KR102654168B1 - 액정표시장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

액정표시장치 및 그 제조방법이 제공된다. 액정표시장치는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 유기층, 상기 유기층 상에 배치되며 상기 유기층 표면을 노출하는 슬릿이 정의된 화소 전극, 상기 슬릿에 의해 노출된 유기층의 표면과 상기 화소 전극의 표면을 덮는 액정배향막 및 상기 액정배향막 상에 배치된 액정 분자들을 포함하며, 상기 액정배향막은 상기 슬릿과 중첩된 제1 영역 및 상기 화소 전극과 중첩되며 상기 제1 영역과 표면 에너지가 다른 제2 영역을 포함한다.

Description

액정표시장치 및 그 제조 방법{Liquid crystal display device and manufacturing method thereof}
본 발명은 액정표시장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
액정표시장치는 현재 가장 널리 사용되고 있는 평판 표시 장치 중 하나로서, 화소 전극과 공통 전극 등 전계 생성 전극이 형성되어 있는 기판과 그 위에 개재되어 있는 액정층으로 이루어지며, 전계 생성 전극에 전압을 인가하여 액정층에 전계를 생성하고 이를 통하여 액정층의 액정의 배향을 결정하고 입사광의 편광을 제어함으로써 영상을 표시한다.
전계가 생성되지 않은 상태에서의 액정의 초기 배향(pretilt)를 설정하기 위한 방법으로서 광 배향 방법이 있다. 광 배향 방법은 액정에 반응성 메조겐(reactive mesogen)을 주입하고 자외선 노광을 통해 경화시키는 단계를 거쳐 액정 분자들을 배향시키는 방법이다. 그러나 광 배향 방법은 자외선에 의한 이온불순물이 형성될 수 있어 신뢰성 마진 등이 감소할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 별도의 배향 공정 없이 액정 분자들이 효과적으로 배향될 수 있는 액정표시장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시장치는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 유기층, 상기 유기층 상에 배치되며 상기 유기층 표면을 노출하는 슬릿이 정의된 화소 전극, 상기 슬릿에 의해 노출된 유기층의 표면과 상기 화소 전극의 표면을 덮는 액정배향막 및 상기 액정배향막 상에 배치된 액정 분자들을 포함하며, 상기 액정배향막은, 상기 슬릿과 중첩된 제1 영역 및 상기 화소 전극과 중첩되며 상기 제1 영역과 표면 에너지가 다른 제2 영역을 포함한다.
상기 액정 분자들의 상기 제1 영역 상에서의 평균 배향 방향과 상기 제2 영역 상에서의 평균 배향 방향은 상기 액정배향막 표면과 이루는 각도가 서로 다를 수 있다.
상기 액정 분자들의 상기 제1 영역 상에서의 배향 방향은 상기 액정배향막 표면과 수직을 이룰 수 있다.
상기 액정배향막은 자기조립단층막을 포함할 수 있다.
상기 액정 분자들의 배향은, 제1 배향 및 상기 제1 배향 방향에 대해 상기 액정배향막 표면과 이루는 각도는 같고 상기 액정배향막에 수평한 방향과 이루는 각도는 180도 차이나는 방향을 갖는 제2 배향을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 배향 및 제2 배향을 갖는 액정 분자들은 상기 제2 영역 상에 위치할 수 있다.
상기 슬릿은 2 이상의 도메인이 형성되도록 상기 각 도메인별로 다른 패턴을 가질 수 있다.
또한, 제2 영역 상에 위치하는 상기 액정 분자들의 평균 배향 방향은 상기 각 도메인별로 다를 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 액정표시장치는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 유기층, 상기 유기층의 일부 상에 배치된 화소 전극, 상기 화소 전극이 배치되지 않은 유기층과 상기 화소 전극 상에 배치된 자기조립단층막 및 상기 자기조립단층막 상에 배치된 액정 분자들을 포함하며, 상기 자기조립단층막은, 상기 화소 전극이 배치되지 않은 유기층과 중첩된 제1 영역 및 상기 화소 전극과 중첩되며 상기 제1 영역과 밀도가 다른 제2 영역을 포함한다.
상기 자기조립단층막은 옥타데실트리클로로실란(Octadecyltrichlorosilane; OTS) 유도체를 포함할 수 있다.
상기 액정 분자들의 상기 제1 영역 상에서의 평균 배향 방향과 상기 제2 영역 상에서의 평균 배향 방향은 상기 자기조립단층막 표면과 이루는 각도가 서로 다를 수 있다.
상기 액정 분자들의 상기 제1 영역 상에서의 배향 방향은 상기 자기조립단층막 표면과 수직을 이룰 수 있다.
상기 액정 분자들의 배향은, 제1 배향 및 상기 제1 배향 방향에 대해 상기 자기조립단층막 표면과 이루는 각도는 같고 상기 자기조립단층막에 수평한 방향과 이루는 각도는 180도 차이나는 방향을 갖는 제2 배향을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 배향 및 제2 배향을 갖는 액정 분자들은 상기 제2 영역 상에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시장치의 제조방법은 제1 기판 상에 복수의 화소가 정의되도록 게이트 라인 및 데이터 라인을 형성하는 단계, 상기 데이터 라인 및 게이트 라인 상에 유기층을 형성하는 단계, 상기 유기층 상에 금속층을 형성하는 단계, 상기 금속층의 일부를 식각하여 상기 유기층 표면을 노출하는 슬릿을 형성하는 단계, 상기 슬릿에 의해 노출된 유기층의 표면과 상기 금속층의 표면에 자기조립 전구체 물질을 도포하는 단계, 상기 자기조립 전구체 물질이 반응하여 형성되는 자기조립단층막의 밀도를 조절하여 액정 배향을 제어하는 단계, 미반응된 상기 자기조립 전구체 물질을 제거하는 단계 및 액정을 주입하여 상기 자기조립단층막 상에 액정층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 자기조립 전구체 물질은 옥타데실트리클로로실란(Octadecyltrichlorosilane; OTS)을 포함할 수 있다.
상기 액정 배향은, 상기 슬릿과 중첩되는 자기조립단층막 상과 상기 금속층과 중첩되는 자기조립단층막 상의 액정 분자들의 배향 방향이 서로 다르도록 조절함으로써 제어할 수 있다.
상기 자기조립단층막의 밀도는 상기 자기조립 전구체 물질이 반응하는 시간을 제어함으로써 조절할 수 있다.
상기 슬릿과 중첩되는 자기조립단층막 상에서의 액정 분자들의 배향 방향은 상기 자기조립단층막 표면과 수직을 이룰 수 있다.
상기 슬릿은 상기 화소마다 2 이상의 도메인이 형성되도록 상기 각 도메인별로 다른 패턴을 갖도록 형성할 수 있다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
액정표시장치에서 별도의 배향 공정 없이 액정 분자들의 초기 배향을 효과적으로 설정할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시장치의 개략적인 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 액정표시장치의 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 1의 액정표시장치의 한 화소 부분에 대한 개략적인 사시도이다.
도 4는 도 3의 A 부분의 확대도이다.
도 5는 액정 분자의 배향 원리를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 액정표시장치의 개략적인 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액정표시장치의 개략적인 단면도이다.
도 8 내지 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시장치의 제조 과정을 나타낸 단면도들이다.
도 11은 반응 시간을 달리하여 제조된 각 표본들에 대하여, 유리 기판과 ITO의 표면이 교대로 나타나는 부분에서 위치별로 상대 휘도(relative luminance)를 측정한 결과이다.
도 12는 각 표본들의 유리 기판 및 ITO 표면에 형성된 자기조립단층막 상에서 액정이 갖는 평균 선경사각을 계산한 결과이다.
도 13은 반응 시간을 2, 5, 9 및 30분으로 설정하여 제조된 표본들의 표면을 관찰한 것이다.
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.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)"로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시장치(10)의 개략적인 분해 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 액정표시장치(10)의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 액정표시장치(10)는 제1 표시기판(100), 소정의 셀갭을 유지하면서 제1 표시기판(100)과 이격되어 대향 배치된 제2 표시기판(200) 및 제1 표시기판(100)과 제2 표시기판(200) 사이에 개재된 액정층(300)을 포함한다.
제1 표시기판(100)과 제2 표시기판(200)은 각각 표시 영역(Ⅰ) 및 비표시 영역(Ⅱ)을 포함할 수 있다. 표시 영역(Ⅰ)은 이미지가 시인되는 영역이고, 비표시 영역(Ⅱ)은 표시 영역(Ⅰ)을 둘러싸도록 표시 영역(Ⅰ)의 주변부에 형성될 수 있는 영역으로서, 상기 이미지가 시인되지 않는 영역일 수 있다.
제1 표시기판(100)의 표시 영역(Ⅰ)에는 일 방향으로 연장된 복수의 게이트 라인(GL), 상기 일 방향에 수직인 방향으로 연장된 복수의 데이터 라인(DL)이 형성될 수 있다.
제1 표시기판(100)의 표시 영역(Ⅰ)에는 매트릭스 형태로 배열된 복수의 화소(PX)들이 게이트 라인(GL)과 데이터 라인(DL)에 의해 정의될 수 있고, 각 화소(PX)마다 화소 전극(180)이 배치될 수 있다.
각 화소(PX) 내에서는 2 이상의 도메인이 정의될 수 있도록 화소 전극(180)에 각 도메인마다 다른 패턴이 형성될 수 있다. 이에 대한 구체적인 내용은 후술하기로 한다.
제1 표시기판(100)의 비표시 영역(Ⅱ)에는 표시 영역(Ⅰ)의 각 화소(PX)에 게이트 구동 신호, 데이터 구동 신호 등을 제공하는 구동부(미도시)가 배치될 수 있다.
액정층(300)은 액정을 포함할 수 있다. 액정은 음의 유전율 이방성을 갖는 액정 분자들을 포함할 수 있다.
도 2를 참고하면, 제1 표시기판(100)은 제1 기판(110), 게이트 라인(GL), 게이트 전극(125), 게이트 절연막(130), 반도체층(140), 데이터 라인(DL), 소스 전극(152), 드레인 전극(155), 유기층(170), 화소 전극(180) 및 액정배향막(190)을 포함할 수 있다.
제1 기판(110)은 제1 표시기판(100)의 베이스 기판이다. 제1 기판(110)은 표시 영역(Ⅰ)과 비표시 영역(Ⅱ)을 포함할 수 있다. 제1 기판(110)은 유리 또는 플라스틱을 포함하는 투명한 절연 기판일 수 있다.
표시 영역(Ⅰ)의 제1 기판(110) 상에는 게이트 라인(GL) 및 그로부터 각 화소(PX) 내측 방향으로 분지된 게이트 전극(125)이 배치될 수 있다. 게이트 라인(GL)은 비표시 영역(Ⅱ)까지 연장될 수 있고, 비표시 영역(Ⅱ)에서 게이트 패드(미도시)와 연결될 수 있다. 게이트 라인(GL) 및 게이트 전극(125)은 알루미늄, 몰리브덴, 구리 또는 이들의 합금을 포함하는 도전성 금속으로 이루어질 수 있다.
제1 기판(110) 상에는 게이트 라인(GL) 및 게이트 전극(125)을 커버하는 게이트 절연막(130)이 배치될 수 있다. 게이트 절연막(130)은 비표시 영역(Ⅱ)에도 형성될 수 있다. 게이트 절연막(130)은 질화규소, 산화규소 또는 산질화규소 등을 포함하는 절연층으로 이루어질 수 있다.
표시 영역(Ⅰ)의 게이트 절연막(130) 상에는 반도체층(140)이 배치될 수 있다. 반도체층(140)은 게이트 전극(125)과 오버랩되도록 배치될 수 있다. 반도체층(140)은 비정질 실리콘, 다결정 실리콘 등을 포함하는 반도체로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지 않고 아연, 인듐, 갈륨, 하프늄 등의 산화물을 포함하는 반도체로 이루어질 수도 있다.
반도체층(140) 상에는 데이터 라인(DL), 데이터 라인(DL)으로부터 각 화소(PX) 내측 방향으로 분지된 소스 전극(152) 및 소스 전극(152)과 이격된 드레인 전극(155)이 배치될 수 있다. 데이터 라인(DL)은 비표시 영역(Ⅱ)까지 연장될 수 있고, 비표시 영역(Ⅱ)에서 데이터 패드(미도시)와 연결될 수 있다. 데이터 라인(DL), 소스 전극(152) 및 드레인 전극(155)은 알루미늄, 몰리브덴, 크롬, 탄탈륨, 티타늄, 기타 내화성 금속(refractory metal) 또는 이들의 합금을 포함하는 도전성 금속으로 이루어질 수 있다.
소스 전극(152)과 드레인 전극(155) 상에는 패시베이션막(160)이 배치될 수 있다. 패시베이션막(160)은 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산질화막 등을 포함하는 절연물질로 이루어질 수 있다.
패시베이션막(160) 상에는 유기층(170)이 배치될 수 있다. 유기층(170)은 제1 기판(110)의 상측을 평탄화하는 역할을 할 수 있다. 몇몇 실시예에서 유기층(170)은 유기절연물질로 이루어질 수 있다.
몇몇 다른 실시예에서 유기층(170)은 생략될 수도 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 유기층(170)이 배치된 경우를 예시로 설명한다.
패시베이션막(160) 및 유기층(170)에는 드레인 전극(155)과 화소 전극(180)을 접촉시키는 콘택홀(172)이 형성될 수 있다.
유기층(170) 상에는 게이트 라인(GL) 및 데이터 라인(DL)에 의해 정의된 각 화소(PX)마다 화소 전극(180)이 배치될 수 있다. 각 화소 전극(180)은 콘택홀(172)을 통해 드레인 전극(155)과 전기적으로 연결될 수 있다.
각 화소(PX)는 화소 전극(180)의 패턴에 의해 정의된 2 이상의 도메인이 형성될 수 있다. 화소 전극(180)의 패턴은 슬릿 패턴 또는 돌기 패턴일 수 있다. 슬릿 패턴은 화소 전극(180)이 형성되지 않는 공간(슬릿)에 의해 형성된 패턴이며, 돌기 패턴은 화소 전극(180)이 상부로 돌출된 부분(돌기)에 의해 형성된 패턴이다. 예시적인 도면에는 슬릿 패턴을 갖는 화소 전극(180)에 대해 도시되어 있다.
화소 전극(180)은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ZO(Zinc Oxide) 등과 같은 투명 도전성 물질로 이루어질 수 있다.
제1 표시기판(100)의 게이트 전극(125), 반도체층(140), 소스 전극(152) 및 드레인 전극(155)은 스위칭 소자인 박막트랜지스터(T)를 구성할 수 있다. 박막트랜지스터(T)의 제어단자인 게이트 전극(125)은 게이트 라인(GL)에 연결되고, 입력 단자인 소스 전극(152)은 데이터 라인(DL)에 연결되며, 출력 단자인 드레인 전극(155)은 콘택홀(172)을 통해 화소 전극(180)과 전기적으로 연결될 수 있다.
화소 전극(180)은 박막트랜지스터(T)를 통해 데이터 전압을 제공받을 수 있다. 화소 전극(180)은 공통 전극(250)과 함께 전계를 생성하여 그 사이에 배치된 액정층(300) 내 액정의 배향 방향을 제어할 수 있다.
화소 전극(180) 상에는 액정배향막(190)이 배치될 수 있다. 액정배향막(190) 상에는 액정을 포함하는 액정층(300)이 배치될 수 있다.
화소 전극(180)이 슬릿 패턴을 가질 경우, 액정배향막(190)은 슬릿(185) 상에 형성된, 다시 말하면 슬릿(185)과 중첩된 제1 영역(191) 및 화소 전극(180) 상에 형성된, 다시 말하면 화소 전극(180)의 본체와 중첩된 제2 영역(192)을 포함할 수 있다. 액정배향막(190)의 제1 영역(191)은 유기층(170)의 표면을 덮고, 제2 영역(192)은 화소 전극(180)의 표면을 덮을 수 있다.
제1 영역(191)과 제2 영역(192)은 서로 다른 표면 에너지 값을 가질 수 있다. 액정은 배향 과정에서 하부의 표면 에너지에 따라 배향되는 정도 및 속도가 달라지는 경향이 있다. 따라서, 액정 배향 공정 중에 제1 영역(191)과 제2 영역(192) 상에서 액정이 서로 다른 배향을 가질 때 그 공정을 중지하면, 제1 영역(191) 상의 공간과 제2 영역(192) 상의 공간에서 액정이 서로 다른 초기 배향 각도를 갖도록 고정시킬 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
액정배향막(190)은 자기조립단층막(Self-Assembly Monolayer; SAM)을 포함할 수 있다. 자기조립단층막은 하기 화학식 1로 표현되는 제1 자기조립 전구체 물질, 하기 화학식 2로 표현되는 제2 자기조립 전구체 물질 또는 이들의 혼합물로부터 제조될 수 있다.
<화학식 1>
Figure 112016055247419-pat00001
<화학식 2>
Figure 112016055247419-pat00002
상기 화학식 1 및 2에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 알킬기(alkyl group), 비닐기(vinyl group), 아크릴레이트(acrylate) 및 메타크릴레이트(methacrylate) 중 하나이고, n1 및 n2는 각각 독립적으로 1 내지 30 중 하나이며, X, Y 및 Z는 각각 독립적으로 Cl, OCH3 및 OC2H5 중 하나이다.
제1 및 제2 자기조립 전구체 물질의 예로서, 옥타데실트리클로로실란(Octadecyltrichlorosilane; OTS) 또는 옥타데실트리메톡시실란(Octadecyltrimethoxysilane; OTMS)을 들 수 있다.
제1 영역(191)과 제2 영역(192)의 표면 에너지를 조절하기 위한 일 실시예로서, 제1 영역(191)에 포함된 자기조립단층막의 농도와 제2 영역(192)에 포함된 자기조립단층막의 농도를 서로 다르게 구성할 수 있다. 이 경우, 제1 영역(191)과 제2 영역(192)에 포함된 자기조립단층막의 밀도 또는 제1 및 제2 영역(191, 192) 자체의 밀도가 서로 달라짐으로써, 제1 영역(191)과 제2 영역(192)의 표면 에너지가 서로 달라질 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 후술하기로 한다.
제2 표시기판(200)은 제2 기판(210), 차광층(220), 컬러필터층(230), 오버코트층(240) 및 공통 전극(250)을 포함할 수 있다.
제2 기판(210)은 제2 표시기판(200)의 베이스 기판이다. 제2 기판(210)은 표시 영역(Ⅰ)과 비표시 영역(Ⅱ)을 포함할 수 있다. 제2 기판(210)은 유리 또는 플라스틱을 포함하는 투명한 절연 기판일 수 있다.
제1 표시기판(100)을 향하는 제2 기판(210)의 일면 상에는 차광층(220)과 컬러필터층(230)이 배치될 수 있다. 차광층(220)은 블랙 매트릭스라고도 한다. 컬러필터층(230)은 표시 영역(Ⅰ) 내에서 각 화소(PX)에 대응되는 영역에 배치될 수 있다. 차광층(220)은 컬러필터층(230)이 형성되지 않은 부분에 배치될 수 있으며, 컬러필터층(230)의 일부와 중첩되도록 배치될 수도 있다. 차광층(220)은 비표시 영역(Ⅱ)의 제2 기판(210) 상에도 배치될 수 있다.
차광층(220)과 컬러필터층(230) 상에는 오버코트층(240)이 배치될 수 있다. 오버코트층(240)은 차광층(220) 및 컬러필터층(230)에 의해 형성된 단차를 완화하고 제2 기판(210)의 일면 상측을 평탄화할 수 있다. 오버코트층(240)은 유기절연물질을 포함할 수 있다. 오버코트층(240)은 경우에 따라 생략될 수 있다.
오버코트층(240) 상에는 공통 전극(250)이 배치될 수 있다. 공통 전극(250)은 화소(PX)의 구별에 관계없이 전체에 걸쳐 배치된 일체형 전극일 수 있다. 공통 전극(250)은 패턴이 없는 패턴리스(patternless) 전극일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 공통 전극(250)은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ZO(Zinc Oxide) 등과 같은 투명 도전성 물질로 이루어질 수 있다.
액정표시장치(10)는 제1 표시기판(100)의 하부에 배치되는 백라이트 유닛(미도시)을 더 포함할 수 있으며, 제1 표시기판(100)의 하부 및 제2 표시기판(200)의 상부에 배치되는 편광판(미도시) 등을 더 포함할 수 있다.
제1 표시기판(100)과 제2 표시기판(200)은 씰런트(sealant) 등을 포함하는 씰링 부재(310)에 의해 합착될 수 있다.
제2 표시기판(200)은 제1 표시기판(100)과는 달리 액정배향막을 포함하지 않을 수 있다. 이 경우, 제1 표시기판(100)의 액정배향막(190)과 제2 표시기판(200)의 공통 전극(250)이 액정층(300)을 사이에 두고 대향하게 된다.
도 3은 도 1의 액정표시장치의 한 화소(PX) 부분에 대한 개략적인 사시도이며, 도 4는 도 3의 A 부분의 확대도이다.
각 화소(PX)에는 2 이상의 도메인을 정의하는 패턴을 갖는 화소 전극(180)이 배치될 수 있다. 도 3에서는 4개의 도메인을 정의하는 슬릿 패턴을 갖는 화소(PX)를 도시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것이 아님은 물론이다.
도 3을 참조하면, 화소 전극(180)은 제1 방향(D1)으로 연장된 제1 줄기 전극(181), 제1 방향(D1)과 수직한 제2 방향(D2)으로 연장되며 제1 줄기 전극(181)과 교차하는 제2 줄기 전극(182) 및 제1 줄기 전극(181)과 제2 줄기 전극(182)으로부터 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)의 사선 방향으로 연장된 복수의 가지 전극(183)을 포함할 수 있다.
화소 전극(180)은 제1 줄기 전극(181) 및 제2 줄기 전극(182)에 의해 분할된 4개의 도메인이 정의될 수 있다. 가지 전극(183)들은 각 도메인별로 다른 방향으로 연장될 수 있다. 도면에서는 제1 및 제3 도메인(DM1, DM3)에 위치한 가지 전극(183)들과 제2 및 제4 도메인(DM2, DM4)에 위치한 가지 전극(183)들이 서로 다른 방향으로 연장된 것을 도시한다. 이웃하는 가지 전극(183)들 사이에는 슬릿(185)이 배치된다. 슬릿(185)은 화소(PX) 내에서 화소 전극(180) 물질이 채워지지 않은 공간으로서, 줄기 전극(181, 182) 및/또는 가지 전극(183)에 의해 적어도 일부가 둘러싸여 있다.
도 4에서는 전계가 생성되지 않은 상태의 한 도메인(DM3) 내에서 액정배향막(190) 상에 위치하는 액정 분자들(301, 302)을 예시한다. 액정배향막(190)은 화소 전극(180) 및 슬릿(185)에 의해 노출된 유기층(170)의 표면을 덮도록 형성될 수 있다. 액정 분자들(301, 302)은 액정배향막(190)의 제1 영역(191) 및 제2 영역(192) 상에 위치할 수 있다.
액정 분자의 방향자가 액정배향막(190) 표면에 대해 이루는 각도를 선경사각(pretilt angle)이라 하며, 액정 분자의 방향자의 액정배향막(190) 표면에 대한 성분이 가지 전극(183)이 연장되는 제4 방향(D4)과 이루는 각도를 방위각(azimuthal angle)이라 한다.
제1 영역(191)과 제2 영역(192)은 서로 다른 표면 에너지 값을 가질 수 있다. 액정은 배향 과정에서 하부의 표면 에너지에 따라 선경사각이 달라지는 경향이 있다. 따라서, 액정 배향 공정 중에, 제1 영역(191) 상의 액정 분자(301)는 선경사각(θ1)이 수직이 되도록 배향하고 제2 영역(192) 상의 액정 분자(302)는 선경사각(θ2)이 80도 내지 90도 사이의 값을 갖도록 배향할 때 그 공정을 중지함으로써 액정의 초기 배향을 제어할 수 있다. 도 4에는 제1 영역(191) 상의 액정 분자(301)는 선경사각(θ1)이 수직이 되도록 배향하고 제2 영역(192) 상의 액정 분자(302)는 선경사각(θ2)이 약 85도가 되도록 배향하는 것이 예시된다.
제2 영역(192) 상의 액정 분자(302)는 표면 에너지 값과 상관없이 일정한 방위각(φ1, φ2)을 가질 수 있다. 구체적으로, 제2 영역(192) 상의 액정 분자(302)는 가지 전극(183)이 연장되는 방향 즉, 제4 방향(D4)으로만 기울어져 배향할 수 있다. 특히, 도 4에 도시된 것처럼 방위각(φ1)이 0도인 액정 분자(302a)와 방위각(φ2)이 180도인 액정 분자(302b)가 존재할 수 있다.
액정층(300)이 개재된 제1 표시기판(100)과 제2 표시기판(200)을 합착한 후 최소 1회 이상 전계를 형성하면, 한 도메인 내의 제2 영역(192) 상에서 상기 두 종류의 액정 분자들(302a, 302b)은 동일한 방향으로 기울어지게 되며, 그 이후에는 전계가 제거되어도 액정 분자들이 동일한 방향의 배향을 유지할 수 있다.
이하, 액정 분자의 방위각이 표면 에너지 값과 관련 없이 결정되는 원리를 설명한다.
도 5는 액정 분자의 배향 원리를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 5의 (a)는 액정층(300)에 포함된 액정 분자들 중 제1 영역(191) 및 제2 영역(192) 상의 액정 분자들이 휨 변형(bond deformation)을 갖는 것을 나타낸 것이며, 도 5의 (b)는 액정층(300)에 포함된 액정 분자들 중 제1 영역(191) 및 제2 영역(192) 상의 액정 분자들이 비틀림 변형(twist deformation)을 갖는 것을 나타낸 것이다. 도 5의 (c)는 도 5의 (b)의 액정 분자들을 측면 방향(D)에서 바라본 것이다.
휨 변형 에너지는 비틀림 변형 에너지 보다 크기 때문에, 액정 분자들은 도 5의 (b)와 같은 비틀림 변형 상태의 배향을 취할 수 있다. 따라서, 액정 분자들의 방위각은 선경사각과 달리 제1 영역(191) 및 제2 영역(192)의 표면 에너지와 관련 없이 특정한 값을 가질 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 액정표시장치(20)의 개략적인 단면도이다.
액정표시장치(20)는 도 2의 액정표시장치(10)와 달리 별도의 액정배향막이 형성되지 않으며, 화소 전극(180_1)과 유기층(170_1)이 자외선(UV) 처리된 표면(171, 186)을 포함한다는 점에서 차이가 있으며, 이외의 구성은 도 1 및 도 2의 설명에서 상술한 바와 동일하다. 이하에서는 중복되는 내용은 생략하며, 차이점을 위주로 설명한다.
도 6을 참조하면, 화소 전극(180_1)의 표면과 슬릿(185_1)에 의해 노출된 유기층(170_1)의 표면을 자외선으로 처리함으로써, 별도의 액정배향막 없이 액정과 근접한 표면의 표면 에너지를 다르게 할 수 있다.
화소 전극(180_1)과 슬릿(185_1)에 의해 노출된 유기층(170_1)의 표면 에너지를 다르게 하기 위해 자외선에 노출시키는 시간을 조절하거나, 화소 전극(180_1)의 패턴과 동일한 패턴을 갖는 노광 마스크(미도시)를 사용할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 자외선 처리 이외의 물리·화학적인 방법을 사용하여 표면을 처리할 수도 있음은 물론이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액정표시장치(30)의 개략적인 단면도이다.
도 7의 액정표시장치(30)는 도 2의 액정표시장치(10)와 달리 공통 전극(250_1)도 슬릿 패턴을 가지며, 공통 전극(250_1) 상에 형성된 상부 액정배향막(270)을 더 포함한다는 점에서 차이가 있으며, 이외의 구성은 도 1 및 도 2의 설명에서 상술한 바와 동일하다. 이하에서는 중복되는 내용은 생략하며, 차이점을 위주로 설명한다.
도 7을 참조하면, 상부 액정배향막(270)은 슬릿(255)과 중첩된 제3 영역(193)과 공통 전극(250_1)과 중첩된 제4 영역(194)을 포함할 수 있다. 제3 영역(193)은 오버코트층(240) 표면을 덮도록 형성될 수 있고, 제4 영역(194)은 공통 전극(250_1) 표면을 덮도록 형성될 수 있다.
이때, 제3 영역(193)과 제4 영역(194)은 표면 에너지가 서로 다르게 형성될 수 있다. 따라서, 제2 표시기판(200_1)과 근접하게 위치한 액정의 배향도 제어할 수 있다. 이와 같은 액정표시장치(30)의 구조는 화소 전극 측에 위치한 액정과 공통 전극 측에 위치한 액정의 배향을 모두 제어하는 커브드(curved) 표시 장치의 제조에 활용될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시장치의 제조 방법에 대해 설명한다.
도 8 내지 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시장치의 제조 과정을 나타낸 단면도들이다.
도 8을 참조하면, 제1 기판(110) 상에 게이트 라인(GL), 게이트 전극(125), 게이트 절연막(130), 반도체층(140), 데이터 라인(DL), 소스 전극(152), 드레인 전극(155) 및 패시베이션막(160)을 형성한다. 상기 구조들을 형성하는 구체적인 방법들은 당업계에 공지되어 있으므로 본 발명이 모호해지는 것을 회피하기 위해 구체적인 설명은 생략한다.
이어, 패시베이션막(160) 상에 유기층(170)을 형성한다. 이후 유기층(170) 및 패시베이션막(160)에 콘택홀(172)을 형성한다.
이어, 유기층(170) 상에 금속층(180a)을 형성한다.
도 9를 참조하면, 이어, 금속층(180a)을 패터닝하여 화소 전극(180)을 형성한다. 화소 전극(180)은 유기층(170) 표면을 노출하는 슬릿(185)을 포함할 수 있으며, 슬릿(185)은 각 화소(PX) 내에서 2 이상의 도메인이 형성되도록 상기 도메인별로 다른 패턴을 가질 수 있다.
도 10을 참조하면, 이어, 화소 전극(180) 상에 액정배향막(190)을 형성하여 제1 표시기판(100)을 제조한다. 이때, 액정배향막(190) 중 화소 전극(180) 표면을 덮는 제1 영역(191)과 슬릿(185)에 의해 노출된 유기층(170) 표면을 덮는 제2 영역(192)의 표면 에너지는 액정의 배향을 제어하기 위해 서로 다르게 조절될 수 있다. 이에 대해서는 전술하였는바 보다 상세한 내용은 생략한다.
이어, 제1 표시기판(100)의 가장자리 측에 씰런트를 형성하고, 씰런트로 둘러싸인 공간 내에 액정층(300)을 형성한다. 이어, 씰런트를 매개로 제1 표시기판(100) 상에 제2 표시기판(200)을 합착하고 씰런트를 경화하여 씰링 부재(도 2의 310)을 형성함으로써 액정표시장치(10)를 제조한다. 이후 액정표시장치 모듈을 완성하기 위한 조립 공정 등을 추가로 진행할 수 있다.
다만, 액정층(300)의 형성 방법은 이외에도 다양하게 변경될 수 있다.
본 발명의 액정표시장치의 제조 방법은 액정이 배치되는 표면 에너지를 조절함으로써 액정의 배향을 제어할 수 있기 때문에, 반응성 메조겐을 주입하여 자외선을 노광하는 광 배향 등의 방법으로 액정의 초기 배향을 조절하는 공정을 생략할 수 있다.
액정배향막(190)을 형성하는 일 실시예로서, 화소 전극(180) 상에 자기조립단층막을 형성할 수 있다.
구체적으로, 화소 전극(180) 및 노출된 유기층(170) 표면에 자기조립 전구체 물질을 도포한다. 이때, 자기조립 전구체 물질이 반응하는 시간을 조절함으로써 자기조립단층막이 형성되는 밀도를 조절할 수 있다. 자기조립 전구체 물질은 화소 전극(180) 및 유기층(170) 표면의 작용기와 반응하여 화소 전극(180) 상에 자기조립단층막을 형성한다. 자기조립 전구체 물질은 상술한 화학식 A 및 B로 표현되는 화합물 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이어, 미반응된 자기조립 전구체 물질을 제거한다.
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 액정표시장치를 통해 액정의 초기 배향을 제어하는 원리를 뒷받침하기 위한 실험예에 대해 상세히 설명한다.
<액정표시장치의 표본 제조>
다음과 같이 액정의 배향을 제어할 수 있는 최소한의 구성들을 포함하는 액정표시장치(이하, 표본이라 함)들을 제조하였다.
먼저, 유리 기판 상에 ITO로 패턴을 형성하였다. 패턴은 도 3과 같은 구조로 형성하여 4개의 도메인으로 분할되도록 하였으며, 각 가지 전극의 폭은 약 2㎛로 형성하였다. 이어, 유리 기판과 ITO 표면에 전구체 물질인 옥타데실트리클로로실란을 도포하고, 소정 시간 동안 반응시켜 자기조립단층막을 형성한 후, 유리 기판을 세척하여 미반응된 전구체 물질을 제거하였다. 이때, 전구체 물질의 반응 시간을 각 표본 별로 달리하였다.
이어, 유리 기판 및 ITO 상에 액정을 주입하여 액정층을 형성하고, 유리 기판 하부에 백라이트 장치를 배치함으로써 액정표시장치의 표본들을 완성하였다.
<표본의 휘도 측정 및 표면 관찰>
도 11은 반응 시간을 달리하여 제조된 각 표본들에 대하여, 유리 기판과 ITO의 표면이 교대로 나타나는 부분에서 위치별로 상대 휘도(relative luminance)를 측정한 결과이다.
도 12는 도 11의 결과를 토대로 각 표본들의 유리 기판 및 ITO 표면에 형성된 자기조립단층막 상에서 액정이 갖는 평균 선경사각을 계산한 결과이다.
도 13은 반응 시간을 2, 5, 9 및 30분으로 설정하여 제조된 표본들의 표면을 관찰한 것이다.
도 11 내지 13을 참조하면, 반응 시간을 길게 설정할수록 형성되는 자기조립단층막의 농도 또는 밀도는 높아지는데, 유리 기판과 ITO 표면에서 자기조립단층막이 형성되는 속도는 서로 다르므로, 자기조립단층막 형성 공정 시간을 조절하여 액정이 위치하는 표면 에너지를 다르게 함으로써 액정의 배향을 제어할 수 있음을 알 수 있다.
수직 배향(VA) 모드의 표시 장치인 경우, 도 13에서 반응 시간을 9분으로 설정한 경우의 배향처럼 액정이 초기 배향하도록 공정 시간을 조절하면, 별도의 액정 배향 공정을 수행하지 않고도 액정의 초기 배향을 설정할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 액정표시장치
100: 제1 표시기판
200: 제2 표시기판
300: 액정층
Ⅰ: 표시 영역
Ⅱ: 비표시 영역
PX: 화소
GL: 게이트 라인
DL: 데이터 라인

Claims (20)

  1. 제1 기판;
    상기 제1 기판 상에 배치된 박막 트랜지스터;
    상기 제1 기판 상에 배치되며, 상기 박막 트랜지스터를 덮는 유기층;
    상기 유기층 상에 배치되며 상기 유기층 표면을 노출하는 슬릿이 정의되고, 상기 유기층을 관통하는 컨택홀을 통해 상기 박막 트랜지스터와 연결된 화소 전극; 및
    상기 화소 전극 상에 배치된 액정 분자들로서, 상기 화소 전극 표면과 상기 슬릿에 의해 노출된 상기 유기층 표면에 직접 접촉하는 액정 분자들을 포함하며,
    상기 화소 전극 표면의 표면 에너지와 상기 슬릿에 의해 노출된 상기 유기층 표면의 표면 에너지는 상이하고,
    상기 액정 분자들의 상기 슬릿에 의해 노출된 상기 유기층 표면 상에서의 배향 방향은 상기 유기층 표면과 수직을 이루는 액정표시장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 액정 분자들의 상기 슬릿에 의해 노출된 상기 유기층 표면 상에서의 평균 배향 방향과 상기 화소 전극 표면 상에서의 평균 배향 방향은 상기 제1 기판 표면과 이루는 각도가 서로 다른 액정표시장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 액정 분자들의 배향은,
    제1 배향; 및
    상기 제1 배향 방향에 대해 상기 화소 전극 표면과 이루는 각도는 같고 상기 화소 전극 표면에 수평한 방향과 이루는 각도는 180도 차이나는 방향을 갖는 제2 배향을 포함하는 액정표시장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 배향 및 제2 배향을 갖는 액정 분자들은 상기 화소 전극 표면 상에 위치하는 액정표시장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 슬릿은 2 이상의 도메인이 형성되도록 상기 각 도메인별로 다른 패턴을 갖는 액정표시장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 화소 전극 표면 상에 위치하는 상기 액정 분자들의 평균 배향 방향은 상기 각 도메인별로 다른 액정표시장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 화소 전극 표면과 상기 슬릿에 의해 노출된 상기 유기층 표면은 각각 자외선 처리된 액정표시장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제1 기판 상에 복수의 화소가 정의되도록 게이트 라인 및 데이터 라인을 형성하는 단계;
    상기 데이터 라인 및 게이트 라인 상에 유기층을 형성하는 단계;
    상기 유기층 상에 금속층을 형성하는 단계;
    상기 금속층의 일부를 식각하여 상기 유기층 표면을 노출하는 슬릿을 형성하는 단계;
    상기 금속층 표면과 상기 슬릿에 의해 노출된 상기 유기층 표면이 서로 다른 표면 에너지를 갖도록 표면 처리하는 단계; 및
    상기 금속층 표면과 상기 슬릿에 의해 노출된 상기 유기층 표면에 직접 접촉하는 액정 분자들을 포함하는 액정층을 형성하는 단계를 포함하는 액정표시장치의 제조방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 표면 처리하는 단계는 자외선 조사 단계를 포함하는 액정표시장치의 제조방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 자외선 조사 단계는 상기 금속층과 동일한 패턴을 갖는 노광 마스크를 사용하여 진행되는 액정표시장치의 제조방법.
  18. 삭제
  19. 제15 항에 있어서,
    상기 슬릿에 의해 노출된 상기 유기층 표면 상에서의 액정 분자들의 배향 방향은 상기 유기층 표면과 수직을 이루는 액정표시장치의 제조방법.
  20. 제15 항에 있어서,
    상기 슬릿은 상기 화소마다 2 이상의 도메인이 형성되도록 상기 각 도메인별로 다른 패턴을 갖도록 형성하는 액정표시장치의 제조방법.
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