본 발명은 액정표시장치에 관한 것으로, 특히 액정표시장치용 액정셀의 제조공정에 관한 것이다.
최근에 액정표시장치는 소비전력이 낮고, 휴대성이 양호한 기술집약적이며 부가가치가 높은 차세대 첨단 디스플레이(display)소자로 각광받고 있다.
일반적으로, 액정을 디스플레이에 이용하려면 액정셀을 제작해야 한다.
상기 액정셀은 두 개의 유리기판 또는 플라스틱 기판 사이에 액정을 채운 구조로 되어 있다. 이 액정에 전압을 인가할 수 있도록 기판에는 투명 전극(공통 전극, 화소 전극)이 형성되어 있다. 이 투명 전극은 상기 액정에 전압을 가하여 온/오프를 제어하는 역할을 한다.
즉, 액정표시장치의 광 투과량은 상기 투명 전극에 인가되는 전압에 의해 제어되고, 광 셔터(shutter) 효과에 의해 문자/화상을 표시하게 된다.
이러한 액정표시장치 중에서도, 각 화소(pixel)별로 전압의 온/오프를 조절할 수 있는 스위칭 소자가 구비된 액티브 매트릭스형 액정표시장치가 해상도 및 동영상 구현능력이 뛰어나 가장 주목받고 있다.
상기 액정표시장치는 스위칭 소자 및 화소 전극을 형성하는 어레이 기판 제조 공정과 컬러필터 및 공통 전극을 형성하는 컬러필터 기판 제조 공정을 거친 기판을 이용하여, 이 두 기판 사이에 액정을 개재하는 액정셀 공정을 거쳐 완성된다.
상기 액정셀 공정은 어레이 공정이나 컬러필터 공정에 비해 상대적으로 반복되는 공정이 거의 없는 것이 특징이라고 할 수 있다. 전체 공정은 액정 분자의 배향을 위한 배향막 형성공정과 셀 갭(cell gap) 형성공정, 셀 절단(cutting) 공정, 액정주입 공정으로 크게 나눌 수 있고, 이러한 액정셀 공정에 의해 액정표시장치를 이루는 기본 부품인 액정패널이 제작된다.
이하, 도 1은 일반적인 액정표시장치용 액정패널의 일부영역에 대한 단면도이다.
도시한 바와 같이, 상부 및 하부 기판(10, 30)이 서로 일정간격 이격되어 있고, 이 상부 및 하부 기판(10, 30) 사이에는 액정층(50)이 개재되어 있다.
상기 하부 기판(30)의 투명 기판(1) 상부에는 게이트 전극(32)이 형성되어 있고, 이 게이트 전극(32) 상부에는 게이트 절연막(34)이 형성되어 있고, 이 게이트 절연막(34) 상부의 상기 게이트 전극(32)을 덮는 위치에는 액티브층(36a), 오믹콘택층(36b)이 차례대로 적층된 반도체층(36)이 형성되어 있고, 이 반도체층(36)의 상부에는 서로 일정간격 이격된 소스 및 드레인 전극(38, 40)이 형성되어 있고, 이 소스 및 드레인 전극(38, 40) 간의 이격구간에는 상기 액티브층(36a)의 일부를 노출시킨 채널(ch ; channel)이 형성되어 있고, 상기 게이트 전극(32), 반도체층(36), 소스 및 드레인 전극(38, 40), 채널(ch)은 박막트랜지스터(T)를 이룬다.
도면으로 제시하지 않았지만, 상기 게이트 전극(32)과 연결되어 제 1 방향으로 게이트 배선이 형성되고, 이 제 1 방향과 교차되는 제 2 방향으로 상기 소스 전 극(38)과 연결되는 데이터 배선이 형성되고, 이 게이트 및 데이터 배선이 교차되는 영역은 화소 영역(P)으로 정의된다.
또한, 상기 박막트랜지스터(T) 상부에는 드레인 콘택홀(44)을 가지는 보호층(42)이 형성되어 있고, 상기 화소 영역(P)에는 드레인 콘택홀(44)을 통해 상기 드레인 전극(40)과 연결되는 화소 전극(48)이 형성되어 있다.
그리고, 상기 보호층(42) 및 화소 전극(48) 상부에는 액정층(50)의 배향을 용이하게 유도하기 위한 하부 배향막(46)이 형성되어 있다.
그리고, 상기 상부 기판(10)의 투명기판(1) 하부에는 상기 화소 전극(48)과 대응되는 위치에 특정 파장대의 빛만을 걸러주는 컬러필터(14)가 형성되어 있고, 이 컬러필터(14)의 컬러별 경계부에는 빛샘현상 및 상기 박막트랜지스터(T)로의 광유입을 차단하는 블랙매트릭스(12)가 형성되어 있다.
그리고, 이 컬러필터(14) 및 블랙매트릭스(12)의 하부에는 상기 액정층(50)에 전압을 인가하는 또 다른 전극인 공통 전극(16)이 형성되어 있고, 이 공통 전극(16) 하부에는 상기 하부 배향막(46)과 동일한 역할을 하는 상부 배향막(18)이 형성되어 있다.
한편, 상기 상부 및 하부 기판(10, 30) 사이에 개재된 액정층(50)의 누설을 방지하기 위해, 이 상부 및 하부 기판(10, 30)의 가장자리는 씰 패턴(52)에 의해 봉지되어 있다.
이 씰 패턴(52)은 상기 상부 및 하부 기판(10, 30)의 합착 공정 전에, 두 기판간의 일정한 셀갭을 유지하여, 추후 공정에서 액정 주입을 용이하게 할 뿐 아니 라, 주입된 액정이 외부로 누설되는 것을 방지하는 역할을 한다.
이하, 이러한 상부 및 하부 기판 사이에 액정을 개재하는 액정셀 공정에 대해서 설명한다.
도 2는 일반적인 액정셀의 제조 공정흐름도로서, 컬러필터 공정 또는 어레이 공정을 거쳐 다수 개의 셀이 형성된 두 기판을 이용한 공정임을 전제로 한다.
ST1은, 컬러필터 기판인 상부 기판과 어레이 기판인 하부 기판을 초기세정하는 단계이다.
이 단계는 배향막을 도포하기 전에 기판 상에 존재할 수 있는 이물질을 제거하기 위한 단계이다.
ST2는 배향막 형성단계로서, 상기 ST1 단계를 거친 상부 및 하부 기판 상에 고분자 박막으로 이루어진 배향막을 인쇄하는 단계와, 인쇄된 배향막을 예비 건조기와 경화로를 거쳐 소성처리하는 단계와, 상기 소성처리된 배향막의 표면을 러빙(rubbing)처리하는 단계를 포함한다.
상기 러빙처리 공정은, 러빙포를 이용하여 배향막을 일정한 방향으로 문질러주는 것으로, 러빙방향에 따라 액정 분자들이 정렬하게 된다.
ST3는, 상기 ST2 단계를 거친 기판 상에 씰 패턴(seal pattern)을 형성하고, 스페이서(spacer)를 산포하는 단계이다.
상기 씰 패턴은 액정 주입을 위한 갭을 형성하고, 주입된 액정의 누설을 방지하는 두 가지 기능을 한다.
이 씰 패턴은 유리섬유(glass fiber)가 섞인 열경화성 수지로 이루어진 실런 트(sealant)를 일정하게 원하는 패턴으로 형성하는 공정으로써, 주로 스크린 인쇄법에 의해 형성된다.
그리고, 상기 스페이서 산포 단계는 상부 및 하부 기판 사이의 갭을 정밀하고 균일하게 유지하기 위한 단계이다.
따라서, 상기 스페이서는 기판 상에 균일한 밀도로 산포되어야 되고, 산포 방식은 크게 알코올 등에 스페이서를 혼합하여 분사하는 습식 산포법과 스페이서 만을 산포하는 건식 산포법으로 나눌 수 있다.
ST4는, 상기 ST3를 거친 상부 및 하부 기판을 합착하는 단계로서, 두 기판의 얼라인먼트(alignment) 정도는 두 기판의 설계시 주어지는 마진(margin)에 의해 결정되는데 보통 수 마이크로미터(㎛)정도의 정밀도가 요구된다.
두 기판의 얼라인먼트가 주어지는 마진을 벗어나면 빛이 새어 나오게 되어 구동시 원하는 특성을 가지지 못한다.
이 단계에서는, 상부 및 하부 기판에 구성된 다수 개의 셀이 서로 대응되게 합착시키는 단계이다.
ST5에서는 상기 ST4 단계를 거쳐 합착된 기판을 셀 단위로 절단하는 단계이다.
일반적으로, 대면적의 유리 기판에는 다수 개의 셀을 형성한 후, 셀 단위로 분리하는 공정을 거치게 되는데, 이 공정이 셀 절단 공정이다.
셀 절단 공정은, 합착된 기판의 양면을 유리보다 경도가 높은 다이아몬드 재질의 펜 또는 텅스텐 카바이드(Tungsten Carbide) 재질의 커팅휠(cutting wheel)을 이용하여 기판 표면에 절단선을 형성하는 스크라이브(scribe)공정과, 상기 절단선에 힘을 가하여 개개의 셀로 파단 분리하는 브레이크(break)공정으로 이루어진다.
ST6은, 상기 ST5 단계를 거쳐, 상기 셀에 액정을 주입하는 단계이다.
단위 셀은 수백 ㎠의 면적에 수 ㎛의 갭(gap)을 갖는다. 이런 구조의 셀에 효과적으로 액정을 주입하는 방법으로 셀 내외의 압력차를 이용한 진공 주입법이 널리 이용된다.
액정 주입 후에는, 상기 액정 주입구를 외부와 차단하기 위한 목적으로 엔드 씰(end seal)로 봉지하는 공정이 이어진다.
다음, 상술한 단계를 모두 거친 액정셀은 품질검사를 통해 선별된 액정셀의 외측에 각각 편광판을 부착한 후 구동회로를 연결하면 액정표시장치가 완성된다.
이러한 액정표시장치는 액정의 전기광학효과를 이용하는 것으로, 이 전기광학효과는 액정 자체의 이방성과 액정의 분자 배열 상태에 의해 결정되어 지므로, 액정의 분자 배열에 대한 제어는 액정표시장치의 표시 품위 안정화에 큰 영향을 미치게 된다.
따라서, 액정 분자를 보다 효과적으로 배향시키기 위한 배향막 형성 공정은 액정셀 공정에 있어서, 화질 특성과 관련하여 매우 중요하다.
상기 배향막을 인쇄하는 방법으로는 스피닝(spining), 디핑(dipping), 롤러 코팅(roller coating) 방법 등이 있는데, 주로 롤러 코팅 방법이 이용된다.
이하, 롤러 코팅 방법을 이용하여 액정표시장치용 기판 상에 배향막을 인쇄하는 공정에 대해서 설명한다.
도 3은 기존의 액정표시장치용 배향막 인쇄 공정에 대한 도면이다.
도시한 바와 같이, 기판(60) 상에 배향막 인쇄장치(72)를 배치한 후, 이 배향막 인쇄장치(72)에 액정 배향제(62)를 도포하여, 액정 배향제(62)가 도포된 배향막 인쇄장치(72)를 이용하여 기판(60) 상에 배향막(74)을 인쇄하는 공정이다.
이 배향막 인쇄장치(72)는 용액상태의 액정 배향제(62)가 주입되는 디스펜서(64 ; dispenser)와, 디스펜서(64)를 통해 액정 배향제(62)가 도포되는 아닐록스 롤(66 ; anilox roll)과, 아닐록스 롤(66)의 일측에 위치하여 아닐록스 롤(66)에 도포된 액정 배향제(62)를 골고루 분포시키는 닥터 롤(68 ; doctor roll)와, 아닐록스 롤(66)과 접촉되는 고무판(71)을 가져 기판(60) 상에 액정 배향제(62)를 인쇄하는 인쇄롤(70)로 구성된다.
좀 더 상세히 설명하면, 기판(60)은 이동성을 가지는 스테이지(58 ; stage) 상에 배치되어 일정 방향으로 움직이면서, 기판(60) 상에 액정 배향제(62)가 인쇄되고, 인쇄된 액정 배향제(62)는 건조 및 베이킹 과정을 포함하는 소성 공정을 거쳐 배향막(74)으로 완성된다.
일반적으로 액정 배향제(62)는 산무수물(acid anhydride)과 디아민(diamine) 화합물을 용매중에서 반응시켜 얻는 폴리아믹산(polyamic acid)을 NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone) 등의 아미드(amide)계 극성 용매 중량의 5% 정도로 첨가한 용액 상태로 이루어지며, 이러한 용액 상태의 액정 배향제는 기판 상에 인쇄된 후, 전술한 소성 공정을 거쳐 수분을 포함하는 용매를 휘발시켜 이미드(imide)화된 폴리이미드계 고분자 물질로 이루어진 배향막으로 형성된다.
그런데, 이러한 용액상태의 액정 배향제를 이용하여, 배향막 인쇄공정을 진행하는 방식은 다음과 같은 단점을 가진다.
첫째, 소성 공정은 210℃ 정도에서 2~3시간이 소요되므로, 이러한 고온 공정에 의해 기판 상에 형성된 컬러필터 및 어레이 소자가 손상(damage)되기 쉽다.
둘째, 인쇄 공정 중 일부 용매는 휘발되지 않고 남게 되는데, 이러한 용매에 의한 폐수 처리 비용이 별도로 추가되고, 작업자의 안전 및 환경에 악영향을 끼치게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 액정 배향제의 물성을 달리하여, 공정 단순화 및 제품 불량을 최소화할 수 있는 액정표시장치용 배향막 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 위하여, 본 발명에서는 고체상태의 유기 고분자 물질로 이루어진 액정 배향제를 압출기 방식의 배향막 인쇄장치를 통하여 용융 및 연신시켜 기판 상에 필름 형태로 인쇄하는 방법에 의해 배향막을 형성하도록 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 하나의 특징에서는 액정층이 개재된 제 1, 2 기판을 가지는 액정표시장치에 있어서, 상기 액정층과 접하는 제 1, 2 기판의 내부면에 위치하며, 고체상태의 유기 고분자 물질을 용융 및 연신처리하여 형성된 제 1, 2 배향막을 포함하는 액정표시장치를 제공한다.
상기 유기 고분자 물질은 폴리이미드(polyimide)계 고분자 물질이고, 상기 폴리이미드계 고분자 물질은 폴리아믹산(polyamic acid)을 이미드화한 고분자 물질인 것을 특징으로 한다.
상기 유기 고분자 물질은 배향막 인쇄장치를 통하여 용융 및 연신처리된 것을 특징으로 하고, 상기 배향막 인쇄장치는 고체상태의 유기 고분자 물질을 투입하는 원료 주입구와, 상기 유기 고분자 물질을 혼합 및 용융 압출하는 압출부와, 상기 압출부와 연결되며, 용융된 유기 고분자 물질을 배출하는 노즐을 가지는 다이와, 상기 노즐을 통하여 배출된 유기 고분자 물질을 냉각 및 연신시키는 롤러로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에서는, 기판을 준비하는 단계와; 상기 기판 상에, 용융, 압출, 냉각, 연신 처리부를 가지며, 투입구 및 배출구를 포함하는 배향막 인쇄장치를 배치하는 단계와; 상기 배향막 인쇄장치의 투입구를 통해 고체상태의 유기 고분자 물질을 투입하는 단계와; 상기 유기 고분자 물질을 용융 및 압출하여 유기 고분자 용융액을 형성하는 단계와; 상기 유기 고분자 용융액을 상기 배향막 인쇄장치의 배출구를 통해 배출하고, 냉각 및 연신처리하여 유기 고분자 필름으로 형성하는 단계와; 상기 유기 고분자 필름을 기판 상에 인쇄하는 단계를 포함하는 액정표시장치용 배향막의 제조방법을 제공한다.
상기 유기 고분자 필름으로 형성하는 단계에서, 적어도 하나 이상의 롤러를 이용하여 냉각 및 연신처리하는 것을 특징으로 하며, 상기 배향막 인쇄장치의 용 융, 압출 처리부에서는 별도의 가열기를 더욱 포함한다.
상기 유기 고분자 물질은 폴리이미드계 고분자 물질이며, 상기 폴리이미드계 고분자 물질은 이미드화 단계를 거친 폴리이미드계 고분자 물질인 것을 특징으로 한다.
상기 고체상태의 유기 고분자 물질은 칩 형태로 이루어진 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 기판은 액정표시장치용 컬러필터, 어레이 소자 중 적어도 어느 하나가 형성된 기판이다.
상기와 같이, 본 발명에서는 고체상태의 유기 고분자 물질로 액정 배향제를 이용하여 배향막을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 고분자 물질은 칩 형태로 제작한 것을 이용하는 것이 공정상 용이하다.
그리고, 상기 고분자 물질로는 폴리이미드계 고분자를 이용하는 것이 바람직하다.
특히, 상기 폴리이미드계 고분자 물질은 충분히 이미드화된 폴리이미드계 고분자 물질을 이용하여, 기판 상에 배향막을 형성한 후 별도의 소성 공정을 생략하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명에 따른 배향막 및 그 제조방법은 전술한 도 1의 액정표시장치용 액정패널 및 도 2의 액정셀 공정에 적용할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 액정표시장치용 배향막의 인쇄공정에 대한 도면이다.
도시한 바와 같이, 스테이지(100) 상부에 기판(102)이 안치되어 있고, 이 기판(102) 상부에 배향막 인쇄장치(120)가 위치하고 있다.
상기 기판(102)은 전술한 도 2의 배향막 형성단계에 해당되는 기판으로서, 컬러필터, 어레이 소자 중 적어도 어느 하나가 형성된 기판이다.
상기 배향막 인쇄장치(120)는 액정 배향제(104)가 투입되는 원료 주입구(106)와, 원료 주입구(106)와 연결되며 액정 배향제(104)를 혼합하고 용융시키는 압출부(108)와, 압출부(108)를 통해 용융된 액정 배향제(104)를 연속배출시키기 위한 노즐(110)을 가지며, 용융된 액정 배향제(104)가 담기는 다이(112)와, 다이(112)의 노즐(110)을 통하여 배출되는 액정 배향제(104)를 냉각 및 연신시켜 필름 형태로 기판 상에 부착하여 인쇄하는 롤러(114)로 구성된다.
이때, 롤러(114)의 갯수는 필름의 두께, 연신도 등과 관련하여 다수 개로 형성할 수도 있다.
상기 도면에서, "I" 영역은 다이(112)의 노즐(110)을 통하여 연속배출된 액정 배향제(104)를 주로 연신하는 영역으로서, 이 부분에서의 연신작용에 의해 액정 배향제(104)의 분자 배열을 일정한 방향으로 형성할 수 있기 때문에, 러빙 공정에 소요되는 공정시간을 줄이거나 또는 생략할 수 있다.
도면에 도시하지는 않았지만, 상기 압출부(108) 및 다이(112)에는 액정 배향제(104)를 용융시키기 위한 별도의 가열기를 더욱 포함한다.
그리고, 본 발명에 따른 액정 배향제(104)는 상기 배향막 인쇄장치(120)를 이용하여 배향막으로 형성하는 방법으로 한정되지 않고, 고체상태의 고분자 물질을 이용하여 기판 상에 배향막을 형성할 수 있는 장치라면 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
또한, 상기 배향막 인쇄장치(120)에 투여되는 액정 배향제(104)는 충분히 이미드화된 폴리이미드계 고분자 물질로 하는 것이 가장 바람직하다.
도 5는 본 발명에 따른 액정표시장치용 배향막의 인쇄 공정 흐름도이다.
도시한 바와 같이, ST I에서는 고체상태의 유기 고분자 물질로 이루어진 액정 배향제를 준비한다.
이 유기 고분자 물질은 충분히 이미드화된 폴리이미드계 고분자 물질로 하는 것이 바람직하며, 칩 형태로 제작된 것이 바람직하다.
ST II에서는 상기 액정 배향제를 필름 형태로 형성할 수 있는 배향막 인쇄장치를 통해 용융하는 단계이다.
이 단계에서는 필름 형태의 배향막을 형성하기 위해, 별도의 첨가제가 포함될 수 있다.
ST Ⅲ에서는 용용액 상태의 액정 배향제를 필름 형태로 기판 상에 인쇄하는 단계로서, 이 단계에서는 냉각 또는 연신 과정을 거쳐 박막 상태의 필름을 기판 상에 부착하는 방식으로 배향막을 인쇄할 수 있다.
그러나, 본 발명은 상기 실시예로 한정되지 않고 본 발명의 취지에 어긋나지 않는 한도내에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 고체상태의 유기 고분자 물질로 이루어진 액정 배향제를 이용하여 필름 형태의 액정표시장치용 배향막을 형성하면, 다음과 같은 장점을 가진다.
첫째, 고온 공정이 요구되는 소성 공정을 생략할 수 있어, 기판의 손상을 방지할 수 있고, 공정을 단순화할 수 있다.
둘째, 고체상태의 고분자 물질을 이용하므로 용매에 의한 폐수 처리 문제를 해결할 수 있다.
셋째, 공정 중 연신처리를 통해, 액정 배향제의 고분자 배열을 제어할 수 있어, 배향막의 물리적, 화학적 성능을 향상시킬 수 있다.