KR100618586B1 - 배향막의 배향방법 및 이를 이용한 액정표시소자 제조방법 - Google Patents

배향막의 배향방법 및 이를 이용한 액정표시소자 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 배향방법은 배향막을 제공하는 단계와, 상기 배향막을 러빙하여 상기 배향막에 제1배향규제력을 제공하는 단계와, 상기 배향막의 적어도 한 영역에 자외선을 조사하여 해당 영역에 제2배향규제력을 제공하는 단계로 구성된다. 상기 러빙과 광조사는 별도로 이루어질 수도 있으며 동시에 이루어질 수도 있다.
배향, 러빙, 광조사, 자외선, 대면적 기판

Description

배향막의 배향방법 및 이를 이용한 액정표시소자 제조방법{METHOD OF ALIGNING A ALIGNMENT LAYER AND METHOD OF FABRICATING A LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE USING THEREOF}
도 1a∼도 1c는 대면적 기판을 배향처리하는 본 발명에 따른 배향방법을 나타내는 도면.
도 2a는 본 발명에 따른 러빙/광배향 동시공정을 나타내는 측면도.
도 2b는 본 발명에 따른 러빙/광배향 동시공정을 나타내는 정면도.
도 3은 일반적인 IPS모드 액정표시소자의 구조를 나타내는 평면도.
도 4a는 IPS모드 액정표시소자의 전극 근처를 러빙했을 때의 액정분자 배향을 나타내는 도면.
도 4b는 러빙 후 광배향이 이루어진 액정분자의 배향을 나타내는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 기판 3 : 배향막
10 : 러빙롤 12 : 러빙포
17 : 자외선조사장치.
본 발명은 액정표시소자 제조방법에 관한 것으로, 특히 러빙과 광배향을 실시하여 대면적 기판에 형성된 배향막에 균일한 배향방향을 결정할 수 있는 배향방향 형성방법에 관한 것이다.
근래, 핸드폰(Mobile Phone), PDA, 노트북컴퓨터와 같은 각종 휴대용 전자기기가 발전함에 따라 이에 적용할 수 있는 경박단소용의 평판표시장치(Flat Panel Display Device)에 대한 요구가 점차 증대되고 있다. 이러한 평판표시장치로는 LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), FED(Field Emission Display), VFD(Vacuum Fluorescent Display) 등이 활발히 연구되고 있지만, 양산화 기술, 구동수단의 용이성, 고화질의 구현이라는 이유로 인해 현재에는 액정표시소자(LCD)가 각광을 받고 있다.
이러한 액정표시소자는 투과형 표시소자로서, 액정층을 투과하는 광의 양을 액정분자의 배열방향에 따라 조절함으로써 화상을 표시하는 것이다. 따라서, 상기 액정표시소자에서는 액정분자가 균일한 방향성을 갖도록 배향처리하는 것이 필수적이다. 일반적으로 배향막의 배향처리방법으로는 여러가지 방법이 알려져 있지만, 현재 가장 많이 사용되고 있는 방법이 러빙(rubbing)에 의한 배향방법이다. 이 러빙에 의한 배향방법은 기판에 배향막을 형성한 후 러빙포를 이용하여 이해 러빙을 실시하여 배향막 표면에 균일한 미세홈(microgrooves)를 형성시켜 배향하는 방법이다. 이것은 배향막 표면에서 러빙에 의해 미세홈이 형성된 배향막과 액정분자가 상호작용하여 액정분자에 배향규제력을 제공함으로써 배향막 전표면에 걸쳐서 원하는 방향으로 액정분자를 일정하게 배향하는 것이다.
그러나, 러빙에 의해 배향방법에는 다음과 같은 문제가 있다. 러빙은 러빙롤(rubbing roll)에 러빙포를 감은 상태에서 기판에 형성된 배향막과 상기 러빙롤을 접촉시킨 상태에서 일방향으로 러빙롤을 진행시킴으로써 이루어진다. 한편, 근래 액정표시소자가 노트북컴퓨터와 같은 휴대용 전자기기뿐만 아니라 TV 등의 전자기기에 적용됨에 따라 액정표시소자의 크기가 대폭 커지고 있는 실정이다(더욱이 액정패널을 제작하는 모기판은 더 크다) . 따라서, 러빙에 의한 대면적 액정표시소자의 배향처리시 러빙롤의 폭이 커지게 된다. 이러한 폭의 증가는 중력에 의한 러빙롤이 휨현상을 일으키게 되므로, 러빙시 기판의 중앙영역과 가장자리 영역에 닿는 러빙롤의 접촉압력이 다르게 된다. 이것은 기판 전체에 걸쳐 다른 크기의 미세홈이 형성된다는 것을 의미하는 것으로서, 결국 기판에는 각 영역(예를 들면, 중앙영역과 가장자리 영역)에 따라 배향규제력의 크기가 다르게 된다. 따라서, 러빙에 의해 대면적의 기판을 배향처리하는 경우 기판 전체에 걸쳐 균일한 배향방향이 형성되지 않으며, 그 결과 액정표시소자 불량이 원인이 된다.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 러빙과 광조사에 의해 대면적 기판에 균일한 배향방향을 형성할 수 있는 배향막 배향방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 러빙에 의한 배향방향에 불균일이 존재하는 경우 불균일영역을 광배향함으로써 기판 전체에 걸쳐 균일한 배향방향을 형성할 있는 배향 막 배향방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 배향방법을 이용하여 액정표시소자를 제작하는 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일관점에 따른 배향방법은 제1영역 및 제2영역을 포함하는 배향막을 제공하는 단계와, 상기 배향막의 제1영역 및 제2영역을 러빙배향하여 제1배향방향을 제공하는 단계와, 상기 제2영역을 광배향하여 상기 제2영역에 제2배향방향을 제공하는 단계로 구성된다.
상기 배향막은 폴리이미드와 같은 이미드계 고분자로 이루어지며, 광은 선편광된 자외선 또는 비편광된 자외선을 포함한다. 대면적의 기판을 러빙하는 경우, 상기 제1영역은 배향막의 중앙에 배치되고 제2영역은 제1영역의 양측에 배치되어, 러빙을 실행하는 러빙롤의 중력에 의해 제2영역의 러빙압력에 변화가 발생하여 상기 제2영역의 배향방향이 제1배향방향과 다른 방향으로 형성되는데, 상기 광조사에 의해 상기 제2영역이 배향방향이 다시 제1배향방향으로 된다.
또한, 본 발명의 다른 관점에 따른 배향방법은 액정분자와 상호작용하는 배향막을 제공하는 단계와, 상기 배향막을 러빙하여 상기 액정분자를 설정된 방향으로 배향하는 단계와, 상기 액정분자가 오배향된 배향막에 자외선을 조사하여 액정분자를 설정된 방향으로 배향시키는 단계로 구성된다.
그리고, 본 발명에 따른 액정표시소자 제조방법은 구동소자와 전극이 형성되어 신호가 인가됨에 따라 전계를 형성하며, 배향막이 형성된 기판을 제공하는 단계와, 상기 배향막을 러빙하여 제1배향처리하는 단계와, 상기 전극 근처에 광을 조사 하여 제2배향처리하는 단계로 구성된다.
본 발명에서는 배향막을 러빙과 광조사에 의해 배향처리함으로써, 러빙에 의한 불균일한 액정의 배향을 방지하여 액정표시소자에 불량이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있게 된다. 이러한 2회 배향처리방법은 대면적의 기판을 배향처리하는데 유용하게 적용될 수 있다. 기본적으로 기판의 배향규제력은 러빙에 의해 제공되며, 광배향은 배향처리에 이상이 발생된 영역을 다시 배향처리하는데 주로 이용된다.
본 발명의 자외선을 이용한 광배향에 주로 사용되는 배향막은 이미드(imide)계의 고분자이다. 이러한 이미드계 물질, 특히 폴리이미드(polyimide)는 러빙시 배향규제력이 형성되는 배향막으로 이미 널리 사용되고 있는 물질로서, 자외선과 같은 광의 조사에 의해 배향방향이 결정된다는 사실 역시 알려져 있다.
자외선의 조사에 의해 배향막의 이미드와 방향족링(aromatic ring) 및 카본기의 결합이 깨지게 되어 배향막의 표면에는 극성(polarity)이 증가하고 표면응력(surface tension)이 증가하게 된다. 이러한 극성 및 표면응력의 증가는 상기 배향막 표면과 접촉하는 액정분자와의 상호작용을 야기하며, 이러한 상호작용의 변화에 의해 액정분자가 새로운 방향(즉, 자외선의 조사에 대응하는 방향)으로 배향하는 것이다. 이때, 배향막 표면과 액정분자 사이의 상호작용의 변화는 조사되는 자외선의 편광 여부에 관계없이 발생한다. 즉, 편광된 자외선을 조사하는 경우에도 배향에 변화가 생기고 편광되지 않는 자외선을 조사하는 경우에도 배향에 변 화가 생기는 것이다.
본 발명에서는 이와 같은 폴리이미드의 특성을 이용하여 기판을 배향한다. 즉, 러빙에 의해 배향처리를 한 후 다시 자외선과 같은 광을 조사하여 재배향처리하는 것이다. 이러한 광조사에 의한 배향처리는 특히 러빙에 의한 배향방향을 균일하게 하기 어려운 경우 실행되어 기판 전체에 균일한 배향규제력을 제공한다. 따라서, 상기 광배향은 러빙배향에 대한 보조적인 배향으로서 간주할 수도 있을 것이다.
일반적으로 광배향에 의한 배향규제력은 러빙에 의한 배향규제력에 비해 약하다. 따라서, 광배향에 의해 단독으로 배향규제력이 제공된 배향막은 액정분자의 스위칭(switching)속도가 느리다는 문제가 있다. 그러나, 본 발명과 같이 광배향을 러빙배향의 보조적인 수단으로 사용한다면 원하는 결과를 얻을 수 있을 것이다.
배향에 의한 액정분자의 배열은 통계적인 개념이다. 즉, 특정방향으로의 배향방향은 모든 액정분자가 해당 방향으로 배열된다는 것을 의미하는 것이 아니라, 확률적으로 해당 방향으로 배열된다는 것이다. 따라서, 러빙에 의해 특정 방향으로 배향된 배향막의 일부 영역에 러빙에 의한 배향방향과는 미세하게 다른 배향방향을 갖는 광배향을 실시하면, 배향막의 표면과 상호작용하고 있는 액정분자 일부의 배열방향이 바뀌게 될 것이다. 이것은 러빙에 의해 결정된 배향방향으로 액정분자가 배열되는 확률이 낮아지고 광배향에 의한 배향방향으로 액정분자가 배열되는 확률이 높아진다는 것을 의미한다. 즉, 기존의 배향규제력은 미세하게 작아지는 대신(그러나, 용인할 수 있는 정도로) 배향방향도 미세하게 변한다는 것을 의미한다.
이와 같이, 광배향은 러빙에 의한 배향에 미세한 불량이 발생하는 경우 해당 불량영역을 다시 광배향처리함으로써 원래의 방향(러빙방향)으로 배향방향을 결정하는 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1a∼도 1c는 본 발명에 따른 배향방법을 나타내는 도면으로, 특히 대면적 기판을 배향하는 방법을 나타내는 도면이다.
우선, 도 1a에 도시된 바와 같이, 기판(1)상에는 배향막(3)이 형성되어 있으며, 상기 배향막(3)에 러빙포가 구비된 러빙롤(10)이 접촉하여 러빙이 이루어진다. 이때, 기판이 대면적이기 때문에, 기판을 러빙하기 위한 러빙롤(10) 역시 대형으로 이루어져야만 한다. 따라서, 중력에 의해 러빙롤(10)이 휘게 되어, 중앙과 외곽영역에는 약 Δx의 편차가 발생하게 된다. 이 편차는 물론 러빙롤(10)의 무게와 러빙롤(10)의 폭에 따라 결정될 것이다. 상기 편차는 배향막(3)과 접촉하는 압력에 차이를 발생시키며, 따라서 배향막(3)에는 도 1b에 도시된 바와 같은 2개의 배향영역이 형성된다.
제1배향영역은 러빙롤(10)의 중앙영역에 의해 배향되는 영역이므로 정상적인 배향방향이 결정된 영역이지만, 그 양측면의 제2영역은 비정상적인 배향영역이 된다. 이때, 배향막(3)에 접촉되는 러빙롤(10)의 어느 영역을 기준 접촉압력으로 하냐에 따라, 제1배향영역이 비정상적인 배향영역이 되고 제2영역이 정상적인 배향영역이 될 수도 있을 것이다.
광배향은 도 2(c)에 도시된 바와 같이, 비정상적인 배향영역에 실행된다. 즉, 제2배향영역(또는 제1배향영역)에 광조사장치(17)를 이용하여 자외선과 같은 광을 조사함으로써 비정상적인 배향방향이 원하는 배향방향으로 되도록 한다. 이때, 상기 자외선은 선편광된 자외선일수도 있으며 비편광된 자외선일 수도 있을 것이다.
한편, 상기한 방법에서는 러빙이 종료된 후 배향불량이 발생한 영역에 광을 조사하여 광배향을 실시하지만, 상기 러빙과 광배향을 동시에 실시할 수도 있을 것이다. 예를 들어, 대면적 기판을 배향처리하는 경우 축적된 데이터에 의해 러빙을 실시했을 때의 배향불량 영역을 산출할 수 있을 것이다. 따라서, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 산출된 결과를 기초로 러빙롤(10)을 이용하여 러빙을 진행함과 동시에 산출된 배향불량영역(엄밀하게 말해, 배향불량 예상영역)에 광을 조사함으로써 기판(1) 전체에 걸쳐 균일한 배향방향(또는 배향규제력)을 형성하는 것이다.
상기와 같이, 본 발명의 배향방법에서는 러빙 후 광배향공정 또는 러빙/광배향 동시공정에 의해 대면적의 기판에 균일한 배향방향을 형성할 수 있게 된다. 그런데, 이와 같은 러빙후 광배향공정 또는 러빙/광배향 동시공정은 대면적의 기판을 배향처리하는 데에만 사용되는 것은 아니다. 러빙배향과 광배향의 2중 배향처리는 러빙에 의해 배향불량이 발생하는 경우 사용되는 것이기 때문에, 대면적 기판뿐만 아니라 다양한 경우에 사용될 수 있을 것이다.
특히, 전극 등의 금속층에 의해 배향막에 단차가 발생하는 경우 유용하게 사용될 수 있다. 단차가 발생한 영역을 러빙처리하는 경우, 단차 영역에 닿는 러빙롤의 압력이 다른 영역에 비해 약하게 될 뿐만 아니라 단차에 의해 배향막에 접촉하 는 러빙포의 결이 다른 영역과는 다른 방향으로 향하게 되어 러빙이 불균일하게 된다. 따라서, 러빙 후 광배향공정 또는 러빙/광배향 동시공정을 진행함으로써 균일한 배향방향을 형성할 수 있게 된다.
이러한 본 발명의 배향방향은 모든 가능한 표시모드의 액정표시소자 및 모든 가능한 구조의 액정표시소자에 적용될 수 있지만, 이하에서는 IPS(In Plane Switching)모드 액정표시소자를 예를 들어 본 발명의 배향방법이 적용된 액정표시소자에 대해 상세히 설명하다.
일반적으로 TN(Twisted Nematic)모드 액정표시소자에서는 기판과 수평하게 배향된 액정분자가 전압이 인가될 때 기판과 거의 수직으로 배향되므로, 액정분자의 굴절률 이방성(refractive anisotropy)에 의해 전압의 인가시 시야각이 좁아진다는 문제가 있었다. IPS모드 액정표시소자는 이러한 시야각문제를 해결하기 위해서 제안된 것으로 화소내에 평행으로 배열된 적어도 한쌍의 전극을 형성하여 기판과 실질적으로 평행한 횡전계를 형성함으로써 액정분자를 평면상으로 배향시키는 것이다.
이러한 IPS모드 액정표시소자의 구조가 도 3에 도시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 액정패널(101)의 화소는 종횡으로 배치된 게이트라인(103) 및 데이터라인(104)에 의해 정의된다. 상기 화소내의 게이트라인(103)과 데이터라인(104)의 교차영역에는 박막트랜지스터(110)가 형성되어 있다. 상기 박막트랜지스터(110)는 게이트라인(103)으로부터 주사신호가 인가되는 게이트전극(111)과, 상기 게이트전극(111) 위에 형성되어 주사신호가 인가됨에 따라 활성화되어 채널층을 형성하는 반도체층(112)과, 상기 반도체층(112) 위에 형성되어 데이터라인(104)을 통해 화상신호가 인가되는 소스전극(113) 및 드레인전극(114)으로 구성된다. 또한, 화소내에는 데이터라인(104)과 실질적으로 평행하게 배열된 복수의 공통전극(105)과 화소전극(107)이 배치되어 있다.
상기와 같이, 구성된 IPS모드 액정표시소자에서 액정분자는 공통전극(105) 및 화소전극(107)과 실질적으로 평행하게 배향되어 있다. 박막트랜지스터(110)가 작동하여 화소전극(107)에 신호가 인가되면, 공통전극(105)과 화소전극(107) 사이에는 액정패널(101)과 실질적으로 평행한 횡전계가 발생하게 된다. 액정분자는 상기 횡전계를 따라 동일 평면상에서 회전하게 되므로, 액정분자의 굴절율 이방성에 의한 계조반전을 방지할 수 있게 된다.
상기와 같이 구성된 IPS모드 액정표시소자에서 배향막의 배향방향은 상기 공통전극(105) 및 화소전극(107)의 배향방향과는 약 5∼45°의 각도를 이룬다. 따라서, 상기 공통전극(105)과 화소전극(107) 위에 형성되는 배향막의 러빙시 러빙포가 상기 단차로 일정 각도로 러빙하게 된다. 또한, 공통전극(105)과 화소전극(107)은 약 1000∼3000Å의 두께로 형성된다. 따라서, 배향막에는 상기 공통전극(105) 및 화소전극(107)에 의해 단차가 발생하게 되므로, 러빙롤에 의해 상기 단차 영역을 러빙하는 경우, 단차에 의해 러빙포의 결이 왜곡되어 상기 단차영역에는 러빙방향과 미세한 각도로 배열된 미세홈이 형성되어, 도 4a에 도시된 바와 같이 단차영역으로부터 일정거리 떨어진 영역의 액정분자(125b)는 러빙롤의 러빙방향과 수평한 방향으로 배향되지만 단차영역에서는 단차에 의한 러빙포의 왜곡에 의해 액정분자(125a)가 러빙방향과 미세한 각도를 이루게 된다.
상기 액정분자(125a)의 오배향은 단차영역으로 빛이 새는 원인이 되므로, 액정표시소자의 치명적인 불량의 요인이 된다. 상기와 같이 불균일한 배향이 발생한 영역에 광을 조사하여 광배향을 실행하면, 러빙방향과 미세한 각도로 배열된 배향방향이 상기 러빙방향과 평행하게 된다. 따라서, 액정분자는 항상 러빙방향, 즉 원하는 배향방향과 일치하게 되므로, 상기 단차영역에서의 빛샘을 방지할 수 있게 된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 러빙/광조사의 2회공정으로 이루어진 배향방법은 대면적 기판에만 적용되는 것이 아니라 소면적의 기판에도 적용 가능하게 된다. 또한, 본 발명에 따른 배향방법은 러빙에 의한 배향불량을 수정하는데에만 필요한 것은 아니라, 국부적인 영역의 배향방향을 결정하는데에도 필요할 것이다. 러빙롤은 통상적으로 기판을 러빙하는데에 사용한다. 따라서, 러빙롤에 국부적인 배향방향을 형성하는 경우, 일단 러빙에 의해 배향방향이 결정된 기판의 국부영역에 러빙방향과 미세적으로 변화된 배향방향을 결정하기 위해서는 별도의 러빙롤(최초의 러빙롤 보다 크기가 작은, 즉 국부영역에 대응하는 러빙롤)을 이용하여 다시 러빙공정을 진행해야만 하므로, 러빙장치의 단가가 상승하게 된다. 이러한 국부영역이 여러 군데 형성되고 그 영역의 넓이가 각각 다르다고 가정하면, 여러 가지 크기의 러빙롤이 필요하게 된다.
반면에, 본 발명에서와 같이, 러빙후 광배향공정 또는 러빙/광배향공정을 사용하는 경우, 다른 광투과 패턴을 갖는 광마스크를 사용하면, 다양한 크기의 국부 영역에 최초의 러빙방향과 미세하게 변화된 배향방향을 형성할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 러빙에 의한 배향후 다시 광배향을 실시하거나 러빙과 광배향을 동시에 실행함으로써 대면적의 기판에 균일한 배향방향을 형성할 수 있게 된다. 또한, 단차 등에 기인하는 러빙의 불균일함을 광배향에 의해 수정하므로 항상 균일한 배향이 가능하게 된다.

Claims (16)

  1. 화상이 구현되는 화소내에 구동소자와 전극이 형성되어 신호가 인가됨에 따라 전계를 형성하며, 배향막이 형성된 기판을 제공하는 단계;
    상기 배향막을 러빙하여 제1배향처리하는 단계; 및
    상기 전극의 단차에 의해 러빙불량이 발생한 전극 근처에 광을 조사하여 상기 러빙불량영역을 제2배향처리하는 단계로 구성된 액정표시소자 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2배향처리의 배향방향은 제1배향처리의 배향방향과 동일한 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기판을 제공하는 단계는,
    복수의 화소를 포함하는 기판의 각 화소에 구동소자를 배치하는 단계; 및
    상기 화소내에 실질적으로 평행하게 배치되어 횡전계를 형성하는 적어도 한쌍의 전극을 형성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기판을 제공하는 단계는,
    복수의 화소를 포함하는 기판의 각 화소에 구동소자를 배치하는 단계; 및
    상기 화소내에 형성된 화소전극을 형성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 러빙과 광조사는 동시에 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 중앙의 제1영역 및 상기 제1영역 양측에 배치된 제2영역을 포함하는 배향막을 제공하는 단계;
    러빙롤을 이용하여 상기 배향막의 제1영역 및 제2영역을 러빙배향하여 제1배향방향을 제공하는 단계; 및
    러빙롤의 압력편차에 의해 러빙불량이 발생한 상기 제2영역을 광배향하여 상기 제2영역에 제2배향방향을 제공하는 단계로 구성된 배향방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 배향막은 이미드계 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 배향막은 폴리이미드를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 광은 자외선을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 자외선은 선편광된 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 자외선은 비편광된 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 삭제
  13. 제6항에 있어서, 상기 제2배향방향은 제1배향방향과 동일한 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제6항에 있어서, 상기 러빙과 광조사는 동시에 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 배향막을 제공하는 단계;
    러빙롤을 이용하여 상기 배향막을 러빙하여 상기 배향막에 제1배향규제력을 제공하는 단계; 및
    러빙롤의 압력편차에 의해 러빙불량이 발생한 상기 배향막의 적어도 한 영역에 자외선을 조사하여 해당 영역에 제2배향규제력을 제공하는 단계로 구성된 배향방법.
  16. 삭제
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