적어도 하나의 조각에서 사용되어야 한다.
더욱이, 프레임들은 기판의 특성에 따라 셀 간극 균일성을 최적화하도록 서로 상대적으로 배치될 수 있다.
본 발명이 바람직한 실시예에 대해 기재되었지만, 기술 분야의 당업자에게는 본발명의 사상과 범위를 벗어남이 없이 다양한 변형, 변경 및 개선이 가능할 것이다. 예를 들어, 소정의 조건하에서 소정의 물질을 사용한 경우 셀 간극 균일성을 최적화하기 위해 어레이 또는 디스플레이 영역에 소정의 수의 스페이서를 두는 것이 효과적일 수도 있다. 이와 같은 경우, 봉함제(주변) 영역에 배치된 스페이서들은 어레이 영역의 스페이서들보다 고밀도로 배치되는 것이 바람직하다.
본발명의 LCD 셀 조립 장치 및 방법에 따르면, 실질적으로 응력을 생성하지 않고 디스플레이 영역에 스페이서를 포함하지 않으면서 셀 간극 균일성을 얻을 수 있다.

Claims (28)

  1. 봉함 부재(sealing member)로 결합되어 있는 한 쌍의 기판들과 상기 기판들 사이에 삽입되어 있는 액정을 포함하는 액정 디스플레이 장치를 조립하는 방법에 있어서,
    상기 기판들 사이의 상기 봉함 부재 영역에 다수의 스페이서들(spacers)을 배열하는 단계;
    각 기판의 외표면상에 프레임을 상기 봉함 부재와 정렬되도록 배치하는 단계, 및
    디스플레이 영역에 해당하는 범위(region)가 실질적으로 압력을 받지 않고 균일한 셀 간극을 얻을 수 있도록 각 프레임에 압력을 인가하는 단계
    를 포함하는 액정 디스플레이 장치 조립 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 프레임은 상기 액정 디스플레이 장치의 상기 봉함 부재의 형태인 액정 디스플레이 장치 조립 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 프레임은 고무, 플라스틱, 금속 및 합성물(composite), 또는 압력 전달 매체(pressure transfer media) 역할을 할 수 있는 임의의 유형의 물질로 되어 있는 액정 디스플레이 장치 조립 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 프레임은 소정의 압력 전달 요건을 충족하도록 견고한 구조(solid structure)를 갖는 액정 디스플레이 장치 조립 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 압력 인가 단계는 기계적 압축 가스 또는 진공 장치에 의해 압력을 인가하는 단계를 포함하는 액정 디스플레이 장치 조립 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배열 단계는 다수의 봉함 스페이서들을 상기 기판들 사이의 상기 봉함 부재 영역 내에 배열하는 단계를 포함하고,
    상기 디스플레이 영역에 다수의 디스플레이 스페이서들을 제공하는 단계를 더 포함하는 액정 디스플레이 장치 조립 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 봉함 스페이서들은 고밀도로 분포된 스페이서들(higher density spacers)이고 상기 디스플레이 스페이서들은 저밀도로 분포된 스페이서들(lower density spacers)인 액정 디스플레이 장치 조립 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 스페이서들은 볼(ball) 또는 기둥(post)으로 형성되어 있는 액정 디스플레이 장치 조립 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 스페이서들은 포토리소그래픽 수단에 의해 제조되는 액정 디스플레이 장치 조립 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 한 쌍의 기판들 중 하나는 결정질 실리콘, 다결정질 실리콘, 또는 비결정질 실리콘로 만들어진 박막 트랜지스터들(thin film transistors)와 같은 액티브 매트릭스 소자들(active matrix elements)을 포함하는 액정 디스플레이 장치 조립 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 액정 디스플레이 장치는 수동-매트릭스-어드레싱되는(passive-matrix-addressed) LCD인 액정 디스플레이 장치 조립 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 기판들은 실리콘, 유리, 수정, 플라스틱, 유전체 또는 금속으로 되어 있는 액정 디스플레이 장치 조립 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 액정 디스플레이 장치는 단일-셀 조립체거나 다수의 액정 셀들을 포함하는 큰 기판들이 이용되는 다중-셀 조립체인 액정 디스플레이 장치 조립 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 봉함 부재는 열, UV 또는 UV 열 봉함제(sealants)를 포함하는 액정 디스플레이 장치 조립 방법.
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