KR100814146B1

KR100814146B1 - 플라즈마를 이용한 액정표시장치용 무기배향막의표면처리방법

Info

Publication number: KR100814146B1
Application number: KR1020050104503A
Authority: KR
Inventors: 백홍구; 황병하; 김경찬; 안한진; 김종복; 현동춘
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2005-11-02
Filing date: 2005-11-02
Publication date: 2008-03-14
Anticipated expiration: 2025-11-02
Also published as: KR20070047604A

Abstract

본 발명은 플라즈마를 이용하여 무기배향막의 표면을 처리하는 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 기판위에 수직 배향력을 제공하도록 구성물질의 화학식량을 조절하여 상기 구성물질의 양이 결정된 액정표시소자용 무기배향막을 증착하여 얻고, 저압챔버 내부에 설치된 전극 사이에 상기 무기배향막을 위치시키고, 상기 저압챔버 내부에 기체를 주입한 후, 상기 전극에 전원을 가하여 상기 기체로부터 전이된 플라즈마 기체로 상기 무기배향막의 표면을 처리함으로써 상기 무기배향막의 수직배향력을 복원시키는 것을 특징으로 하여 무기배향막의 표면의 열적 및 화학적 안정성을 확보하고, 액정의 수직 배향력을 향상시키기 위한 것이다.

무기배향막, 표면처리, 플라즈마

Description

플라즈마를 이용한 액정표시장치용 무기배향막의 표면처리방법 {METHOD FOR SURFACE-TREATING NON-ORGANIC ALIGNMENT LAYER FILMS USING PLASMA}

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마처리장치의 개략도.

도 2a는 본 발명에 따른 무기배향막의 표면의 산소플라즈마 처리전의 셀(CELL) 사진.

도 2b는 본 발명에 따른 무기배향막의 표면의 산소플라즈마 처리후의 셀(CELL) 사진.

도 3a는 본 발명에 따른 무기배향막의 표면의 산소플라즈마 처리전의 주사원자현미경사진.

도 3b는 본 발명에 따른 무기배향막의 표면의 산소플라즈마 처리후의 주사원자현미경사진.

도 3c는 본 발명에 따른 무기배향막의 표면의 산소플라즈마 처리후의 주사원자현미경사진.

도 4은 본 발명에 따른 무기배향막의 표면의 산소플라즈마 처리시간에 따른 무기배향막의 성분구성비를 나타내는 그래프.

도 5a는 본 발명에 따른 무기배향막의 표면의 산소플라즈마 처리전의 셀 (CELL) 사진.

도 5b는 본 발명에 따른 무기배향막의 표면의 산소플라즈마 처리후의 셀(CELL) 사진.

도 6a는 본 발명에 따른 무기배향막의 표면의 아르곤플라즈마 처리전의 셀(CELL) 사진.

도 6b는 본 발명에 따른 무기배향막의 표면의 아르곤플라즈마 처리후의 셀(CELL) 사진.

도 7a는 본 발명에 따른 무기배향막의 표면의 산소플라즈마 처리후 균일하게 수직배향된 셀(CELL)의 편광현미경 사진.

도 7b는 본 발명에 따른 무기배향막의 표면의 산소플라즈마 처리후 균일하게 수직배향된 셀(CELL)의 편광현미경 사진.

도 7c는 본 발명에 따른 무기배향막의 표면의 아르곤플라즈마 처리후 균일하게 수직배향된 셀(CELL)의 편광현미경 사진.

본 발명은 액정표시소자용 무기배향막의 표면처리방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 플라즈마를 이용하여 상기 무기배향막의 표면을 세정하는 것이다.

종래의 배향막은 액정분자를 일정방향으로 배향시키기 위해 소정의 선경사각이 발현되도록 한다. 상기 배향막을 제조하기 위해서는, 기판상에 박막을 형성한 폴리이미드 등의 고분자 화합물을, 레이온 등의 포를 사용하여 일방향으로 문지르는 연마처리방법 등이 알려져 있다.

그러나, 액정 배향막으로 널리 사용되고 있는 상기 폴리이미드막은 비교적 균일한 배향막을 얻기 쉽고, 200℃ 정도의 고온에도 안정한 장점을 지니고 있으나, 상기 폴리이미드막 형성 공정시 산무수화물과 디아민화합물을 합성하여 폴리아미드산을 형성 후 가열 경화하여 이미드화 해서 폴리이미드막을 형성하는 다단계공정을 거치는 문제점과 상기 열처리 공정으로 인하여 주변 소자에 영향을 미치는 문제점이 있었다.

또한, 상술한 유기배향막은 코팅전후에 여러 단계에 걸친 습식 세정공정과 식각 공정을 필요로 하기 때문에 고비용을 필요로 하는 문제점과, 사용환경, 사용시간 등에 의해 광열화를 발생하여 상기 배향막 및 액정층 등의 구성재료가 분해되어, 상기 분해의 생성물이 상기 액정의 성능에 영향을 끼치는 문제점이 있었다.

상술한 바와 같은 유기배향막의 문제점을 해결하고자 상기 유기배향막보다 열적 및 화학적 안정성이 우수하고 저온 및 청정공정이 가능한 무기배향막에 대한 개발이 많이 이루어지고 있으며, 미국특허공보 USP6660341, USP6724449에 상술한 무기배향막에 대한 상세한 설명이 게재되어 있다.

상기 미국특허공보 USP6660341에 게재된 비정질 산화규소(a-SiO₂)의 형성은 진공설비 안에서 모든 공정이 이루어지기 때문에 세정이 필요 없고, 간단한 마스킹과정만으로 패턴공정이 가능하여 식각공정을 생략할 수 있어, 작업속도를 높일 수 있고, 제품의 불량률을 감소시킬 수 있다. 또한, 초기 설비비용은 상술한 유기배향막에 비하여 높지만 장기적으로 상술한 바와 같은 장점에 의한 원가감소 효과가 있을 것이다.

그러나 상기 비정질 산화규소(a-SiO₂)는 수분흡착이나 불순물의 부착에 민감하여 표면의 화학적 안정성이 중요하다. 상기 배향막의 표면에 오염이 생기면 상술한 액정분자들의 수직 배향력이 감소 또는 상실되기 때문에 배향막으로써의 기능을 할 수 없다는 문제점이 있었다.

상술한 바와 같은 문제점을 해결하고자하는 본 발명은 무기배향막의 표면의 열적 및 화학적 안정성을 확보하는 것을 목적으로 한다.

또한, 상기 무기배향막의 표면에 흡착된 수분 및 불순물을 제거하는 것을 다른 목적으로 한다.

또한, 상기 무기배향막의 수직 배향력을 향상시키는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기판위에 수직 배향력을 제공하도록 구성물질의 화학식량을 조절하여 상기 구성물질의 양이 결정된 액정표시소자용 무기배향막을 증착하여 얻고, 저압챔버 내부에 설치된 전극 사이에 상기 무기배향막을 위치시키고, 상기 저압챔버 내부에 기체를 주입한 후, 상기 전극에 전원을 가하여 상기 기체로부터 전이된 플라즈마 기체로 상기 무기배향막의 표면을 처리함으로써 상기 무기배향막의 수직배향력을 복원시키는 것을 특징으로 하는 무기배향막의 표면처리방법이다.

또한, 상기 무기배향막의 증착은 화학기상증착, 열증발증착, 전자빔증착, 스퍼터링 중 어느 하나에 의해 이루어지는 것을 다른 특징으로 한다.

또한, 상기 무기배향막은 a-SiO₂, a-Si, a-SiC, CeO₂ 로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 또 다른 특징으로 한다.

또한, 상기 기체는 O₂,CF₄, Ar 중 어느 하나인 것을 또 다른 특징으로 한다.

또한, 상기 전원의 인가되는 전력의 크기와 처리시간이 반비례를 이루는 것을 또 다른 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 구성에 의한 본 발명의 산소플라즈마를 이용한 무기배향막 의 표면처리의 실시례를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마처리장치의 개략도이고, 도 2a는 본 발명에 따른 무기배향막의 표면의 산소플라즈마 처리전의 셀(CELL) 사진이고, 도 2b는 본 발명에 따른 무기배향막의 표면의 산소플라즈마 처리후의 셀(CELL) 사진이고, 도 3a는 본 발명에 따른 무기배향막의 표면의 산소플라즈마 처리전의 주사원자현미경사진이고, 도 3b는 본 발명에 따른 무기배향막의 표면의 산소플라즈마 처리후의 주사원자현미경사진이고, 도 3c는 본 발명에 따른 무기배향막의 표면의 산소플라즈마 처리후의 주사원자현미경사진이고, 도 4는 본 발명에 따른 무기배향막의 표면의 산소플라즈마 처리시간에 따른 무기배향막의 성분구성비를 나타내는 그래프이고, 도 7a는 본 발명에 따른 무기배향막의 표면의 산소플라즈마 처리후 균일하게 수직 배향된 셀(CELL)의 편광현미경 사진이다.

본 발명은 액정표시소자용 기판위에 수직 배향력을 제공하도록 무기배향막(60)을 형성한 후 상기 무기배향막(60)에 대한 표면을 처리하는 것으로 상기 무기배향막(60)은 상기 무기배향막(60)을 이루는 구성물질의 화학식량을 액정이 수직 배향되도록 양이 결정된 기둥구조가 없이 형성되는 것이다. 상기 증착법은 화학기상증착법, 열증발증착법, 전자빔증착법, 스퍼터링 등의 방법이 사용될 수 있다. 또한, 상술한 증착법에 의하여 얻어진 무기배향막(60)은 비정질산화규소(a-SiO₂), 비정질규소(a-Si), 비정질실리콘카바이드(a-SiC) 등의 실리콘 화합물과 CeO₂와 같은 산화물로 구성되는 군으로부터 어느 하나의 성분으로 이루어질 수 있다. 본 발명에 서는 상술한 증착법 중에 화학기상증착법을 이용하여 상기 비정질산화규소(a-SiO₂)를 구성요소로 하고 기둥구조가 없는 무기배향막(60)을 얻었다. 여기서, 상기 비정질산화규소의 양은 상기 무기배향막(60)이 수직 배향력을 제공할 수 있도록 상기 비정질산화규소의 화학식량을 조절하여 결정된다.

또한, 도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명은 전원공급장치(10)와, 유량조절장치(20)와, 펌프(30)가 설치되어 있는 저압챔버(40) 내부에 전극(50)을 설치하고 상기 전극(50)의 사이에 무기배향막(60)을 설치한다. 또한, 상기 전극(50)에 상기 전원공급장치(10)를 연결한다. 상술한 바와 같은 장치를 구성한 후에, 상기 저압챔버(40) 내부에 산소(O₂)(70)를 공급한다.

상기 저압챔버(40)내부의 압력이 6×10^-2Torr이고, 상기 전원공급장치(10)의 전력은 60W의 상태에서 30초 이하의 시간동안 상기 무기배향막(60)을 산소플라즈마 처리한다.

도 2a의 사진에서 보는 바와 같이, 상술한 조건에 의한 상기 산소플라즈마로 표면을 처리하기 전의 상기 무기배향막은 표면의 오염으로 인하여 액정이 균일한 수직배향을 하지 않았기 때문에 '검은'상태를 나타내지 않는다. 반면, 도 2b의 사진에서 보는 바와 같이, 상술한 조건에 의한 상기 산소플라즈마로 표면을 처리한 후의 상기 무기배향막은 액정이 균일한 수직배향을 했기 때문에 전면에 걸쳐'검은'상태를 나타낸다. 이는 상기 산소플라즈마 처리로 인하여 상기 무기배향막의 표면의 오염이 세정되어 액정의 배향력이 상승되었음을 나타낸다. 또한, 도 7a의 사진 은 액정을 두 편광판 사이에 배치하여 광학현미경을 통해 얻은 것으로 액정이 어떻게 배향되었는지 알게 해주는 사진으로 상술한 조건에 의한 상기 산소플라즈마 처리 후에 모두 균일한 수직배향을 이루었음을 알 수 있다.

도 3은 상기 산소플라즈마 처리전후의 상기 무기배향막의 표면을 주사원자현미경으로 관찰한 사진이다. 도 3a에서 보는 바와 같이, 상술한 조건에 의한 상기 산소플라즈마 처리를 하기 전에는 거칠기가 평균 3.081이었으나, 도 3b에서 보는 바와 같이, 상기 산소플라즈마 처리를 한 후에는 거칠기가 평균 3.2125로 증가하였다. 이때, 액정의 수직배향은 더욱 효과적이 된다. 그러나, 도 3c에서 보는 바와 같이, 상술한 조건보다 처리시간이 길어진 경우 거칠기가 평균 2.521로 감소하였고, 이에 따라 액정의 수직 배향력 또한 감소하였다. 더불어, 표면에너지는 약간증가 하였으며, 극(polar)성분이 증가하였다. 이에 대한 결과는 다음에서 보다 상세히 설명된다.

도 4는 상기 무기배향막에 상기 산소플라즈마 처리를 한 표면의 성분비를 처리시간에 따라 그래프로 나타낸 것으로, 상기 산소플라즈마의 처리가 진행됨에 따라, 탄소 및 실리콘은 30초까지 급감하다가 30초 이후에는 완만히 감소하였으나, 산소는 30초까지 급증하다가 30초 이후에는 꾸준히 증가하는 결과를 보여준다. 이는 상기 산소플라즈마 처리를 하면 상기 무기배향막의 표면의 상기 탄소양이 감소되고, 동시에 산화가 일어나는 것을 나타낸다. 따라서, 도 3c와 도 4의 결과에서 나타나듯, 상기 산소플라즈마의 처리가 상술한 조건의 이상의 되면 상기 무기배향막의 수직 배향력은 오히려 감소되게 된다.

상술한 바와 같은 작용 및 결과에 의하면, 대기중에 노출된 무기배향막은 액정이 균일한 배향을 보여주지 못하지만, 상술한 바와 같은 장치로 상술한 조건에서의 상기 무기배향막에 대한 상기 산소플라즈마처리는 상기 무기배향막의 표면의 탄소 오염물을 화학반응을 통하여 제거하고, 상기 무기배향막의 표면을 산화시키게 된다. 이에 따라, 상기 무기배향막은 액정이 균일한 배향을 할 수 있도록 해주며, 상기 무기배향막의 화학적 안정성을 향상시켜 상기 산소플라즈마처리를 하지 않은 무기배향막에 비하여 오랜 시간 동안 균일한 액정배향상태를 유지한다. 또한, 열적안정성이 향상되어 200℃의 열처리 후에도 균일한 액정 배향상태를 유지하는 등의 배향막으로써 안정한 표면을 확보하게 된다.

다음으로, 상기 저압챔버(40)내부의 압력을 6×10^-2Torr로 설정하고, 30W전원(10)을 공급하고 60초 이하의 시간동안 상기 무기배향막(60)을 산소플라즈마 처리한 결과에 대하여 설명한다.

도 5a는 본 발명에 따른 무기배향막의 표면의 산소플라즈마 처리전의 셀(CELL) 사진이고, 도 5b는 본 발명에 따른 무기배향막의 표면의 산소플라즈마 처리후의 셀(CELL) 사진이고, 도 7b는 본 발명에 따른 무기배향막의 표면의 산소플라즈마 처리후 균일하게 수직 배향된 셀(CELL)의 편광현미경 사진이다.

도 5a의 사진에서 보는 바와 같이, 상술한 조건에 의한 상기 산소플라즈마로 표면을 처리하기 전의 상기 무기배향막은 표면의 오염으로 인하여 액정이 균일한 수직배향을 하지 않았기 때문에 '검은'상태를 나타내지 않는다. 반면, 도 5b의 사 진에서 보는 바와 같이, 상술한 조건에 의한 상기 산소플라즈마로 표면을 처리한 후의 상기 무기배향막은 액정이 균일한 수직배향을 했기 때문에 전면에 걸쳐'검은'상태를 나타낸다. 이는 상기 산소플라즈마 처리로 인하여 상기 무기배향막의 표면의 오염이 세정되어 액정의 배향력이 상승되었음을 나타낸다. 또한, 도 7b의 사진은 액정을 두 편광판 사이에 배치하여 광학현미경을 통해 얻은 것으로 액정이 어떻게 배향되었는지 알게 해주는 사진으로 상술한 조건에 의한 상기 산소플라즈마 처리 후에 모두 균일한 수직배향을 이루었음을 알 수 있다.

더불어, CF₄플라즈마를 이용하여 상기 무기배향막의 표면을 처리한 결과 또한, 상술한 산소플라즈마를 이용한 결과와 동일하며, 상술한 산소플라즈마 처리의 조건을 만족해야 한다. 이에 대한 상세한 설명은 상술한 산소플라즈마 처리와 동일하므로 생략한다.

이하에서는 본 발명의 다른 실시례인 아르곤(Ar)플라즈마를 이용한 무기배향막(60)의 표면처리방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 6a는 본 발명에 따른 무기배향막의 표면의 아르곤플라즈마 처리전의 셀(CELL) 사진이고, 도 6b는 본 발명에 따른 무기배향막의 표면의 아르곤플라즈마 처리후의 셀(CELL) 사진이고, 도 7c는 본 발명에 따른 무기배향막의 표면의 아르곤플라즈마 처리 후 균일하게 수직 배향된 셀(CELL)의 편광현미경 사진이다.

상기 아르곤플라즈마를 이용한 상기 무기배향막의 표면처리방법도 상술한 산소플라즈마를 이용한 무기배향막의 표면처리방법과 동일한 장치에서 이루어지며, 단지 산소기체 대신 아르곤 기체를 주입한다.

상기 조건에 따른 상기 무기배향막의 세정효과는 상기 아르곤플라즈마의 입자가 상기 무기배향막의 표면에 물리적으로 충돌함으로써 표멱을 깎아 내고, 이 효과에 의하여 상기 무기배향막의 표면에 물리적으로 흡착된 물질들을 제거하여, 상술한 실시례인 산소플라즈마 처리방법과 유사하다. 다만, 상술한 산소플라즈마 처리방법과 달리, 상기 저압챔버(40)내부압력과, 상기 전원공급장치(10)의 전력과, 상기 처리시간에 무관하게 세정효과가 관찰된다. 이는 화학반응을 통한 상기 무기배향막의 표면처리가 아닌 물리적 운동성을 이용한 것이기 때문이다.

도 6a의 사진에서 보는 바와 같이, 상기 아르곤플라즈마로 표면을 처리하기 전의 상기 무기배향막은 표면의 오염으로 인하여 액정이 균일한 수직배향을 하지 않았기 때문에 '검은'상태를 나타내지 않는다. 반면, 도 6b의 사진에서 보는 바와 같이, 상기 아르곤플라즈마로 표면을 처리한 후의 상기 무기배향막은 액정이 균일한 수직배향을 했기 때문에 전면에 걸쳐'검은'상태를 나타낸다. 이는 상기 아르곤플라즈마 처리로 인하여 상기 무기배향막의 표면의 오염이 세정되어 액정의 배향력이 상승되었음을 나타낸다. 또한, 도 7c의 사진은 액정을 두 편광판 사이에 배치하여 광학현미경을 통해 얻은 것으로 액정이 어떻게 배향되었는지 알게 해주는 사진으로 상기 아르곤플라즈마 처리 후에 모두 균일한 수직배향을 이루었음을 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시례에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 상술한 실시례로부터 자명하게 유추될 수 있는 것을 모두 포함하여 본 발명의 청구범위 기재의 범위에 있게 된다.

상술한 바와 같은 구성에 의한 본 발명은 무기배향막의 표면의 열적 및 화학적 안정성을 확보하는 효과가 있다.

또한, 상기 무기배향막의 표면에 흡착된 수분 및 불순물을 제거하는 다른 효과가 있다.

또한, 상기 무기배향막의 배향력을 향상시키는 다른 효과가 있다.

Claims

기판위에 수직 배향력을 제공하도록 구성물질의 화학식량을 조절하여 상기 구성물질의 양이 결정된 액정표시소자용 무기배향막을 증착하여 얻고,

저압챔버 내부에 설치된 전극 사이에 상기 무기배향막을 위치시키고, 상기 저압챔버 내부에 기체를 주입한 후, 상기 전극에 전원을 가하여 상기 전극 사이에서 상기 기체로부터 전이된 플라즈마 기체로 상기 전극 사이에 존재하는 상기 무기배향막의 표면을 전체적으로 균일하게 처리함으로써 상기 무기배향막의 수직배향력을 복원시키는 것을 특징으로 하는 무기배향막의 표면처리방법.
제1항에 있어서,

상기 무기배향막의 증착은 화학기상증착, 열증발증착, 전자빔증착, 스퍼터링 중 어느 하나에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 무기배향막의 표면처리방법.
제1항에 있어서,

상기 무기배향막은 a-SiO₂, a-Si, a-SiC, CeO₂ 로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 무기배향막의 표면처리방법.
제1항에 있어서,

상기 기체는 O₂,CF₄, Ar 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 무기배향막의 표면처리방법.
제1항에 있어서,

상기 전원의 인가되는 전력의 크기와 처리시간이 반비례를 이루는 것을 특징으로 하는 무기배향막의 표면처리방법.