KR102204787B1

KR102204787B1 - 고강도 컬럼스페이서 및 이를 구비한 액정표시소자

Info

Publication number: KR102204787B1
Application number: KR1020140166730A
Authority: KR
Inventors: 박용학
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2014-11-26
Filing date: 2014-11-26
Publication date: 2021-01-18
Also published as: KR20160063125A

Abstract

본 발명의 컬럼스페이서는 조성물에 안료나 비드 또는 나노입자를 포함시켜, 가교제에 의한 가교결합에 의해 안료, 비드 또는 나노입자는 폴리머의 사슬구조와 결합되며, 이때 뭉쳐진 네트워크형상의 폴리머 사이에 안료가 채워져 결합이 이루어지게 함으로써 컬럼스페이서의 강도가 형상됨과 동시에 컬럼스페이서의 변형이 최소화되어 탄성복원력이 향상된다.

Description

고강도 컬럼스페이서 및 이를 구비한 액정표시소자{HIGH STIFFNESS OF COLUMN SPACER AND LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE HAVING THEREOF}

본 발명은 컬럼스페이서에 관한 것으로, 특히 고탄성 고강도의 컬럼스페이서 및 이를 구비한 액정표시소자에 관한 것이다.

근래, 핸드폰(Mobile Phone), PDA, 노트북컴퓨터와 같은 각종 휴대용 전자기기가 발전함에 따라 이에 적용할 수 있는 경박단소용의 평판표시장치(Flat Panel Display Device)에 대한 요구가 점차 증대되고 있다. 이러한 평판표시장치로는 LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), OLED(Organic Light Emitting Display), 전기영동 표시소자 등이 활발히 연구되고 있지만, 양산화 기술, 구동수단의 용이성, 고화질의 구현이라는 이유로 인해 현재에는 액정표시소자(LCD)가 각광을 받고 있다.

도 1은 일반적인 액정표시소자(liquid crystal display device)단면을 개략적으로 나타낸 것이다. 도면에 도시한 바와 같이, 액정표시소자(1)는 제1기판(3)과 제2기판(5) 및 상기 제1기판(3)과 제2기판(5) 사이에 형성된 액정층(7)으로 구성되어 있다. 제1기판(3)은 구동소자 어레이(Array)기판으로서, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 제1기판(3)에는 복수의 화소(pixel)가 형성되어 있으며, 각각의 화소에는 박막트랜지스터(Thin Film Transistor)와 같은 구동소자(driving device)가 형성되고, 제2기판(5)은 컬러필터(Color Filter)기판으로서, 실제 컬러를 구현하기 위한 칼라필터층이 형성되어 있다. 또한, 상기 제1기판(3) 및 제2기판(5)에는 각각 화소전극(pixel electrode) 및 공통전극(common electrode)이 형성되어 있으며 액정층(7)의 액정분자를 배향하기 위한 배향막(alignment layer)이 도포되어 있다.

상기 제1기판(3) 및 제2기판(5)은 기판의 외곽에 형성된 실런트(sealant;6)에 의해 합착되며, 이들(제1기판 및 제2기판) 사이에 형성된 스페이서(spacer;8)에 의해 일정한 셀갭(cell gap)을 유지한다. 그리고, 상기 기판들(3,5) 사이에 형성된 액정층(7)이 상기 제1기판(3)에 형성된 구동소자에 의해 액정분자를 구동하여 액정층을 투과하는 광량을 제어함으로써 정보를 표시하게 된다.

상기와 같이 구성된 액정표시소자는 제1기판(3)에 구동소자를 형성하는 구동소자 어레이기판공정에 의해서 형성되고, 상기 제2기판(5)은 칼라필터를 형성하는 칼라필터기판공정에 의해서 형성된다. 이후에, 스페이서 및 실런트형성공정을 통해 액정표소자가 완성된다.

구동소자 어레이기판공정은 제1기판(3)상에 배열되어 화소영역을 정의하는 복수의 게이트라인(Gate Line) 및 데이터라인(Data Line)을 형성하고 상기 화소영역 각각에 상기 게이트라인과 데이터라인에 접속되는 구동소자인 박막트랜지스터(thin film transistor)를 형성한 후, 박막트랜지스터에 접속되어 박막트랜지스터를 통해 신호가 인가됨에 따라 액정층을 구동하는 화소전극을 형성함으로써 이루어진다.

또한, 칼라필터기판공정은 제2기판(5)에 블랙매트릭스를 형성한 후, 그 상부에 칼라필터를 형성한 다음, 공통전극을 형성함으로써 이루어진다.

상기 스페이서로는 주로 컬럼스페이서(column spacer)를 사용한다. 종전에는 주로 볼스페이서(ball spacer)를 사용했지만, 볼스페이서의 경우 산포(scattering)시 서로 뭉치는 등 불균일하게 산포되어 액정표시소자의 셀갭을 일정하게 유지하기 어렵다는 문제가 있을 뿐만 아니라 산포에 의해 액정표시소자의 표시영역에 볼스페이서가 불규칙적으로 분포하여 개구율(aperture ratio)을 저하시키는 문제가 있었다. 또한, 볼스페이서가 배향막과 마찰하여 배향막에 스크래치를 만드는 원인이 된다.

따라서, 근래에는 주로 컬럼스페이서를 사용하는데, 그 이유는 컬럼스페이서는 액정표시소자 전체에 걸쳐 동일한 밀도로 원하는 위치에 형성할 수 있기 때문이다. 이와 같이, 원하는 위치에 컬럼스페이서를 형성함에 따라 액정표시소자의 셀갭을 일정하게 유지하고 개구율이 저하되는 것을 방지할 수 있게 된다.

그러나, 이러한 컬럼스페이서는 다음과 같은 문제가 발생한다.

상기와 같이 컬럼스페이서(8)에 의해 셀갭을 일정하게 유지하는 경우, 액정표시소자(1)에 외력이 작용할 때 컬럼스페이서(8)가 수축된 후 다시 복원되지 않는 경우 셀갭이 일정하게 유지되지 못하여, 액정표시소자에 눌림불량이나 터치불량이 발생한다. 터치(touch)불량은 액정표시소자의 표면을 쓸어내리는 경우 쓸어내린 부위 및 쓸어내린 주변 영역에는 액정의 부족 및 과잉으로 정상적인 액정의 구동이 이루어지지 않아서 쓸어내린 부위 및 쓸어내린 주변 영역의 경계에서 휘도가 불균일하게 되어 얼룩이 발생하는 것이다. 눌림불량은 액정표시소자의 표면을 일정한 힘으로 누르는 경우 컬럼스페이서와 박막트랜지스터기판의 접촉 부위에서 눌림이 발생되어 그 부위에 얼룩이 발생하는 것이다.

이러한 변형으로 인해 얼룩이 발생하지 않기 위해서는 컬럼스페이서(8)의 복원률이 약 100%가 되어 수축후 원래의 크기로 복원해야만 하지만, 종래 컬럼스페이서의 경우 복원률이 약 70% 정도에 불과하므로, 눌림불량이나 터치불량이 발생하여 액정표시소자가 불량으로 되는 원인이 되었다.

또한, 종래 컬럼스페이서(8)는 강도가 약하기 때문에, 외력의 인가시 컬럼스페이서(8)의 형상이 변형되거나 심지어 파손되는 문제도 있었다.

본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 강도와 탄성이 향상된 컬럼스페이서 및 이를 구비한 액정표시소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에서는 고강도 및 고복원력이 향상된 컬럼스페이서를 구현하기 위해, 컬럼스페이서용 조성물에 안료나 비드 또는 나노입자와 같은 강도 및 탄성 강화용 첨가제를 포함시킨다. 가교제에 의한 가교결합을 통해 안료, 비드 또는 나노입자는 폴리머의 사슬구조와 결합되며, 이때 뭉쳐진 네트워크형상의 폴리머 사이에 안료가 채워지도록 하여 결합이 이루어짐으로써, 컬럼스페이서의 강도가 향상됨과 동시에 외부 압력에 의한 컬럼스페이서의 변형이 최소화되어 탄성복원력이 향상된다.

또한, 본 발명의 컬럼스페이서는 폴리머, 매트리스 폴리머, 광개시제, 가교제, 실리카모노리스, 용매로 이루어진다.

실리카 모노리스는 매트릭스 폴리머의 측쇄(side chain)와 결합하여 실리카 모노리스 그래프트 폴리머(silica monolith grafted polymer)를 형성하며, 상기 실리카 모노리스 그래프트 폴리머는 컬럼스페이서용 폴리머와 가교결합되어, 사슬구조의 폴리머의 공극에 실리카가 위치하게 되어 컬럼스페이서의 강도가 형상됨과 동시에 변형이 최소화되어 탄성복원력이 향상된다.

본 발명의 컬럼스페이서는 제2기판에 상기 조성물로 형성되며, 제1기판에는 돌기가 형성되어 상기 컬럼스페이서와 접촉한다. 이때, 상기 돌기의 면적은 컬럼스페이서보다 훨씬 작기 때문에, 컬럼스페이서와 돌기의 마찰력을 최소화할 수 있게 된다.

상기 컬럼스페이서중 컬럼스페이서와 돌기는 갭스페이서로 액정표시소자의 셀갭을 일정하게 유지하고 돌기와 접촉하지 않는 컬럼스페이서는 눌림스페이서로 기판에 압력이 인가되었을 때 기판과 컬럼스페이서의 마찰력을 줄여 터치불량을 방지한다.

본 발명에서는 이러한 갭스페이서와 눌림스페이서가 기판상에 분포되어 터치불량이나 눌림불량이 발생하는 것을 방지할 수 있게 된다.

본 발명에서는 컬럼스페이서를 고강도 및 고탄성의 재질을 사용함으로써 외부로부터의 압력 인가시 컬럼스페이서가 변형되거나 파손되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 눌림불량이나 터치불량이 발생하는 것을 방지할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에서는 기판상에 갭스페이서와 눌림스페이서를 분포시킴으로써 눌림불량이나 터치불량이 발생하는 것을 더욱 효과적으로 방지할 수 있게 된다.

도 1은 종래 액정표시소자를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 액정표시소자의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 컬럼스페이서에서 안료가 가교결합에 의해 컬럼스페이서용 폴리머의 사슬구조와 결합되는 것을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 컬럼스페이서에서 실리카 모노리스가 매트릭스 폴리머의 측쇄(side chain)와 결합하여 실리카 모노리스 그래프트 폴리머(silica monolith grafted polymer)를 형성하는 것을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 컬럼스페이서에 실리카 모노리스 그래프트 폴리머가 컬럼스페이서용 폴리머와 가교결합된 것을 나타내는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 액정표시소자의 평면도.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 액정표시소자의 상세 단면도.

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 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급한 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.

구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.

위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.

시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간적 선후 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.

제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.

본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시할 수도 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

액정표시소자에 터치불량이 발생하는 이유는 컬럼스페이서와 기판의 접촉에 기인한다. 즉, 컬럼스페이서가 기판과 접촉하므로 컬럼스페이서와 기판 사이에는 마찰력이 발생하며, 이 마찰력에 의해 기판이 터치되었을 때 액정이 원상태로 되돌아오지 못하게 되어 해당 부위에 얼룩이 발생한다. 이러한 터치불량을 방지하는 가장 좋은 방법은 기판과 접촉하는 컬럼스페이서의 접촉 면적을 최소화하는 것이다.

한편, 눌림불량은 기판에 압력이 인가되었을 때 박막트랜지스터기판과의 접촉 부위에서 눌림이 발생하는 것으로, 이러한 눌림불량을 방지하는 가장 좋은 방법은 기판에 압력이 인가되었을 때 컬럼스페이서의 변형을 최소화하는 것이다.

이와 같이, 터치불량과 눌림불량은 서로 반대의 경우에 발생한다. 즉, 컬럼스페이서의 밀도가 증가하면 컬럼스페이서와 기판의 접촉면적이 증가하기 때문에 터치불량이 많이 발생하는 대신, 기판에 인가되는 압력에 대항하는 힘이 커지기 때문에 눌림불량은 감소하게 된다. 반대로, 컬럼스페이서의 밀도가 감소하면 컬럼스페이서와 기판의 접촉면적이 감소하여 터치불량은 감소하는 대신, 압력에 의해 스페이서의 변형이 용이하게 되어 눌림불량은 증가하게 된다.

이와 같이, 터치불량과 눌림불량은 동시에 나빠지거나 개선되는 것이 아니라 한쪽이 개선되면 다른 쪽이 나빠지게 되는 서로 상반되는 관계를 갖는다. 따라서, 단순히 컬럼스페이서의 개수, 즉 밀도를 조절하는 것으로는 불량을 개선할 수 없게 된다.

본 발명에서는 이러한 두가지 불량, 즉 터치불량과 눌림불량을 최소화하기 위해 새로운 방식의 컬럼스페이서를 제공한다. 또한, 본 발명에서는 고강도 및 고탄성을 갖는 물질로 컬럼스페이서를 형성함으로써 외력의 인가시 컬럼스페이서가 원래의 형태로 완전하게 복원되도록 하고 컬럼스페이서의 변형이나 파손을 방지한다.

도 2는 본 발명에 따른 액정표시소자의 구조를 간략적으로 나타내는 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 액정표시소자는 박막트랜지스터와 같은 구동소자 어레이가 형성된 제1기판(103)과 컬러필터가 형성된 제2기판(105)은 실런트(106)에 의해 합착되고 그 사이에는 액정층(107)이 형성된다. 상기 제2기판(105)에는 제1컬럼스페이서(108)와 제2컬럼스페이서(109)가 형성되어 있다. 이때, 상기 제1컬럼스페이서(108)와 제2컬럼스페이서(109)는 제1기판(103)과는 일정한 간격을 유지하고 있다.

또한, 제1기판(103)에는 돌기(118)가 형성되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1컬럼스페이서(108)는 돌기(118)와 접촉하지만 제2컬럼스페이서(109)는 제1기판(103)과 일정한 간격으로 떨어져 있다. 상기 제1컬럼스페이서(108)는 제1기판(103)에 형성된 돌기(118)와 접촉하여 제1기판(103) 및 제2기판(105) 사이의 셀갭을 일정하게 유지한다. 이러한 의미에서 상기 제1컬럼스페이서(108)와 돌기(118)는 셀갭을 유지하는 갭스페이서(gap spacer)라고 칭할 수 있을 것이다.

상기 제2컬럼스페이서(109)는 제1기판(103)과 일정 간격 떨어져 있기 때문에, 제1기판(103)과는 접촉하지 않는다. 그러나, 기판(103,105)에 압력이 인가되었을 때 상기 제2컬럼스페이서(109)가 상기 제1기판(103) 및 제2기판(105)과 접촉하여 상기 제1기판(103) 및 제2기판(105)이 변형되는 것을 방지한다. 이러한 의미에서 상기 제2컬럼스페이서(109)는 눌림스페이서라고 칭할 수 있을 것이다.

한편, 제1컬럼스페이서(108)와 제2컬럼스페이서(109)는 제2기판(105)에 동일한 공정에 의해 동일한 물질로 형성되며, 돌기(118)는 제1기판(103)에 다른 공정에 의해 형성된다. 즉, 제1컬럼스페이서(108)와 제2컬럼스페이서(109)는 실질적으로 동일한 구조이다. 그러나, 이러한 컬럼스페이서(108,109)를 제1컬럼스페이서(108)와 제2컬럼스페이서(109)라고 구분하여 칭하는 것은 단지 설명의 편의를 위한 것으로서, 이들을 컬럼스페이서라고 정의할 수도 있을 것이다.

본 발명에서는 돌기(118)와 접촉하는 제1컬럼스페이서(108)만이 액정표시소자(101)의 셀갭을 유지하는 갭스페이서의 역할을 한다. 그런데, 상기 돌기(118)는 제1 및 제2컬럼스페이서(108,109)의 총합보다 작게 형성되므로, 본 발명에서는 액정표시소자의 셀갭을 유지하기 위한 갭스페이서가 종래의 컬럼스페이서(즉, 갭스페이서) 보다 작게 된다. 따라서, 본 발명에서는 종래에 비해 제1기판(103)과 접촉하는 컬럼스페이서의 개수가 감소되어, 컬럼스페이서와 기판의 접촉면적이 감소하게 된다.

더욱이, 본 발명에서는 상기 돌기(118) 단부의 면적이 제1컬럼스페이서(108)의 단부 면적보다 작기 때문에, 컬럼스페이서가 기판(103)과 직접 접촉하던 종래에 비해 컬럼스페이서와 기판의 접촉면적이 더욱 작아지게 된다. 따라서, 종래 컬럼스페이서가 형성된 액정표시소자에 비해, 본 발명에 따른 액정표시소자에서는 터치불량을 개선할 수 있게 된다.

그러나, 본 발명에서는 기판(103,105)에 압력이 인가되었을 때에는 제2컬럼스페이서(109)가 제1기판(103)과 접촉하여 눌림스페이서(109)로서 작용하므로 상기 압력에 의해 기판(103,105)이 눌리는 것을 방지하게 되어 눌림불량을 개선할 수 있게 된다.

상기와 같이, 본 발명에서는 제1기판(103) 및 제2기판(105)에 압력이 인가되지 않은 경우에는 종래 액정표시소자의 컬럼스페이서보다 작은 수의 제1컬럼스페이서(108)만이 돌기(118)와 접촉하여 셀갭을 유지하므로 터치불량을 개선할 수 있게 되고 압력이 인가되는 경우에는 제1컬럼스페이서(108)가 돌기(118)와 접촉하고 제2컬럼스페이서(109)가 눌림스페이서로서 기판과 접촉하므로 (즉, 모든 컬럼스페이서(108,109)가 기판과 접촉하므로) 눌림불량을 개선할 수 있게 된다.

상기 돌기(118)는 다양한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 돌기(118)는 금속, 유기 및 무기절연물질, 반도체물질 등과 같은 다양한 물질로 형성될 수 있다. 상기 돌기(118)가 금속으로 형성되는 경우, 박막트랜지스터의 게이트전극이나 소스/드레인전극 등과 같은 각종 전극과 동일한 금속으로 이루어진 금속패턴일 수 있으며 유기 및 무기절연물질로 형성되는 경우, 각종 절연층과 동일한 물질로 이루어진 절연패턴일 수 있다. 또한, 돌기(118)가 반도체물질로 이루어진 경우 돌기(118)는 반도체패턴일 수 있다.

또한, 상기 돌기(118)는 제1컬럼스페이서(108) 및 제2컬럼스페이서(109)와 동일한 물질로 이루어질 수도 있다.

본 발명에서는 상기 제1컬럼스페이서(108) 및 제2컬럼스페이서(109)로서 다양한 물질로 형성될 수 있는데, 이하에서는 본 발명에 따른 컬럼스페이서의 물질에 대해 구체적으로 설명한다. 이때, 상기 제1컬럼스페이서(108) 및 제2컬럼스페이서(109)는 동일한 물질로 형성되므로, 제1컬럼스페이서(108) 및 제2컬럼스페이서(109)를 컬럼스페이서로 통칭하여 설명한다.

본 발명의 컬럼스페이서의 조성물은 폴리머와 안료로 이루어질 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 컬럼스페이서의 조성물은 폴리머(polymer), 매트릭스 폴리머(matrix polymer), 광개시제(photo initiator), 가교제(crosslinking agent), 용매(solvent), 안료(pigment)로 구성된다. 상기 폴리머로는 아크릴계 폴리머를 주로 사용하며, 용매에 폴리머, 광개시제, 가교제 및 안료를 첨가하여 스페이서용 용액을 형성한다.

상기 광개시제는 UV와 같은 광의 조사에 의하여 폴리머의 광반응을 개시하는 것으로, 본 발명에서는 이러한 광개시제로 아실포스핀 옥사이드 유도체(acyl phosphine oxide derivatives), 옥심에스테르 유도체( oxime ester derivatives), 아세토페논 유도체(acetophenone derivatives), 벤조페논 유도체(benzophenone derivatives), 트리아진 유도체(triazine derivatives) 등이 사용될 수 있지만, 이러한 특정 물질에 한정되는 것이 아니라 다양한 물질을 사용할 수 있다.

매트릭스 폴리머는 컬럼스페이서에 막을 형성하여 기계적 및 물리적인 특성을 부여하기 위한 것으로, 다음의 화학식 1과 같이 주로 벤젠링(benzene ring) 혹은 카르복실기(carboxylic group), 또는 그 치환기가 붙어 있는 알킬 쇄상 고분자를 사용하지만, 이러한 특정 물질에 한정되는 것이 아니라 다양한 물질을 사용할 수 있다.

이때, X,Y,Z는 매트릭스 폴리머의 측쇄와 결합하는 기능기로서, X는 광반응기이고 Y는 열을 안정시키는 기이고 Z는 강도특성에 관한 기로서, 이들 측쇄에 폴리머에 대응하는 기가 결합되어 컬럼스페이서용 조성물이 형성된다.

가교제는 광조사에 의한 광반응에 의하여 안료를 폴리머와 가교시키는 것으로, 본 발명에서는 가교제로서 올리고머(oligomer), 우레아(urea), 멜라민(melamine) 및 글리콜우레아(glycol urea) 등의 아민 화합물, 아미노 플라스트(amino plast) 등을 사용할 수 있지만, 이들 물질에 한정되는 것이 아니라 다양한 물질을 사용할 수 있다.

상기 안료는 컬럼스페이서를 제작했을 때 컬럼스페이서의 강도를 강화시키기 위한 첨가제로서, 본 발명에서는 안트라퀴논계 안료(anthraquinone pigment), 퀴노프탈론계 안료(quinophthalonepigment), 아조계 안료(azo pigment), 페릴렌안료(perylene pigment), 페리논계안료(perinone pigment), 프탈로시아닌계 안료(phthalocyanine pigment), 퀴나크리돈계 안료(quinacridone pigment), 이소인돌리논계 안료(isoindolinone pigment), 이소인돌린계 안료(isoindoline pigment), 디옥사진계 안료(dioxazine pigment), 디케토피롤로피롤계 안료(diketopyrrolopyrole pigment), 티오인디고계 안료(thioindigo pigment), 금속 착체계 안료(metal complex pigments) 등이 사용될 수 있지만, 본 발명이 이러한 특정한 안료에만 한정되는 것이 아니라 다른 안료도 사용할 수 있다.

용매에 폴리머, 매트릭스 폴리머, 광개시제, 가교제, 안료가 혼합된 조성물에 자외선과 같은 광을 조사하면, 폴리머가 광반응을 일으키기 시작하여 매트릭스 폴리머가 폴리머의 측쇄 또는 주쇄와 결합하여 뭉쳐진 네트워크구조를 형성하며, 가교제에 의해 네트워크구조와 안료 사이에 가교 결합이 발생한다. 이때 뭉쳐진 네트워크형상의 폴리머 사이에 안료가 채워지도록 하여 결합이 이루어지므로, 컬럼스페이서의 강도가 향상됨과 동시에 외부 압력에 의한 컬럼스페이서의 변형이 최소화되어 탄성복원력이 향상된다.

이러한 조성물에 의한 컬럼스페이서의 구체적인 제조방법을 좀더 설명하면 다음과 같다.

우선, 용매에 폴리머, 매트릭스 폴리머, 광개시제, 가교제, 안료가 혼합된 조성물을 기판상에 도포한 후, 열을 인가하여 도포된 조성물을 프리베이킹(pre-baking)한다. 이후, 프리베이킹된 조성물에 자외선과 같은 광을 조사하여 폴리머와 안료를 결합시킨 후, 결합된 조성물에 열을 인가하여 포스트베이킹(post-baking)하여, 기판 위에 컬럼스페이서용 유기막을 형성한다. 이어서, 식각액을 이용하여 컬럼스페이서용 유기막을 노광공정에 의해 패터닝함으로써 컬럼스페이서를 형성한다.

이와 같이, 본 발명에서는 폴리머에 안료를 첨가하여 컬럼스페이서를 형성하는 폴리머의 네트워크 사이에 안료가 채워지도록 함으로써 컬럼스페이서의 강도와 복원력을 향상시킬 수 있게 되며, 그 결과 외력의 인가시 컬럼스페이서의 형상이 변형되거나 파손되는 것을 방지할 수 있게 된다.

한편, 본 발명에서는 강화용 첨가제로서 안료 대신에 비드(beads)나 PEMCa(porous epoxy microparticle with CaCO₃) 또는 PEM(porous epoxy microparticle)와 같은 나노 단위의 입자(nano-particles)를 사용할 수 있다. 이러한 비드나 나노입자를 사용하는 경우에도 컬럼스페이서를 형성하는 폴리머의 네트워크 사이에 비드나 나노입자가 채워짐으로써 컬럼스페이서의 강도와 복원력을 향상시킬 수 있게 되며, 그 결과 외력의 인가시 컬럼스페이서의 형상이 변형되거나 파손되는 것을 방지할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 컬럼스페이서의 조성물은 폴리머(polymer), 매트릭스 폴리머(matrix polymer), 광개시제(photo initaitor), 가교제(crosslinking agent), 실리카모노리스(silica monolith), 용매(solvent)로 이루어진다.

이때, 상기 폴리머는 아크릴계(acryl) 폴리머이며, 광개시제로는 아실포스핀 옥사이드 유도체(acyl phosphine derivatives), 옥심에스테르 유도체(oxime ester derivatives), 아세토페논 유도체(acetophenone derivatives), 벤조페논 유도체(benzophenone derivatives), 트리아진 유도체(triazine derivatives) 등이 사용될 수 있지만, 이러한 특정 물질에 한정되는 것이 아니라 다양한 물질을 사용할 수 있다.

매트릭스 폴리머는 컬럼스페이서에 막을 형성하여 기계적 및 물리적인 특성을 부여하기 위한 것으로, 전술한 화학식 1과 같이 주로 벤젠링(benzene ring) 혹은 카르복실기(carboxylic group), 또는 그 치환기가 붙어 있는 알킬 쇄상 고분자를 사용한다.

이때, 화학식 1의 X,Y,Z는 매트릭스 폴리머의 측쇄와 결합하는 기능기로서, X는 광반응기이고 Y는 열을 안정시키는 기이고 Z는 강도특성에 관한 기로서, 매트릭스 폴리머의 각 측쇄 또는 주쇄에 폴리머와 실리카 모노리스의 대응하는 기가 결합되어 컬럼스페이서용 조성물이 형성된다.

가교제로는 올리고머(oligomer), 우레아(urea), 멜라민(melamine) 및 글리콜우레아( glycol urea) 등의 아민 화합물, 아미노 플라스트(amino plast) 등을 사용할 수 있지만, 이들 물질에 한정되는 것이 아니라 다양한 물질을 사용할 수 있다.

실리카모노리스는 화학식 2-4와 같은 다양한 물질이 사용될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기와 같이 구성된 조성물에서는 실리카 모노리스가 매트릭스 폴리머의 측쇄(side chain) 또는 주쇄(main chain)와 결합하여 실리카 모노리스 그래프트 폴리머(silica monolith grafted polymer)를 형성한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 실리카 모노리스 그래프트 폴리머는 컬럼스페이서용 폴리머와 가교결합되어, 사슬구조의 폴리머의 공극에 실리카가 위치하게 되어 컬럼스페이서의 강도가 향상됨과 동시에 컬럼스페이서의 변형이 최소화되어 탄성복원력이 향상된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 컬럼스페이서 형성용 조성물에 안료나 비드, 나노입자와 같은 강도 강화용 첨가물을 추가하거나 실리카 모노리스를 추가함으로써 컬럼스페이서의 강도를 향상시킴과 아울러 탄성력을 향상시킬 수 있게 된다. 그 결과, 외력의 인가시 컬럼스페이서의 형상이 변형되거나 파손되는 것을 방지할 수 있게 된다.

이하에서는 상기와 같은 조성물로 이루어진 컬럼스페이서가 실제 액정표시소자에 적용된 것을 설명한다.

도 6은 본 발명에 따른 컬럼스페이서(108,109)가 실제 액정표시소자에 적용된 것을 나타내는 평면도이다. 이때, 도면에는 횡전계모드 액정표시소자를 한 예로서 도시하였지만, 본 발명이 횡전계모드에만 적용되는 것이 아니라 TN모드나 VA모드 액정표시소자에도 적용될 수 있을 것이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 액정표시소자는 복수의 게이트라인(130)과 데이터라인(135)에 의해 정의되는 복수의 화소를 포함하며, 각각의 화소내에는 박막트랜지스터(150)가 배치되어 있다.

상기 박막트랜지스터(150)는 상기 게이트라인(130)에 연결되어 주사신호가 인가되는 게이트전극(151)과, 상기 게이트전극(151) 위에 형성되어 주사신호가 게이트전극에 인가됨에 따라 활성화되어 채널층을 형성하는 반도체층(152)과, 상기 반도체층(152)위에 형성되어 데이터라인(135)을 통해 입력된 화상신호를 화소에 전달하는 소스전극(153) 및 드레인전극(154)으로 구성된다.

상기 화소내에는 공통전극(162) 및 화소전극(164)이 서로 실질적으로 평행하게 배치되어 횡전계를 형성한다. 이때, 상기 공통전극(162)은 화소내에 배치된 공통라인(137)과 연결되고 화소전극(164)은 화소전극라인(138)에 연결되어 신호가 인가되며, 상기 공통라인(137)과 화소전극라인(138)은 중첩되어 축적용량을 형성한다.

도면에서는 화소전극과 공통전극이 지그재그 형상(zigzag shape)을 가지나, 화소전극과 공통전극은 직선 형상(straight shape)을 가지는 것도 가능하다. 또는, 화소전극과 공통전극 중 하나는 직선 형상을 가지고 다른 하나는 지그재그 형상을 가지는 것도 가능하다. 그리고, 화소전극과 공통전극 중 하나는 직선 또는 지그재그 형상으로 하고, 다른 하나는 판형상(rectangular shape)으로 하는 것도 가능하다. 본 발명에서는 이러한 화소전극과 공통전극이 이러한 특정 형상에 제한되는 것은 아니다.

상기 화소전극과 공통전극은 투명 도전물질로 형성하는 것도 가능하나, 화소전극과 공통전극 중 적어도 하나는 불투명 도전물질, 예를 들면 구리(Cu), 또는 구리 합금(Cu alloy) 등으로 형성하는 것도 가능하다. 본 발명에서는 화소전극과 공통전극의 형성물질에 제한되는 것은 아니다.

상기 게이트라인(130) 상에는 컬럼스페이서(108,109)가 형성되어 있다. 도면에서는 상기 컬럼스페이서(108,109)가 각각의 화소의 게이트라인(130)에 형성되어 있지만, 하나의 화소에 두개의 컬럼스페이서(108,109)가 형성될 수도 있고 2개 또는 그 이상의 화소에 하나의 컬럼스페이서(108,109)만이 형성될 수도 있다.

상기 컬럼스페이서(108,109)는 도 4 및 도 5에 도시된 조성물로 형성된다.

또한, 돌기(118)도 상기 게이트라인(130) 상에 형성되어 컬럼스페이서(108)와 접촉하여 액정표시소자의 셀갭을 유지한다. 이때, 도면에서는 상기 돌기(118)가 2개의 화소마다 하나씩 배치되는 구조로 형성되어 있지만, 하나의 화소에 하나씩 배치될 수도 있고 3개 또는 그 이상의 화소에 하나만 배치될 수 있을 것이다.

상기 돌기(118)와 접촉하는 컬럼스페이서, 즉 제1컬럼스페이서(108)는 돌기(118)와 함께 액정표시소자의 셀갭을 유지하는 갭스페이서의 역할을 하며, 돌기(118)와 접촉하지 않는 컬럼스페이서, 즉 제2컬럼스페이서(109)는 그 자제가 눌림스페이서의 역할을 하게 된다.

이와 같은 갭스페이서와 눌림스페이서의 관점에서 보면, 상기 갭스페이서와 눌림스페이서는 각각의 화소에 교대로 형성되는 것이다. 물론, 이러한 갭스페이서와 눌림스페이서의 분포는 특정되는 것은 아니지만, 기판(103,105) 전체에 걸쳐서 분포되어 액정표시소자의 셀갭을 유지함과 동시에 터치불량과 눌림불량을 효과적으로 개선할 수 있게 되는 것이다.

한편, 도면에서는 상기 컬럼스페이서(108,109) 및 돌기(118)가 게이트라인(130) 상에 배치되지만, 데이터라인(135) 상에 배치될 수도 있고 게이트라인(130)과 데이터라인(135)의 교차영역에 배치될 수도 있을 것이다.

도 7a 및 도 7b는 도 6의 I-I'선 단면도로서, 상기 컬럼스페이서(108,109)와 돌기(118)의 구조를 좀더 상세히 나타내는 도면이다.이때, 상기 제1기판(103)은 박막트랜지스터가 형성된 박막트랜지스터기판이고 제2기판(105)은 컬러필터(도면표시하지 않음)가 형성된 컬러필터기판이다. 상기 박막트랜지스터는 제1기판(103)에 형성된 게이트전극(151)과, 상기 게이트전극(151) 위에 형성된 게이트절연층(162)과, 상기 게이트절연층(162) 위에 형성된 반도체층(152)과, 상기 반도체층(152) 위에 형성된 소스전극(153) 및 드레인전극(154)으로 이루어진다. 한편, 상기 돌기(118)는 게이트절연층(162) 위에 형성된 반도체층(118a) 및 상기 반도체층(118a) 위에 형성된 금속층(118b)로 이루어진다. 상기와 같은 박막트랜지스터와 돌기(118) 위에는 보호층(164)이 형성된다.

상기 돌기(118)의 반도체층(118a)은 박막트랜지스터의 반도체층(152)과 동일한 공정에 형성되고 금속층(118b)은 박막트랜지스터의 소스전극(153) 및 드레인전극(154)과 동일한 공정에 의해 형성된다. 물론, 상기 돌기(118)의 반도체층(118a) 및 금속층(118b)은 박막트랜지스터의 공정과는 다른 공정에 의해 형성될 수도 있지만, 공정의 단순화를 위해서는 동일한 공정에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 돌기(118)는 반도체층만으로도 형성될 수 있고 금속층만으로도 형성될 수도 있을 것이다.

한편, 상기 제1컬럼스페이서(108)와 제2컬럼스페이서(109)는 제2기판(105)에 형성된다. 상기 제1컬럼스페이서(108)와 제2컬럼스페이서(109)는 도 4 및 도 5에 도시된 조성물로 이루어진다.

즉, 상술한 조성물을 제2기판(105) 상에 도포한 후, 프리베이킹공정 및 노광공정, 포스트베이킹공정에 의해 유기막을 형성한 후, 마스크를 이용한 포토공정에 의해 상기 유기막을 패터닝함으로써 컬럼스페이서(108,109)를 형성한다. 이때, 상기 제1컬럼스페이서(108)와 제2컬럼스페이서(109)는 동일한 공정에 의해 형성될 수도 있지만, 별개의 공정에 의해 형성될 수도 있을 것이다.

도면에 도시하지 않았으나, 상기 제2기판(105) 위에는 블랙매트릭스와 컬러필터층이 배치된다. 제1컬럼스페이서(108)와 제2컬럼스페이서(109)는 상기 블랙매트릭스와 컬러필터층 위에 형성된다. 그리고, 상기 제1컬럼스페이서(108)와 제2컬럼스페이서(109) 위에는 액정층의 액정분자를 배향하기 위한 배향막이 형성된다. 따라서, 상기 제1컬럼스페이서(108)와 제2컬럼스페이서(109)가 제2기판 상에 형성하는 것으로 설명하였지만, 실질적으로 상기 제1컬럼스페이서(108)와 제2컬럼스페이서(109)는 블랙매트릭스와 컬러필터 위에 형성되는 것이다.

도면에서는 상기 제1컬럼스페이서(108)와 제2컬럼스페이서(109)의 단부 표면이 평편하게 형성되어 있지만, 라운드형상(또는 둥근형상)일 수도 있을 것이다.

한편, 도 7b에 도시된 바와 같이, 상기 돌기(118)는 보호층(164) 위에 형성될 수도 있다. 이때, 상기 돌기(118)는 유기물질로 형성될 수도 있고 금속으로 형성될 수도 있을 것이다.

또한, 상기 제1컬럼스페이서(108)는 돌기(118) 없이 상기 제1기판(103)과 직접 접촉할 수도 있다. 이 경우, 상기 제1기판(103)과 접촉하는 제1컬럼스페이서(108)의 단면적을 최소화하여 화면을 눌렀을 때의 마찰력을 최소화하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 강도가 높고 탄성복원력이 높은 물질로 컬럼스페이서를 적용함으로써, 외력에 의한 컬럼스페이서의 변형이나 파손을 방지할 수 있으며, 터치불량이나 눌림불량을 개선할 수 있다. 특히, 돌기를 강도가 높은 물질로 형성하는 경우에도 돌기와 컬럼스페이서의 접촉시에도 고강도의 컬럼스페이서가 파손되지 않게 된다.

또한, 본 발명에서는 고강도 물질로 컬럼스페이서를 적용하므로써, 컬럼스페이서의 단면적을 최소화할 수 있게 되므로, 고해상도의 액정표시소자에 적용할 수 있게 된다.

한편, 상술한 설명에서는 본 발명의 구성 등을 특정 물질이나 구졸 설명하고 있지만, 본 발명이 이러한 특정 구조나 물질에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 본 발명의 기술적 사상을 기초로 유추할 수 있는 모든 구성을 포함하는 것이다.

103,105 : 기판 108,109 : 컬럼스페이서
118 : 돌기 151 : 게이트전극
152 : 반도체층

Claims

제1기판 및 제2기판;
상기 제1기판 및 제2기판 사이의 액정층;
상기 제1기판 및 제2기판 사이에 배치되어 셀갭을 유지하는 컬럼스페이서; 및
상기 제1기판 및 제2기판 사이에 배치되어 상기 컬럼스페이서와 접촉하는 돌기로 구성되며,
상기 컬럼스페이서는 폴리머, 매트릭스 폴리머, 광개시제, 가교제, 실리카 모노리스, 용매로 이루어지며,
상기 실리카 모노리스는 상기 매트릭스 폴리머의 측쇄 또는 주쇄와 결합하여 실리카 모노리스 그래프트 폴리머를 형성하고 상기 실리카 모노리스 그래프트 폴리머는 상기 폴리머와 가교결합하여 상기 폴리머의 사슬구조의 공극에 실리카가 위치하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
제1항에 있어서, 상기 컬럼스페이서의 폴리머는 아크릴계 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
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제1항에 있어서, 상기 제1기판 위에는 게이트라인 및 데이터라인을 배치되며, 상기 컬럼스페이서는 상기 게이트라인 또는 상기 데이터라인 위에 위치하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
제1항에 있어서, 상기 돌기는 상기 컬럼스페이서가 배치되는 기판과 대향하는 기판에 배치되어 컬럼스페이서와 접촉하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
제1항에 있어서, 상기 돌기는 상기 제1기판에 배치되고 상기 컬럼스페이서는 제2기판에 배치되는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
제8항에 있어서, 상기 돌기의 단부의 면적은 대응하는 상기 컬럼스페이서의 단부 면적보다 작은 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
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폴리머, 매트릭스폴리머, 실리카 모노리스, 광개시제, 가교제, 용매로 이루어지며,
상기 실리카 모노리스는 상기 매트릭스폴리머의 측쇄 또는 주쇄와 결합하여 실리카 모노리스 그래프트 폴리머를 형성하고 상기 실리카 모노리스 그래프트 폴리머는 상기 폴리머와 가교결합하여 상기 폴리머의 사슬구조의 공극에 실리카가 위치하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자용 컬럼스페이서.
제13항에 있어서, 상기 폴리머는 아크릴계 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자용 컬럼스페이서.
제13항에 있어서, 상기 매트릭스폴리머는 벤젠링 혹은 카르복실기, 또는 그 치환기가 붙어 있는 알킬 쇄상 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자용 컬럼스페이서.