KR100658085B1 - 편광 기능이 부여된 수지 블랙매트릭스를 갖는액정표시장치 - Google Patents

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KR100658085B1
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한상훈
김현진
박태규
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비오이 하이디스 테크놀로지 주식회사
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Abstract

본 발명은 수지 블랙매트릭스를 적용하는 경우에서의 OD(Optical Density) 값의 개선을 통해 빛샘 불량을 방지한 액정표시장치를 개시한다. 개시된 본 발명에 따른 액정표시장치는, 박막트랜지스터 및 화소전극이 구비된 어레이기판; 상기 어레이기판과 대향 배치되며, 수지 블랙매트릭스 및 컬러필터를 구비한 컬러필터기판; 상기 어레이기판과 컬러필터기판 사이에 개재된 액정층; 및 상기 어레이기판과 컬러필터기판의 각 외측면 상에 부착되며, 동일 방향의 투과축을 갖는 하부 편광판 및 상부 편광판;을 포함하며, 상기 수지 블랙매트릭스는 상·하부 편광판의 투과축과 직교하는 방향의 투과축을 갖는 편광 기능이 부여된 것을 특징으로 한다.

Description

편광 기능이 부여된 수지 블랙매트릭스를 갖는 액정표시장치{LCD having resin black matrix allowed polarizing function}
도 1은 종래의 크롬 블랙매트릭스가 적용된 컬러필터기판을 도시한 단면도.
도 2는 종래의 수지 블랙매트릭스가 적용된 컬러필터기판을 도시한 단면도.
도 3 내지 도 5는 종래 문제점을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 노멀리 블랙(Normally Black) 모드 액정표시장치에서의 빛의 진행을 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 수지 블랙매트릭스에 편광 기능의 부여를 설명하기 위한 화학 구조식.
도 8은 도 7에 대응하는 사시도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
60 : 하부 편광판 62 : 수지 블랙매트릭스
64 : 상부 편광판 70 : 캘콘의 이중결합
72 : 2+2 싸이클로에디션 74 : 편광된 노광기
본 발명은 액정표시장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 수지 블랙매트릭스를 적용하는 경우에서의 OD(Optical Density) 값의 개선을 통해 빛샘 불량을 방지한 액정표시장치에 관한 것이다.
액정표시장치(Liquid Crystal Display)는 경량, 박형 및 저소비 전력 등의 특성을 갖는 것으로 인해 CRT를 대신하여 각종 정보기기의 단말기 또는 비디오 기기 등에 사용되고 있다. 특히, 각 화소마다 스위칭 소자로서 박막트랜지스터가 설치되는 박막트랜지스터 액정표시장치는 CRT에 필적할만한 표시화면의 고화질화 및 대형화를 실현하였기에, 노트북 PC 및 모니터 시장은 물론 TV 시장에서도 각광 받고 있다.
이러한 액정표시장치는, 전형적인 TN(Twist Nematic) 모드의 경우, 박막트랜지스터 및 화소전극이 형성된 어레이기판(array substrate)과 블랙매트릭스 및 컬러필터가 형성된 컬러필터기판(color filter substrate)이 액정층의 개재하에 합착된 구조를 갖는다.
여기서, 상기 블랙매트릭스는 개구 영역 이외 영역으로의 빛샘을 막는 역할과 함께 이웃하는 서로 다른 컬러의 컬러필터들간 혼색을 방지하는 역할을 하는 부재이다.
이러한 블랙매트릭스를 형성하기 위해, 종래에는 유리기판 상에 크롬막을 증착한 후에 공지의 포토 및 식각 공정을 통해 상기 불투명 금속막을 패터닝하여 형성하는 방법, 그리고, 유리기판 상에 검은색의 수지(Resin)를 도포한 후에 이를 노광 및 현상해서 형성하는 방법 등을 이용하고 있다.
자세하게, 도 1 및 도 2는 종래의 컬러필터기판들을 도시한 단면도로서, 도 1은 크롬 블랙매트릭스를 적용하여 제조된 컬러필터기판의 단면도이고, 도 2는 수지 블랙매트릭스를 적용하여 제조된 컬러필터기판의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 유리기판(1) 상에 화소영역을 한정하도록 각각 크롬 블랙매트릭스(2a) 및 수지 블랙매트릭스(2b)가 형성되어져 있고, 상기 크롬 블랙매트릭스(2a) 및 수지 블랙매트릭스(2b)에 의해 한정된 화소영역에는 각각 레드 필터(3), 그린 필터(4) 및 블루 필터(5)가 형성되어져 있으며, 그리고, 상기 블랙매트릭스(2a, 2b) 및 컬러 필터들(3, 4, 5)을 포함한 기판(1)의 전면 상에 표면 평탄화를 위한 오버코트막(6)이 형성되어져, 컬러필터기판(10)을 구성하고 있다.
여기서, 도 1에서와 같은 크롬 블랙매트릭스(2a)는 빛의 차단 정도를 나타내는 OD(Optical Density) 값이 4이상으로 높기 때문에 빛의 차단성이 좋으며, 또한, 막 두께를 1500Å 정도로 얇게 할 수 있어 어느 정도의 표면 평탄화를 달성할 수 있기 때문에 오버코팅막(6)의 형성을 생략하는 기술을 적용하기에 유리하다.
그러나, 크롬 블랙매트릭스(2a)는 반사율이 높기 때문에 이러한 크롬 블랙매트릭스(2a)가 적용된 액정표시장치의 경우 외부 빛에 의해 화면이 번들거리는 문제가 있다. 특히, 크롬은 환경친화성 물질이 아니어서 그 사용이 규제되고 있는 실정에서, 크롬 블랙매트릭스(2a)의 이용은 사실상 곤란할 것으로 예상된다.
반면, 도 2에서와 같은 수지 블랙매트릭스(2b)는 상대적으로 그 취급이 용이할 뿐만 아니라 환경 오염 물질이 아니기 때문에 현재 크롬 블랙매트릭스의 대체물로 사용되고 있고, 그 이용이 점차 증대되고 있다.
그러나, 수지 블랙매트릭스(2b)는 OD 값이 크롬 블랙매트릭스(2a)의 그것에 비해 매우 낮기 때문에 두께를 1㎛ 이상 형성해야 하는 바, 공정상의 문제가 있고, 또한, 1㎛ 정도의 두께를 형성하더라도 3.0∼3.5의 OD 값을 가지므로, 여전히 빛샘의 문제를 갖는다.
한편, 상기 수지 블랙매트릭스(2b)를 적용함에 있어서, 막 두께를 더욱 높이는 것에 의해 OD 값을 증가시킬 수 있다.
그러나, 수지 블랙매트릭스의 적용을 위해 막 두께를 높이는 방법은 OD 값의 증가에는 유용할지 몰라도, 도 3에 도시된 바와 같이, 수지 블랙매트릭스(2b)의 높이가 높아짐과 동시에 표면 단차 또한 증가하게 되고, 이렇게 증가된 단차가 도 4에 점선으로 표시된 영역들(A), 즉, 러빙방향의 반대 부분에서 러빙 불량을 야기하게 된다.
즉, 도 5는 도 4의 A부분에 대한 단면도로서, 도시된 바와 같이, 수지 블랙매트릭스(2b)의 두께를 증가시킴에 따라 표면 단차가 증가됨으로써, 단차부의 바로 아랫 부분, 즉, 화소의 한쪽 면에서 러빙 불량이 발생하게 된다.
이와같이 러빙 불량이 발생하게 되면, 액정의 배열 불량이 일어나며, 그 결과, 빛샘이 발생됨으로써 액정표시장치의 화면품위 저하가 초래된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 수지 블랙매트릭스를 적용함에 있어서의 배향 불량이 유발되는 것을 방지할 수 있는 액정표시장치를 제공함에 그 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 수지 블랙매트릭스를 적용하면서도 OD 값의 개선을 통해 빛샘 불량을 방지한 액정표시장치를 제공함에 그 다른 목적이 있다.
게다가, 본 발명은 수지 블랙매트릭스를 적용하면서도 빛샘 불량을 방지함으로써 화면품위를 향상시킨 액정표시장치를 제공함에 그 또 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 박막트랜지스터 및 화소전극이 구비된 어레이기판; 상기 어레이기판과 대향 배치되며, 수지 블랙매트릭스 및 컬러필터를 구비한 컬러필터기판; 상기 어레이기판과 컬러필터기판 사이에 개재된 액정층; 및 상기 어레이기판과 컬러필터기판의 각 외측면 상에 부착되며, 동일 방향의 투과축을 갖는 하부 편광판 및 상부 편광판;을 포함하며, 상기 수지 블랙매트릭스는 상·하부 편광판의 투과축과 직교하는 방향의 투과축을 갖는 편광 기능이 부여된 것을 특징으로 하는 액정표시장치를 제공한다.
여기서, 상기 수지 블랙매트릭스는 기폭제와, 모노머, 바인더, 솔벤트, 카본 블랙 및 첨가제로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 수지 블랙매트릭스는 상기 모노머와 바인더의 구조 중에서 중합에 가담하는 이중 결합 구조가 편광된 빛에 반응하여 2+2 싸이클로에디션 결합을 하는 구조, 바람직하게, 캘콘 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 수지 블랙매트릭스는 편광된 빛을 만들어주는 편광기를 캘콘의 말단에 중합하여 제조하 모노머 및 바인더를 도포한 후, 편광된 UV를 조사해서 캘콘의 이중결합만 반응시켜 편광기들이 방향성을 가지도록 배열시켜준 것을 특징으로 한다.
상기 하부 편광판과 수지 블랙매트릭스 및 상부 편광판은 그들 각각의 투과축들이 서로 엇갈려 배치된 것을 특징으로 한다.
(실시예)
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.
우선, 본 발명의 액정표시장치는, 박막트랜지스터 및 화소전극이 구비된 어레이기판, 상기 어레이기판과 대향 배치되며 수지 블랙매트릭스 및 컬러필터를 구비한 컬러필터기판, 상기 어레이기판과 컬러필터기판 사이에 개재된 액정층, 그리고, 상기 어레이기판과 컬러필터기판의 각 외측면 상에 부착되며 동일 방향의 투과축을 갖는 하부 편광판과 상부 편광판을 포함한다.
이와 같은 구조에 있어서, 본 발명은 블랙매트릭스 물질로 수지를 적용하되, 이러한 수지 블랙매트릭스에 편광 기능을 부여하여 두께 증가없이도 OD 값이 증가되도록 하며, 이를 통해, 화면품위를 개선시킨다.
자세하게, 도 6은 본 발명에 따른 노멀리 블랙(Normally Black) 모드 액정표시장치에서의 빛의 진행을 설명하기 위한 도면으로서, 이를 설명하면 다음과 같다.
도시된 바와 같이, 노멀리 화이트 모드에서의 상하부 편광판들(60, 64)은 그들 각각의 투과축 방향이 서로 동일하다. 이에 따라, 전압을 인가하지 않은 경우, 액정층(도시안됨)에 의한 빛의 위상이 90°변하므로 하부 편광판(60)에 의해 선편광된 빛은 상부 편광판(64)에 의해 차단되어 투과하지 못하게 된다. 반면, 전압을 인가한 경우, 하부 편광판(60)에 의해 선편광된 빛은 위상 변화없이 상부 편광판 (64)으로 진행하며, 이러한 선편광은 상부 편광판(64)에 의해 차단되지 않고 투과하게 된다.
그런데, 이와같은 노멀리 블랙 모드에 있어서, 블랙매트릭스 부분, 즉, 게이트라인과 데이터라인이 배열되는 부분들에서의 액정들은 화소 부분에서의 그것들과 인가 전압 정도가 서로 다르기 때문에 하부 편광판(60)을 지난 빛에 위상차가 발생하게 되며, 이로 인해, 원편광 또는 타원편광을 유발하게 된다. 따라서, 이와같이 원편광 또는 타원편광된 빛들이 낮은 OD 값을 가지는 수지 블랙매트릭스를 지나 상부 편광판(64)에 의해 완벽하게 차단되지 못하고 일부 투과하게 됨으로써 빛샘의 원인이 된다.
한편, 전술한 바와 같이, 수지 블랙매트릭스(62)가 편광 기능을 갖도록 하면, 즉, 수지 블랙매트릭스(62)가 상하부 편광판과 직교하는 투과축을 갖도록 하면, 원편광 또는 타원편광된 빛들이 상기 수지 블랙매트릭스(62)를 통과하더라도 상부 편광판(64)의 투과축 방향과 직교하는 방향으로 재편광되므로, 결국, 상부 편광판(64)을 투과하지 못하고 차단된다.
그러므로, 본 발명은 수지 블랙매트릭스(62)를 적용하면서 그 자체에 상하부 편광판들(60, 64)과 직교하는 방향의 투과축을 갖도록 편광 기능을 부여함으로써 상기 수지 블랙매트릭스(62)의 OD 값을 높일 수 있으며, 따라서, 수지 블랙매트릭스(62)를 통한 빛샘 불량의 발생을 효과적으로 차단할 수 있다.
특별히, 이와같은 구조의 경우에 전압 인가에 따른 액정의 움직임이 없는 외각 블랙매트릭스에서는 3장의 편광판들이 엇갈린 투과축을 갖는 형태가 되므로, 블 랙매트릭스 자체의 OD 값 보다 더 높은 OD 값을 제공할 수 있다.
하기의 표는 일반적으로 사용되는 편광판을 가지고 OD 값을 측정한 데이터로서, 측정장비는 GRETAG D200-Ⅱ Transmission Densitometer이며, 화살표는 각 편광판에서의 투과축 방향을 나타낸다.
편광판 수 편광판 투과축 OD
1 2 3
2 ↗ ↖ 3.2
3 ↗ ↗ ↖ 3.6
3 ↗ ↖ ↗ 4.2
상기 표에서 볼 수 있는 바와 같이, 인접 편광판들의 투과축들이 서로 엇갈려 있을 경우에 OD 값의 증가율이 커지게 된다. 즉, 본 발명에서와 같이 수지 블랙매트릭스에 편광 기능을 부여하여 투과축을 갖도록 만드는 경우, 비록, 그 형성 두께를 얇게 하여 OD 값이 감소하더라도 수지 블랙매트릭스 자체가 편광판의 역할을 하는 것에 의해 전체적인 화면품위로 보면 오히려 높은 OD 값을 나타내게 된다.
또한, 이와같이 수지 블랙매트릭스의 두께를 낮추면, 표면 단차 또한 낮아지므로, 러빙 불량이 발생되는 등의 결함 발생을 방지할 수 있게 된다.
한편, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 편광 기능이 부여된 수지 블랙매트릭스는, 중합을 개시하는 기폭제(initiator)와, 패턴의 경도(hardness) 및 물성을 결정하는 모노머(monomer), 현상 용해도와 관계가 있는 바인더(binder), 도포성을 결정하는 솔벤트, 빛을 필터링해주는 안료인 카본 블랙(carbon black), 그리고, 접착력 및 그 밖의 성질과 관련이 있는 첨가제(additive)로 구성된다.
특히, 본 발명에 따른 수지 블랙매트릭스는 상기 모노머와 바인더의 구조 중에서 중합에 가담하는 이중 결합 구조를 편광된 빛에 반응하여 2+2 싸이클로에디션 (cycloaddition) 결합을 하도록 캘콘(chalcone)과 같은 구조로 구성한다.
도 7 및 도 8은 편광된 빛을 만들어주는 편광기(polarization radical)를 캘콘 구조의 말단에 중합하고, 이렇게 제조된 모노머 및 바인더를 도포한 후, 편광된 UV를 조사하여 그 방향과 일치하는 캘콘의 이중결합들을 활성화시켜 래디컬을 형성하고, 이렇게 형성된 캘콘의 래디컬 두 개가 반응하여 방향성을 가진 결합을 하게 되는 상태를 보여주는 화학 구조식 및 그에 대응하는 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 수지 블랙매트릭스에의 UV 조사시 편광된 노광기(74)로부터 나온 편광된 UV와 동일 방향에 있는 캘콘의 이중 결합(70)만 반응에 참여함을 볼 수 있으며, 이에 따라, 편광된 빛에 의해 형성된 방향성을 가진 2+2 싸이클로에디션(72) 결합이 이루어짐을 볼 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명은 수지 블랙매트릭스를 적용하되 상기 수지 블랙매트릭스에 편광 기능을 부여함으로써 높은 OD 값을 갖도록 할 수 있으며, 이에 따라, 액정표시장치의 화면품위를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 수지 블랙매트릭스에 편광 기능을 부여함으로써 얇은 두께로 형성함에도 불구하고 높은 OD 값을 갖도록 할 수 있다.
게다가, 본 발명은 수지 블랙매트릭스의 두께를 얇게 할 수 있음으로 인해 표면 단차 또한 줄일 수 있으며, 그래서, 오버코트막의 형성을 생략함과 아울러 후속 공정들, 특히, 러빙 공정의 안정화를 얻을 수 있는 바, 제조수율 및 생산성을 향상시킬 수 있다.
이상, 여기에서는 본 발명의 특정 실시예에 대하여 설명하고 도시하였지만, 당업자에 의하여 이에 대한 수정과 변형을 할 수 있다. 따라서, 이하, 특허청구의 범위는 본 발명의 진정한 사상과 범위에 속하는 한 모든 수정과 변형을 포함하는 것으로 이해할 수 있다.

Claims (6)

  1. 박막트랜지스터 및 화소전극이 구비된 어레이기판;
    상기 어레이기판과 대향 배치되며, 수지 블랙매트릭스 및 컬러필터를 구비한 컬러필터기판;
    상기 어레이기판과 컬러필터기판 사이에 개재된 액정층; 및
    상기 어레이기판과 컬러필터기판의 각 외측면 상에 부착되며, 동일 방향의 투과축을 갖는 하부 편광판 및 상부 편광판;을 포함하며,
    상기 수지 블랙매트릭스는 상·하부 편광판의 투과축과 직교하는 방향의 투과축을 갖는 편광 기능이 부여된 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 수지 블랙매트릭스는 기폭제와, 모노머, 바인더, 솔벤트, 카본 블랙 및 첨가제로 구성된 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 수지 블랙매트릭스는 상기 모노머와 바인더의 구조 중에서 중합에 가담하는 이중 결합 구조가 편광된 빛에 반응하여 2+2 싸이클로에디션 결합을 하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 수지 블랙매트릭스는 상기 모노머와 바인더의 구조 중에서 중합에 가담하는 이중 결합 구조가 캘콘 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 수지 블랙매트릭스는, 편광된 빛을 만들어주는 편광기를 캘콘의 말단에 중합하여 제조하 모노머 및 바인더를 도포한 후, 편광된 UV를 조사해서 캘콘의 이중결합만 반응시켜 편광기들이 방향성을 가지도록 배열시켜 준 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 하부 편광판과 수지 블랙매트릭스 및 상부 편광판은 그들 각각의 투과축들이 서로 엇갈려 배치된 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
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