KR20010083303A - 광시야각 액정표시장치 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액정표시장치에 관한 것이며, 특히 광시야각을 갖는 액정표시장치에 관한 것으로, 광경화성 고분자를 혼합한 수직배향모드 액정분자에 자기장을 인가하여 액정분자를 기울어지게 한 상태에서, 자외선을 조사하면 상기 고분자는 상기 기울어진 액정분자를 지지하며 네트워크상을 형성한다.

따라서, 이러한 방법으로 대칭적인 배열을 갖는 액정셀을 제작할 수 있으므로, 간단한 공정으로 멀티도메인을 형성할 수 있다.

또한, 수직배향모드 액정을 사용하므로 빠른 응답특성을 갖는 광시야각 액정표시장치를 제작할 수 있다.

Description

광시야각 액정표시장치 제조방법{method for fabricating Liquid crystal display device with wide viewing angle}

본 발명은 액정표시장치 제조방법에 관한 것으로, 상세히 설명하면 광 시야각 액정표시장치(wide viewing angle liquid crystal display device)제조방법에 관한 것이다.

최근 정보화 사회로 시대가 급진전함에 따라, 대량의 정보를 처리하고 이를 표시하는 디스플레이(display)분야가 발전하고 있다.

근대까지 브라운관(cathode-ray tube ; CRT)이 표시장치의 주류를 이루고 발전을 거듭해 오고 있으며, 최근 들어 소형화, 경량화, 저소비전력화 등의 시대상에 부응하기 위해 평판 표시소자(Flat panel display)의 필요성이 대두되었다. 이에 따라, 색 재현성이 우수하고 박형인 박막트랜지스터형 액정표시소자(Thin film transistor-liquid crystal display ; 이하 TFT-LCD라 한다)가 개발되었고 또한, 상기 액정표시소자의 크기가 점차적으로 대면적화 되어가고 있는 추세이다.

여기서 액정표시장치의 구성을 개략적으로 살펴본다.

도 1 은 일반적인 컬러액정표시장치를 도시한 분해 사시도이다.

도시한 바와 같이, 일반적인 액정표시장치(11)는 블랙매트릭스(6)를 포함하는 컬러필터(7)와, 상기 컬러필터(7) 상에 투명한 공통전극(18)이 형성된 상부기판(5)과, 화소영역(P)과 화소영역 상에 형성된 화소전극(17)과, 스위칭소자(T)를 포함한 어레이배선이 형성된 하부기판(22)으로 구성되며, 상기 상부기판(5)과 하부기판(22) 사이에는 액정(14)이 충진되어 있다.

상기 하부기판(22)은 어레이기판이라고도 하며, 스위칭 소자인 박막트랜지스터(T)가 매트릭스형태(matrix type)로 위치하고, 이러한 다수의 박막트랜지스터를 교차하여 지나가는 게이트배선(13)과 데이터배선(15)이 형성된다.

이때, 상기 화소(P)영역은 상기 게이트배선(13)과 데이터배선(15)이 교차하여 정의되는 영역이다.

상기 화소전극(17)은 인듐-틴-옥사이드(indium-tin-oxide : ITO)와 같이 빛의 투과율이 비교적 뛰어난 투명도전성 금속을 사용한다.

전술한 구성에서 근래에 주로 사용되고 있는 액정셀은 트위스트 네마틱액정(twisted nematic)셀로서, 이러한 TN액정셀을 이루는 액정분자들은 가늘고 긴 막대모양을 가지며 일정한 피치(pitch)를 가지고 나선상으로 꼬여있어 액정분자의 장축의 배열방위가 연속적으로 변화되는 뒤틀린 구조를 갖는다.

이러한 구조의 비틀린 네마틱방식의 장치에서는 입사한 편광빛이 분자의 장축과 단축의 배열에 따라 각기 다른 광시야각적 특성을 나타낸다.

액정표시장치의 시야각은 나선구조의 액정분자들의 장축을 따라 형성되므로, 보는 각도에 따라 분자의 장축이 변하게 된다.

이러한 액정표시장치에서는 수평방향에 대해서 대략 +45에서 -45 범위의 대칭적인 시야각을 가지며 수직방향에 대해서는 -15에서 5도 사이로 시야각이 제한되며 특히, 셀의 중심에서의 액정경사 방위와 시야각이 일치하는 방향에서는 계조반전(grey level)현상이 나타난다.

따라서, 수평방향의 시야각에 대해서는 광투과율이 비교적 대칭적으로 분포하지만 상하방향에 대해서는 광투과율이 비대칭적으로 분포하기 때문에 상하방향의시야각에서는 이미지가 반전되는 범위가 발생하여 시야각이 좁아지는 문제가 있다.

따라서, 액정표시장치가 대형화 되어감에 따라 무엇보다도 중요하게 대두되고 있는 것은 상기 액정표시장치의 시야각(viewing angle)특성과 빠른 응답특성이다.

전술한 광시야각 특성을 갖는 액정모드는 근래에 개발되고 있는 횡전계방식모드(In-plane-switching mode : IPS)와 수직 배향모드(vertically aligned mode)등을 예로 들 수 있다.

상기 IPS 모드는 동일한 기판에 공통전극과 화소전극이 소정간격 이격하여 형성된 구조이며, 상기 화소전극과 공통전극 사이에 분포하는 횡전계에 의해 보는 방향에 따라 액정분자의 굴절율의 변화가 작으므로 시야각이 개선된다.

그러나, 상기 IPS 모드는 단일 화소 상에 공통전극과 화소전극이 동시에 형성되므로, 액정패널의 개구율이 감소하고 휘도특성이 좋지 않으며, 응답속도가 느린 단점이 있다.

반대로, 상기 수직배향 모드는 액정의 대칭적인 배열이 용이하며, 광시야각과 빠른 응답특성을 갖는다.

이와 같은 수직배향모드를 사용하여 멀티도메인을 형성하기 위한 도메인 분할기술은 다양하게 구사되며, 예를 들면 부수전극(side electrode)이나, 슬릿(slit)이나 돌기(rib)를 사용하여 단일화소영역에서 도메인 분할을 시도하였다.

이하 도 2a 내지 도 2b를 참조하여 설명한다.

도 2a는 전압이 인가되었을 경우, 종래의 수직배향 모드를 갖는 액정표시장치를 나타낸 개략적인 단면도이다.

도시한 바와 같이, 상부기판(31)과 하부기판(33) 사이에는 수직 배향모드의 액정셀(35)이 위치하고, 상기 하부기판(33)에는 소정간격 이격하여 돌출된 다수의 돌기(37)를 형성한다.

상기 돌기(37)는 폴리이미드와 같은 고분자 절연물질을 사용하였으며, 포토리소그라피(photo-lithography)공정을 이용하여 패턴할 수 있다.

상기 하부기판(33)은 상기 상부기판(31)과 마주보는 면에 배향막(39b)과 돌기(37)를 형성하며 이때, 상기 돌기(37)를 형성하기 전 폴리이미드와 같은 고분자 물질을 도포하여 배향막(39b)을 형성한다.

그리고, 상기 하부기판(33)의 바깥면에는 하부 편광판(43)이 위치한다.

또한, 상기 하부기판(33)과 마주보는 상기 상부기판(31)의 일면에는 배향막(39a)과 공통전극(41)이 형성되고, 바깥면은 상부 편광판(45)과 기타의 셀(미도시)이 구성된다.

상기 상/하부기판(31)(33)에 각각 도포된 배향막(39a)(39b)은 상기 액정셀(35)의 액정분자(35a)가 상/하부기판(31)(33)에 안정하게 배열될 수 있도록 배향규제력(anchoring energy)을 제공한다.

도시한 바와 같이, 전압이 인가되지 않았을 경우, 수직배향한 액정분자(35a)는 하부로부터 입사되는 빛을 편광(polarization)시키지 않고, 상부기판(31)과 하부기판(33)에 직교하여 위치한 상기 각 편광판(43)(45)에 의해 암상태(dark state)를 나타낸다.

즉, 하부 편광판(43)의 투과축 방향과 평행한 성분의 빛은 상기 수직배향한 액정셀(35)을 그대로 통과하여, 상기 하부 편광판(43)과 수직한 투과축 방향을 가지는 상기 상부 편광판(45)에 흡수된다.

반대로, 도 2b에 도시한 바와 같이 전압이 인가되었을 경우, 상기 수직배향된 액정분자(35a)의 기울기 방향은 상기 돌기(37)의 주변에 위치하여 소정의 기울기를 가지고 배열되는 액정분자에 의해 결정된다.

따라서, 상기 돌기(37)와 돌기 사이에는 서로 대칭적인 배열을 갖는 분자 집합체(A)(B)가 존재하게 된다. 결국 상기 돌기(37)와 돌기사이의 영역은 2 도메인(A)(B)으로 분할된다.

이와 같이, 대칭적으로 배열된 액정분자(35a)에 입사되는 빛은 편광되어 직교하는 위치하는 편광판(43)(45)을 통과하게 되며, 액정패널은 백상태(white state)가 된다. 이때 액정패널은 전술한 바와 같은 액정의 대칭 배향특성에 의해 광시야각을 갖게 된다.

앞서 설명한 돌기를 형성하거나 돌기 대신 화소전극에 슬릿을 형성하는 멀티도메인 분할 기술을 이용하면 액정표시장치의 광시야각 특성은 가능하나, 이러한 도메인 분할 기술들은 복잡한 공정을 거쳐야 하므로 액정표시장치를 제작하는 데 있어서 수율(yield)을 저하시키는 문제가 있다.

전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 단순한 공정으로 광시야각과 빠른 응답특성을 갖는 액정표시장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 액정표시장치를 개략적으로 도시한 분해 사시도이고,

도 2a 내지 도 2b는 종래의 멀티도메인 액정표시장치의 도메인 구성을 도시한 단면도이고,

도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 멀티도메인 구성을 도시한 공정단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>

121a : 액정분자 131 : 액정표시장치

133 : 자기장 135 : 포토마스크

137 : 자외선 139 : 고분자 네트워크

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액정표시장치 제조방법은 마주보는 면에 배향막이 도포된 상부기판과 하부기판을 소정의 갭을 두고 합착하는 단계와; 상기 상부기판과 하부기판 사이에 광경화성 고분자를 포함한 수직배향모드의 액정을 충진하는 단계와; 상기 상부기판과 하부기판 중 하나의 바깥면에 소정의 패턴을 가지는 포토마스크를 배치하는 단계와; 상기 합착된 상부기판과 하부기판에 대해 소정각도를 이루는 자기장을 인가하는 단계와; 상기 자기장이 인가된 상태에서 상기 포토마스크가 배치된 기판에 광을 조사하는 단계를 포함한다.

상기 고분자는 자외선에 의해 경화되는 광경화성인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.

본 발명에서는 초기 수직배향되는 액정에 광경화성 고분자를 혼합한 액정셀을 사용하였다.

또한, 본 발명에서는 액정분자의 대칭적인 배향방향을 얻기 위해, 상기 액정셀을 포함하는 액정패널에 소정 기울기로 자기장(magnetic field)을 인가하여, 액정분자가 소정의 기울기를 가지고 대칭배열하는 원리를 적용한다.

이하 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 본 발명에 따른 광시야각 액정표시장치의 공정을 설명한다.

도 3a는 본 발명에 따른 액정표시장치의 개략적인 단면도이다.

도시한 바와 같이, 상부기판(111)과 하부기판(113)의 마주 보는 면에 각각 상부 배향막(115)과 하부 배향막(117)이 형성되고, 상기 상부 배향막(115)과 상기 하부 배향막(117) 사이에는 광경화성 고분자(미도시)가 혼합된 수직배향 액정셀(121)이 위치한다.

상기 광경화성 고분자(미도시)는 특히 자외선에 의해 경화되는 특성을 갖는다.

이때, 상기 액정셀(121)을 이루는 액정분자(121a)는 전압을 인가하면, 분자의 장축이 상기 상부기판(111)과 하부기판(113)에 평행하게 배열하는 특성을 갖는다.

다음으로 도 3b는 도 3a의 구성을 갖는 액정표시장치에 멀티도메인을 구성하는 공정이다.

도시한 바와 같이, 액정패널(131)에 자기장(133)을 일정 각도로 기울여 인가한다.

상기 액정패널에 자기장을 인가하는 방식은 예를 들면, N극과 S극을 띄는 자석물질을 상기 액정패널을 중심으로 상/하부에 위치하게 하되 서로 소정간격 어긋나게 구성하게 되면, 자기장은 기울어진 분포를 가지게 된다.

위와 같은 방법은 단지 자기장이 기울기를 가지도록 구성하는 한 예를 설명한 것이며, 다른 여러 방법들을 적용할 수 있다.

전술한 바와 같이, 기울기를 가지는 자기장을 인가하면, 액정분자(121a)는 상기 자기장(133)의 분포에 따라 소정의 각도로 기울어져 재배열하게 되며, 이러한 상태에서, 포토마스크(135)를 이용하여 원하는 영역만 자외선(137)을 조사한다.

그렇게 되면, 상기 조사영역(A)에 위치하는 고분자는 상기 자외선(137)에 의해 경화되면서 폴리머 네트워크(polymer network)(139)를 형성한다.

이때, 상기 네트워크 상의 폴리머는 상기 액정분자(121a) 사이에 형성되어 상기 소정의 기울기로 재배열된 액정분자(121a)를 지지하게 된다.

따라서, 상기 액정분자(121a)의 프리틸트각(pretilt angle)을 안정화 하는 역할을 한다.

상기 조사영역(A)을 제외한 영역에 분포한 액정분자 또한 자기장에 의해 배열되지만, 자기장을 인가하지 않는 순간 원래의 배열상태로 되돌아오게 된다.

다음으로, 도 3c는 도 3b의 공정에서 소정의 방향으로 배열된 액정분자 집합체인 제 1 도메인(도 3b의 A)의 방향과 대칭적인 배향방향을 갖는 액정분자 집합체로 구성된 제 2 도메인을 형성하는 공정이다.

도시한 바와 같이, 도 3b의 공정에서 인가되었던 자기장에 대칭적인 방향으로 자기장(141)을 인가하여, 상기 액정분자(121a)를 소정의 기울기를 갖도록 재배열한다.

상기 재배열된 액정분자(121a)는 상기 도 3b의 공정에서 소정의 각으로 기울어진 액정분자에 대칭적인 방향성을 갖는다.

상기 자기장(141)을 인가한 상태에서, 포토마스크(135)를 사용하여, 상기 도 3b의 A영역을 제외한 영역(B)을 자외선(137)을 이용하여 조사한다.

이때, 상기 액정분자(121a)에 혼합된 고분자는 상기 자외선에 의해 폴리머 네트워크상(139)을 형성한다.

결과적으로, 도 3d에 도시한 바와 같이, 액정분자의 방향이 서로 대칭성을 가지도록 구성하여 다수의 도메인(A,B) 형성을 가능하게 한다.

위에서 설명한 바와 같이, 본 실시예에서는 기존의 액정표시장치의 구성을 그대로 사용하면서 전술한 바와 같은 자기장의 인가방향을 여러방향으로 하면 2 도메인 이상의 멀티도메인을 구성할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 액정표시장치는 초기 수직배향 모드를 갖는 액정분자에 소정의 기울기로 자기장을 인가하여, 액정분자가 대칭성을 가지고 배열할 수 있도록 하고, 광경화성 고분자를 네트워크상으로 구성하여 상기 대칭배열된 액정분자를 지지하도록 하는 간단한 공정으로 광시야각 특성과 빠른 응답특성을 가지는 액정표시장치를 제작할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 마주보는 면에 배향막이 도포된 상부기판과 하부기판을 소정의 갭을 두고 합착하는 단계와;

   상기 상부기판과 하부기판 사이에 광경화성 고분자를 포함한 수직배향모드의 액정을 충진하는 단계와;

   상기 상부기판과 하부기판 중 하나의 바깥면에 소정의 패턴을 가지는 포토마스크를 배치하는 단계와;

   상기 합착된 상부기판과 하부기판에 소정각도를 이루는 자기장을 인가하는 단계와;

   상기 자기장이 인가된 상태에서 상기 포토마스크가 배치된 기판에 광을 조사하는 단계를 포함하는 액정표시장치 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 고분자는 자외선에 의해 경화되는 광경화성인 액정표시장치 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 자기장의 인가방향에 따라 다수의 도메인을 형성하는 액정표시장치 제조방법.