KR100516054B1 - 균일한 기판 간격 및 높은 대비비를 갖는 액정 표시 장치 및 그제조 방법 - Google Patents

Abstract

박막 트랜지스터 기판에 배향막을 코팅하고 러빙을 실시한다. 이어, 박막 트랜지스터 기판에 유지하고자 하는 기판 간격의 직경을 가지는 스페이서(spacer)가 혼합된 감광성 유기 절연막을 도포하거나 감광성 수지가 코팅된 스페이서를 산포한 후 컬러 필터 기판의 블랙 매트릭스를 마스크로 하거나 블랙 매트릭스에 대응하는 부분에 개구부를 가지는 마스크로 하여 블랙 매트릭스에 의해 가려지는 부분을 제외하고 감광성 유기 절연막 또는 감광성 수지 및 스페이서를 제거한다. 이렇게 하면, 식각되지 않고 블랙 매트릭스 형태로 남아있는 스페이서는 기판의 간격을 균일하게 유지하는 기판 간격제로서의 역할을 할 수 있게 된다.

Description

균일한 기판 간격 및 높은 대비비를 갖는 액정 표시 장치 및 그 제조 방법

본 발명은 액정 표시 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

액정 패널에 대하여는 여러 가지 성능이 요구되는데, 이 가운데 응답 속도나 대비비, 시야각 등은 액정층의 두께와 밀접한 관계가 있다. 따라서 액정층의 두께를 일정하게 유지하는 것이 필요하다.

종래 기술에 따르면, 액정 표시 장치의 두 장의 기판의 간격(gap)을 규제하고 적당한 액정층의 두께를 유지하기 위하여 기판 간격제(spacer)를 사용한다. 기판 간격제로는 일반적으로 하중부의 영향에 따라 크기가 가변하는 탄성체 플라스틱을 주로 사용하고 있으나, 이를 이용한 균일한 간격 형성에는 상당한 기술이 필요하다. 따라서 보다 쉽게 간격을 안정시킬 수 있는 진사구를 사용하는 경우도 많다.

도 1 및 도 2는 종래의 기술에 따른 기판 간격제가 포함된 액정 표시 장치를 나타내고 있다. 도 1은 기판 간격제가 포함된 비틀린 네마틱 액정 표시 장치의 단면도이고, 도 2는 역시 기판 간격제가 포함된 IPS(in-plane switching) 모드 액정 표시 장치의 단면도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 두 개의 투명 기판(1, 2) 사이에 액정 물질이 주입되어 있으며, 하판(1)에는 박막 트랜지스터(4)가 형성되어 있고, 상판(2)에는 컬러 필터(5)와 블랙 매트릭스(6)가 형성되어 있다.

도 1에 나타난 비틀린 네마틱 액정 표시 장치의 경우, 박막 트랜지스터(4)가 형성되어 있는 하판(1) 위에 보호막(10)이 형성되어 있고, 보호막(10) 위에 투명 도전막으로 이루어진 화소 전극(7)이 형성되어 있으며, 이 화소 전극(7)은 보호막(10)에 뚫린 접촉 구멍을 통하여 박막 트랜지스터의 드레인 전극과 접촉되어 있다. 그리고 상판에는 공통 전극(8)이 형성되어 있다.

도 2의 IPS 모드 액정 표시 장치는 화소 전극(8)과 공통 전극(7)이 모두 하판에 형성되어 있고, 그 위를 보호막(10)이 덮고 있다. 기판 간격제(9)는 액정층(3) 내에 산포되어 있으며, 이에 의해 적당한 기판 간격을 유지하고 있다.

그러나, 종래 기술에 따른 기판 간격제를 이용하여 두 기판의 간격을 유지하는 경우에는 기판 간격제가 고르게 분포되지 않고 뭉치거나 진동에 의해 이동하는 등의 문제점이 발생하여 기판의 간격이 불균일하게 된다. 특히 최근 광시야각 확보를 위해 많이 사용되고 있는 IPS 모드 액정 표시 장치의 경우 기판 간격제에 의해 기판 간격제 주위의 액정 배향이 불량해지게 되고, 이로 인한 빛샘 현상이 나타나게 되어 대비비를 현저히 감소시키고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로, 기판 간격제를 사용하지 않고 질화규소막과 같은 절연막의 지지대를 사용하여 기판의 간격을 균일하게 유지하는 방법이 제안되었다. 그러나 지지대는 4μm 이상의 높이가 요구되므로, 이 높이의 질화규소막을 형성하는 데는 장시간 소요되는 단점이 있다. 또한 유기 절연막으로 형성하는 방법도 제시되고 있으나, 유기 절연막은 견고성(hardness)이 작으므로 균일한 기판의 간격을 유지하기가 어렵다는 단점이 있다. 또한, 러빙(rubbing)이 요구되는 장치에서 수 μm 정도의 단차를 극복할 수 있는 러빙 방법이 없다는 문제점도 있다.

본 발명에서는 액정 표시 장치에서 균일한 기판의 간격을 유지하고 액정 배향을 균일하게 하여 대비비를 향상시키는 데 있다.

위와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 감광성 유기 절연막과 기판 간격제인 스페이서를 함께 사용하거나 감광성 수지가 코팅된 스페이서를 사용하여 기판의 간격을 유지한다.

여기서, 감광성 유기 절연막은 감광성 수지가 혼합된 유기 절연막을 의미한다.

이러한 액정 표시 장치의 제조 방법으로는, 우선 박막 트랜지스터가 형성되어 있는 기판에 박막 트랜지스터를 덮는 보호막을 형성한 다음, 배향막을 도포하고 러빙을 실시한다. 다음, 스페이서가 혼합되어 있는 감광성 유기 절연막 또는 감광성 수지가 코팅된 스페이서를 기판의 전면에 도포 또는 산포한다.

이때, 스페이서는 감광성 유기 절연막의 상부에 올라앉은 상태가 된다.

이어, 컬러 필터 기판의 블랙 매트릭스를 마스크로 이용하거나 또는 포토 마스크를 이용하는 사진 공정 또는 자외선을 조사하여 화소 영역에 형성되어 있는 감광성 유기 절연막 또는 감광성 수지를 제거한다. 이때, 스페이서도 감광성 유기 절연막 또는 감광성 수지와 함께 제거되며, 감광성 유기 절연막 또는 감광성 수지 및 스페이서가 제거되어 노출된 배향막의 배향력은 그대로 남게 된다.

이러한 본 발명에 따른 액정 표시 장치에서는 블랙 매트리스에 대응하는 부분에만 감광성 유기 절연막 또는 감광성 수지 및 스페이서가 남아 두 기판의 간격을 균일하게 지지하게 된다.

이제 첨부한 도면을 참고로 하여, 본 발명에 따른 액정 표시 장치 및 그 제조 방법의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명한다.

본 발명의 제1 실시예는 비틀린 네마틱 액정 표시 장치에서 두 기판의 간격을 균일하게 유지하기 위해 감광성 유기 절연막과 스페이서를 함께 사용한 경우이다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 액정 표시 장치의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 액정 표시 장치는 투명한 절연 기판(10) 상부에 게이트 전극(41) 및 소스/드레인 전극(42, 43)으로 이루어진 박막 트랜지스터(40)가 형성되어 있다. 여기서, 게이트 전극(41)과 소스/드레인 전극(42, 43)은 그들 사이에 형성되어 있는 게이트 절연막(30)을 통하여 절연되어 있다. 또한, 하판(10) 위에는 박막 트랜지스터(40)를 덮는 보호막(100)이 형성되어 있고, 그 위에는 배향막(60)이 전면적으로 형성되어 있다. 박막 트랜지스터(40)에 대응하는 배향막(60)의 상부에는 감광성 유기 절연막(200)이 형성되어 있으며, 유기 절연막(200)의 상부에는 스페이서(90)가 분포되어 있다.

여기서, 감광성 유기 절연막(200)은 감광성 수지가 혼합되어 있는 유기절연막을 의미한다.

스페이서(90)에 의해 하판(10)과 일정한 간격이 유지되는 상판(20)에는 컬러 필터(50)와 블랙 매트릭스(80)가 형성되어 있다. 이때, 블랙 매트릭스(80)는 하판(10)의 감광성 유기 절연막(200)에 대응하는 부분에 형성되어 있으며, 컬러 필터(50)는 하판(20)의 감광성 유기 절연막(200)에 의해 노출된 배향막(60)에 대응하는 부분에 형성되어 있다.

이러한 본 발명의 제1 실시예에 따른 액정 표시 장치의 제조 방법은 다음과 같다.

도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 액정 표시 장치의 제조 방법을 그 공정 순서에 따라 도시한 단면도이고,

먼저, 도 4a에서 보는 바와 같이, 게이트 전극(41), 게이트 전극(41)을 덮는 게이트 절연막(30) 위에 형성되어 있는 소스 전극(42) 및 드레인 전극(43)으로 이루어진 박막 트랜지스터(40)가 형성되어 있는 하판(10)의 전면에 보호막(100)을 형성한다. 이 때 보호막(100)으로는 질화규소(SiNx)막 또는 유기 절연막을 이용한다.

다음으로, 도 4b에서 보는 바와 같이 하판(10)의 전면에 배향막(60)을 코팅하고, 배향막(60)을 러빙한다.

다음으로, 기판 간격제인 스페이서(90)가 혼합되어 있는 감광성 유기 절연막(200)을 기판(10)의 상부에 코팅(coating)한다. 이때, 스페이서(90)는 기판(10)의 상부 전면에 퍼지게 되며, 스페이서(90)는 감광성 유기 절연막(200)의 상부에 올라앉은 상태가 되며, 감광성 유기 절연막(200)은 스페이서(90)를 배향막(60)의 표면에 부착시키는 역할을 한다(도 4c 참조).

이 상태에서, 프리-베이커(pre-bake)를 실시하고, 상판(20)의 블랙 매트릭스(80)를 마스크로 하여 사진 공정을 실시하거나 또는 자외선을 조사하여 블랙 매트릭스(80)에 의해 가려지는 부분을 제외한 감광성 유기 절연막(200)을 제거한다. 이때, 감광성 유기 절연막(200)의 상부에 있는 스페이서(90)도 함께 제거된다(도 4d 참조).

이때, 현상에 의해 배향막(60)의 러빙 상태는 미세하게 손상되지만 배향력에는 크게 영향을 미치지 않는다.

결국, 도 3에서 보는 바와 같이 상판(20)에 블랙 매트릭스(80)가 없는 부분에 컬러 필터(50)를 형성한 다음, 두 기판(10, 20)을 정렬하면, 상판(20)의 컬러 필터(50)에 대응하는 하판(10)에는 배향막(60)이 노출되어 있다. 상판(20)의 매트릭스(80)에 대응하는 하판(10)에만 감광성 유기 절연막(200)과 그 위에 스페이서(90)가 남게 된다. 이 상태에서, 하드-베이크(hard-bake)를 실시하면 스페이서(90)는 감광성 유기 절연막(200)에 고착된다.

여기서, 프리-베이크란 액상의 감광성 유기 절연막(200)을 1차로 낮은 온도(약 80℃ 내외)로 가열하여 고체 상태로 만드는 것을 말하며, 이때의 감광성 유기 절연막은 고분자화(polymerization)되지 않은 상태이므로 현상으로 쉽게 제거할 수 있다.

또한, 하드-베이크란 유기 절연막이 양성인 경우에는 아직 고분자화되지 않은 유기 절연막을 고온으로 가열하여 경화시키는 것이며, 음성의 경우에는 이미 경화되어 있는 상태에서 용매(solvent)를 완전히 제거하거나 해상도(resolution)를 높이기 위해서 실시한다.

다음은, 본 발명에 따른 액정 표시 장치 및 그 제조 방법에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 액정 표시 장치의 구조를 도시한 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 5에서, 도 3과 동일한 도면 부호는 동일한 기능을 가지는 것을 의미한다.

도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 액정 표시 장치의 대부분의 구조는 도 3과 유사하다.

단, 본 발명에 따른 제2 실시예에서는 스페이서(90)가 감광성 수지(200)로 코팅되어 있다.

이러한 제2 실시예에 따른 액정 표시 장치의 제조 방법은 다음과 같다.

도 6a 내지 도 6b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 액정 표시 장치의 제조 방법을 그 공정 순서에 따라 도시한 단면도이다.

도 6a에서 보는 바와 같이, 제1 실시예의 도 4a 내지 도 4b에서와 마찬가지로 게이트 전극(41), 게이트 전극(41)을 덮는 게이트 절연막(30) 위에 형성되어 있는 소스 전극(42) 및 드레인 전극(43)으로 이루어진 박막 트랜지스터(40)가 형성되어 있는 하판(10)의 전면에 보호막(100)을 형성하고, 하판(10)의 전면에 배향막(60)을 코팅하고 러빙을 실시한다.

다음, 도 6b에서 보는 바와 같이, 감광성 수지(200)로 코팅되어 있는 스페이서(90)를 하판(10)의 전면에 산포한다. 여기서, 스페이서(90)들은 아무런 접착력도 가지지 않으므로 세정하면 제거될 수 있는 상태이다. 다음, 기판(310)에 차광막(320)이 부분적으로 형성되어 있는 마스크(300)를 하판(10) 위에 정렬시키고 자외선을 조사한다. 그러면, 자외선에 의해 조사된 부분의 감광성 수지(200)는 경화되면서 스페이서(90)가 배향막(60)에 부착된다. 다음, 세정 공정을 실시하여 자외선에 의해 조사되지 않은 감광성 수지(200)를 제거한다. 이때, 자외선에 의해 조사되지 않은 감광성 수지(200)에 코팅된 스페이서(90)도 함께 제거된다.

여기서, 스페이서(90) 및 이를 코팅하고 있는 감광성 수지(200)가 남겨진 부분은 도 5에서 보는 바와 같이 상판(20)의 블랙 매트릭스(80)에 대응하는 부분이며, 박막 트랜지스터(40)에 대응하는 배향막(60)의 상부이다.

이러한 본 발명에 제1 및 제2 실시예에 따른 액정 표시 장치는 상판(20)의 블랙 매트릭스(60)에 의해 가려지는 하판(10) 영역에는 유지하고자 하는 기판의 간격과 같은 두께의 감광성 유기 절연막(200) 또는 감광성 수지(200) 및 스페이서(90)가 형성되어 기판 간격을 유지하는 지지대의 역할을 한다. 이때, 이 기판 간격 유지용 감광성 유기 절연막(200) 또는 감광성 수지(200) 및 스페이서(90)는 블랙 매트릭스 패턴과 동일한 그물 형태로 형성하더라도, 감광성 수지(200) 또는 유기 절연막(200)의 두께는 수천Å인데 반해서 스페이서(90)의 직경은 수μｍ이므로 액정 물질이 주입되는 경로에는 장해 요인이 되지 않는다. 또한, 화상을 표시하는 영역에는 스페이서가 존재하지 않으므로 스페이서의 뭉침으로 인한 불량 및 빛샘이 감소하며, 스페이서에 의한 정전기 때문에 발생하는 전장의 왜곡이 생기지 않으므로 잔상이 감소한다.

특히, 본 발명의 제1 실시예에서와 같이 유기 절연막과 스페이서를 함께 기판 간격 유지용으로 사용하는 경우에는 질화규소막을 사용할 때 장시간이 소요된다는 단점을 극복할 수 있으며, 유기 절연막을 사용할 경우에 약한 견고성(hardness)으로 인하여 발생하는 불균일한 기판의 간격 유지의 단점을 극복할 수 있다. 또한, 본 발명의 제 2 실시예에서와 같이 자외선을 이용하는 경우에는 현상으로 인한 배향막의 손상을 방지할 수 있다.

앞에서 설명한 스페이서와 감광성 수지 또는 감광성 유기 절연막을 사용하여 기판의 간격을 유지하는 방법은 비틀린 네마틱 액정 표시 장치에만 적용되지 않으며, 수직 배향을 적용한 EOC(electrically-induced optical compensation) 모드와 VA TN(vertical alignment twisted nematic) 모드의 액정 표시 장치에도 적용할 수 있다. 또한, 대비비가 떨어지는 IPS 방식의 액정 표시 장치에 적용하는 경우에는 크게 대비비를 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 액정 표시 장치에서는 기판 간격제와 감광성 유기 절연막 또는 감광성 수지를 함께 사용함으로써 기판의 간격을 균일하게 유지할 수 있고, 화소의 내부에는 스페이서가 존재하지 않으므로 화소 내에서 기판 간격제에 의한 빛샘 현상이 사라지므로 개구율이 증가하고 대비비를 크게 증가시킬 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 비틀린 네마틱 액정 표시 장치의 단면도이고,

도 2는 종래 기술에 따른 IPS(in-plane switching) 모드 액정 표시 장치의 단면도이고,

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 액정 표시 장치의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이고,

도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 액정 표시 장치의 제조 방법을 그 공정 순서에 따라 도시한 단면도이고,

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 액정 표시 장치의 구조를 도시한 개략적으로 도시한 단면도이고,

도 6a 내지 도 6b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 액정 표시 장치의 제조 방법을 그 공정 순서에 따라 도시한 단면도이다.

Claims (9)

1. 마주 보고 있는 제1 및 제2 투명 기판,

   상기 제1 투명 기판 위에 형성되어 있는 박막 트랜지스터,

   상기 박막 트랜지스터 위에 형성되어 있는 보호막,

   상기 보호막 위에 형성되어 있는 배향막,

   상기 제2 투명 기판 위에 형성되어 있는 블랙 매트릭스,

   상기 블랙 매트릭스가 형성되어 있는 영역에 대응하는 상기 제1 투명 기판의 영역에 상기 두 기판 사이의 간격을 균일하게 유지하는 기판 간격 유지용 지지대를 포함하며,

   상기 기판 간격 유지용 지지대는 스페이서와 감광성 유기 절연막 또는 감광성 수지로 이루어진 액정 표시 장치.
2. 제1항에서,

   상기 스페이서는 상기 블랙 매트릭스에 의해 구분되는 화소에는 존재하지 않는 액정 표시 장치.
3. 제2항에서,

   상기 기판 간격 유지용 지지대는 상기 화소의 경계에 그물 형태로 형성되어 있는 액정 표시 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,

   상기 보호막은 질화규소막 또는 유기 절연막인 액정 표시 장치.
5. 박막 트랜지스터가 형성되어 있는 제1 기판에 배향막을 코팅하고 상기 배향막을 러빙하는 단계,

   상기 제1 기판과 상기 제1 기판에 대향하는 제2 기판의 간격의 직경을 가지는 스페이서가 혼합된 감광성 유기 절연막을 도포하는 단계,

   블랙 매트릭스가 형성되어 있는 상기 제2 기판을 마스크로 하여 상기 블랙 매트릭스에 대응하는 상기 제1 기판 영역을 제외한 부분의 상기 유기 절연막을 제거하여 상기 스페이서를 제거하는 단계를 포함하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
6. 제5항에서,

   상기 배향막을 코팅하는 단계 이전에 상기 박막 트랜지스터를 덮는 보호막을 형성하는 단계를 더 포함하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
7. 제6항에서,

   상기 보호막은 질화규소막 또는 유기 절연막으로 형성하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
8. 제7항에서,

   상기 유기 절연막을 제거하는 단계는 현상 또는 자외선 조사를 통하여 이루어지는 액정 표시 장치의 제조 방법.
9. 박막 트랜지스터가 형성되어 있는 제1 기판에 배향막을 코팅하고 상기 배향막을 러빙하는 단계,

   상기 제1 기판과 상기 제1 기판에 대향하는 제2 기판의 간격의 직경을 가지며 감광성 수지로 코팅되어 있는 스페이서를 산포하는 단계,

   상기 제1 기판에서 박막 트랜지스터가 형성되어 있는 영역의 상부에 자외선을 조사하고 상기 박막 트랜지스터가 형성되어 있는 영역을 제외한 부분의 상기 감광성 수지를 세정하여 상기 스페이서를 제거하는 단계를 포함하는 액정 표시 장치의 제조 방법.