KR100720097B1 - 액정 표시 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

액티브 영역과 주변 영역을 가지는 제1 기판과 이 기판과 대향하는 제2 기판이 있다. 제1 기판과 제2 기판 사이의 간격을 유지하고 있는 스페이서가 형성되어 있다. 스페이서는 단단한 구형 모양 또는 단단한 기둥 모양으로 형성된다. 제1 기판과 제2 기판 사이에 주입되어 있는 액정 물질이 있다. 액정 물질을 제1 기판과 제2 기판 사이에 밀봉하고 있는 실링 패턴을 포함하고, 실링 패턴과 액티브 영역 사이에 스페이서의 분포 밀도가 0인 채널부가 존재한다. 스페이서의 분포 밀도가 0인 채널부는 수직 배향 모드 액정 표시 장치에서의 콜드버블 현상을 방지한다.

수직배향모드, 번개현상, 콜드버블현상, 스페이서

Description

액정 표시 장치 및 그 제조 방법{A LIQUID CRYSTAL DISPLAY AND METHOD MANUFACTURING THE SAME}

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직 배향 모드 액정 표시 장치 기판이고,

도 2는 도 1의 П- П'선에 대한 단면도이고,

도 3a 및 도 3b는 각각 채널의 폭을 달리하는 수직 배향 모드 액정 표시 장치 기판의 단면도이고,

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수직 배향 모드 액정 표시 장치 기판의 단면도이고,

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수직 배향 모드 액정 표시 장치 기판의 단면도이다.

본 발명은 액정 표시 장치에 관한 것으로, 번개 현상 및 콜드버블 현상을 제거한 수직 배향 모드 액정 표시 장치에 관한 것이다.

일반적으로 액정 표시 장치는 공통 전극과 컬러 필터 등이 형성되어 있는 상 부 기판과 박막 트랜지스터와 화소 전극 등이 형성되어 있는 하부 기판 사이에 스페이서(spacer)를 이용하여 두 기판 사이의 간격을 일정하게 유지하도록 하고, 그 사이에 액정을 주입해 놓고 화소 전극과 공통 전극에 서로 다른 전위를 인가함으로써 전계를 형성하여 액정 분자들의 배열을 변경시키고, 이를 통해 빛의 투과율을 조절함으로써 화상을 표현하는 장치이다.

액정 표시 장치 중에서 전계가 인가되지 않은 상태에서 액정 분자의 방향자를 상하 기판에 대하여 수직을 이루도록 배열한 수직 배향 모드 액정 표시 장치는 대비비가 크고 광시야각이 구현이 용이한 특성을 가지고 있어 각광을 받고 있다.

그러나, 이러한 수직 배향 모드는 다음과 같은 문제점을 가지고 있다. 그 중 하나로 번개(flash) 현상을 들 수 있다. 번개 현상은 블랙(black) 상태에서 기판(panel)에 충격을 주었을 때 넓은 영역에서 번개처럼 빛이 나오는 현상이다. 그리고 다른 문제점으로 콜드 버블(cold bubble) 현상이 있다. 이 현상은 온도 저하에 따른 액정의 부피 수축률과 기판으로 사용되는 유리와의 부피 수축률 차이에 기인하는데, 유리보다는 액정의 부피 수축률이 크기 때문에 두 기판 사이에 빈 공간이 생기는 현상이다.

위의 두가지 문제점은 서로 이율 배반적인 특징이 있기 때문에, 번개 현상이 양호해지면 콜드버블 현상이 발생하고, 콜드버블 현상이 개선되면 번개 현상이 강해지는 특성이 있다.

이러한 번개 현상 또는 콜드버블 현상을 해결하기 위해 많은 연구가 진행되고 있고, 그 해결책으로 다음과 같은 방법이 제시되어 있다.

콜드버블 현상을 방지하기 위하여 탄성률이 큰 구형 스페이서를 사용하는 방법이 있다.

종래의 폴리머 재료를 사용한 구형 스페이서는 탄성률이 커서 외부 로부터 압력이 가해지면 찌그러지게 되고, 다시 압력이 풀리면 상당량까지 복원된다. 이러한 특성은 콜드버블 현상을 방지하는데는 유용하지만, 수직 배향 모드에서 번개 현상을 유발한다. 그래서 번개 현상을 방지하기 위해 폴리머 성분의 구형 스페이서보다 단단(rigid)하고 탄성률이 작은 기둥 스페이서를 사용하고 있다. 기둥 스페이서는 사진 식각 공정으로 형성하며, 이 공정에서 쓰이는 사진 감광제(photoresist)로는 노출 및 현상 조건이 양성형(positive type)보다 양호한 음성형(negative type)을 주로 사용한다. 이러한 기둥 스페이서는 밀도가 높아질수록 외부 충격에 따른 탄성이 작아 기판의 움직임이 줄어들게 된다.

그러나, 수직 배향 모드에서 사용되는 기둥 스페이서는 다음과 같은 문제점이 있다. 첫 번째는 포토 공정이 추가되어 생산 원가가 올라가게 된다. 두 번째는 기둥 스페이서의 밀도를 높임에 따라 콜드버블 현상이 발생하게된다. 세 번째는 셀 간극(cell gap)이 불안정하다.

이러한 수직 배향 모드에서의 문제점 중 콜드버블 현상을 막기 위해서 기둥 스페이서의 밀도를 낮추어 사용하지만 번개 현상이 커지는 문제점이 있다.

따라서 수직 배향 모드 액정 표시 장치에서의 번개 현상 및 콜드버블 현상을 막기 위해서는 이 두 현상들을 서로 보완할 수 있는 방법을 모색하여야 한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 수직 배향 모드 액정 표시 장치에서 일어나는 번개 현상 및 콜드버블 현상을 동시에 줄일 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 외곽 실링 패턴쪽 블랙 매트릭스 아래에 채널을 형성하여 콜드버블 현상을 막고, 단단한 구형 스페이서를 사용하여 번개현상을 제거한다.

본 발명에 따르면, 액정 표시 장치에서 액티브 영역과 주변 영역을 가지는 제1 기판과 이 기판과 대향하는 제2 기판이 있다. 제1 기판과 제2 기판 사이의 간격을 유지하고 있는 스페이서가 형성되어 있다. 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 주입되어 있는 액정 물질이 있다. 액정 물질을 제1 기판과 제2 기판 사이에 밀봉하고 있는 실링 패턴을 포함하고, 실링 패턴과 액티브 영역 사이에 스페이서의 분포 밀도가 0인 채널부가 존재한다.

이때, 채널부의 폭은 0.5㎜ 내지 5㎜ 로 형성되어 있다.

이때, 채널부는 제2 기판 위에 형성되어 있는 블랙 매트릭스 패턴과 중첩되어 있다.

이때, 스페이서는 단단한 구형 모양이거나 또는 단단한 기둥 모양으로 형성되어 있다.

여기서, 단단한 구형 스페이서는 실리카 계열로 이루어질 수 있다.

또한, 단단한 구형 스페이서의 표면이 폴리머 성분으로 코팅될 수도 있다.

이때, 스페이서는 단단한 구형 스페이서와 폴리머 성분으로 이루어진 구형 스페이서가 혼합될 수도 있다. 또한, 혼합하지 않고 단단한 구형 스페이서만 사용해도 무방하다.

혼합되는 경우에는, 단단한 구형 스페이서의 크기는 폴리머 성분으로 이루어진 구형 스페이서의 크기 보다 0.1 내지 0.5㎛의 범위 내로 작게 설정된다.이때, 스페이서의 분포 밀도가 낮은 영역의 분포 밀도는 0이다.

그러면, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치 및 그 제조 방법에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

먼저, 도 1 및 도 2를 참고로 하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직 배향 모드 액정 표시 장치 기판의 구조에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직 배향 모드 액정 표시 장치 기판이고, 도 2는 도 1의 П- П'선에 대한 단면도이다.

도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직 배향 모드 액정 표시 장치는 박막 트랜지스터 기판(10) 및 색 필터 기판(12)이 실링 패턴(16)에 의해 서로 부착되어 있다. 색 필터 기판(12)에는 액티브 영역(22) 밖에서의 빛 투과를 차단하는 블랙 매트릭스(black matrix, 14)가 형성되어 있다. 여기서 액티브 영역(22)은 색 필터 기판(12)의 경우에는 RGB 필터가 형성되는 영역이고, 박막 트랜지스터 기판(10)의 경우에는 박막 트랜지스터, 유지용량, 화소 전극 등이 형성되어 있어 화상을 표시하는데 기여할 수 있는 영역이다.

기판(10, 12)의 액티브 영역(22) 주변 부에는 실링 패턴(sealing pattern, 16)과 스페이서(spacer, 24) 영역(20)이 형성되어 있다. 실링 패턴(16)과 스페이서 영역(20) 사이에는 스페이서의 분포 밀도가 0인 채널부(18)가 형성되어 있다. 여기서 실링 패턴(16)은 두 기판(10, 12)을 고정하는 접착제 역할과 액정이 두 기판(10, 12) 사이에 보존되도록 하는 역할을 한다. 그리고 실링 패턴(16)에 실링 스페이서(sealing spacer)가 형성되어 있다. 이 실링 스페이서는 스페이서(24)와 같이 두 기판(10, 12) 사이의 간격을 일정하게 유지 하는 역할을 한다. 여기서 스페이서(24)는 단단한(rigid) 구형 모양 또는 단단한 기둥 모양으로 형성되어 있다.

이때 채널 영역(18)은 도 2에 도시한 바와 같이 스페이서(24)가 없는 부분으로 실링 패턴(16)쪽 블랙 매트릭스(14) 아래에 형성된다. 그리고 채널 길이는 실링 패턴(16)의 둘레 길이로 하고, 채널 폭은 0.5 ㎜ 내지 5 ㎜로 범위 내로 설정된다. 여기서, 채널 폭은 기판의 크기 및 온도에 따른 액정의 수축 정도에 따라 조절해 주어야 한다.

이러한 본 발명의 제1 실시예에 따른 구조에서는 온도 하강에 따른 액정 물질의 체적 감소를 채널 영역(18)에서의 기판간 간격 축소를 통해 흡수함으로써 콜드버블 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 액티브 영역(22)에서는 단단한 스페이서(24)로 인해 기판간 간격 변동이 최소화되어 번개 현상도 발생하는 않는다.

그러면, 도 3a 및 3b를 참고하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직 배향 모드 액정 표시 장치에서 형성된 채널의 작용에 대해서 상세히 설명한다.

도 3a 및 도 3b는 각각 온도가 내려갈 때 채널 부분에서 외압과 내압의 차이에 의해 유리로 이루어진 두 기판(10, 12)이 휘면서 압축되는 모습을 도시한 것이다.

도 3a는 도 3b에 비해 스페이서(24)가 없는 채널 부분의 폭이 상대적으로 좁은 경우로서 수축되는 부피가 작다.

이에 비해 도 3b는 도 3a보다 채널 부분의 폭이 넓은 경우로서 수축되는 부피가 상대적으로 커지는 경우를 도시한 것이다.

이러한 채널 부분의 폭이 넓을수록 수축되는 율이 크므로 콜드버블 현상을 방지하는데 효과적이지만, 온도에 따른 기판의 크기 및 액정의 수축률에 따라 채널의 폭을 조절하여야 한다.

그러면 도 1 및 도 3b를 참고하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직 배향 모드 액정 표시 장치에서 채널의 폭을 결정할 수 있는 방법에 대해 설명한다.

먼저, 압력이 일정할 경우, 두 기판의 성분인 유리가 휘는 곡률이 일정하다고 가정하고 유리가 휘어서 줄어드는 부피를 구해보자.

도 1 및 도 3b에 도시한 바와 같이, 특정 압력에서 유리가 휘어서 만들어진 원호의 반지름을 R, 스페이서가 없는 채널의 폭을 x, 채널의 길이를 L이라 하고, 유리가 휘어서 줄어드는 부피 V를 구하면 다음의 유도 과정을 통해 얻어진 [수학식1]을 이용할 수 있다. 여기서, 채널 폭 X는 채널의 길이 L에 비해서 매우 작은 값이기 때문에 실제 원호 bc의 길이와 채널 폭 x의 차이는 채널부의 부피 V값의 변화에 영향을 거의 미치지 않으므로 원호 bc와 채널폭 x의 크기는 같다고 보고 계산한다.
V=2×빗금친 부분의 면적×L(채널 길이)---------(1)
① 빗금친 부분의 면적 = 부채꼴(obc)의 면적 - 삼각형의 면적(obc)
② 부채꼴의 면적 =

(

)
③ 삼각형의 면적 =

=

=

-------------(2)
=

--------------(3)

V=
만약 x가 작다면, sinx를 다음과 같이 테일러 급수로 전개할 수 있다.

삭제

삭제

=

수학식 1에서 유리가 휘어서 만들어진 반지름 R은 채널 폭 x에 비해 상대적으로 크므로

를 수학식 2와 같이 테일러 급수로 전개할 수 있다.

수학식 1을 전개하면,

이 된다.

수학식 3에서 알 수 있듯이, 유리가 휘어서 줄어드는 부피 V는 채널의 폭 x의 3승에 비례한다. 즉, 스페이서를 뿌리지 않는 영역 폭의 3승에 비례해서 콜드버블 발생을 방지할 수 있는 능력이 커진다.

그러면 수학식 3을 적용하여 17인치 수직 배향 모드 액정 표시 장치에서의 채널 폭을 구해보자.

17인치 수직 배향 모드 액정 표시 장치의 규격은 다음과 같다. 크기가 34㎝

27㎝, 셀 간극이 4㎛이면 내부 부피는

㎥이 되고, 둘레 길이는 1.2m 이다.

온도가 -30도 까지 내려가서 액정이 약 2.5% 축소할 경우에는 기판 내부의 부피 변화는 약

㎤ 정도이다.

위의 수학식 3을 적용하여 액정 부피 변화와 비슷한 수준이 되는 채널 폭을 결정하기 위해 변수 값들을 다음과 같이 정할 수 있다.

1기압에서 원호의 반지름 R 값을 1㎝ 내지 10㎝ 정도로 하고, 실링 패턴을 따라 형성된 채널의 길이 L 값을 둘레 길이인 1.2

㎝라하고, 유리가 휘어서 줄어드는 부피 V는 { 10}^{-2 } ㎤ 이다.

이 변수 값들을 수학식 3에 적용하여 채널 폭 x를 구하면

㎝내지

㎝의 범위 값을 갖는다. 이 값들은 근사값이므로 대략 채널 폭 x는

㎝ 내지

㎝ 범위에 있게된다.

그러면, 위와 같이 채널이 형성되는 위치 및 폭을 결정할 수 있으므로 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직 배향 모드 액정 표시 장치의 제조에서 스페이서의 분포 밀도가 0인 채널을 형성하는 방법에 관해 설명한다.

첫 번째 방법으로는 마스크를 사용하여 채널을 형성하는 방법에 대해 설명한다. 채널을 형성하는 부분에 마스크를 얹고 스페이서를 산포하여 채널을 형성한다. 이때, 마스크의 재질은 유리에 흠짐을 주지 않는 구조가 되어야 하지만 분해능은 좋지 않아도 된다.

두 번째 방법으로는 기판에 스페이서를 전면에 뿌리고 채널을 형성하는 부분만 흡입하는 방법이다. 이 방법은 원하는 형태의 스페이서 채널 틀을 만들고 유리와 접하는 부분에 공기가 흡입되도록 설계하여 공기와 함께 스페이서를 흡입하는 방법이다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 채널 형성과정에서 단단한 기둥 스페이서를 사용할 경우에는 기둥을 만드는 포토공정에서 채널을 형성할 수 있어 공정이 단순화 될 수 있다.

도 4를 참고로 하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 수직 배향 모드 액정 표시 장치 기판의 구조에 대해 설명한다.

도 4에 도시한 바와 같이, 두 기판(10, 12) 사이에 단단한 구형 스페이서(26)와 폴리머 재료를 사용한 구형 스페이서(28)가 형성되어 있다.

이때, 단단한 구형 스페이서(26)는 폴리머 성분의 구형 스페이서(28)보다 약 0.1㎛ 내지 0.5㎛ 정도의 작은 크기이다. 이것은 외부에 의해 압력이 가해질 때 수축되는 양을 고려한 값이다.

본 발명의 제1 실시예와 같이, 본 발명의 제2 실시예에서도 스페이서가 없는 빈 영역인 채널을 형성함으로써 콜드버블 현상을 방지하는데 더 효과적일 수 있을 것이다.

이러한 본 발명의 제2 실시예에 따른 구조에서는 압력이 가해질 때 수축되는 양을 고려하여 단단한 구형 스페이서(26)와 폴리머 성분의 구형 스페이서(28)의 비율이 형성되어 콜드버블 현상을 방지할 수 있다.

도 5를 참고하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 수직 배향 모드 액정 표시 장치 기판의 구조에 대해 설명한다.

본 발명의 제3 실시예에서는 제2 실시예에서와 달리 두 기판(10, 12) 사이에 단단한 구형 스페이서(26)만 산포되어 있다. 단단한 구형 스페이서(26)는 폴리머로 이루어진 구형 스페이서보다 탄성률이 작아 외부 충격이 가해지더라도 탄성이 없어 기판의 출렁거림이 줄어든다. 여기서, 폴리머로 이루어진 구형 스페이서는 탄성률이 커서 외부 압력이 가해지면 구형 형태가 찌그러지며 압력이 풀리면 상당량까지 복원되는 특성을 지닌다. 이런 특성을 가진 폴리머 성분의 구형 스페이서는 콜드버블 현상을 억제할 수는 있지만, 수직 배향 모드에서는 번개 현상을 유발하게 된다.

단단한 구형 스페이서(26)는 실리카(silica) 계열의 물질로 형성할 수 있다.

그러나, 탄성률이 작은 단단한 구형 스페이서는 박막 트랜지스터의 배선이 스페이서의 아래에 놓이게 되면 열 압착(hot press) 공정에서 배선이 단락 되거나 깨지는 현상이 발생할 수 있다.

이러한 현상을 막기 위해 단단한 구형 스페이서의 표면을 탄성률이 좋은 폴리머로 코팅하여 사용할 수 있다. 이 스페이서는 표면은 부드럽지만 중심핵은 단단한 구조로 외부 충격에 강하고 박막 트랜지스터의 배선을 손상시키지 않게 할 수 있다.

본 발명의 제1 실시예와 같이, 본 발명의 제3 실시예에서도 스페이서가 없는 채널 영역을 형성함으로써 수직 배향 모드에서의 번개 현상은 물론 콜드버블 현상도 방지할 수 있을 것이다.

이러한 본 발명의 제3 실시예에서는 수직 배향 모드 액정 표시 장치에서 단단한 구형 스페이서를 사용하여 외부 압력이 가해져도 셀갭이 변동되지 않으므로 번개 현상을 막을 수 있고, 폴리머로 코팅된 단단한 구형 스페이서를 사용하여 열 압착 공정시 일어날 수 있는 박막 트랜지스터의 배선의 손상을 방지할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따르면 외곽 실링 패턴쪽 블랙 매트릭스 아래에 스페이서가 없는 채널을 형성하거나 또는 단단한 구형 스페이서와 폴리머 성분의 구형 스페이서를 적당한 비율로 형성하여 콜드버블 현상을 막을 수 있다. 또는 단단한 구형 스페이서를 사용하여 번개 현상을 방지할 수 있다. 결국, 번개 현상 및 콜드버블 현상을 제거하여 양질의 수직 배향 모드 액정 표시 장치를 생산할 수 있다.

Claims (16)

1. 액티브 영역과 주변 영역을 가지는 제1 기판,

   상기 제1 기판과 대향하는 제2 기판,

   상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 주입되어 있는 액정 물질,

   상기 액정 물질을 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 밀봉하고 있는 실링 패턴,

   상기 실링 패턴 및 상기 액티브 영역에 위치하며 상기 제1 기판과 상기 제1 기판 사이의 간격을 유지하는 스페이서, 그리고

   상기 실링 패턴과 상기 액티브 영역 사이에 위치하며 상기 스페이서의 분포 밀도가 0인 채널부

   를 포함하는 액정 표시 장치.
2. 제1항에서,

   상기 채널부의 폭은 0.5㎜ 내지 5㎜ 로 형성되는 액정 표시 장치.
3. 제1항에서,

   상기 채널부는 상기 제2 기판 위에 형성되어 있는 블랙 매트릭스 패턴과 중첩되어 있는 액정 표시 장치.
4. 삭제
5. 제1항에서,

   상기 스페이서는 제1 스페이서와 제2 스페이서를 포함하고,

   상기 제1 스페이서는 실리카 계열로 이루어지고,

   상기 제2 스페이서는 상기 실리카 계열로 이루어지는 제1 부분과 상기 제1 부분의 표면에 형성되며 상기 실리카 계열보다 탄성률이 큰 폴리머로 이루어지는 제2 부분을 가지는 액정 표시 장치.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제5항에서,

   상기 제1 스페이서의 크기는 상기 제2 스페이서의 크기 보다 0.1 내지 0.5㎛의 범위 내로 작게 되는 액정 표시 장치.
9. 제1 기판의 액티브 영역 주변에 채널부를 사이에 두고 실링 패턴을 형성하는 단계,

   상기 제1 기판과 마주하는 제2 기판의 소정 영역 위에 스페이서를 산포하는 단계,

   상기 제1 및 제2 기판을 접합하는 단계를 포함하고,

   상기 소정 영역은 상기 제1 기판의 액티브 영역 주변 및 상기 실링 패턴과 대응하는 영역이고, 상기 채널부의 스페이서 밀도는 0인 액정 표시 장치의 제조 방법.
10. 제9항에서,

    상기 채널부의 폭은 0.5㎜ 내지 5㎜ 로 형성하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
11. 제9항에서,

    상기 스페이서 산포시 채널부가 형성되는 부분을 마스크로 가리고 스페이서를 산포하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
12. 제9항에서,

    상기 스페이서 산포 후 특정 부분의 스페이서를 공기 흡입 장치를 사용하여 스페이서와 공기를 흡입함으로써 채널부를 형성하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 제9항에서,

    상기 스페이서는 탄성률이 서로 다른 제1 스페이서 및 제2 스페이서를 혼합하여 산포하는 액정 표시 장치의 제조 방법.

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