KR100516050B1 - 광시야각수직배향비틀린네마틱액정표시장치 - Google Patents

Abstract

수직 배향 액정 표시 장치의 박막 트랜지스터 기판 또는 컬러 필터 기판에 톱니 모양, 사각뿔 모양, 렌즈 모양 등의 패턴을 형성한 후 수직 배향막을 인쇄한다. 패턴은 사진 공정이 가능한 무기 재료 등을 이용하여 형성하며 패턴의 크기는 10 - 20 ㎛ 정도로 한다. 이렇게 하면, 수직 배향막에 대한 별도의 러빙 등이 없이도, 기판 표면에 형성되어 있는 패턴에 의해 각각 2영역, 4영역, 원통 대칭의 배열을 갖는 수직 배향 액정 표시 장치를 얻을 수 있다. 이러한 패턴은 사진 식각 공정 또는 스탬핑 공정으로 형성할 수 있다.

Description

광시야각 수직 배향 비틀린 네마틱 액정 표시 장치

이 발명은 수직 배향 비틀린 네마틱 액정 표시 장치에 관한 것이다.

일반적으로 액정 표시 장치는 두 장의 기판 사이에 액정을 주입하고, 여기에 가하는 전장의 세기를 조절하여 광 투과량을 조절하는 구조로 되어 있다.

비틀린 네마틱(twisted-nematic ; TN) 방식의 액정 표시 장치는, 안쪽면에 투명 전극이 형성되어 있는 한 쌍의 투명 기판, 두 투명 기판 사이의 액정 물질, 각각의 투명 기판의 바깥면에 부착되어 빛을 편광시키는 두 장의 편광판으로 구성된다. 전기장을 인가하지 않은 상태에서는 두 기판 사이에 채워진 액정 분자들이 기판에 평행하며 일정한 피치(pitch)를 가지고 나선상으로 꼬여 있어 액정 분자의 장축의 방향이 연속적으로 변화되는 비틀린 구조를 가진다.

액정은 분자의 장축 방향과 단축 방향으로의 굴절률이 서로 다른 복굴절성을 갖는데, 이 복굴절성에 의해 액정 표시 장치를 보는 위치에 따라 빛이 느끼는 굴절률이 차이가 생기므로 선편광된 빛이 액정을 통과하면서 편광 상태가 바뀌는 비율에 차이가 생겨 정면에서 벗어난 위치에서 볼 때의 빛의 양과 색특성이 정면에서 볼 경우와는 달라진다. 따라서 비틀린 네마틱 구조를 갖는 액정 표시 장치는 시야각에 따라 대비비(contrast ratio)의 변화, 색상 전이(color shift), 계조 반전(gray inversion) 등의 현상이 발생한다.

이러한 문제를 해결하기 위해 화소를 이분할하거나 화소 단위별 러빙을 하여 시야각을 향상시킨 영역 분할 TN(DDTN;domain devided TN) LCD, 2분할 TN(TDTN;two domain TN) LCD 등이 보고되었으나, 1번의 러빙 공정이 추가되는 등 공정이 복잡하고, 어두운 상태의 휘도가 증가하여 대비비가 급격히 감소하는 문제점이 보고되고 있다.

한편, 기존의 TN-LCD와는 다른 음의 유전 이방성을 갖는 액정을 사용한 수직 배향 TN-LCD(VATN-LCD;vertically aligned TN-LCD)가 미국 특허 제3,914,022호에서 제안되었고, "Eurodisplay '93" pp.158 - 159"에서도 Takahashi 등에 의해 제안되었다.

수직 배향 액정 표시 장치에서 전기장이 인가되지 않은 상태의 액정 분자는 두 기판에 대하여 수직으로 배향되어 있으므로 노멀리 블랙 모드(normally black mode)에서 충분히 어두운 상태가 만들어지고 따라서 대비비는 좋아진다. 그러나, 수직 배향 액정 표시 장치에서도 시야각이 충분히 넓지 않다는 문제점이 있다.

본 발명의 과제는 VATN-LCD를 이용하여 단순한 공정으로 광시야각 액정 표시 장치를 제조할 수 있는 새로운 방법을 제공하는 것이다.

위와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 액정 표시 장치용 기판의 표면에 요철 모양의 절연막 패턴을 형성하여 다중 영역 수직 배향 액정 표시 장치를 구현한다.

기판 표면의 패턴은 박막 트랜지스터 기판과 컬러 필터 기판 중 어느 쪽에 형성하여도 관계없다.

기판에 형성된 절연막 패턴 위에는 수직 배향막을 인쇄하며, 이 수직 배향막은 러빙이 필요없다.

이 때 형성되는 패턴의 모양은 톱니 모양, 사각뿔 모양, 렌즈 모양 등 다양한 모양을 가질 수 있다. 그리고, 패턴의 크기는 10 - 20 ㎛ 정도가 적당하다.

이제 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 액정 표시 장치 기판의 단면이 도 1a에 나타나 있다.

본 발명의 제1 실시예에 따르면, 투명한 절연 기판(10) 위에 사진 공정이 가능한 무기 재료 등을 이용하여 톱니 모양의 패턴(21)을 형성한다. 이 때 패턴의 크기, 즉 톱니 모양의 골에서 골 또는 마루에서 마루까지의 길이는 10 - 20 ㎛ 가 적당하고, 패턴의 높이는 0.1 - 5.0 ㎛ 로 형성하는 것이 좋다. 여기서, 패턴의 기울기는 tan^-1{ 패턴 높이 / (패턴 크기 / 0.5) } 로 계산할 수 있는데, 위의 값을 선경사각에 해당하는 패턴의 기울기를 0.5 - 45°로 하는 값이다.

도 1b는 도 1a에 나타난 기판 위에서 액정 분자가 배열되는 방향을 도시한 것이다. 도면에서의 화살표가 액정 분자의 장축의 배열 방향을 나타낸다. 톱니 모양의 패턴(21)이 형성되어 있는 기판(10) 위에 0.02 - 3.0 ㎛ 정도 두께의 수직 배향막(30)을 인쇄하게 되면 액정 분자는 기판에 인쇄된 수직 배향막(30)에 대해 수직으로 배열되려고 하므로 톱니 모양의 마루 또는 골을 중심으로 양쪽의 영역에서 액정 분자가 서로 반대 방향으로 기울어지게 된다. 따라서 두 영역의 광학적 특성이 서로 보상되므로 광시야각을 실현할 수 있다.

이러한 패턴은 통상 박막 트랜지스터와 화소 전극이 형성되어 있는 박막 트랜지스터 기판이나 컬러 필터와 블랙 매트릭스가 형성되어 있는 컬러 필터 기판 중 어느 쪽에 형성되어도 관계없다.

도 2a 및 도 2b는 도 1에 나타난 것과 같은 톱니 모양 패턴이 형성되어 있는 기판을 포함하는 액정 표시 장치를 나타낸 것이다.

도 2a에 나타난 액정 표시 장치는 하판(11)인 박막 트랜지스터 기판에 톱니 모양의 패턴(21)이 형성되어 있고, 도 2b에 나타난 액정 표시 장치는 상판(12)인 컬러 필터 기판에 톱니 모양의 패턴(21)이 형성되어 있다. 양쪽 기판(11, 12)에는 모두 수직 배향막(30)이 인쇄되어 있다. 패턴이 형성되어 있는 기판이나 반대쪽 기판 모두에 대하여 러빙 등 액정 분자의 배열을 조절하기 위한 별도의 공정은 요구되지 않는다.

또한, 이와 같이 기판에 패턴을 형성하는 경우 매우 미세한 다중 영역을 갖는 액정 표시 장치를 구현할 수 있다. 다만, 패턴의 골 또는 마루 부분에서 빛샘이 발생할 수 있으므로 노멀리 블랙 모드(normally black mode)를 사용하는 것이 좋다.

기판에 형성되는 패턴은 톱니 모양 외에도 사각뿔 모양이나 렌즈 모양 등 여러 가지로 만들어질 수 있다.

도 3에는 사각뿔 모양의 패턴을 갖는 본 발명의 제2 실시예에 따른 액정 표시 장치용 기판이 나타나 있다. 패턴을 형성하는 재료는 본 발명의 제1 실시예에서와 유사하며, 패턴의 크기는 가로와 세로가 10 - 20 ㎛ 이고, 패턴의 높이는 0.1 - 5.0 ㎛ 정도가 바람직하다.

본 발명의 제2 실시예와 같이 사각뿔 모양의 패턴을 형성할 경우, 액정 분자의 기울어짐 방향이 다른 4개의 영역을 얻을 수 있어 4개의 영역의 광학적 특성이 서로 보상되어 넓은 시야각을 얻을 수 있다.

본 발명의 제3 실시예에서는 기판 표면에 렌즈 모양으로 패턴을 형성한다. 도 4에 본 발명의 제3 실시예에 따른 액정 표시 장치용 기판의 사시도가 도시되어 있다. 패턴을 형성하는 재료는 본 발명의 제1 실시예에서와 유사하며, 패턴의 크기는 지름이 10 - 20 ㎛ 정도, 높이는 0.1 - 5.0 ㎛ 정도가 바람직하다.

본 발명의 제3 실시예에서와 같이 렌즈 모양의 패턴을 형성하는 경우는 액정 분자들이 렌즈의 중심을 축으로 원통 대칭의 배열을 이루게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 기판을 형성하는 방법은 여러 가지가 있으나 사진 식각(photo etching) 공정과 스탬핑(stamping) 공정의 두 가지 방법을 주로 사용할 수 있다.

먼저 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 사진 식각 공정을 이용해 렌즈 모양의 패턴이 형성되어 있는 기판을 제조하는 공정을 설명한다.

투명한 절연 기판(10) 상에 사진 공정이 가능한(photosensitive) 무기 재료(40)를 0.1 - 5.0 ㎛ 의 두께로 회전 코팅한다(도 5a).

여기서는 사진 공정이 가능한 무기 재료를 이용해 패턴을 형성하는 과정을 도시하였으나, 사진 공정이 가능하지 않은 재료를 사용할 수도 있다. 이 경우에는, 포토 레지스트를 한 층 도포하고 마스크를 사용하여 노광하고 식각한 후 포토 레지스트를 제거하는 방법으로 패턴을 형성할 수 있다.

다음, 렌즈 모양의 패턴을 형성하기 위한 동그라미 모양이 형성되어 있는 마스크(50)를 사용하여 기판을 노광한다(도 5b).

도 6에 이 때 사용할 수 있는 마스크의 모양이 나타나 있다. 기판에 형성하는 렌즈 모양 패턴의 크기는 지름 10 - 20 ㎛ 정도가 적당하며, 이러한 크기의 패턴을 얻기 위해 마스크에 형성되는 동그라미 무늬(51)는 지름이 5 - 150 ㎛, 간격이 5 - 150 ㎛ 가 되도록 형성하여야 한다.

기판을 노광할 때에는 자외선을 사용하며 렌즈 모양의 곡선을 얻기 위해서는 노광 시간을 적절히 조절한다.

마지막으로 기판을 현상하면, 도 5c에 나타난 바와 같은 렌즈 모양의 패턴(23)이 형성된 기판을 얻게 된다.

다음으로, 도 7a 내지 도 7c를 참조하여 스탬핑 공정을 이용해 톱니 모양의 패턴이 형성되어 있는 기판을 제조하는 공정을 설명한다.

먼저 만들고자 하는 기판의 패턴에 맞는 모듈을 별도의 공정으로 제조한다. 이 모듈은 통상 스테인레스(stainless) 등의 금속으로 만들어진다. 도 7a 내지 도 7c에서는 톱니 모양의 모듈을 사용한 경우를 도시하였다.

다음, 투명한 절연 기판(10) 위에 폴리아크릴 등의 물질(40)을 회전 코팅하고(도 7a), 모듈(60)을 기판(10) 위에 얹고 250도 정도의 온도에서 굽는다(도 7b). 그리고 나서 모듈(60)을 제거하면, 톱니 모양의 패턴(21)을 갖는 기판이 만들어진다(도 7c). 이러한 스탬핑 공정에 의해서는 톱니 모양, 사각뿔 모양, 렌즈 모양 등 모든 형태의 기판을 제조할 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 수직 배향 액정 표시 장치에서 요철 모양의 절연막 패턴을 형성하여 다중 영역 액정 표시 장치를 형성하였으나, 수직 배향 액정 표시 장치 외에 수평 배향을 이용하는 다른 방식의 액정 표시 장치에도 이러한 요철 모양의 패턴을 이용할 수 있다.

본 발명의 실시예에서와 같이, 액정 표시 장치의 기판 표면을 요철 모양으로 형성함으로써 시야각을 넓힐 수 있고 공정이 단순해진다.

도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 제1 실시예에 따른 액정 표시 장치용 기판 및 이 기판의 표면에 대해 액정 분자가 배열되는 방향을 도시한 것이고,

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 기판을 포함하는 액정 표시 장치의 단면도이고,

도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 제2 및 제3 실시예에 따른 액정 표시 장치용 기판의 사시도이고,

도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치용 기판을 제조하는 방법을 도시한 단면도이고,

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 기판을 제조하는 과정에서 사용되는 마스크를 도시한 것이고,

도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치용 기판을 제조하는 다른 방법을 도시한 단면도이다.

Claims (23)

1. 투명한 절연 기판,

   상기 기판 위에 형성되어 있는 다수의 요철을 갖는 절연막 패턴,

   상기 기판 위에 형성되어 있는 박막 트랜지스터와 화소 전극,

   상기 절연막 패턴 위에 형성되어 있는 수직 배향막을 포함하며,

   상기 수직 배향막은 러빙되어 있지 않은 액정 표시 장치용 기판.
2. 투명한 절연 기판,

   상기 기판 위에 형성되어 있는 다수의 요철을 갖는 절연막 패턴,

   상기 기판 위에 형성되어 있는 컬러 필터와 블랙 매트릭스,

   상기 절연막 패턴 위에 형성되어 있는 수직 배향막을 포함하며,

   상기 수직 배향막은 러빙되어 있지 않은 액정 표시 장치용 기판.
3. 제1항 또는 제2항에서,

   상기 절연막 패턴은 사진 공정이 가능한 재료로 이루어진 액정 표시 장치용 기판.
4. 제1항 또는 제2항에서,

   상기 절연막 패턴은 톱니 모양으로 형성되어 있는 액정 표시 장치용 기판.
5. 제4항에서,

   상기 톱니 모양 패턴의 골과 골 또는 마루와 마루 사이의 간격은 10 - 20 ㎛ 인 액정 표시 장치용 기판.
6. 제5항에서,

   상기 톱니 모양 패턴의 골과 마루의 높이 차는 0.1 - 5.0 ㎛ 인 액정 표시 장치용 기판.
7. 제1항 또는 제2항에서,

   상기 패턴은 사각뿔 모양으로 형성되어 있는 액정 표시 장치용 기판.
8. 제7항에서,

   상기 사각뿔 모양 패턴의 밑면의 가로와 세로의 길이는 10 - 20 ㎛ 인 액정 표시 장치용 기판.
9. 제8항에서,

   상기 사각뿔 모양 패턴의 높이는 0.1 - 5.0 ㎛ 인 액정 표시 장치용 기판.
10. 제1항 또는 제2항에서,

    상기 패턴은 렌즈 모양으로 형성되어 있는 액정 표시 장치용 기판.
11. 제10항에서,

    상기 렌즈 모양 패턴의 밑면의 반지름은 10 - 20 ㎛ 인 액정 표시 장치용 기판.
12. 제11항에서,

    상기 렌즈 모양 패턴의 높이는 0.1 - 5.0 ㎛ 인 액정 표시 장치용 기판.
13. 서로 마주 보고 있는 제1 기판과 제2 기판,

    상기 제1 기판과 제2 기판 사이에 주입되어 있는 음의 유전율 이방성을 갖는 액정 물질,

    상기 제1 기판 또는 제2 기판 중 하나에 형성되어 있는 다수의 요철을 갖는 절연막 패턴을 포함하며,

    상기 패턴 위에 형성되어 있는 제1 수직 배향막을 더 포함하며,

    상기 수직 배향막은 러빙되어 있지 않은 액정 표시 장치.
14. 제13항에서,

    상기 절연막 패턴이 형성되어 있지 않은 기판 위에 형성되어 있는 제2 수직 배향막을 더 포함하는 액정 표시 장치.
15. 제14항에서,

    상기 제2 수직 배향막은 러빙되어 있지 않은 액정 표시 장치.
16. 서로 마주 보고 있는 제1 기판과 제2 기판,

    상기 제1 기판과 제2 기판 사이에 주입되어 있는 음의 유전율 이방성을 갖는 액정 물질,

    상기 제1 기판 또는 제2 기판 중 하나에 형성되어 있는 다수의 요철을 갖는 절연막 패턴,

    상기 액정 물질을 배향하며, 러빙 처리되지 않은 수직 배향막을 포함하며,

    상기 절연막 패턴은 사진 공정이 가능한 무기 재료로 형성되어 있는 액정 표시 장치.
17. 제13항, 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에서,

    상기 패턴은 톱니 모양, 사각뿔 모양 또는 렌즈 모양으로 형성되어 있는 액정 표시 장치.
18. 액정 표시 장치용 기판 위에 사진 공정이 가능한 절연막을 단층으로 도포하는 단계,

    상기 절연막을 패터닝하여 다수의 요철을 형성하는 단계를 포함하며,

    상기 요철을 형성하는 단계는,

    마스크를 사용하여 상기 절연막을 노광하는 단계,

    상기 절연막을 현상하는 단계를 포함하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
19. 제18항에서,

    상기 기판은 박막 트랜지스터와 화소 전극이 형성되어 있는 기판인 액정 표시 장치의 제조 방법.
20. 제18항에서,

    상기 기판은 컬러 필터와 블랙 매트릭스가 형성되어 있는 기판인 액정 표시 장치의 제조 방법.
21. 제18항에서,

    상기 패턴은 톱니 모양, 사각뿔 모양 또는 렌즈 모양으로 형성하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
22. 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에서,

    상기 요철을 형성하는 단계는,

    상기 절연막이 형성되어 있는 기판 위에 형성하고자 하는 패턴과 반대의 요철 모양이 형성되어 있는 모듈을 얹는 단계,

    상기 기판에 열을 가하는 단계,

    상기 모듈을 제거하는 단계를 포함하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
23. 제22항에서,

    상기 패턴은 톱니 모양, 사각뿔 모양 또는 렌즈 모양으로 형성하는 액정 표시 장치의 제조 방법.

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