KR100499583B1 - 액정 주입장치와 액정주입방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 액정 주입방법에 관한 것으로, 특히 액정을 주입하는데 걸리는 시간을 단축하기 위해, 제 1 기판과 제 2 기판의 사이에 액정을 주입하기 위한 액정 주입장치로서, 전원공급부와; 상기 전원공급부로부터 전원을 인가받고, 상기 제 1 및 제 2 기판의 바깥면에 각각 상기 전원공급부에서 인가받은 전원을 공급하는 제 1 및 제 2 전극부를 포함하는 액정 주입장치에 관해 개시하고 있다.
Description
본 발명은 액정표시장치의 제조공정에 관한 것으로써, 더 상세하게는 액정 디스플레이 패널의 제조방법에 있어서, 패널에 액정을 주입하는 장치 및 그 장치에 의한 액정 주입방법에 관한 것이다.
일반적으로 액정표시장치는 박막 트랜지스터가 배열된 기판인 하판과, 컬러필터가 인쇄된 상판으로 구성되며, 상기 상판과 하판 사이에는 액정이 위치한다.
상기 액정표시장치에서 액정 셀(Cell)의 간략한 제조공정과 그 동작을 살펴보면 다음과 같다.
두 매의 기판 즉, 상판과 하판이 마주보는 각 내측의 한쪽 면에는 공통전극 을 형성하고, 다른 한쪽 면에는 화소전극을 형성한 후, 각 전극이 서로 대향하도록 배열한 후, 상기 상판과 하판 사이의 간격에 액정을 주입시키고 주입구를 봉합한다. 그리고 상기 상판과 하판의 외측에 각각 편광판을 붙임으로써, 액정 셀은 완성되게 된다.
또한, 상기 액정 셀의 광 투과량을 각 전극(화소전극, 공통전극)에 인가하는 전압으로 제어하고, 광 셔터(Shutter) 효과에 의해 문자/화상을 표시하게 된다.
액정 셀 공정은 박막 트랜지스터(Thin film transistor ; TFT) 공정이나 컬러 필터(Color filter)공정에 비해 상대적으로 반복되는 공정이 거의 없는 것이 특징이라 할 수 있다. 전체 공정은 액정 분자의 배향을 위한 배향막 형성 공정과 셀갭(Cell gap) 형성공정, 셀 컷팅(Cell cutting)공정 등으로 크게 나눌 수 있다.
이하, 앞서 설명한 액정표시장치의 제조공정을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 일반적으로 적용되는 액정 셀의 제작 공정을 도시한 흐름도로써, st1 단계에서는 먼저 하판을 준비한다. 상기 하판에는 스위칭 소자로 다수개의 박막 트랜지스터(TFT)가 배열되어 있고, 상기 TFT와 일대일 대응하게 화소전극이 형성되어 있다.
st2 단계는 상기 하판 상에 배향막을 형성하는 단계이다.
상기 배향막 형성은 고분자 박막의 증착과 러빙(Rubbing) 공정을 포함한다. 상기 고분자 박막은 통상 배향막이라 하며, 하판 상의 전체에 균일한 두께로 증착되어야 하고, 러빙 또한 균일해야 한다.
상기 러빙은 액정의 초기 배향방향을 결정하는 주요한 공정으로, 상기 배향막의 러빙에 의해 정상적인 액정의 구동이 가능하고, 균일한 디스플레이(Display)특성을 갖게 한다.
일반적으로 배향막은 유기질의 유기배향막이 주로 쓰이고 있다.
러빙공정은 천을 이용하여 배향막을 일정한 방향으로 문질러주는 것을 말하며, 러빙 방향에 따라 액정 분자들이 정렬하게 된다.
st3 단계는 씰 패턴(seal pattern)을 인쇄하는 공정을 나타낸다.
액정 셀에서 씰 패턴은 액정 주입을 위한 갭을 형성하고, 주입된 액정의 누설을 방지하는 두 가지 기능을 한다.
상기 씰 패턴은 열경화성 수지를 일정하게 원하는 패턴으로 형성시키는 공정으로써, 스크린 인쇄법이 주류를 이루고 있다.
st4 단계는 스페이서(Spacer)를 산포하는 공정을 나타낸다.
액정 셀의 제조공정에서 상판과 하판 사이의 갭을 정밀하고 균일하게 유지하기 위해 일정한 크기의 스페이서가 사용된다. 따라서, 상기 스페이서 산포시 하판에 대해 균일한 밀도로 산포해야 하며, 산포 방식은 크게 알코올 등에 스페이서를 혼합하여 분사하는 습식 산포법과 스페이서만을 산포하는 건식 산포법으로 나눌 수 있다.
또한, 건식 산포는 정전기를 이용하는 정전 산포식과 기체의 압력을 이용하는 제전 산포식으로 나뉘는데, 정전기에 취약한 구조를 갖고 있는 액정 셀에서는 제전 산포법이 많이 사용된다.
상기 스페이서 산포 공정이 끝나면, 컬러 필터 기판인 상판과 박막 트랜지스터 배열 기판인 하판의 합착공정으로 진행된다(st5).
상판과 하판의 합착 배열은 각 기판의 설계시 주어지는 마진(Margin)에 의해 결정되는데, 보통 수 μm의 정밀도가 요구된다. 두 기판의 합착 오차범위를 벗어나면, 빛이 새어 나오게 되어 액정 셀의 구동시 원하는 화질 특성을 기대할 수 없다.
st6 단계는 상기 st1 내지 st5 단계에서 제작된 액정 셀을 단위 셀로 절단하는 공정이다.
일반적으로 액정 셀은 대면적의 유리기판에 다수의 액정 셀을 형성한 후, 각각 하나의 액정 셀로 분리하는 공정을 거치게 되는데, 이 공정이 셀 절단 공정이다.
초기 액정표시장치의 제조공정에서는 동시에 여러 셀에 액정을 주입한 후, 셀 단위로 절단하는 공정을 진행하였으나, 셀 크기가 증가함에 따라 단위 셀로 절단한 후, 액정을 주입하는 방법을 사용하고 있다.
셀 절단 공정은 유리기판 보다 경도가 높은 다이아몬드 재질의 펜으로 기판 표면에 절단선을 형성하는 스크라이브(Scribe) 공정과 힘을 가해 절단하는 브레이크(Break) 공정으로 이루어진다.
st7 단계는 각 단위 셀로 절단된 액정 셀에 액정을 주입하는 단계이다.
단위 액정 셀은 수백 cm2의 면적에 수 μm의 갭을 갖는다. 따라서, 이러한 구조의 셀에 효과적으로 액정을 주입하는 방법으로 셀 내외의 압력차를 이용한 진공 주입법이 가장 널리 이용된다.
상기와 같이 압력차를 이용한 액정 주입방법은 액정 셀 공정에서 가장 긴 시간을 요하기 때문에 생산성 측면에서 최적 조건을 설정하는 것이 중요하다.
도 2는 일반적으로 셀에 액정을 주입하는 공정을 도시한 도면이다.
일반적으로 셀(2)에 액정을 주입하기 위해서는 셀(2)이 장착될 수 있는 진공장치(6)와 액정(10)이 담긴 용기(8)가 필요하다.
먼저, 상기 진공장치(6)에서 상기 셀(2) 내부에 존재하는 공기를 제거한다.
이 때, 상기 액정(10) 속의 미세한 공기방울이 셀(2)에 주입되어 시간이 지남에 따라, 이들끼리 결합하여 기포를 형성하면 불량이 발생할 수 있다. 따라서, 액정 내에 존재하는 미세한 공기방울을 제거하기 위해 장시간 진공에 방치하여 액정(10) 내에 존재하는 기포를 제거하는 탈포(脫泡) 과정이 필요하다.
상기와 같은 탈포 과정은 셀(2)의 진공을 뽑는 과정에서 액정을 동시에 로딩(Loading)하여 해결하기도 한다.
액정을 주입하기 위해서는 보통 수 mTorr 정도의 진공도가 필요하다.
또한, 공정 시간을 감소시키기 위해 압력을 급격히 변화시키는 경우 액정의 변성과 셀(2)의 변형 및 파손이 생길 수 있기 때문에, 공정 조건의 설정시 이에 대한 검증이 요구된다.
액정 주입은 액정 트레이(tray)에 단위 셀을 담그는 디핑(dipping) 방식이 일반적이지만, 액정의 소비가 많기 때문에 주입구(4)만을 액정(10)에 접촉시키는 터치(touch) 방식이 도입되고 있다. 이하에서는 터치방식에 관해 설명한다.
상기 진공장치(6)에 의해 상기 셀(2) 내지 액정(10)에 존재하는 공기를 충분히 제거하면, 상기 셀(2)의 액정 주입구(4)를 상기 액정(10)이 담긴 용기(8)에 담근다.
이 때, 상기 액정(10)과 상기 셀(2) 내부의 압력차는 없으므로, 액정 주입 초기에는 모세관 현상에 의해 상기 액정(10)이 상기 셀(2) 내부로 주입되고, 이후 상기 진공장치(6) 내부에 질소를 주입하면, 상기 셀(2) 내부와 상기 진공장치(6) 내부의 압력차에 의해 상기 액정(10)은 셀(2) 내부로 빨려들어 가면서 액정 주입이 되는 것이다.
도 3은 진공장치(6)의 시간에 따른 진공도를 도시한 그래프로서, A 구역은 상기 진공장치(6)에서 진공을 뽑는 시간이고, B 구역은 액정이 주입되는 시간이 된다.
액정주입이 완료된 셀(2)은 액정 주입구(4)로 주입된 액정이 흘러나오지 않도록 막아주는 공정이 필요하다. 보통 디스펜서(dispensor)를 이용하여 자외선 경화수지를 도포한 후, 자외선을 조사하여 상기 액정 주입구(4)를 밀봉한다.
도 4는 한쪽 기판은 고정하고, 다른 기판은 이동함으로써 발생하는 쉬어-스트레스(shear stress)에 대하여 액정에서 발생하는 액정의 점도 측정원리를 도시한 도면이다.
도 5는 상기 도 4의 액정의 점도측정 방법에 의해 측정된 액정의 방향에 따른 액정의 점도 그래프로서, 이방성 물질인 액정의 경우 도 5에 도시된 바와 같이 쉬어 스트레스에 대한 액정의 분자방향에 따라 서로 다른 점도값을 가지게 된다.
즉, 도 5에 나타낸 바와 같이 도 4에서의 액정의 분자방향이 <1> 방향일 때, 가장 큰 점도값을 나타낸다. 즉, 액정이 <1> 방향에서 쉬어-스트레스에 대한 저항치가 극대화되기 때문이다.
또한, 액정이 <2> 방향으로 배열된 상태에서는 액정 분자가 쉬어-스트레스 방향으로 장축이 위치하게 되므로, 상대적으로 쉬어-스트레스에 대한 저항이 최소화된다. 따라서, 액정은 <2> 방향에서 가장 낮은 점도값을 가지게 된다.
그리고, 액정이 <3> 방향으로 배열된 상태에서는 <1>, <2> 방향의 중간적인 크기의 저항을 나타내게 되며, 따라서 점도값도 <1>, <2> 방향의 중간값을 나타내게 된다.
그러나, 종래에는 상술한 바와 같이 액정의 분자방향과는 무관하게 셀에 액정을 주입함으로써, 액정 주입공정에서 차지하는 시간이 장시간을 차지하였다.
도 6은 종래의 수직배향(Vertical Alignment; VA)에 의한 액정주입 메커니즘을 도시한 도면으로, 하판(30)과 상판(20) 사이에 액정(40)이 주입되게 된다.
액정(40)의 주입 방향에 대하여 액정(40)의 분자의 방향은 어느 정도 정렬하게 된다.
그러나, 도 6에 도시된 도면에서와 같이, 상기 상판(20)과 하판(30)의 서로 마주보는 면에 대하여 배향막(22)의 경사각이 가장 큰 수직배향(VA)을 한 경우에는 배향막(22) 분자에 의해 걸리는 액정분자의 수가 경사각이 작은 TN모드(Twisted nematic-mode)에 비해 많고, 따라서 <1> 방향으로 배열하는 액정분자의 수가 배향막 주위로 모이게 된다.
그리고, 배향막(22) 표면에 배향된 액정분자(40)에 인접한 액정 분자는 <1>의 방향으로 배열된 액정 분자와의 상호작용(interaction)으로 <1> 방향의 분자 배열을 이루는 경향을 띠게 된다. 또한, 배향막(22)으로부터 멀어질수록 즉, 중심부로 갈수록 액정 주입방향과 배향막의 배향방향에 의해, 상기 상판(20)과 하판(30)의 중심부에 주입되는 액정 분자의 방향은 <1> 방향에 가까운 <3> 방향으로 배열하는 경향을 띠게 된다.
따라서, 상대적으로 점도계수가 높은 <1>과 <3> 방향의 액정분자가 다수를 차지하므로 TN액정과 동일 액정을 사용하더라도 점도가 커지게 되며, 주입속도가 상당히 떨어지게 된다.
상기와 같은 현상은 셀의 크기가 크면 클수록 더욱 더 심화될 것이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 종래에는 액정의 점도가 낮은 상태에서의 주입을 위해 고온주입이 요구되었다.
그러나, 고온에서의 액정주입은 주입속도는 향상할 수 있으나, 액정 변질의 우려가 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 셀에 액정주입 시간을 단축하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 합착된 제 1 기판과 제 2 기판의 사이에 액정을 주입하기 위한 액정 주입장치로서, 전원공급부와; 상기 전원공급부로부터 전원을 인가받고, 상기 제 1 및 제 2 기판의 바깥면에 각각 상기 전원공급부에서 인가받은 전원을 공급하는 제 1 및 제 2 전극부를 포함하는 액정 주입장치를 제공한다.
또한, 본 발명에서는 배향막이 형성된 제 1 기판과 제 2 기판을 구비하는 단계와; 상기 제 1 및 제 2 기판을 배향막이 형성된 면이 서로 마주보도록 하여 합착하는 단계와; 상기 합착된 제 1 및 제 2 기판의 바깥면에 각각 전기장을 인가하는 단계와; 상기 전기장이 인가된 제 1 및 제 2 기판에 상기 액정을 주입하는 단계를 포함하는 액정 주입방법을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명에 따른 액정주입 방법을 도시한 도면으로써, 액정셀의 상판(100)과 하판(200)의 마주보는 면에는 배향막(120)이 형성되어 있다. 상기 상판 및 하판(100, 200)의 바깥 면에는 전극(220)이 각각 형성되어 있다.
상기 전극(220)은 전원 공급장치(230)에 의해 전기를 인가받는다.
여기서, 상기 전원공급장치(230)에서 인가하는 전압은 직류전압 또는 교류전압 등이 가능할 것이다.
또한, 상기 상판 및 하판(100, 200)의 사이로 액정(300)이 주입된다.
일반적으로 액정(300)은 전기장에 민감한 성질을 띠고 있다. 즉, 액정에 전기장을 인가하면, 상기 액정의 분자배열은 상기 전기장의 인가방향으로 변화하게 된다.
상기와 같은 현상을 이용하는 것이 액정표시장치의 기본 원리인 것이다.
본 발명은 상기와 같은 현상(즉, 전기장 인가에 따라 액정의 분자배열이 바뀌는 현상)에 착안하여, 액정 주입시 주입되는 액정에 전기장을 인가하여, 상기 주입되는 액정의 분자배열 방향을 제어하는 것이다.
도 7에 도시된 바와 같이 상기 상판(100) 및 하판(200)의 표면에 전극(220)을 형성하고, 전기장을 인가함에 따라, 주입되는 액정(300)의 분자배열 방향을 액정 주입시의 액정의 흐름 방향과 동일한 방향 즉, <2> 방향의 분자 배치를 취하도록 조절한다.
상기와 같이 액정의 주입 방향과 점도가 가장 작은 액정의 분자배열의 방향(<2>)을 조절하면, 빠른 속도로 액정을 주입하는 것이 가능하다.
특히, 기존의 고온액정 주입 방식이 아니더라도, 전기장의 세기를 변경함으로써, 기존 고온주입 온도보다 낮은 온도에서 빠른 속도로 액정을 주입하는 것이 가능하다.
예를 들어, 상기 전극에 약 10 V의 직류전압을 인가하여 액정을 주입하면, 전압을 인가하지 않았을 경우보다 약 30 내지 40 %의 액정 주입속도의 향상을 얻었다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 전기장을 인가하여 액적을 주입하는 방법과, 고온에서의 액정주입 방법을 병행하면, 액정 주입속도는 더욱 더 빨라질 것이다.
또한, 상술한 액정 주입방법 및 장치는 수직 배향모드와 IPS 모드 등의 액정표시장치에 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 전기장 인가방식에 의한 액정주입 방법으로 액정을 주입하면 전기장에 의해 주입되는 액정의 분자방향을 액정 주입시의 흐름방향과 동일한 방향으로 액정을 주입할 수 있기 때문에 액정 주입 속도가 빠른 장점이 있다.
특히, 상기 액정 분자의 <2> 방향은 <1>, <3> 방향보다 점도가 상대적으로 작기 때문에 액정의 주입속도가 빠르다.
도 1은 일반적인 액정 셀의 제조공정을 도시한 흐름도.
도 2는 일반적으로 사용하는 감압식 액정주입방법을 도시한 도면.
도 3은 감압식 액정주입시 시간과 압력에 대한 관계를 도시한 그래프.
도 4는 액정의 점도를 측정하는 방법을 도시한 도면.
도 5는 액정분자의 배열 방향에 따라 온도와 점도를 비교한 그래프.
도 6은 종래의 방법에 의해 액정을 주입할 때, 액정 주입방향과 액정 분자와의 관계를 도시한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 액정 주입방법으로 액정을 주입할 때, 액정 주입방향과 액정 분자와의 관계를 도시한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 도전 접점부 200 : 씰 패턴
Claims (8)
- 합착된 제 1 기판과 제 2 기판의 사이에 액정을 주입하기 위한 액정 주입장치로서,전원공급부와;상기 전원공급부로부터 전원을 인가받고, 상기 제 1 및 제 2 기판의 바깥면에 각각 접촉하여 배치되며, 상기 전원공급부에서 인가받은 전원에 의해 그 사이의 영역에 전기장을 형성하는 제 1 및 제 2 전극부를 포함하는 액정 주입장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 전원공급부에서 인가하는 전원은 직류전원인 액정 주입장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 전원공급부에서 인가하는 전원은 교류전원인 액정 주입장치.
- 배향막이 형성된 제 1 기판과 제 2 기판을 구비하는 단계와;상기 제 1 및 제 2 기판을 상기 배향막이 형성된 면이 서로 마주보도록 하여 합착하는 단계와;상기 합착된 제 1 및 제 2 기판의 바깥면 각각에 전원공급부와 각각 연결된 제 1 및 제 2 전극부를 접촉시키는 단계와;상기 제 1, 2 전극부에 전원을 인가하여 상기 제 1 기판과 제 2 기판 내부 전면에 전기장을 형성시키는 단계와;상기 전기장이 인가된 제 1 및 제 2 기판의 사이로 액정을 주입하는 단계를 포함하는 액정 주입방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 제 1, 2 전극부에는 교류전원이 인가되는 액정 주입방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 제 1, 2 전극부에는 직류전원이 인가되는 액정 주입방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 액정의 주입은 상온보다 높은 고온의 분위기에서 이루어지는 액정 주입방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 배향막은 수직 정렬용 배향막인 액정 주입방법.
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