KR19990026579A - 유기 절연막을 이용한 다중 영역 수직 배향 비틀린 네마틱 액정표시 장치 - Google Patents

유기 절연막을 이용한 다중 영역 수직 배향 비틀린 네마틱 액정표시 장치 Download PDF

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Abstract

수직 배향 액정 표시 장치의 박막 트랜지스터 기판 또는 컬러 필터 기판에 유기 절연막을 도포하고 줄무늬 패턴이 형성된 마스크를 이용하여 노광, 현상한다. 유기 절연막의 경우 현상 또는 식각 과정에서의 해상도가 떨어지기 때문에, 형성되는 패턴은 물결 모양이 된다. 액정 분자는 유기 절연막의 표면에 수직으로 배열되려는 경향을 가지고 있으므로 물결 모양으로 형성된 유기 절연막의 골 또는 마루의 양쪽에서 액정 분자의 기울어지는 방향이 반대로 된다. 따라서 골 또는 마루의 양쪽 영역의 광학 특성이 서로 보상되어 광시야각을 실현할 수 있다.

Description

유기 절연막을 이용한 다중 영역 수직 배향 비틀린 네마틱 액정 표시 장치
이 발명은 다중 영역 수직 배향 비틀린 네마틱 액정 표시 장치에 관한 것이다.
일반적으로 액정 표시 장치는 두 장의 기판 사이에 액정을 주입하고, 여기에 가하는 전장의 세기를 조절하여 광 투과량을 조절하는 구조로 되어 있다.
비틀린 네마틱(twisted-nematic ; TN) 방식의 액정 표시 장치는, 안쪽면에 투명 전극이 형성되어 있는 한 쌍의 투명 기판, 두 투명 기판 사이의 액정 물질, 각각의 투명 기판의 바깥면에 부착되어 빛을 편광시키는 두 장의 편광판으로 구성된다. 전기장을 인가하지 않은 상태에서는 두 기판 사이에 채워진 액정 분자들이 기판에 평행하며 일정한 피치(pitch)를 가지고 나선상으로 꼬여 있어 액정 분자의 장축의 방향이 연속적으로 변화되는 비틀린 구조를 가진다.
액정은 분자의 장축 방향과 단축 방향으로의 굴절률이 서로 다른 복굴절성을 갖는데, 이 복굴절성에 의해 액정 표시 장치를 보는 위치에 따라 빛이 느끼는 굴절률이 차이가 생기므로 선편광된 빛이 액정을 통과하면서 편광 상태가 바뀌는 비율에 차이가 생겨 정면에서 벗어난 위치에서 볼 때의 빛의 양과 색특성이 정면에서 볼 경우와는 달라진다. 따라서 비틀린 네마틱 구조를 갖는 액정 표시 장치는 시야각에 따라 대비비(contrast ratio)의 변화, 색상 전이(color shift), 계조 반전(gray inversion) 등의 현상이 발생한다.
이러한 문제를 해결하기 위해 화소를 이분할하거나 화소 단위별 러빙을 하여 시야각을 향상시킨 영역 분할 TN(DDTN;domain devided TN) LCD, 2분할 TN(TDTN;two domain TN) LCD 등이 보고되었으나, 1번의 러빙 공정이 추가되는 등 공정이 복잡하고, 어두운 상태의 휘도가 증가하여 대비비가 급격히 감소하는 문제점이 보고되고 있다.
한편, 기존의 TN-LCD와는 다른 음의 유전 이방성을 갖는 액정을 사용한 수직 배향 TN-LCD(VATN-LCD;vertically aligned TN-LCD)가 미국 특허 제3,914,022호에서 제안되었고, Eurodisplay '93 pp.158 - 159에서도 Takahashi 등에 의해 제안되었다.
수직 배향 액정 표시 장치에서 전기장이 인가되지 않은 상태의 액정 분자는 두 기판에 대하여 수직으로 배향되어 있으므로 노멀리 블랙 모드(normally black mode)에서 충분히 어두운 상태가 만들어지고 따라서 대비비는 좋아진다. 그러나, 수직 배향 액정 표시 장치에서도 시야각이 충분히 넓지 않다는 문제점이 있다.
본 발명의 과제는 VATN-LCD를 이용하여 단순한 공정으로 다중 영역 액정 표시 장치를 제조할 수 있는 새로운 방법을 제공하는 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유기 절연막을 이용한 다중 영역 수직 배향 액정 표시 장치의 단면도이고,
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판을 제조하는 과정을 도시한 단면도이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 기판을 제조할 때 사용되는 마스크를 나타낸 것이고,
도 5는 유기 절연막의 노광 및 현상 특성을 나타낸 것이고,
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판을 제조하는 과정을 도시한 단면도이고,
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 실시예에 따른 컬러 필터 기판을 제조하는 과정을 도시한 단면도이다.
위와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 유기 절연막을 요철 모양으로 패터닝하여 다중 영역 수직 배향 액정 표시 장치를 형성한다.
유기 절연막 패턴은 박막 트랜지스터 기판과 컬러 필터 기판 중 어느 쪽에 형성하여도 관계없으며, 사진 공정이 가능한 유기 절연막을 쓸 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다.
이 때 형성되는 유기 절연막 패턴의 간격은 3.0 - 6.0 ㎛ 정도가 적당하며, 패턴의 높이는 2.0㎛ 이하가 좋다.
이제 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 단면이 도 1에 나타나 있다. 도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치는 박막 트랜지스터(11)와 화소 전극(12)이 형성되어 있는 하판(10)과 컬러 필터(26)와 블랙 매트릭스(27)가 형성되어 있는 상판(20) 및 두 기판(10, 20) 사이에 주입되어 있는 수직 배향 액정 물질(30)로 이루어진다.
하판(10)에는 박막 트랜지스터(11)와 화소 전극(12) 위에 유기 절연막(13)이 형성되어 있다. 이 유기 절연막(13)은 박막 트랜지스터(11)가 형성되어 있는 부분에서는 평탄하게 형성되어 있고, 화소 전극(12)이 형성되어 있는 부분에서는 물결 모양으로 형성되어 있다.
두 기판(10, 20) 사이에 주입되어 있는 수직 배향 액정 물질(30)은 유기 절연막(13)의 표면에 대해 수직으로 배열되려는 경향을 갖고 있으므로 물결 모양 유기 절연막 패턴의 골 또는 마루의 양쪽에서 액정 분자의 배열 방향이 반대로 된다. 따라서 두 영역의 광학적 특성이 서로 보상되므로 광시야각을 실현할 수 있다. 유기 절연막이 액정 분자의 배열 방향을 정해 주는 배향막의 역할을 하므로 따로 배향막을 형성할 필요가 없다.
이러한 유기 절연막 패턴은 박막 트랜지스터 기판 외에 컬러 필터 기판에도 형성될 수 있다.
도 2는 컬러 필터 기판에 유기 절연막 패턴을 형성한 수직 배향 액정 표시 장치를 나타내는 단면도이다.
컬러 필터(26)와 블랙 매트릭스(27)가 형성되어 있는 기판 위에 유기 절연막(23)이 형성되어 있으며, 이 유기 절연막(23)은 블랙 매트릭스(27) 위에서는 평탄하게 형성되어 있고, 컬러 필터(26) 위에서는 물결 모양으로 형성되어 있다. 박막 트랜지스터 기판에 유기 절연막을 형성한 경우와 같이, 유기 절연막의 영향으로 액정 분자의 배열 방향은 유기 절연막의 골 또는 마루의 양쪽에서 다르게 된다. 나머지 구조는 박막 트랜지스터 기판에 유기 절연막 패턴을 형성한 경우와 유사하다.
이제, 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치를 제조하는 방법을 설명한다. 먼저 박막 트랜지스터 기판에 유기 절연막을 패터닝하여 다중 영역 수직 배향 액정 표시 장치를 구현하는 방법을 도 3a 내지 도 3c를 참고로 하여 설명한다.
도 3a에 나타난 바와 같이, 박막 트랜지스터(11)와 화소 전극(12)이 형성되어 있는 기판에 유기 절연막(13)을 도포한다. 이 때 유기 절연막(13)의 두께는 0.3 - 3.0 ㎛ 정도로 한다. 이 때 사용되는 유기 절연막은 사진 공정이 가능한 재료를 쓸 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다. 예를 들면 아크릴 오버코트(일본 JSR 사, 모델 번호 PC303) 등을 쓸 수 있다.
다음, 도 3b에 나타난 바와 같이, 마스크(40)를 사용하여 노광한다.
도 4에 이 때 사용되는 마스크 패턴이 도시되어 있다. 도 4는 하나의 화소에 해당하는 마스크 패턴을 나타낸 것이다. 도 4에 나타난 바와 같이, 도 3b의 박막 트랜지스터(11)가 형성되어 있는 부분에 대응하는 부분 (a)는 유기 절연막(13)이 그대로 남아 있도록 유기 절연막(13)을 노출시키지 않고, 화소 전극(12)이 형성되어 있는 화소의 표시부 쪽에 줄무늬가 생기도록 마스크 패턴을 형성한다. 이 때 줄무늬 패턴의 간격은 3 - 6 ㎛ 가 적당하다.
도 3b의 경우는 사진 공정이 가능한 유기 절연막을 사용한 경우를 도시한 것이다. 사진 공정이 가능한 유기 절연막을 사용할 경우 별도의 포토 레지스트를 도포할 필요 없이 바로 노광하여 패턴을 형성할 수 있다.
다음, 노광한 기판을 현상한다. 유기 절연막의 경우는 노광 및 현상시 해상력(resolution)이 떨어지므로 패턴이 계단 형태로 형성되지 않고, 도 5에 나타난 것처럼 곡선으로 형성된다. 따라서 줄무늬 패턴이 형성된 마스크를 사용하여 노광, 현상하면 도 3c에 나타난 것처럼 물결 모양의 유기 절연막 패턴이 형성된다.
형성된 물결 모양 패턴의 골과 골 또는 마루와 마루 사이의 간격은 사용한 마스크의 줄무늬 패턴의 간격과 동일하며 3 - 6 ㎛가 적당하다. 그리고, 마루와 골 사이의 높이의 차는 2.0㎛ 이하가 좋다.
또한, 이와 같이 유기 절연막 패턴을 이용하면 매우 미세한 다중 영역을 갖는 액정 표시 장치를 구현할 수 있다. 다만, 유기 절연막 패턴의 골 또는 마루 부분에서 빛샘이 발생할 수 있으므로 노멀리 블랙 모드(normally black mode)를 사용하는 것이 좋다.
사진 공정이 가능한 유기 절연막이 아닌 경우에는 도 6a에 나타난 바와 같이 유기 절연막(13)의 상부에 포토 레지스트(50)를 도포한 후 마스크(40)를 사용하여 노광한다. 다음 포토 레지스트를 현상하고(도 6b), 유기 절연막(13)을 건식 또는 습식 식각한다(도 6c). 마지막으로 남은 포토 레지스트를 제거하고 나면, 도 3c와 같은 패턴된 유기 절연막을 갖는 박막 트랜지스터 기판이 완성된다.
동일한 유기 절연막 패턴을 컬러 필터 기판 쪽에 구현할 수도 있다. 컬러 필터 기판 쪽에 유기 절연막 패턴을 형성하는 과정이 도 7a 내지 도 7c에 나타나 있다.
도 7a에 나타난 바와 같이, 블랙 매트릭스(27)와 컬러 필터(26)를 형성하여 컬러 필터 기판을 완성한 후 유기 절연막(23)을 도포한다. 이 때 사용되는 유기 절연막의 종류와 두께 등은 박막 트랜지스터 기판에 유기 절연막 패턴을 형성하는 경우와 유사하다.
다음 마스크(40)를 사용하여 노광하고, 현상한다. 도 7b에는 사진 공정이 가능한 유기 절연막을 사용한 경우를 나타낸 것이고, 유기 절연막이 사진 공정이 가능하지 않은 종류의 것인 경우는 박막 트랜지스터 기판에 유기 절연막 패턴을 형성할 때와 유사하게 유기 절연막 위에 포토 레지스트를 도포하고, 노광, 현상한 후 유기 절연막을 건식 또는 습식 식각한 다음 남은 포토 레지스트를 제거한다.
이렇게 하여 완성한 기판의 유기 절연막 패턴이 도 7c에 나타나 있다. 줄무늬 패턴의 간격과 높이 등은 박막 트랜지스터 기판에 유기 절연막 패턴을 형성한 경우와 유사하다.
본 발명의 실시예에서와 같이, 유기 절연막을 이용하여 다중 영역 수직 배향 액정 표시 장치를 형성함으로써 시야각을 넓힐 수 있고 공정이 단순해진다.

Claims (25)

  1. 박막 트랜지스터와 화소 전극이 형성되어 있는 투명한 절연 기판.
    상기 기판 위에 형성되어 있는 유기 절연막을 포함하며,
    상기 유기 절연막은 상기 박막 트랜지스터가 형성되어 있는 부분에서는 평탄하게 형성되어 있으며, 상기 화소 전극이 형성되어 있는 부분에서는 다수의 요철을 갖는 형태로 형성되어 있는 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 기판.
  2. 제1항에서,
    상기 화소 전극이 형성되어 있는 부분에서 상기 유기 절연막은 물결 모양을 이루고 있는 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 기판.
  3. 제2항에서,
    상기 물결 모양의 골과 골 또는 마루와 마루 사이의 간격은 3 - 6 ㎛ 인 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 기판.
  4. 제3항에서,
    상기 물결 모양의 골과 마루의 높이 차는 2.0㎛ 이하인 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 기판.
  5. 제1항에서,
    상기 유기 절연막은 사진 공정이 가능한 재료로 이루어진 액정 표시 장치용 박막 트랜지스터 기판.
  6. 컬러 필터와 블랙 매트릭스가 형성되어 있는 투명한 절연 기판.
    상기 기판 위에 형성되어 있는 유기 절연막을 포함하며,
    상기 유기 절연막은 상기 블랙 매트릭스가 형성되어 있는 부분에서는 평탄하게 형성되어 있으며, 상기 컬러 필터가 형성되어 있는 부분에서는 다수의 요철을 갖는 형태로 형성되어 있는 액정 표시 장치용 컬러 필터 기판.
  7. 제6항에서,
    상기 컬러 필터가 형성되어 있는 부분에서 상기 유기 절연막은 물결 모양을 이루고 있는 액정 표시 장치용 컬러 필터 기판.
  8. 제7항에서,
    상기 물결 모양의 골과 골 또는 마루와 마루 사이의 간격은 3 - 6 ㎛ 인 액정 표시 장치용 컬러 필터 기판.
  9. 제8항에서,
    상기 물결 모양의 골과 마루의 높이 차는 2.0㎛ 이하인 액정 표시 장치용 컬러 필터 기판.
  10. 제6항에서,
    상기 유기 절연막은 사진 공정이 가능한 재료로 이루어진 액정 표시 장치용 컬러 필터 기판.
  11. 박막 트랜지스터와 화소 전극이 형성되어 있는 제1 기판,
    블랙 매트릭스와 컬러 필터가 형성되어 있는 제2 기판,
    상기 제1 기판과 제2 기판 사이에 주입되어 있는 수직 배향 액정 물질,
    상기 제1 기판 또는 제2 기판 중 하나에 형성되어 있는 유기 절연막을 포함하며,
    상기 유기 절연막은 상기 박막 트랜지스터 또는 블랙 매트릭스가 형성되어 있는 부분에서는 평탄하게 형성되어 있으며, 상기 화소 전극 또는 컬러 필터가 형성되어 있는 부분에서는 다수의 요철을 갖는 형태로 형성되어 있는 액정 표시 장치.
  12. 제11항에서,
    상기 화소 전극 또는 컬러 필터가 형성되어 있는 부분에서 상기 유기 절연막은 물결 모양으로 형성되어 있는 액정 표시 장치.
  13. 제12항에서,
    상기 유기 절연막이 물결 모양을 이루고 있는 부분에서 골과 골 또는 마루와 마루 사이의 간격은 3 - 6 ㎛ 인 액정 표시 장치.
  14. 제13항에서,
    상기 유기 절연막이 물결 모양을 이루고 있는 부분에서 골과 마루의 높이 차는 2.0㎛ 이하인 액정 표시 장치.
  15. 제11항에서,
    상기 유기 절연막은 사진 공정이 가능한 재료로 이루어진 액정 표시 장치.
  16. 액정 표시 장치용 기판 위에 유기 절연막을 도포하는 단계,
    상기 유기 절연막을 다수의 요철을 가진 형태로 패터닝하는 단계를 포함하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  17. 제16항에서,
    상기 유기 절연막을 패터닝하는 단계는 상기 유기 절연막을 물결 모양으로 형성하는 단계인 액정 표시 장치의 제조 방법.
  18. 제17항에서,
    상기 기판은 박막 트랜지스터와 화소 전극이 형성되어 있는 기판인 액정 표시 장치의 제조 방법.
  19. 제18항에서,
    상기 유기 절연막을 패터닝하는 단계는 상기 박막 트랜지스터가 형성되어 있는 부분의 유기 절연막은 평탄하게 형성하고, 상기 화소 전극이 형성되어 있는 부분의 유기 절연막을 물결 모양으로 형성하는 단계인 액정 표시 장치의 제조 방법.
  20. 제17항에서,
    상기 기판은 컬러 필터와 블랙 매트릭스가 형성되어 있는 기판인 액정 표시 장치의 제조 방법.
  21. 제20항에서,
    상기 유기 절연막을 패터닝하는 단계는 상기 블랙 매트릭스가 형성되어 있는 부분의 유기 절연막은 평탄하게 형성하고, 상기 컬러 필터가 형성되어 있는 부분의 유기 절연막을 물결 모양으로 형성하는 단계인 액정 표시 장치의 제조 방법.
  22. 제19항 또는 제21항에서,
    상기 유기 절연막은 사진 공정이 가능한 재료로 형성하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  23. 제19항 또는 제21에서,
    상기 유기 절연막을 패터닝하는 단계는,
    줄무늬 패턴이 형성된 마스크를 사용하여 상기 유기 절연막을 노광하는 단계,
    상기 유기 절연막을 현상하는 단계를 포함하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  24. 제19항 또는 제21항에서,
    상기 줄무늬 패턴의 간격은 3 - 6 ㎛ 로 형성하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  25. 제24항에서,
    상기 유기 절연막 패턴의 골과 마루에서의 높이 차는 2.0㎛ 이하로 형성하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
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