KR101134238B1 - 액정 표시 소자의 제조 방법 및 이에 의한 액정표시장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 투명전극이 형성된 두 장의 기판사이에 광경화성 단분자를 포함하는 액정혼합물을 주입한 후 자외선을 가해 고분자 기둥을 형성하는 액정표시소자의 제조방법 및 이에 의한 액정표시장치에 관한 것으로서, 본 발명에 의하면, 액정 표시 소자의 전면부에 가해지는 외부 충격에 대하여 영상의 일그러짐이나 왜곡에 대하여 높은 저항성을 부여하는 고분자 기둥을 배향막 위에 표면 선경사각을 가지는 고분자층과 함께 또는 연속하여 간단한 제조공정으로 형성시킬 수 있고, 포토리소그래피 공정을 생략할 수 있어 효율적이다.

Description

액정 표시 소자의 제조 방법 및 이에 의한 액정표시장치 {Fabrication method of Liquid Crystal Display Element and Liquid Crystal Display Device thereof}

본 발명은 액정표시소자의 제조방법 및 이에 의한 액정표시장치에 관한 것으로서, 상세하게는 투명전극이 형성된 두 장의 기판사이에 광경화성 단분자를 포함하는 액정혼합물을 주입한 후 자외선을 가해 고분자 기둥을 형성하는 액정표시소자의 제조방법 및 이에 의한 액정표시장치에 관한 것이다.

액정표시소자는 투명전극이 형성된 두 장의 기판 사이에 수 개의 액정분자들로 구성된 액정을 개재하여 액정층을 형성시킨 후, 상기 투명전극들 사이에서 일어나는 전기장에 의해 액정분자들의 배열을 변화시켜 빛의 투과량을 제어하여 소정의 화상을 표시하는 소자이다.

이러한 액정표시소자에 있어서, 응답속도, 명암 대조비, 시야각, 휘도, 균일성 등의 특성은 액정층의 두께, 즉 셀 갭(cell gap)과 밀접한 관련을 갖기 때문에 액정 표시 소자의 화질을 향상시키기 위해서는 균일한 셀 갭을 유지시키는 것이 매우 중요하다. 특히, 액정표시소자가 대면적화 및 고화질화 되어 가는 추세에서 일정한 셀 갭의 유지는 더욱 중요시되고 있다.

현재, 상업용 모니터와 개인 휴대폰과 같은 휴대용 디스플레이는 고객의 요구를 충족시키고자 터치 기술을 이용한 터치용 디스플레이가 주를 이루고 있다. 그러나 이 터치 기술은 필수적으로 액정 전면부에 대하여 터치를 통해 원하는 입력을 해야 하지만, 이는 액정 표시 소자 영상의 일그러짐과 왜곡을 일으키는 원인이 된다. 상기 이유로 인해 액정 표시 소자에서 외부 충격에 대해서는 일그러짐과 왜곡을 일으키지 않고 견딜 수 있는 셀 갭 유지를 위한 제조 공정이 요구된다.

대부분의 액정표시소자는 그 제조과정에서 기판들 간의 합착 공정 시 한 쪽의 기판에 셀 갭 유지용 스페이서를 산포하고 있다. 상기 스페이서를 산포하는 방식은 산포 시 스페이서를 동일한 전하로 대전시켜 같은 극성을 갖는 스페이서들의 척력(반발력)에 의해 기판에 균일하게 산포하는 드라이(dry)방식과 IPA 등의 용매에 균일하게 섞어 산포하는 습식(wet)방식이 있으며, 일반적으로 TFT-LCD(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display)에서 산포 균일도 특성이 우수한 드라이 방식이 적용되어 졌다.

도 1은 액정 표시 소자에서 일반적으로 사용되는 컬러필터 기판 위에 형성된 구형(볼) 스페이서를 나타낸 평면도이다. 도 1을 참조하면, 볼 스페이서(7a)가 위치하며, 게이트 전극(1), 데이터 전극(4), 박막트랜지스터(3)가 매트릭스 형태로 배열되어 있고, 선택적으로 컬러필터가 형성되어 있고, 동시에 광 차단을 목적으로 블랙 매트릭스(2, 5)가 형성되어 있는 구조이다. 현재 LCD의 대형화, 고화질화 관점에서 도 1과 같이 구형(볼) 스페이서를 산포하여 셀 갭을 유지하는 방식은 스페이서의 균일한 산포가 어려우며, 또한, 스페이서 뭉침 현상이 발생되고, 더 나아가 스페이서 주변에서 빛 샘 현상이 발생하는 등 균일한 셀 갭 유지가 어렵게 되고, 이는 화질의 저하 요인이 되고 있다.

한편, 셀 갭 유지를 위해 컬러필터 기판이나 어레이 기판 상에 도트형 지주 스페이서를 제조하는 방법이 제안되었다. 도트형 지주 스페이서는 액정표시소자의 모드에 따라 컬러필터 기판 내지 어레이 기판의 특정 부분에 감광성 레진을 도포, 노광 및 현상하여 형성시킨다. 그러나 상기 지주 스페이서를 형성시키기 위해서는 포토리소그래피 공정을 거쳐야 하기 때문에 상대적으로 공정이 복잡해진다는 문제점이 존재한다. 이러한 공정은 상품 가격의 상승 요인이 되어 가격 경쟁력을 저하시키는 요인이 되어 왔다.

종래의 수직 배향 액정 표시 장치는 광시야각 효과를 내기 위해 상하부 기판에 형성된 투명 전극 중 일부를 제거하여 경사진 수직 전기장을 이용하거나, 기판에 돌기를 형성하여 돌기 주변의 액정이 초기 선경사각을 갖도록 함으로써 광시야각 효과를 냈다. 특히, 이 방법 중에 배향막과 액정의 계면에 광경화성 단분자를 이용한 표면 선경사각 층 형성 방법이 수직 배향 액정 표시 소자를 이용한 액정 모드에서 각광을 받고 있다. 그러나, 표면 선경사각 층을 간단한 공정으로 액정표시소자 제조 공정 중에 형성시키는 방법이 여전히 요구된다.

본 발명의 하나의 목적은 종래 볼 스페이서의 문제점인 균일한 산포, 볼의 뭉침 현상, 빛 샘 현상을 해소할 수 있는 지주 스페이서의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 종래 지주 스페이서와 달리 포토리소그래피 공정없이 이를 형성하는 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 기판 상에 추가 공정 없이 표면 선경사각층을 형성시키는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 양상은 배향막과 전극이 형성된 상부 기판과 하부 기판, 그 사이에 삽입된 액정층을 포함하는 액정표시소자의 제조방법에 있어서, 상기 액정층에 액정, 광경화성 단분자 및 광개시제를 포함하는 액정혼합물을 제공하는 단계 ; 상기 두 기판 사이에 전압을 인가한 후 마스크를 이용하여 상기 기판에 자외선을 조사하는 단계를 포함하는 액정표시소자의 제조방법에 관계한다.

다른 양상에서 본 발명은 배향막과 전극이 형성된 상부 기판과 하부 기판, 그 사이에 삽입된 액정층을 포함하는 액정표시소자의 제조방법에 있어서, 상기 방법은 상기 두 기판 사이에 액정, 광경화성 단분자 및 광개시제를 포함하는 액정혼합물을 주입하는 단계; 및 자외선 차단영역, 자외선 완전 투과영역 및 하프톤 영역을 구비하는 마스크를 이용하여 상기 기판에 자외선을 조사하는 단계를 포함하고, 상기 자외선 조사 단계는 자외선이 완전 투과되는 영역에서 상기 광경화성 단분자가 중합되어 상기 두 기판 사이를 지지하는 벽 또는 도트 형상의 고분자 기둥을 형성시키고, 하프톤 영역에서 상기 광경화성 단분자가 중합되어 상기 배향막 상에 표면 선경사각을 가지는 고분자층을 형성시키는 단계인 액정표시소자의 제조방법에 관계한다.

본 발명의 또 다른 양상은 배향막과 전극이 형성된 상부 기판과 하부 기판, 그 사이에 삽입된 액정층을 포함하는 액정표시소자의 제조방법에 있어서, 상기 방법은 상기 두 기판 사이에 액정, 광경화성 단분자 및 광개시제를 포함하는 액정혼합물을 제공하는 단계 ; 자외선 차단영역과 자외선 완전 투과영역을 구비하는 마스크를 이용하여 상기 기판에 자외선을 조사하는 단계로서, 상기 단계는 자외선이 완전 투과되는 영역에서 상기 광경화성 단분자가 중합되어 상기 두 기판 사이를 지지하는 벽 또는 도트 형상의 고분자 기둥을 형성시키는 단계 ; 상기 마스크를 제거하고, 상기 두 기판 사이에 전압을 인가한 후 자외선을 조사하는 단계로서, 상기 단계는 상기 배향막 상에 표면 선경사각을 가지는 고분자층을 부화소 영역에 형성시키는 단계를 포함하는 액정표시소자의 제조방법에 관계한다.

본 발명은 액정층 내에서 광경화성 단분자를 중합시켜 스페이서 기능을 하는 고분자 기둥과 표면 선경사각을 제공하는 고분자층을 형성하는 액정표시소자의 제조방법으로서, 본 발명에 의한 제조 방법은 포토리소그래피 공정 없이 지주 스페이서를 형성할 수 있으며, 또한, 상기 지주스페이서와 표면 선경각 층을 동시에 형성할 수 있으므로 경제적이다.

도 1은 도트형태의 제 1 지주 스페이서가 형성된 종래의 액정 표시 소자의 평면도이다.
도 2는 한 번의 광조사로 부화소 영역에 고분자 기둥과 표면 선경사각 층을 형성시키는 제조 공정을 나타내는 모식도이다.
도 3은 부화소 외곽 영역에 세로 방향의 고분자 기둥과 부화소 영역에 표면 선경사각 층이 형성된 액정 표시 소자의 평면도이다.
도 4는 도 2의 제조공정에 사용한 마스크를 나타낸다.
도 5는 부화소 외곽 영역에 가로 방향의 고분자 기둥과 부화소 영역에 표면 선경사각 층이 형성된 액정 표시 소자의 평면도이다.
도 6은 도 5의 액정표시 소자를 제조할 때 사용된 마스크를 나타낸다.
도 7은 부화소 외곽 영역에 도트 형태의 고분자 기둥과 부화소 영역에 표면 선경사각 층이 형성된 액정 표시 소자의 평면도이다.
도 8은 도 7의 액정표시 소자를 제조할 때 사용된 마스크를 나타낸다.
도 9는 부화소의 외곽 영역에 가로, 세로 방향의 고분자 기둥과 부화소 영역에 표면 선경사각 층이 형성된 액정 표시 소자의 평면도이다.
도 10은 도 9의 액정표시 소자를 제조할 때 사용된 마스크를 나타낸다.
도 11은 부화소 외곽 영역에 고분자 기둥과 부화소 영역에 표면 선경사각 층을 두 번의 광조사로 형성시키는 제조 공정을 나타내는 모식도이다.
도 12는 도 11의 제조공정에 사용된 마스크를 나타낸다.
도 13은 두 번의 광조사로 부화소 외곽 영역에 가로 방향의 고분자 기둥과 부화소 영역에 표면 선경사각 층을 두 번의 광조사로 형성시킬 때 사용되는 마스크이다.
도 14는 두 번의 광조사로 부화소 외곽 영역에 도트 형태의 고분자 기둥과 부화소 영역에 표면 선경사각 층을 두 번의 광조사로 형성시킬 때 사용되는 마스크이다.
도 15는 두 번의 광조사로 부화소의 외곽 영역에 가로, 세로 방향의 고분자 기둥과 부화소 영역에 표면 선경사각 층을 두 번의 광조사로 형성시킬 때 사용되는 마스크이다.
도 16은 실시예 1에서 제조된 고분자 기둥이 형성된 액정표시소자와 도 1의 볼 스페이서만을 지주로 사용한 액정표시소자에 각각 외부 충격을 가하여 표면 일그러짐 정도를 비교한 사진이다.

본 발명에서는 자외선의 일정 파장 영역에서 반응하는 광개시제와 상기 광개시제와 반응하는 광경화성 단분자 물질을 액정과 일정 비율로 혼합하여 마스크를 이용한 광경화를 통해 고분자 기둥을 형성함과 동시에 액정 표시 소자의 전기 광학 특성과 응용성 향상을 위한 표면 선경사각층을 형성하는 방법을 제공한다.

본 발명은 배향막과 전극이 형성된 상부 기판과 하부 기판, 그 사이에 삽입된 액정층을 포함하는 액정표시소자의 제조방법에 적용될 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 수직배향 액정 표시 소자에 적용될 수 있다.

본 발명에 사용되는 상부기판, 하부기판, 배향막, 액정 등은 공지된 방법, 재료, 기술을 사용할 수 있으며 이에 대한 어떠한 제한이 있는 것은 아니다.

예를 들면, 하부기판은 절연 기판 상에 화소마다 형성된 박막트랜지스터 및 상기 박막트랜지스터에 연결된 화소전극을 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상부기판은 절연기판 상에 실질적으로 화소 영역을 정의하는 블랙매트릭스가 크롬(Cr) 등의 불투명 물질로 형성되어 빛 샘을 방지하여 화질을 개선하는 역할을 하는데, 일반적으로 개구율에 대한 영향을 감소시키기 위해 하부기판의 게이트 및/또는 데이터 배선과 중첩하도록 형성된다. 상부기판은 블랙 매트릭스 아래에 화소에 대응되도록 형성된 컬러필터 및 컬러필터 상에 형성된 공통전극을 포함한다.

액정 혼합물을 액정층에 제공하는 단계

상기 단계는 액정층에 액정, 광경화성 단분자 및 광개시제를 포함하는 액정혼합물을 제공하는 단계이다.

상기 단계의 액정혼합물을 액정층에 제공하는 방법에 대한 제한이 없다. 예를 들면, 스페이서가 형성된 하부기판 상에 액정혼합물을 주입한 후 상부기판을 합착할 수 있으며, 상부 기판과 하부 기판을 합착한 후 액정 혼합물을 기판 사이에 주입할 수 있다.

본 발명의 일구현예에 사용될 수 있는 액정은 포켈스 효과 또는 커 효과를 나타내는 물질 등, 전계 무인가시에 광학적으로는 등방(거시적으로 보아 등방인 것이 바람직함)이고, 전계 인가에 의해 광학적 이방성이 발현되는 물질일 수도 있으며, 전계 무인가시에 광학적 이방성을 가지며, 전계 인가에 의해 상기 광학적 이방성이 소실되어 광학적으로 등방성(거시적으로 보아 등방인 것이 바람직함)을 나타내는 물질일 수도 있다.

본 발명에 사용가능한 액정의 일예로는 5CB(p-n pentyl-p'-cyanobiphenyl), JC-1041(치소)등이 가능하며, 카이랄 도판트(chiral dopant)로는 ZLI-4572(머크),ISO-(60BA)2, CB-15등이 사용될 수 있다.

본 발명의 액정 표시소자가 수직배향되어있고 수직전기장으로 구동되는 액정소자일 경우에 상기 액정은 유전율 이방성이 음인 것을 사용할 수 있다. 또한, 초기 액정이 수직배향되어있고 수평전기장으로 구동되는 액정소자일 경우에는 양의 액정을 또한 사용할 수 있다.

상기 광경화성 단분자는 광 개시제의 자외선 반응에 의해 중합이 가능한 말단기를 포함하는 액정물질이다. 본 발명에서 사용하는 용어인 광경화성 단분자는 액정성을 나타낼 수 있는 메조겐그룹과 광중합이 가능한 말단기를 포함하여 액정상을 띄고 있으며, 자외선에 반응하는 광 개시제에 의해 광중합될 수 있는 단량체 분자를 의미한다. 따라서 광경화성 단분자는 좀 더 포괄적인 용어로 반응성 액정 단량체로 나타낼 수 있다. 메조겐으로는 네마틱 액정상을 발현하는 막대형(calamitic) 메조겐이나 디스코틱 액정상을 발현할 수 있는 접시형태의 디스코틱(discitic) 메조겐이 사용될 수 있다. 중합가능한 말단기로는 일반적으로 라디칼 중합이 쉬운 아크릴기나 메타크릴기가 사용될 수 있다.

액정상에서 배향되어 있는 광경화성 단분자 분자를 중합하게 되면 액정의 배열된 상을 유지하면서 가교된 고분자 네트워크를 얻을 수 있다.

본 발명에 사용가능한 광경화성 단분자는 자외선에 의해 중합되어 고분자 기둥을 형성하는 경우 지주 스페이서로서 기계적 강도나 열적 안정성을 가질 수 있는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 조건을 만족하는 본 발명에 사용가능한 광경화성 단분자로는 RM257, EHA 등이 있다.

상기 광 개시제로는 Trimethylopropane triacrylate등이 사용될 수 있다.

상기 액정 혼합물은 상기 액정 100 중량부에 대해 광경화성 단분자 0.01~50중량부, 바람직하게는 0.1~15중량부를 포함할 수 있다. 기존의 연구에 따르면, 양 기판 표면의 액정 단량체에 기울임 각을 형성하기 위한 광 경화성 액정 단량체의 중량부는 액정 100 중량부에 대해 0.1 중량부가 바람직하다. 따라서 광경화성 단분자의 중량부가 적을 경우 고분자 기둥이 형성될 만큼의 광 경화성 액정 단량체가 존재하지 않게 되어 표면에서만 고분자화가 된다. 따라서 상기 제시한 중량부 이상이 되어야 하고 또한 단량체의 양이 너무 많을 경우 고분자 기둥이 형성되고 나서도 잔류 광경화성 단분자가 불순물로 남을 수 있기 때문에 상기 제시한 중량부 이하가 되는 것이 바람직 하다.

상기 액정혼합물은 상기 액정 100중량부에 대해 광개시제 0.001~5 중량부를 포함할 수 있다. 광 개시제는 자외선으로부터 에너지를 흡수하여 중합 반응을 시작하게 하는 물질을 말한다. 종류에 따라서 다르지만 광 개시제는 상기 제시한 중량부 정도의 양이 들어있으면서 모노머, 올리고머, 자유기가 광중합 하는데 필요한 에너지를 가해서 이 물질들이 경화된 후의 고분자 물질로 바뀌게 광 중합을 개시시키는 역할을 한다. 광 개시제의 배합 비율은 적용 용도와 설비에 따라 많은 차이를 보이고 있는데, 일반적으로 0.1~5 % 정도로 배합한다. 본 발명에 사용가능한 일예의 액정, 광경화성 단분자, 광개시제의 화학구조는 아래와 같다. 또한 아래 구조이외에 다른 액정, 광경화성 단분자, 광개시제를 사용할 수 있다.

액정 5CB(p-n pentyl-p'-cyanobiphenyl)

액정 JC-1041

카이랄 도판트(chiral dopant) ZLI-4572

카이랄 도판트(chiral dopant) ISO-(60BA)2

카이랄 도판트(chiral dopant) CB-15

모노머 RM-257

모노머 EHA (2-Ethylhexyl Acrylate)

광 개시제 (Trimethylopropane triacrylate)

마스크를 이용한 자외선 조사단계

상기 단계는 두 기판 사이에 전압을 인가한 후 마스크를 이용하여 상기 기판에 자외선을 조사하는 단계이다.

상기 마스크는 자외선 차단영역과 자외선 완전 투과영역 또는 하프톤 영역 중 하나 이상을 포함 할 수 있다.

상기 단계는 마스크의 완전 투과 영역을 통과한 자외선에 의해 두 개의 기판사이의 액정층에 존재하는 광경화성 단분자가 중합되어 두 기판 사이를 지지하는 벽 또는 도트 형상의 고분자 기둥을 형성한다.

상기 액정층에 자외선이 조사되면 광경화성 단분자들이 자외선이 입사되는 표면쪽으로 이동하게 되면서 중합이 일어나게 된다. 즉, 마스크를 통과한 자외선에 의해 액정층내에서 상분리 현상이 일어남으로 인해 일정 영역에 고분자 네트워크를 형성한다. 상기 고분자 네트워크가 자외선 조사량과 광경화성 단분자의 함량이 충분히 존재하면 마스크를 통과한 자외선에 의해서 광 경화성 단분자의 중합반응이 계속 진행되어 적층되며 결국 두 기판 사이에서 고분자 기둥이 형성된다. 따라서, 고분자 기둥을 형성시킬 만큼의 광경화성 단분자의 함량이 충분히 존재하여야 한다.

상기 고분자 기둥은 광경화성 단량체의 중합으로 부화소 외곽영역에 형성되며, 기둥의 높이는 액정 표시 소자에서 액정 층의 두께인 셀갭과 같고, 폭은 최소 10~100nm 이상 블랙매트리스의 폭(1~100㎛) 보다 작다.

상기 고분자 기둥은 액정이 가지는 광학이방성이나 유전율의 특성을 그대로 가지고 있으므로 액정 내부에 위치하여도 불순물의 문제가 발생하지 않는다.

본 발명에 의하면 상기 마스크의 자외선 완전 투과영역을 조절할 수 있는데, 투과영역과 대응되어 액정층 내에 도트 형상이나 벽 형상의 고분자 기둥을 형성시킬 수 있다.

한편, 상기 고분자 기둥을 부화소 외곽영역의 전부 또는 일부영역에 형성시킬 수 있다.

본 발명에서 사용되는 부화소(sub pixel) 외곽영역은 부화소 영역을 둘러싸 화소영역을 결정하는 블랙매트릭스나 게이트 또는 데이터 배선 상에 형성되는 영역이다.

본 발명에 의하면, 상기 마스크의 하프톤 영역으로 조사된 자외선에 의해 상기 배향막 상에 표면 선경사각을 가지는 고분자층을 형성시킨다. 상기 고분자층은 부화소 영역에 위치한다.

상기 방법은 200nm ~ 390nm 범위의 자외선을 조사할 수 있다.

상기 하프톤 영역은 자외선의 투과율이 70~5%, 바람직하게는 50~10%범위인 것이 좋다. 상기 범위를 초과하면 상기 선경사각을 갖는 고분자층이 네트워크형태의 고분자가 형성되기 때문에 어둠상태를 표현하는데 있어 고분자 네트워크가 빛샘을 유발 할 수 있기 때문에 문제가 있다.

다른 양상에서 본 발명은 배향막과 전극이 형성된 상부 기판과 하부기판, 그 사이에 삽입된 액정층을 포함하는 액정표시소자의 제조방법에 있어서, 상기 방법은 상기 두 기판 사이에 액정, 광경화성 단분자 및 광개시제를 포함하는 액정혼합물을 제공하는 단계; 및 자외선 차단영역, 자외선 완전 투과영역 및 하프톤 영역을 구비하는 마스크를 이용하여 상기 기판에 자외선을 조사하는 단계를 포함하고, 상기 자외선 조사 단계는 자외선이 완전 투과되는 영역에서 상기 광경화성 단분자가 중합되어 상기 두 기판 사이를 지지하는 벽 또는 도트 형상의 고분자 기둥을 형성시키고, 하프톤 영역에서 상기 광경화성 단분자가 중합되어 상기 배향막 상에 표면 선경사각을 가지는 고분자층을 형성시키는 단계인 액정표시소자의 제조방법에 관계한다.

본 발명에 의하면, 완전투과 영역, 하프톤 영역, 차단영역을 모두 구비하는 마스크를 사용하여 자외선을 조사하는 경우 완전투과 영역에서는 두 기판 사이를 지지하는 벽 또는 도트 형상의 고분자 기둥을 형성시키고, 하프톤 영역에서는 상기 배향막 상에 표면 선경사각을 가지는 고분자층을 한 번의 자외선 조사에 의해 형성시킬 수 있다.

다른 양상에서, 본 발명은 배향막과 전극이 형성된 상부 기판과 하부 기판, 그 사이에 삽입된 액정층을 포함하는 액정표시소자의 제조방법에 있어서, 상기 방법은 상기 두 기판 사이에 액정, 광경화성 단분자 및 광개시제를 포함하는 액정혼합물을 제공하는 단계; 자외선 차단영역과 자외선 완전 투과영역을 구비하는 마스크를 이용하여 상기 기판에 자외선을 조사하는 단계로서, 상기 단계는 자외선이 완전 투과되는 영역에서 상기 광경화성 단분자가 중합되어 상기 두 기판 사이를 지지하는 벽 또는 도트 형상의 고분자 기둥을 형성시키는 단계 ; 상기 마스크를 제거하고, 상기 두 기판 사이에 전압을 인가한 후 자외선을 조사하는 단계로서, 상기 단계는 상기 배향막 상에 표면 선경사각을 가지는 고분자층을 부화소 영역에 형성시키는 단계를 포함한다.

본 발명에 의하면, 2번의 자외선 조사를 하여 액정층 내에 고분자 기둥과 선경사각을 갖는 고분자층을 형성할 수 있다. 먼저, 자외선 차단영역과 자외선 완전 투과영역을 구비하는 마스크를 이용하여 기판에 자외선을 조사하여 자외선 완전 투과영역과 대응되는 액정층 내에서 고분자 기둥을 형성킬 수 있다. 다음으로, 상기 마스크를 제거하고, 상기 두 기판 사이에 전압을 인가한 후 자외선을 조사하면, 상기 배향막 상에 표면 선경사각을 가지는 고분자층을 부화소 영역에 형성시킬 수 있다.

상기 액정혼합물의 조성이나, 자외선 조사량 등은 앞에서 상술한 내용을 참고 할 수 있다.

본 발명의 방법에 있어서, 두 기판 사이에 액정 혼합물을 주입하게 되면, 액정과 광경화성 단분자가 투명 전극 위에 코팅된 배향막에 의하여 기판에 대항하여 일정 방향성을 갖고 배열하게 된다.

또한, 상부기판과 하부 기판사이에 제 1 지주 스페이서 역할을 하는 볼 또는 지주를 위치시킬 수 있으나 반드시 그러한 것은 아니다.

상기 고분자 기둥만으로도 종래의 볼 스페이서나 지주 스페이서 기능을 할 수도 있다.

본 발명에 의하면, 기판 사이에 전압을 가한 후 자외선을 조사하여 광경화성 단분자를 중합시키면 상술한 바와 같이 고분자 기둥이 형성되는데, 이러한 고분자 기둥은 액정표시 소자에서 액정 층의 두께(cell gap)를 유지하고, 외부 압력에 지지 역할을 해주는 제 1 지주 스페이서를 보완하는 제 2 지주 스페이서가 될 수 있다. 따라서, 상기 고분자 기둥은 액정 표시 소자의 전면부에 가해지는 외부 충격에 대하여 영상의 일그러짐이나 왜곡에 대하여 높은 저항성을 부여하는 역할을 할 수 있다.

그리고, 배향막 위에 표면 선경사각을 가지는 고분자층을 고분자 기둥과 함께 또는 연속하여 간단한 제조공정으로 형성시킬 수 있으므로 경제적이다.

더 나아가, 본 발명에 의한 고분자 기둥을 제조하는 방법은 포토리소그래피 공정 없이 자외선 조사만으로 간단히 제조할 수 있는 방법을 제공한다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다.

실시예 1

실시예 1은 광경화성 단분자를 이용하여 고분자 기둥을 형성함과 동시에 액정표시소자의 전기 광학 특성 및 응용성 향상을 위한 표면 선경사각 을 가지는 고분자층(이하, 표면 선경사각 층)을 형성하는 것을 보여준다.

도 2는 한 번의 광조사로 부화소 영역에 고분자 기둥과 표면 선경사각 층을 형성시키는 제조 공정을 나타내는 모식도이다. 도 2의 a를 참조하면, 액정, 자외선의 특정 파장영역 대에서 반응하는 광개시제와 상기 광개시제와 반응하는 광경화성 단분자(14)를 중량기준으로 100 ; 1 ; 10의 비율로 혼합한 후 상기 혼합 용액을 각각의 상부와 하부 기판(11)위에 수직 배향막(12)이 코팅된 액정 소자에 도포한다. 상기 소자에는 제 1 스페이서가 형성되어 있어 일정 두께의 셀 갭을 유지하고 있다. 도 2의 b를 참조하면, 완전투과영역, 하프톤 영역, 차단영역을 가지는 마스크(16)를 액정 표시 소자와 자외선을 조사할 광원 사이에 위치시킨 다음, 문턱 전압보다 높은 전압을 인가하여 전기장(19)을 형성시켜준 후, 마스크 상부에서 200nm 내지 390nm 파장의 빛(15)을 조사하게 되면, 도2c에 도시된 바와 같이, 빛이 완전히 투과되는 영역(9)에는 고분자 기둥(7)이 형성되고, 마스크의 하프톤 영역(10)에 의해 빛이 1/2이하로 감소하여 투과되는 영역에는 표면 선경사각을 형성시킬 수 있는 표면 선경사각 층(17)이 형성된다. 실시예 1에 의하면, 본 발명은 고분자 기둥과 표면 선경사각 층을 한 번의 광조사로 형성시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 고분자 기둥과 표면 선경사각 층이 형성된 액정 표시 소자의 평면도를 나타낸 것이다. 도 3을 참조하면, 게이트 라인(1)과 데이터 라인(4)이 각각의 부화소 사이마다 서로 직교하게 형성되어 있으며, 그 위에 각각의 라인들과 그 라인들의 간섭으로 인해 원치 않는 액정의 거동에 따른 빛의 투과를 막기 위한 블랙 매트릭스(2, 5)가 형성되어 있다. 그리고 데이터 라인에 인가된 전압이 선택된 부화소에 인가될 수 있도록 각각의 부화소의 좌측 하단 영역에 Thin Film Transistor(TFT)(3)가 형성되어 있으며, 상기 TFT도 블랙 매트릭스에 의해 가려져 있는 형태로 되어있다. 데이터 라인과 게이트 라인에 인접한 각각의 부화소(6a)에는 도면 상 도시되어 있지는 않지만, RGB 컬러필터 레진이 존재한다. 상기 부화소 영역에는 광경화성 단분자에 의해 표면 선경사각 층이 형성된다. 상기 표면 선경사각 층은 문턱 전압보다 높은 특정 전압에서의 액정의 기울임 각을 광조사에 의해 표면에서 경화된 단분자들이 기억(memorizing)함으로써 구현이 가능하다. 그리고 상기 부화소 영역 주위로 도트 형태의 제 1 스페이서(7a)가 존재한다. 상기 제 1 스페이서는 초기 액정 표시 소자의 셀 갭을 정해주는 역할을 한다. 그리고 각각의 부화소 주위로 고분자 기둥(7)이 형성되어 있다. 상기 고분자 기둥의 형태는 마스크의 형태에 따라 다양한 형성이 가능하며, 도 3의 고분자 기둥의 형태는 도 4와 같은 마스크를 통해 형성이 가능하다.

도 4는 도 3와 같은 형태의 고분자 기둥과 표면 선경사각 층을 형성하기 위한 마스크 개략도이다. 도 4를 참고하면, 고분자 기둥이 형성되어야 할 영역에는 자외선 영역의 빛이 그대로 투과될 수 있도록 투과 영역(9)이 존재해야 한다. 그리고 적정량의 빛만을 통과시켜 표면 선경사각 층을 형성시킬 수 있는 하프톤 영역(10)과 빛이 투과되지 않아야 될 차단영역(8)도 존재해야 한다. 적정량의 빛만을 통과시키는 영역은 하프톤(half-tone)과 같은 방식을 이용하여 고분자 기둥을 형성시킬 영역보다는 상대적으로 적은 빛을 투과시켜야 한다. 상기와 같은 마스크 형태를 통해 동시에 제 1 스페이서가 형성되어있는 액정 표시 소자에 고분자 기둥과 표면 선경사각 층을 형성시킬 수 있다.

한편, 표면 선경사각 층이 필요하지 않은 액정표시 소자에 대해서는 광 조사공정시, 표면 선경사각 층을 형성시키기 위한 마스크의 하프톤 영역에 대하여 빛을 투과하지 않는 영역으로 설정을 했을 경우, 고분자 기둥만 형성시킬 수 있다.

실시예 2

실시예 2는 마스크를 도 6, 8, 10으로 각각 달리하여 실시예 1과 동일한 방식으로 실시한 것이다. 도 6, 8, 10에서 차단영역(8), 하프톤 영역(10), 투과영역(9)의 형상, 위치를 달리하여 실시한 후 이를 도 5, 7, 9에 각각 나타내었다.

도 5의 경우 고분자 기둥이 부화소의 외곽 영역에 가로 방향, 도 7의 경우는 부화소의 외곽 영역에 도트 형태, 도 9의 경우는 부화소의 외곽 영역에 가로, 세로 방향의 고분자 기둥이 형성된다. 그리고 표면 선경사각 층은 실시예 1과 동일하게 부화소 영역에 형성된다.

실시예 3

실시예 3은 두 번의 광조사 공정을 통해 먼저 고분자 기둥을 형성한 후표면 선경사각 층을 형성하는 방법에 관한 것이다.

도 11은 부화소 외곽 영역에 고분자 기둥과 부화소 영역에 표면 선경사각 층을 두 번의 광조사로 형성시키는 제조 공정을 나타내는 모식도이다. 도 11의 a를 참조하면, 광경화성 단분자와 액정을 일정량 혼합하여 소자에 도포한 후, 도 11의 b와 같이 고분자 기둥을 형성시킬 영역에만 빛이 완벽히 투과할 수 있도록 제작된 마스크(18)를 광원과 소자 사이에 위치시켜두고 광조사를 실시하여 준다. 이 과정을 통해 고분자 기둥이 형성된다. 이어서, 도 11의 c와 같이 액정 소자의 문턱 전압보다 높은 전압을 인가하여 준 상태에서 마스크가 없이 광조사를 실시하면, 잔존하는 광경화성 단분자가 배향막 표면상에서 선경사각 층을 형성한다. 도 11의 d에서와 같이, 전압을 제거한 후에도 표면의 액정들이 선경사각을 갖게 되어 빠른 응답 값을 가질 수 있다. 도 12는 도 11의 제조공정에 사용한 마스크를 나타낸다. 도 12는 도시된 바와 같이, 빛의 완전히 투과하는 영역(9)과 투과하지 못하는 영역(8)으로만 구분되는 마스크로서, 일정 영역에 고분자 기둥을 형성시킬 수 있는 구조의 마스크의 개략도이다. 즉, 도 12와 같은 마스크를 이용해 첫 번째 광조사를 통해 세로 방향의 고분자 기둥을 형성한 후, 문턱 전압보다 높은 특정 전압을 인가하여 준 상태에서 두 번째 광조사를 실시하여 특정 전압에서 액정 방향자의 기울임 각을 기억(memorizing)할 수 있는 표면 선경사각 층을 형성할 수 있다.

실시예 4

실시예 4는 마스크를 도 13,14, 15로 각각 달리하여 실시예 2와 동일한 방식으로 실시한 것이다. 도 13의 마스크를 사용한 경우, 부화소 외곽 영역에 가로 방향(도 5와 같은 평면도를 가짐), 도 14의 경우는 부화소 외곽 영역에 도트 형태(도 7과 같은 평면도를 가짐), 도 15의 경우는 부화소 외곽 영역에 가로, 세로 방향의 고분자 기둥이 형성된다(도 9와 같은 평면도를 가짐). 한편, 표면 선경사각 층은 실시예 3과 동일하게 부화소 영역에 형성된다.

실험예

실시예 1에서 제조된 고분자 기둥이 형성된 액정표시소자와 도 1과 같이 볼 스페이서만 형성된 액정표시소자와에 각각 외부 충격을 가하여 표면 일그러짐 정도를 비교하여 도 16에 나타내었다. 도 16을 참조하면, 본 발명에 의해 제조된 액정표시소자에서는 외부 충격에 의해 이미지 일그러짐 현상이 거의 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.

1 : 게이트라인 2, 5 : 블랙매트릭스
3 : TFT 4 : 데이터 라인
6a : 부화소영역 7a : 제 1 스페이서
7 : 고분자 기둥 8 : 자외선 차단영역
9 : 자외선 투과영역 10 : 하프톤 영역
11 : (상부 또는 하부) 기판, 12 : 수직배향막
13 : 액정 14 : 광경화성 단분자
15 : 자외선 16 : 마스크
17 : 표면선경사각층

Claims (12)

1. 상부기판 및 하부기판 각각에 전극과 배향막이 형성되고, 상기 상부 기판과 하부기판 사이에 액정층을 포함하는 액정표시소자의 제조방법에 있어서,
   상기 액정층에 액정, 광경화성 단분자 및 광개시제를 포함하는 액정혼합물을 제공하는 단계 ;
   상기 상부기판과 하부 기판 사이에 전압을 인가한 상태에서 마스크를 이용하여 상기 상부기판과 하부기판에 자외선을 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 마스크는 자외선 차단영역과 자외선 완전 투과영역 또는 하프톤 영역 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자의 제조방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 방법은 상기 자외선이 완전 투과되는 영역에서 상기 광경화성 단분자가 중합되어 상기 상부기판과 하부기판 사이를 지지하는 벽 또는 도트 형상의 고분자 기둥을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자의 제조방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 방법은 상기 마스크의 자외선 완전 투과영역을 조절하여 고분자 기둥을 부화소 외곽영역의 전부 또는 일부영역에 형성시키는 것을 특징으로 하는 액정표시소자의 제조방법.
5. 제 2항에 있어서, 상기 방법은 상기 마스크의 하프톤 영역으로 조사된 자외선에 의해 상기 배향막 상에 표면 선경사각을 가지는 고분자층을 형성시키고, 상기 고분자층은 부화소 영역에 위치하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자의 제조방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 액정 혼합물은 상기 액정 100 중량부에 대해 광경화성 단분자 0.5~15중량부, 광개시제 0.001~5 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자의 제조방법.
7. 제 1항에 있어서, 상기 방법은 200nm 내지 390nm 범위의 자외선을 조사하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자의 제조방법.
8. 제 1항에 있어서, 상기 액정표시소자가 수직배향되고 수직전기장으로 구동되는 액정표시소자일 경우에 상기 액정은 유전율 이방성이 음인 것을 사용하고, 상기 액정표시소자가 액정이 수직배향되고 수평전기장으로 구동되는 액정표시소자일 경우에 상기 액정은 유전율 이방성이 양인 것을 사용하는 액정표시소자의 제조방법.
9. 삭제
10. 상부기판 및 하부기판 각각에 전극과 배향막이 형성되고, 상기 상부 기판과 하부기판 사이에 액정층을 포함하는 액정표시소자의 제조방법에 있어서, 상기 방법은
    상기 상부기판과 하부기판 사이에 액정, 광경화성 단분자 및 광개시제를 포함하는 액정혼합물을 제공하는 단계;
    자외선 차단영역과 자외선 완전 투과영역을 구비하는 마스크를 이용하여 상기 상부기판과 하부기판에 자외선을 조사하는 단계로서, 상기 단계는 자외선이 완전 투과되는 영역에서 상기 광경화성 단분자가 중합되어 상기 상부기판과 하부기판 사이를 지지하는 벽 또는 도트 형상의 고분자 기둥을 형성시키는 단계 ;
    상기 마스크를 제거하고, 상기 상부기판과 하부기판 사이에 전압을 인가한 상태에서 자외선을 조사하는 단계로서, 상기 단계는 상기 배향막 상에 표면 선경사각을 가지는 고분자층을 부화소 영역에 형성시키는 단계 ;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자의 제조방법.
11. 제 10항에 있어서, 상기 액정 혼합물은 상기 액정 100 중량부에 대해 광경화성 단분자 0.5~15중량부, 광개시제 0.001~5 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자의 제조방법.
12. 제 1항 내지 제 8항, 제 10항 및 제 11항 중 어느 한 항에 따라 제조된 액정표시소자를 포함하는 액정표시장치.
    
    

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