KR101331902B1 - 액정표시 장치의 배향막 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이온 빔을 이용한 배향막의 형성방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 배향막 형성방법은 고분자 물질을 기판에 도포하는 단계와, 상기 고분자 물질을 예비 열처리(pre-bake)하는 단계와, 상기 고분자 물질에 이온 빔을 조사하는 단계, 및 상기 고분자 물질을 열처리(curing)하여 경화하는 단계를 포함한다.
이온 빔(ion beam), 전 열처리, 고정 에너지(anchoring energy), 이미드화(imidization)

Description

액정표시 장치의 배향막 형성 방법{METHOD OF FORMING ALIGNMENT FILM IN LIQUID CRYSTAL DISPLAY}
도 1은 종래 기술에 따른 액정표시장치의 단면을 개략적으로 나타낸 단면도.
도 2는 종래 기술에 따른 이온 빔 배향방법에 의한 배향막 형성방법을 순차적으로 나타낸 순서도.
도 3은 수평전계방식 액정표시장치의 단위 화소를 나타낸 평면도.
도 4는 도 3의 수평전계방식 액정표시장치 단위 화소의 IV-IV' 선 단면도.
도 5는 이온 빔 조사 장치를 나타낸 도면.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 배향막 형성방법을 순차적으로 나타낸 순서도.
도 7a 내지 도 7d는 기판에 도포된 고분자에 이온 빔을 조사하여 배향시키는 원리를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 액정표시소자와 종래기술에 따른 액정표시장치에 이온 빔을 조사하였을 때 극 고정 에너지(polar anchoring energy)를 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 실시예에 의해 형성한 배향막과 종래 기술에 의한 배향막에서의 이온 빔 에너지와 프리틸트각의 관계를 나타낸 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
T : 박막트랜지스터 103 : 제1기판
104 : 제2기판 109 : 게이트라인
110 : 게이트전극 111 : 공통전극
112 : 데이터라인 117 : 소스전극
118 : 드레인전극 119 : 화소전극
112a, 112b : 배향막 122p : 주쇄
122q : 측쇄 130 : 액정층
140 : 이온 빔 조사 장치 145 : 기판
149 : 이온 빔
본 발명은 액정표시장치의 배향막 형성방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 이온 빔을 이용한 배향막의 배향방법에 관한 것이다.
근래 정보화 사회의 발전에 따라 다양한 표시장치에 대한 요구가 증대되면서 액정표시장치(liquid crystal display, LCD), 플라즈마 디스플레이 패널(plasma display panel, PDP) 등의 평판표시장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 표시장치 중 양산화 기술, 구동수단의 용이성, 고화질의 구현이라는 이유로 인해 현재에는 액정표시장치(LCD)가 각광을 받고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 액정표시장치(1)의 단면을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도면에 도시한 바와 같이, 액정표시장치(1)는 제1기판(5)과 제1기판(5)에 대향하는 제2기판(3) 및 상기 제1기판(5)과 제2기판(3) 사이에 형성된 액정층(7)으로 구성되어 있다.
상기 액정층(7)을 형성하는 액정은 광학적 이방성을 가진 물질로서, 인가되는 전압에 따라 배향성이 달라지므로 광투과율을 조절할 수 있다. 따라서 액정층의 광투과율에 따라 이에 대응되어 정지된 화상이나 움직이는 화상이 액정표시장치(1) 상에 표현된다.
제1기판(5)은 구동소자인 박막트랜지스터(TFT : Thin Film Transistor)가 형성된 기판으로서, 도면에는 도시하지 않았지만 복수의 화소가 형성되어 있으며, 각각의 화소에는 박막트랜지스터가 형성되어 있다.
상부 기판(3)은 컬러필터(Color Filter)기판으로서, 컬러를 구현하기 위한 컬러필터층이 형성되어 있다. 또한, 상기 제1기판(5) 및 제2기판(3)에는 각각 화소전극 및 공통전극이 형성되어 있으며 액정층(7)의 액정분자를 배향하기 위한 배향막(10)이 도포되어 있다. 이때, 필요에 따라 상기 제1기판(5)에 화소전극 및 공통전극이 형성될 수도 있다.
상기 제1기판(5) 및 제2기판(3)은 실링재(Sealing material)(9)에 의해 합착된다. 제1기판과 제2기판 사이에 형성된 액정층(7)은 상기 제1기판(5)에 형성된 박막트랜지스터(미도시)에 의해 구동된다.
상기한 바와 같은 액정표시장치(1)를 제조하기 위해서는 상기 제1기판(5)과 제2기판(3)이 마주보는 면에 액정층(7)의 액정분자를 배향하기 위한 배향막(10)을 형성하는 과정을 거친다. 배향막(10)은 액정층(7)의 초기 배향상태를 결정하기 위해서 형성하며, 액정표시장치의 방식에 따라 다른 정도의 선 경사각(프리틸트각, pretilt angle)를 가지게 형성한다.
배향막에 프리틸트각을 형성하기 위해 주로 사용하는 방법은 러빙(rubbing)이다. 러빙은 기판 위에 배향막을 도포한 후에 벨벳이나 면 등을 감은 롤러를 이용하여 일정한 방향으로 문질러 줌으로써 배향을 시키는 방법이다.
그런데 러빙에 의한 방법은 배향막과 롤러의 직접적인 물리적 접촉을 통해 이루어지므로, 먼지(particle) 발생에 의한 오염이나 정전기 발생에 의한 소자 불량을 일으킨다. 또한 대면적 적용시에는 균일성(uniformity) 불량이 나타날 수 있을 뿐만 아니라 러빙 후에도 먼지 등의 오염을 제거하기 위한 세정/건조 공정이 추가로 필요한 문제점이 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위해 여러 가지 배향법이 제안되었다. 예를 들어 랭뮤어-블로짓(Langmuir-Blodgett) 필름을 이용하는 방법, UV 조사를 이용한 방법, 이산화규소의 사방증착을 이용한 방법, 포토리소그래피로 형성된 마이크로-그루브(micro-groove)를 이용하는 방법, 그리고 이온 빔(ion beam) 조사를 이용하는 방법 등이 있다.
이 중 이온 빔을 이용한 배향법은 배향막을 형성하는 고분자막의 결합의 일부를 이온 빔을 이용하여 끊어줌으로써 고분자의 배향 방향을 결정하는 방식이다. 상기 배향막 형성용 고분자로는 사용되는 폴리이미드(PI, polyimide)나 폴리아믹산(PA, polyamic acid) 계열의 유기물질이 사용되는데, 화학적 구조가 주쇄(main chain)과 측쇄(side chain)로 구성된다. 이온 빔은 상기 측쇄를 끊어 배향을 결정한다.
도 2는 종래의 기술에 따른 이온 빔 배향방법에 의한 배향막 형성방법을 순차적으로 나타낸 순서도이다.
도시한 바와 같이, 종래 기술에 따른 배향막 형성방법은 고분자 물질을 기판 상에 도포하는 단계(S11)와, 상기 고분자 물질을 예비 열처리하여 용제를 제거하는 단계(S12)와, 상기 고분자 물질을 열처리하여 경화시키는 단계(S13), 및 상기 고분자 물질에 이온 빔을 조사하는 단계(S14)를 포함하여 구성된다.
상기 고분자 물질에 이온 빔을 조사하는 단계(S14)에서는 이온 빔의 조사 방향을 제외한 나머지 방향으로 배열되어 있는 부분의 단일 결합 또는 이중 결합이 끊어지거나 불안정한 상태의 댄글링 결합(dangling bond)로 변하게 된다. 분자를 이루는 원자 사이의 결합이 절단되거나 댄글링 결합이 존재하는 경우에는 결합 부분이 불안정하기 때문에 이후 전자의 공급이나 타 분자와의 결합에 의해 분자가 다른 방향으로 배향될 수 있을 뿐 아니라, 이후 액정 분자와의 결합력이 약화되는 문제점이 있다.
이에 따라 액정분자의 정렬도가 낮아지며, 결과적으로 블랙휘도가 높아진다.또한 액정분자와 배향막의 결합력이 낮아지게 되면 전압이 인가되지 않은 경우 초기 배향으로 돌아오는 과정이 지연되어 잔상이 생기는 등의 문제점이 있다.
결국, 액정 분자가 일정 방향으로 배열되는 프리틸트각을 얻기 힘들 뿐 아니라 이로 인해 액정표시장치의 품질이 저하되는 문제점이 있었다.
상기한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 배향막 재료인 고분자 물질과 이온 빔 조사 공정의 순서를 개선함으로써 배향막의 특성, 특히 배향막과 액정분자의 결합력을 향상시킨 배향막 형성방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위해 안출된 것으로, 고분자 물질을 기판에 도포하는 단계와, 상기 고분자 물질을 예비 열처리(pre-bake)하는 단계와, 상기 고분자 물질에 이온 빔을 조사하는 단계, 및 상기 고분자 물질을 열처리하여 경화하는 단계를 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 이온 빔 조사에 의한 배향막의 형성방법에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 다양한 방식의 액정표시장치에 적용될 수 있으며, 수평전계방식의 액정표시장치에 한정되지 않으나 설명의 편의상 수평전계방식의 액정표시장치를 실시예로 들어 설명한다. 도 3 및 도 4는 각각 수평전계방식 액정표시장치 단위 화소의 평면도와 IV-IV’선 단면도이다.
이하의 설명에서는 먼저 본 발명에 따라 제조된 수평전계방식의 액정표시장치에 대해 설명한 후 배향막의 형성방법에 대해 후술한다. 액정표시장치는 복수 개의 화소로 이루어지나 본 도면에서는 설명의 편의상 한 화소만을 나타내었다. 그리고, 이하에서 어떤 막이나 층이 다른 막이나 층 상에 형성되어 있다는 것은 두 막 이나 층이 접한 경우뿐만 아니라 두 막이나 층 사이에 다른 막이나 층이 존재하는 경우도 포함한다.
도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 액정표시장치는 제1기판(103)과 제1기판(103)에 대향하는 제2기판(104) 및 상기 제1기판(103)과 제2기판(104) 사이에 형성된 액정층(130)을 포함하여 구성된다.
상기 액정층(130)을 형성하는 액정분자는 광학적 이방성을 가진 물질로서, 인가되는 전압에 따라 배향성이 달라지므로, 광투과율을 조절할 수 있다. 따라서 액정층(130)의 광투과율에 따라 이에 대응되어 정지된 화상이나 움직이는 화상이 액정표시장치 상에 표현된다.
도면에 나타난 바와 같이, 수평전계방식의 액정표시장치는 전계를 형성하는 전극을 평행하게 배열하여 수평으로 전계를 형성함으로써 액정층을 구동하는 방식이다.
수평전계방식의 액정표시장치는 제1기판(103) 위에 배열되어 화소영역을 정의하는 데이터라인(112) 및 게이트라인(109)과, 상기한 게이트라인(109)과 데이터라인(112)의 교차점에 배치된 박막트랜지스터(T)와, 상기한 화소 내에 데이터라인(112)과 실질적으로 평행하게 배열된 화소전극(119) 및 공통전극(111)을 포함하여 구성된다.
박막트랜지스터(T)는 제1기판(103) 위에 형성되어 상기 게이트라인(109)과 접속되는 게이트전극(110)과, 상기 게이트전극(110) 위에 적층된 실리콘 질화물(SiNx) 또는 실리콘산화물(SiOx)와 같은 물질로 이루어진 게이트절연막(113) 과, 상기 게이트절연막(113) 위에 형성된 반도체층(115)과, 상기 반도체층(115) 위에 형성된 오믹접촉층(116)과, 상기한 오믹접촉층(116) 위에 형성되어 데이터라인(112)과 화소전극(119)에 각각 접속되는 소스전극(117) 및 드레인전극(118)으로 구성된다.
소스전극(117) 및 드레인전극(118) 상에는 보호막(120)이 기판 전체에 걸쳐 적층되어 있다. 상기 보호막(120) 상에는 화소전극(119)이 형성되어 박막트랜지스터(T)의 드레인전극(118)에 콘택홀(contact hole)을 통해 접속되며, 상기 화소전극(119)과 실질적으로 평행하게 공통전극(111)이 형성되어 제1기판 위에 형성된 공통라인(105)에 콘택홀(미도시)을 통해 접속된다.
이때, 도시하지는 않았지만 상기 공통전극(111)은 게이트전극(110)과 동일한 물질로 동시에 기판 상에 형성할 수도 있다.
상기 화소전극(119)과 공통전극(111)을 포함한 보호막(120) 상에는 제1배향막(112a)이 형성되어 있으며 이에 따라 액정층의 초기 배향 각도인 프리틸트 각 (pretilt angle)이 결정된다.
액정분자(102)는 전압 무인가시 상기한 공통전극(111)과 화소전극(119) 사이에서 러빙 방향으로 배향된다.
또한, 상기한 제1기판(103)과 대응하는 제2기판(104) 위에는 빛의 누설을 방지하는 차광층(106), 붉은색(red, R), 녹색(green, G) 및 푸른색(blue, B)의 칼라필터소자로 이루어진 칼라필터층(107) 및 오버코트층(108)이 차례로 적층되어 있다. 상기 오버코트층(108) 상에는 제2배향막(112b)이 형성되어 있으며 이에 따라 액정층(130)의 초기 배향 각도가 결정된다.
제1기판(103) 및 제2기판(104)은, 도시하지는 않았지만, 실링재(Sealing material)에 의해 합착되어 있으며, 그 사이에 액정층(130)이 형성되어 상기 제1기판(103)에 형성된 트랜지스터를 통해 인가되는 화상신호에 의해 액정분자를 구동하여 액정층(130)을 투과하는 광량을 제어함으로써 정보를 표시하게 된다.
상기한 액정표시장치는 제1기판(103)과 제2기판(104)를 제조한 후 대향면에각각 배향막을 도포하고 프리틸트각을 형성하는 과정을 거친다. 그 다음 두 기판 사이에 액정층을 형성함으로써 제조할 수 있다.
본 발명은 상기한 액정표시장치를 제조하는 제조방법에 있어서 배향막을 형성하는 방법에 관한 발명으로, 본 발명에서는 고분자를 도포하고 이온 빔을 이용하여 배향막을 일정 방향으로 배향시키고 열경화하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이온 빔을 이용한 배향법은 배향막을 형성하는 고분자막의 결합의 일부를 이온 빔을 이용하여 끊어줌으로써 고분자의 배향 방향을 결정하는 방식이다. 상기 배향막 형성용 고분자로는 사용되는 폴리이미드(PI, polyimide)나 폴리아믹산(PA, polyamic acid) 계열의 유기물질이 사용되는데, 화학적 구조가 주쇄(main chain)과 측쇄(side chain)로 구성된다.
통상적으로 액정분자는 배향막의 측쇄를 따라 배열되지만, 배향처리 되지 않은 배향막의 측쇄는 특정 방향을 향하지 않고 등방적(isotropic)으로 배열된다. 이온 빔은 이러한 측쇄에 에너지를 인가하여 설정된 방향(예를 들어, 이온 빔의 입사 방향)을 제외한 측쇄의 결합을 제거함으로써 액정분자를 이방적(anisotropic)으로, 즉, 일정 방향으로 배열하게 한다. 이때, 이온 빔의 조사 각도에 따라 에너지가 인가되는 방향이 달라지기 때문에 조사 후 남아있는 측쇄의 방향을 조절할 수 있다. 따라서, 액정분자는 이온 빔 조사 후 남아있는 측쇄의 방향성에 따라 배향막과 특정 각도(프리틸트각)를 이루며 일정 방향으로 배열된다.
이온 빔 배향법은, 직접적으로 기판에 접촉하는 방식이 아닌 데다가, 종래의 배향재료를 그대로 사용할 수 있으며, 대면적 기판에도 적용이 가능할 수 있는 등 많은 장점을 가진 것으로 평가된다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 배향막 형성방법을 설명하기 전에 먼저 이온 빔 조사장치에 관해 전술한다.
도 5는 이온 빔 조사 장치를 나타낸 도면으로, 도면을 참조하면, 이온 빔 조사장치(140)는 기체 투입구(gas inlet, 141)을 통해 기체를 주입받아 이온과 전자로 이루어진 플라즈마를 형성함과 동시에 상기 이온을 가속시켜 기판(145) 방향으로 이온 빔을 인출시키는 카우프만 이온 건(Kaufmann ion gun, 142)과, 배향막이 도포된 기판(145)이 안착되는 기판 스테이지(144), 및 이온 빔이 기판(145)에 조사되는 시간을 조절하기 위한 셔터(shutter, 146)를 포함하여 구성된다. 상기 이온 건(142)과 기판 스테이지(144) 및 셔터(146)는 진공 챔버(148) 내에 마련된다. 이때, 상기 기판 스테이지(144) 상의 기판(145)은 소정 각도(θ)로 기울어지게 되어 있어 이온 빔이 기판(145)에 조사되는 각도를 조절함으로써 원하는 프리틸트각을 형성할 수 있다.
이온 빔 조사 장치(140)를 이용하여 이온 빔을 조사하는 과정을 설명하면, 기체 투입구(141)로부터 나온 기체가 상기 이온 건(142)에서 이온으로 전리된 후에 가속되어 배출되며 기판 스테이지(144)에 안착된 기판(145)에 조사된다. 이때, 조사시간을 조절하기 위해 셔터(146)를 이용한다. 이때, 배향막에 선경사각(pretilt angle)을 갖도록 하기 위해서는 기판(145)을 적당히 기울여서 이온 빔을 조사하여야 한다. 여기에서, 이온 빔의 조사 방향과 기판(145)의 수직방향이 이루는 각도를 θ라고 하면, 입사각 θ를 조절함으로써 필요한 프리틸트각을 얻을 수 있다.
도 6은 이온 빔 조사 장치를 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 배향막 형성방법을 순차적으로 나타낸 순서도이다.
본 발명의 실시예에 다른 배향막 형성방법은 고분자 물질을 기판 상에 도포하는 단계(S101)와, 상기 고분자 물질을 예비 열처리하는 단계(S102)와, 상기 고분자 물질에 이온 빔을 조사하는 단계(S103) 및 상기 고분자 물질을 열처리하여 경화하는 단계(S104)를 포함하여 구성되며, 각 단계를 설명하면 다음과 같다.
우선 도면에 도시한 바와 같이, 우선 배향막을 형성하는 고분자 물질을 기판 상에 도포한다.(S101)
이때 상기 기판은 통상적으로 박막트랜지스터 및 화소전극이 형성된 제1기판이나, 상기 제1기판에 대향하는 제2기판 등이며, 액정표시장치의 방식에 따라 다른 방식의 소자가 형성된 기판도 가능하다.
이때 도포하는 고분자로는 폴리머(polymer) 계열이 바람직하다. 이때, 상기 고분자는 폴리이미드(polyimide) 또는 폴리아믹산(polyamic acid) 중 어느 하나인 것이 더욱 바람직하다. 상기 폴리이미드 또는 폴리아믹산은 주쇄(main chain)와 측쇄(side chain)로 이루어진 고분자 폴리머에 해당한다.
상기 고분자는 용제에 녹인 용액 상태로 도포한다.
그 다음, 상기 고분자의 용제를 제거하기 위해 도포된 배향막(즉, 고분자막)을 예비 열처리(pre-bake)를 한다.(S102) 예비 열처리 과정은 70~80℃ 정도의 온도에서 수초 내지 수분 동안의 짧은 시간 동안 열을 가함으로써 수행한다.
다음으로 상기 기판 상에 도포된 고분자에 이온 빔을 조사함으로써 고분자를 일정 방향으로 정렬시킨다.(S103)
도 7a 내지 도 7d는 기판에 도포된 고분자에 이온 빔을 조사하여 배향시키는 원리를 나타낸 도면이다.
즉, 도 7a와 같이 기판에 도포된 고분자 배향막(122)은 주쇄(122p)와 측쇄(122q)가 특정한 방향없이 등방적(isotropic)으로 분포하며, 측쇄(122q)는 주쇄(122p)로부터 분기하여 등방적으로 분포한다.
그러나, 도 7b와 같이 이온 빔(149)을 특정방향으로 조사하게 되면, 도 7c와 같이 이온 빔(149) 방향 이외의 측쇄(122q)가 이온 빔(149)에 의해 결합상태가 변한다.
이온 빔(149)을 특정 방향으로 조사하게 되면, 이온 빔(149)의 운동에너지에 의해 이온 빔(149)의 조사방향을 제외한 나머지 방향으로 배열되어 있는 배향막 표면의 측쇄(122q)의 단일 결합 또는 이중 결합이 끊어지거나 불안정한 상태의 댄글링 결합로 변하게 된다. 반면에 이온 빔(149)의 조사 방향(즉, 배향 방향)으로 배 열되어 있는 측쇄(122q)들만이 안정된 결합 상태를 유지하게 되어 그 측쇄(122q)와 액정(130)과의 상호작용에 의해 측쇄(122q)의 방향을 따라서 액정(130)의 배향이 이루어지게 된다.
이후, 후술할 열처리 과정을 거친 후 액정층(130)을 형성하게 되면, 도 7d와 같이, 남아 있는 이온 빔(149) 방향의 측쇄를 따라서 액정분자(130)가 배열된다.
고분자를 도포한 기판에 이온 빔을 조사하는 과정은 고분자를 먼저 열처리(curing) 한 다음에 수행할 수도 있으나 본 발명은 열처리 이전에 이온 빔을 조사하는 것을 특징으로 한다.
고분자로서 폴리이미드나 폴리아믹산을 사용한 경우를 예를 들어 설명하면, 열처리 후 이온 빔 조사하는 것과 달리 아직 이미드화되지 않은 상태의 배향막에 이온 빔을 조사하는 경우에는 높은 효율로 측쇄를 정렬시킬 수 있는 효과가 있다. 이는 이온 빔을 조사하기 전 먼저 열처리 과정을 거치게 되면 폴리이미드가 경화되기 때문에 측쇄를 효과적으로 끊기 어렵기 때문이다.
이에 반해, 용제를 제거한 예비 열처리 과정만 거친 경우에는 배향막을 이루게 될 고분자가 충분한 경화되지 않아 고분자막에 이온 빔을 조사하여 높은 효율로 측쇄를 정렬시킬 수 있게 된다.
마지막으로, 이온 빔을 조사한 기판 상에 도포된 고분자는 이후 열처리(curing)을 거쳐 경화되는데, 상기 열처리 과정은 고분자를 경화시키기 위해 200~300℃ 정도의 열을 장시간 가하는 방법으로 수행한다.(S104) 폴리이미드나 폴리아믹산을 고분자로 사용한 경우에는 이때 이미드화가 일어난다.
이러한 열처리의 과정을 통해 일정 방향으로 배열된 측쇄와 상기 측쇄가 연결된 주쇄를 경화시키고 불안정한 댄글링 결합에 에너지를 가하여 새로운 결합을 형성하는 등으로 고분자의 형태를 안정화시킨다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따른 배향막 형성방법은 본 실시예를 적용함으로써 극 고정 에너지(polar anchoring energy)의 향상과 함께 수평전계방식의 액정표시장치에 있어서 적용 가능한 1°정도 또는 그 이하의 작은 각도의 프리틸트각 조건을 확보할 수 있다.
극 고정 에너지란 배향막과 액정과의 관계에서 액정이 특정 방향으로 정렬하기 위한 배향막과 액정과의 결합력의 척도를 뜻한다. 액정이 일정 정도의 프리틸트각을 가지고 배향막에 따라 정렬하기 위해서는 적정 수준 이상의 극 고정 에너지를 가지고 있어야 한다.
결합이 절단된 측쇄와 댄글링 결합이 많은 경우 고분자 막이 안정화되지 않아 일정 방향으로 방향성을 나타내는 확률이 적어지며 이에 따라 극 고정 에너지가 낮다. 특히 댄글링 결합의 경우 특정 방향으로 고정이 되지 않은 불안정한 결합에 해당하므로 댄글링 결합이 많아지면 그에 따라 극 앵커링 에너지가 낮아진다.
본 발명에서는 이온 빔 조사 후 일정 방향으로 배열된 측쇄가 안정화되기 때문에 일정 방향으로의 극 앵커링 에너지가 증가된다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 액정표시소자와 종래기술에 따른 액정표시장치에 이온 빔을 조사하였을 때 극 고정 에너지(polar anchoring energy)의 단계를 나타내고 있는 도면이다. 이 때 이온 빔 에너지는 500eV와 1000eV로 40초 동안 기판에 조사하였으며, 이온 빔의 조사각도는 기판 면을 기준으로 하여 15°이다.
도면을 참조하면, 종래의 이온 빔에 의한 배향 방법을 이용한 경우 극 고정 에너지는 500eV와 1000eV일 때 각각 0.128×10-3J/㎡와 0.225×10-3J/㎡이다. 이에 비해 일반적인 러빙에 의한 극 고정 에너지는 1.0×10-3J/㎡ 내지 1.0×10-2J/㎡ 정도의 값으로서, 종래의 이온 빔 방법에 의한 극 고정 에너지보다 크게 된다. 이처럼 종래 발명에 따른 이온 빔 조사에 의한 극 고정 에너지가 러빙에 의한 것보다 작은 이유는 이온 빔에 의해 측쇄의 일부가 절단되거나 불안정한 결합이 되기 때문으로 이후 일부 측쇄가 주쇄로부터 분리되어 최종적으로 조사된 이온 빔과 평행한 방향으로 형성된 일부 측쇄만 남기 때문이다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 극 고정 에너지는 500eV와 1000eV에서 각각 4.14×10-3J/㎡와 1.15×10-2J/㎡에 해당한다. 이는 종래의 이온 빔에 의한 극 고정 에너지보다 높은 값으로, 러빙에 의한 값과 비슷하다.
상기 결과는 본 발명의 실시예에 따른 극 고정 에너지 또한 러빙에 의한 극 고정 에너지 정도의 값을 가짐으로써 배향막과 액정 분자와의 관계에서 액정분자의 정렬도가 좋아지는 것을 뜻한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 불안정한 결합을 이루는 측쇄는 열처리 과정을 통해 효과적으로 결합이 안정화되어 일정 방향으로 고정되는 과정을 거친다.
이에 따라 액정분자와의 사이에 작용하는 힘이 커져서 정렬도가 좋아지는 것으로 보인다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 작은 각도의 프리틸트각을 형성할 수 있는데, 도 9는 본 발명의 실시예에 의해 형성한 배향막과 종래 기술에 의한 배향막에서의 이온 빔 에너지와 프리틸트각의 관계를 나타낸 그래프이다.
일반적으로 TN(twisted nematic) 방식의 액정표시장치에 있어서 액정분자를 배향하기 위한 프리틸트각은 3~5°이며, IPS 방식의 액정표시장치의 프리틸트각은 1°이하보다 작은 값이 적절하다. 이외에도 OCB(optically compensated birefringence) 방식의 액정표시장치의 프리틸트각은 6~10°가 적절하다.
액정분자의 배향에 있어 이러한 프리틸트각을 갖는 이유를 설명하면 다음과 같다. TN 방식에서는 전장을 인가하였을 때 액정들이 호모지니어스(homogeneous) 배향 상태에서 호메오트로픽(homeotropic) 배향 상태로 변하는데, 프리틸트각이 작게 되면 위치에 따라서 액정들이 호메오트로픽 상태로 일어나는 방향이 다르게 나타나게 되어 그 영역에서 경계선(disclination)이 나타나게 된다. 이때 원하지 않는 다른 방향으로 액정들이 일어난 영역을 역경사 영역(reverse tilt domain)이라고 하며, 화면상에서는 불규칙한 불량으로 보인다. OCB 방식은 초기에 오프셋 전압(offset voltage)를 가하여 초기의 배향상태인 스프레이(splay) 구조에서 구부러진(bend) 구조로 변화시켜야 하는데 프리틸트각이 작게 되면 그것이 효과적으로 이루어지지 않기 때문이다. IPS 방식은 프리틸트각이 크게 되면 방향에 따른 광학특성의 비대칭성이 발생한다. 따라서 각 방식에 따라 각각의 배향상태에 적합한 프리틸트각을 가지도록 형성하는 것이 바람직하다.
그런데, 도시한 바와 같이, 러빙을 이용하여 프리틸트각을 형성하는 경우에 는 1°이하로 형성하는 것이 재료나 공정적 측면에서 매우 어려우며, 종래의 이온 빔 조사 방법을 이용하여 배향막을 배향하는 경우에도 1°이하로 형성하는 것이 매우 어려웠다. 도 9에 도시된 바와 같이 실제 이온 빔을 500eV와 1000eV의 값으로 40초 동안 각각 배향막에 조사하였을 경우 형성할 수 있는 최소의 프리틸트 각이 1.78°와 1.22°이었다.
그러나 본 실시예에서는 도시한 바와 같이 이온 빔 에너지의 세기와 관계없이 러빙과 기존의 이온 빔에 의한 경우보다 낮은 프리틸트각인 0.35°와 0.38°를 형성할 수 있다.
따라서 본 발명에 따르면, 수평전계방식의 액정표시장치에서 요구되는 작은 프리틸트각의 구현도 용이하게 되어 시야각의 대칭성 등을 확보하는 것이 가능하다.
본 발명은 전술한 배향막 형성방법을 이용하여 TN 방식이나 OCB 방식 등 다양한 방식의 액정표시장치를 제조하는 방법을 포함한다. 특히 낮은 값의 프리틸트각을 형성할 수 있어, 수평전계(in-plane switching) 방식의 액정표시장치의 제조에 적합하다. 한 실시예로 수평전계방식의 액정표시장치의 제조방법을 도 3과 도 4를 참조하여 다시 한번 설명하면 다음과 같다. 이때, 전술한 배향막 형성방법에 따라 액정표시장치의 배향막을 형성하게 되며, 전술한 방법과 구별되는 특징되는 부분을 중심으로 설명한다. 설명이 생략되거나 요약된 부분은 공지의 방법에 따른다.
먼저 제1기판(103) 및 제2기판(104)을 준비한다. 이때 상기 기판(103, 104)은 투명한 절연기판으로 마련한다.
그 다음 제1기판(103) 상에 도전성 물질을 증착하고 패터닝함으로써 게이트라인(109)과 상기 게이트라인(109)에서 분지된 게이트전극(110)을 형성한다.
게이트전극(110)과 게이트라인(109)을 형성할 때, 게이트라인(110)과 평행하는 공통라인(105)을 동시에 형성한다.
계속하여, 게이트라인(109) 등을 포함한 전면에 실리콘질화물이나 실리콘산화물 등의 무기절연물질을 증착하여 게이트절연막(113)을 형성한다.
다음으로, 상기 게이트절연막(113) 상에 비정질 실리콘과 n+ 도핑한 비정질 실리콘 등의 물질을 증착하고 선택적으로 제거하여 반도체층(115) 및 오믹접촉층(116)을 형성한다.
그리고, 게이트절연막(113) 상부에 도전성 물질을 증착한 후 포토리소그래피 등으로 패터닝하여 상기 게이트라인(109)과 실질적으로 수직방향으로 교차되어 화소영역을 정의하는 데이터라인(112)을 형성하고 상기 데이터라인(112)에서 분지된 소스전극(117)과 상기 소스전극(117)과 게이트전극(110)을 중심으로 이격되어 형성된 드레인전극(118)을 형성한다.
그 다음, 소스전극(117) 등이 형성된 기판 상에 실리콘 질화막과 같은 무기절연막이나 벤조시클로부텐(benzocyclobutene, BCB)와 같은 유기절연막으로 보호막을 형성하고, 인듐-틴-옥사이드(indium tin oxide, ITO) 또는 인듐-징크-옥사이드(indium zinc oxide, IZO)와 같은 투명한 도전성 물질을 상기 보호막 상에 증착하고 패터닝하여 상기 드레인전극(118)과 콘택홀을 통해 연결되게 형성할 수도 있다.
그리고 상기 화소전극(119)과 실질적으로 평행하게 인듐-틴-옥사이드(indium tin oxide, ITO) 또는 인듐-징크-옥사이드(indium zinc oxide, IZO)와 같은 투명한 도전성 물질을 상기 보호막 상에 증착하고 패터닝하여 공통전극(111)을 형성한다. 이때, 공통전극(111)은 콘택홀을 통해 공통라인(105)과 접속되게 형성한다.
그 다음으로 화소전극(119)과 공통전극(111)을 포함한 전면에 고분자물질을 도포하고, 예비 열처리를 한 후, 이온 빔으로 조사한 다음, 열처리 경화과정을 거치는 등 본 발명에 따라 제1배향막(112a)을 형성한다.
또한, 상기한 제1기판(103)과 대응하는 제2기판(104) 위에는 빛의 누설을 방지하는 차광층(106) 및 , 붉은색, 녹색 및 푸른색의 칼라필터로 이루어진 칼라필터층(107)을 형성하고, 칼라필터층(107)을 포함한 기판 전면에 오버코트층(108)을 형성한다.
그리고, 오버코트층(108) 상에 고분자물질을 도포하고 이온 빔을 고분자 물질에 조사하는 등, 본 발명에 따른 배향막 형성방법에 따라 제2배향막(112b)을 형성한다.
그 다음으로, 제1기판(103)과 제2기판(104) 사이에 액정층(130)을 형성함으로써 액정표시장치를 완성한다.
여기서, 두 기판 사이에 액정층(130)을 형성하는 방법은 크게 액정주입방식과 액정적하방식으로 구분되며, 액정주입방식은 어느 한 기판에 셀 갭을 유지하기 위한 스페이서(미도시)를 형성하고 실링재(sealing material, 미도시)로 실패턴을 형성한 후 두 기판을 합착하고, 각각의 액정패널로 절단한 다음, 액정을 두 기판 사이의 셀 갭에 주입하는 방식이다.
액정적하방식은 두 기판을 합착하기 전에 한 기판 상에 방울형상으로 액정을 적하하고 실 패턴을 형성한 후 합착하는 방식이다.
상기한 바와 같이 두 기판 사이에 액정층을 형성함으로써 본 발명의 실시예에 따른 액정표시장치를 완성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 기존의 이온 빔 조사에 의한 배향막 형성방법과 달리 배향막의 극 고정 에너지를 향상시킬 수 있으며 낮은 프리틸트각을 얻을 수 있다. 따라서, 액정표시장치에 있어서 액정의 배향특성을 향상시키는 효과가 있다.
특히, 액정표시장치를 구동할 때 고정 에너지의 증가로 인해 일정 방향으로의 정렬도가 증가하기 때문에 액정의 오배열에 의한 블랙휘도가 줄어드는 효과가 있을 뿐 아니라, 전압이 인가되지 않은 상태가 되면 배향막에 의한 액정의 정렬도가 증가하여 잔상이 줄어드는 효과가 있다.
본 발명에 대해서 구체적으로 기재된 설명은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다.
예를 들어 본 발명에 따른 배향막 형성방법은 수평전계방식 액정표시장치를 제조하는 방법을 실시예로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 TN 방식이나 OCB 방식 등의 액정표시장치의 제조방법에도 적용될 수 있다.
또한, 화소전극과 공통전극을 투명한 도전물질로 보호막 상에 형성한 실시예를 설명하였으나 불투명한 금속성 도전 물질로 형성할 수도 있으며, 필요에 따라 드레인전극이나 게이트전극과 함께 동일 층 상에 형성할 수도 있을 것이다.
따라서, 발명은 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위와 특허청구범위에 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.
전술한 바와 같이 본 발명은 배향막 재료인 고분자 물질과 이온 빔 조사 공정의 순서를 개선함으로써 배향막의 특성, 특히 배향막과 액정분자의 결합력을 향상시킨 배향막 형성방법을 제공한다.

Claims (15)

  1. 기판에 고분자 물질을 도포하는 단계;
    상기 기판에 도포된 고분자 물질을 예비 열처리(pre-bake)하는 단계;
    상기 예비 열처리된 고분자 물질에 이온 빔을 조사하는 단계; 및
    상기 이온빔이 조사된 고분자 물질을 열처리하여 경화하는 단계를 포함하여 구성되며,
    상기 이온빔이 조사된 고분자 물질을 열처리하여 경화시에 500eV 내지 1000eV에서 4.14×10-3J/㎡ 내지 1.15×10-2J/㎡의 극 고정 에너지와 0.35°내지 0.38°의 프리틸트 각을 가지며,
    상기 이온빔이 조사된 고분자 물질을 열처리하여 경화시의 상기 극 고정 에너지는 기존의 열처리한 후에 이온빔을 조사하는 경우에 500eV 내지 1000eV일 때의 0.128×10-3J/㎡ 내지 0.225×10-3J/㎡의 극 고정 에너지보다 크며,
    상기 이온빔이 조사된 고분자 물질을 열처리하여 경화시의 상기 프리틸트 각은 기존의 열처리한 후에 이온빔을 조사하는 경우에 500eV 내지 1000eV 일 때의 프리틸트 각이 1.78°와 1.22°의 프리틸트 각보다 작은 것을 특징으로 하는 배향막 형성방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 물질은 주쇄와 측쇄로 이루어진 것을 특징으로 하는 배향막 형성방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 물질은 폴리이미드 또는 폴리아믹산 중 하나인 것을 특징으로 하는 배향막 형성방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배향막을 열처리하여 경화하는 단계는 상기 폴리이미드 또는 폴리아믹산을 이미드화하는 단계인 것을 특징으로 하는 배향막 형성방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열처리하여 경화하는 단계는 200~300℃의 열을 가하는 단계인 것을 특징으로 하는 배향막 형성방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 예비 열처리 단계는 70~80℃의 열을 가하는 단계인 것을 특징으로 하는 배향막 형성방법.
  7. 제1기판과 제2기판을 준비하는 단계;
    상기 제1기판과 제2기판 상에 각각 배향막을 형성하는 단계; 및
    배향막이 형성된 상기 제1기판과 제2기판 사이에 액정층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지며,
    상기 배향막을 형성하는 단계는
    고분자 물질을 기판에 도포하는 단계;
    상기 도포된 고분자 물질을 예비 열처리(pre-bake)하는 단계;
    상기 예비 열처리된 고분자 물질에 이온 빔을 조사하는 단계; 및
    상기 이온 빔이 조사된 고분자 물질을 열처리하여 경화하는 단계를 포함하여 구성되며,
    상기 이온빔이 조사된 고분자 물질을 열처리하여 경화시에 500eV 내지 1000eV에서 4.14×10-3J/㎡ 내지 1.15×10-2J/㎡의 극 고정 에너지와 0.35°내지 0.38°의 프리틸트 각을 가지며,
    상기 이온빔이 조사된 고분자 물질을 열처리하여 경화시의 상기 극 고정 에너지는 기존의 열처리한 후에 이온빔을 조사하는 경우에 500eV 내지 1000eV일 때의 0.128×10-3J/㎡ 내지 0.225×10-3J/㎡의 극 고정 에너지보다 크며,
    상기 이온빔이 조사된 고분자 물질을 열처리하여 경화시의 상기 프리틸트 각은 기존의 열처리한 후에 이온빔을 조사하는 경우에 500eV 내지 1000eV 일 때의 프리틸트 각이 1.78°와 1.22°의 프리틸트 각보다 작은 것을 특징으로 하는 액정표시장치 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 고분자 물질은 주쇄와 측쇄로 이루어진 것을 특징으로 하는 액정표시장치 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 고분자 물질은 폴리이미드 또는 폴리아믹산 중 하나인 것을 특징으로 하는 액정표시장치 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배향막을 열처리하여 경화하는 단계는 상기 폴리이미드 또는 폴리아믹산을 이미드화하는 단계인 것을 특징으로 하는 액정표시장치 제조방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 열처리하여 경화하는 단계는 200~300℃의 열을 가하는 단계인 것을 특징으로 하는 액정표시장치 제조방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 예비 열처리 단계는 70~80℃의 열을 가하는 단계인 것을 특징으로 하는 액정표시장치 제조방법.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 제1기판을 준비하는 단계는
    상기 제1기판 상에 게이트전극, 게이트라인 및 공통라인을 형성하는 단계;
    상기 제1기판 전면에 절연막을 형성하는 단계;
    상기 제1기판 상에 반도체층 및 오믹접촉층을 형성하는 단계;
    상기 제1기판 상에 데이터라인 및 소스/드레인전극을 형성하는 단계;
    상기 제1기판 상에 보호막을 형성하는 단계;
    상기 보호막 상에 실질적으로 평행하게 배치되어 제1기판의 표면과 수평한 전계를 형성하는 화소전극 및 공통전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 화소전극 및 공통전극은 투명한 도전물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치 제조방법.
  15. 제7항에 있어서,
    상기 제2기판을 준비하는 단계는
    상기 제2기판 상에 차광층과 컬러필터층을 형성하는 단계와;
    상기 기판 상에 오버코트층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치 제조방법.
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