KR20030090225A - 액정표시소자의 배향막 인쇄장치 및 인쇄방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액정 표시 소자의 배향막 인쇄장치 및 인쇄방법에 관한 것으로, 제 1 롤과; 상기 제 1 롤에 평행하게 배열되어 상기 제 1 롤의 소정 영역에 배향액을 일시에 공급하는 봉형상의 배향액공급부와; 상기 제 1 롤 및 배향액공급부와 평행하게 배열되고 제 1 롤과 맞닿아 회전하면서 제 1 롤로 공급된 배향액을 균일한 두께의 배향막으로 형성하는 제 2 롤과; 상기 제 1 롤과 맞닿아 회전하면서 상기 배향막이 전사되고, 박막트랜지스터나 컬러필터가 형성된 액티브영역을 포함하는 기판에 상기 배향막을 재전사하는 제 3 롤을 포함하는 액정표시소자의 배향막 인쇄장치와 이를 이용한 인쇄방법을 제공한다.

배향막 인쇄장치에 사용되는 슬릿을 가진 봉형상의 디스펜서를 사용함으로써, 이를 통해 배향액을 어닐록스롤 상부 전체에 일시에 분출함으로써 기판상의 불균일한 배향막의 발생을 최소화하고, 디스펜서의 좌우 이동시간을 없앰으로써 제조 공정의 시간을 단축하게 된다.

Description

액정표시소자의 배향막 인쇄장치 및 인쇄방법{ALIGNMENT LAYER PRINTING DEVICE OF TFT-LCD AND PRINTING METHOD THEREOF}

본 발명은 액정 표시 소자의 배향막 인쇄장치 및 인쇄방법에 관한 것으로, 어닐록스롤과 평행한 봉형상의 디스펜서를 사용하여 배향액을 어닐록스롤 상에 일시에 배출함으로써 디스펜서의 이동 시간을 없애 제조공정에 걸리는 시간을 단축할 수 있다.

현재 평판디스플레이의 주력제품인 액정표시장치의 본격적인 양산은 1990년대 초에 이르러 비로소 시작되었다. 최근의 정보화 사회에서 디스플레이는 시각정보 전달매체로서 그 중요성이 더 한층 강조되고 있다. 특히 모든 전자 제품의 경, 박, 단, 소 추세에 따라 저소비전력화, 박형화, 경량화, 고화질, 휴대성의 중요성이 더 한층 높아지고 있다. 액정표시장치는 평판디스플레이의 이러한 조건들을 만족시킬 수 있는 성능 뿐만 아니라 양산성까지 갖춘 디스플레이 장치이기 때문에 이를 이용한 각종 신제품 창출이 급속도로 이루어지고 있으며 기존의 CRT를 점진적으로 대체할 수 있는 핵심부품 산업으로서 전자 산업에서 반도체 이상의 파급효과를 가져오고 있다.

상기와 같은 액정표시장치의 제조공정을 간략히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 하부기판에는 여러 번의 증착, 노광, 식각 공정을 거쳐 매트릭스 형태의 복수의 화소가 정의되는 배선을 형성하고 각각의 화소에 박막트랜지스터와 같은 다수의 스위칭소자를 형성한다. 상기 스위칭 소자를 중심으로 배선이 교차되고 상기 각 배선의 일단에는 패드부를 형성함으로써 어레이 패턴을 형성한다. 이러한 하부기판을 TFT 어레이 기판이라고 한다.

또한, 상부기판에는 상기 하부기판과 마주보는 면에 공통전극과 컬러필터(color filter)를 형성하는데 이러한 상부기판을 컬러필터 기판이라고 한다.

다음으로, 상기 상부기판과 하부기판 사이에 충진되는 액정의 배향 특성을 부여하기 위해 상부기판과 하부기판에 배향막을 형성하는 과정을 거치게 된다. 배향막(alignment layer)은 유리기판 세정, 배향막 인쇄, 건조 및 베이킹(baking) 공정이 연속적으로 진행되는 설비를 이용하여 형성하며 배향막 형성 후 러빙을 실시하여 액정 분자의 배향에 규칙성을 제공한다. 이어서, 상기 상부기판과 하부기판을 실런트로 합착한 후 상기 합착된 두 기판 사이의 공간에 액정을 충진하면 액정 패널은 완성된다.

상술한 공정 중 기판에 배향막을 형성하는 공정은 다음과 같은 이유로 필수적이다.

액정표시장치는 액정의 전기광학적 특성을 이용한 것이고 이러한 전기광학 특성은 액정 분자 자체의 이방성과 액정 분자의 분자배열 상태에 의해 결정된다. 따라서, 액정에 단결정 질서를 부여하고 액정분자가 인가된 전압에 대해 규칙적인 응답을 할 수 있도록 하는 것이 배향막의 역할이다.

액정 셀의 전기광학적 특성은 배향막의 형성과 러빙(rubbing)에 의한 표면처리 상태에 따라 크게 좌우된다. 배향막 인쇄 공정에서는 기판 전체에 대한 일정한두께의 배향막 형성이 중요하며 러빙 공정에서는 균일한 표면처리가 매우 중요하다. 이러한 공정에 의해 액정분자를 균일하게 배열시켜 전체화면에서 균일한 디스플레이 특성을 갖게 된다. 러빙 공정은 배향막의 표면에 배향 각도를 정의하여 액정 분자의 배향 방향에 프리틸트각(pre-tilt)을 부여하는 역할을 하게 된다.

박막트랜지스터 액정표시소자에 사용되는 배향막의 요구특성은 200℃ 이하의 온도에서 1000Å 이하의 균일한 두께를 갖는 박막 형성이 가능하고 투명전극(ITO)표면과 우수한 접착특성을 가져야만 한다. 또한 화학적 안정성이 높아 액정과의 반응이 없어야 하고 전기적인 특성은 차지트랩(charge trap)이 없어야 하며 비저항이 충분히 높아 액정 셀 동작에 영향이 없을 정도가 되어야 한다.

TN 모드를 사용하는 박막트랜지스터 액정표시장치에서 배향막 형성은 고분자 유기막 인쇄법이 가장 많이 사용되는 보편화된 기술이다. SiO₂등의 사방증착법으로 대표되는 무기배향막이 사용될 수도 있지만 공정 비용과 신뢰성 및 동작 안정성 등의 문제로 실제 양산에서는 널리 사용되지 않는다.

배향막 재료로는 배향안정성, 내구성, 생산성을 고려해 폴리이미드 (polyimide)계 고분자 화합물이 널리 사용되고 있다. 배향막은 화소전극과 공통전극 표면에 위치하여 액정전압이 인가되므로 그 두께를 최소화하여 액정 셀의 전기적인 동작특성에 미치는 영향을 극소화해야 하기 때문에 배향막의 두께는 균일하게 도포할 수 있는 최소 두께로써 약 1000Å 이하가 되어야 한다. 1000Å 이하의 균일한 배향막을 박막형태로 인쇄하기 위하여 배향막 재질인 폴리이미드를솔번트(solvent)로 4~8% 정도로 희석된 저농도 혼합용액을 사용한다.

배향막은 액티브 영역에만 형성하고 본딩패드(bonding pad)와 씰 패턴이 설치되는 영역에는 형성되지 않는 것이 바람직하다. 배향막의 도포는 스핀 코팅(spin coating) 방법을 사용한다. 이 방법은 도포가 간편하고 신속하다는 장점은 있지만 고가의 배향액의 소모가 많다는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 인쇄장치에 의한 인쇄기법으로 배향막을 형성하는 방법이 제안되고 있다.

이러한 배향막 인쇄장치가 도 1에 도시되어 있다.

도면에 도시된 바와 같이 인쇄장치를 이용한 배향막의 인쇄는 복수의 롤을 사용한다. 즉, 원통형의 어닐록스롤(2)과 닥터롤(3) 사이에 공급된 배향액(14)을 상기 어닐록스롤(2)과 닥터롤(3)이 회전함에 따라 어닐록스롤(2) 전체에 걸쳐 균일하게 도포된다.

한편 상기 어닐록스롤(2)은 표면의 일정 영역에 고무판(5)이 부착된 인쇄롤(4)과 맞닿아 회전하게 되면 상기 어닐록스롤(2) 표면의 배향액이 고무판(5)으로 전사된다. 상기 고무판(5)은 배향액이 도포될 기판(6)에 대응한다. 기판(6)이 적재된 인쇄테이블(7)이 인쇄롤(4)과 접촉하여 이동함에 따라 고무판(5)에 전사된 배향액이 기판(6) 상으로 재전사되어 배향막이 형성된다.

상기 어닐록스롤(2)과 닥터롤(3) 사이로의 배향액(14) 공급은 주사기 형태의 디스펜서(1)에 의해 이루어진다. 도면에 도시된 바와 같이, 상기 디스펜서(1)에는 공급관(9)이 연결되어 배향액탱크(8)에 채워진 배향액(14)이 상기 공급관(9)을 통하여 디스펜서(1)로 공급된다.

주사기 형태의 디스펜서(1)로 어닐록스롤(2)에 배향막을 도포하기 위해서는 도 2에 도시된 바와 같이 어닐록스롤(2)의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로(화살표방향) 어닐록스롤(2) 상부를 움직이면서 배향액을 공급해야 한다. 그런데, 어닐록스롤(2)의 폭은 대략 780~1300mm이기 때문에, 디스펜서(1)가 이동하는 데에 적어도 10초 정도의 시간이 소요된다. 이러한 시간의 소요에 의해 제조 공정의 시간이 지연되게 된다.

일반적으로 배향막 인쇄 공정에 있어서 가장 어려운 점은 넓은 면적에 일정하고 균일하게 배향막을 도포하는 것이다. 보통 배향막의 두께는 500~1000Å 정도이며, 동일기판에서는 100Å 정도의 두께 차이에 의해서도 액정표시소자(LCD) 화면에서 배향 불균일에 의한 얼룩과 같은 불량이 발생될 수 있기 때문에 배향막의 두께관리는 중요한 공정 관리항목이 된다. 상기한 바와 같이 종래의 주사기 방식의 디스펜서를 이용한 배향막 형성 공정에서는 디스펜서가 어닐록스롤 상부에서 좌우로 움직이게 되므로 어닐록스롤 상에 균일한 두께의 배향막을 형성하는 것이 용이하지 않았고 이에 따라 인쇄롤의 고무판에도 배향막이 균일한 두께로 형성되지 않았다.

또한, 상기 주사기 방식의 디스펜서를 사용할 경우 디스펜서가 모터(미도시)와 같은 구동수단에 의해 이동하므로 그 이동이 매끄럽지 못할 시에는 배향액이 뭉쳐 기판 상에 배향 불균일이 발생할 수 있고 이는 제품 불량에 상당한 영향을 미친다. 또한 디스펜서의 매끄러운 구동을 위하여 윤활유를 사용하게 되는데 윤활유가 디스펜서를 따라 기판상으로 흘러내리게 되면 높은 청정도를 요구하는 제조 공정에심각한 영향을 미칠 수도 있었다.

상술한 바와 같이 종래의 배향막 인쇄 장치는 주사기 방식의 디스펜서를 사용하여 배향액을 어닐록스롤 상에 골고루 도포하기 위하여 어닐록스롤 위를 왕복하는 방식이었다. 그러나 상기 방식에 의하면 디스펜서 왕복에 의한 시간이 소요되어 제조 공정을 지연케 하고, 모터에 의해 이를 구동함으로써 어닐록스롤 상의 배향막 밀도가 균일치 않아 기판 상의 배향막에 불균일이 생기는 요인이 되고 있다.

따라서, 본 발명은 디스펜서가 어닐록스롤 상에 배향액을 분출하는 시간을 단축하고, 기판상에 균일한 배향막을 형성하는 배향막 인쇄장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 상기 인쇄장치를 이용하여 제조시간을 단축시킬 수 있고, 간단한 방법에 의해 배향막을 형성할 수 있는 배향막 형성방법을 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 배향막 인쇄장치 전체를 도시한 측면도.

도 2는 종래의 디스펜서, 어닐록스롤과 닥터롤의 배치를 도시한 사시도.

도 3은 본 발명인 배향막 인쇄장치 전체를 도시한 측면도.

도 4는 본 발명의 디스펜서, 어닐록스롤과 닥터롤의 배치를 도시한 사시도.

도 5는 본 발명의 디스펜서의 일부를 도시한 사시도.

도 6은 본 발명의 디스펜서의 저면을 도시한 저면도.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

1,101 :디스펜서 8,108 :배향액탱크

2,102 :어닐록스롤14,114:배향액

3,103 :닥터롤110:노즐

4,104 :인쇄롤111:슬릿

5,105 :고무판112:지지대

6,106: 기판113:고정용 볼트

7,107: 인쇄테이블

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 배향막 인쇄장치는 제 1 롤과; 상기 제 1 롤에 평행하게 배열되어 상기 제 1 롤의 소정 영역에 배향액을 일시에 공급하는 봉형상의 배향액공급부와; 상기 제 1 롤 및 배향액공급부와 평행하게 배열되고 제 1 롤과 맞닿아 회전하면서 제 1 롤로 공급된 배향액을 균일한 두께의 배향막으로 형성하는 제 2 롤과; 상기 제 1 롤과 맞닿아 회전하면서 상기 배향막이 전사되고, 박막트랜지스터나 컬러필터가 형성된 액티브영역을 포함하는 기판에 상기 배향막을 재전사하는 제 3 롤로 구성된다.

또한, 본 발명에 따른 액정표시소자의 배향막 형성 공정은 봉형상의 배향액공급부와 평행하게 배열되어 회전하는 제 1 롤의 소정 영역에 상기 배향액공급부에 충진된 배향액을 공급하는 단계와; 상기 제 1 롤에 공급된 배향액을 균일한 두께의 배향막으로 형성하는 단계와; 상기 제 1 롤과 맞닿아 회전하는 제 2 롤에 상기 배향막을 전사하는 단계와; 상기 제 2 롤을 이용해 박막트랜지스터나 컬러필터가 형성된 액티브영역을 포함하는 기판에 배향막을 재전사하는 단계로 구성된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 배향막 인쇄장치를 도시한 측면도이다. 실질적으로 본 발명의 배향막 인쇄장치는 도 1에 도시된 종래의 인쇄장치와 기본적으로 유사한 구조를 갖는다. 단, 본 발명에서는 이동하면서 어닐록스롤에 배향액을 도포하는 주사기 형태의 디스펜서 대신에 배향액 배출 슬릿이 소정 길이로 형성된 봉형상의 디스펜서(101)를 사용한다.

도면에 도시한 바와 같이, 상기 배향막 인쇄장치는 서로 맞닿아 회전함에 따라 그 사이에 공급되는 배향액(114)을 균일한 두께로 만드는 어닐록스롤(102) 및 닥터롤(103)과, 고무판(105)이 부착되고 상기 어닐록스롤(102)과 접촉하여 회전함에 따라 상기 어닐록스롤(102)에 균일하게 도포된 배향액이 상기 고무판(105)에 전사되는 인쇄롤(104)로 구성된다.

고무판(105)은 상기 인쇄롤(104)의 표면 전체에 부착될 수도 있지만 도시된 것과 같이 일부분에만 부착될 수도 있다. 상기 고무판(105)은 양각부과 음각부로이루어져 양각부에 배향액이 전사되어 기판상에 배향막 패턴을 형성하기 위한 것이다. 상기 고무판은 기판의 원하는 영역에 배향막을 형성할 수 있으면 어떠한 크기라도 가능하다.

본 발명인 인쇄장치의 디스펜서(101), 어닐록스롤(102)과 닥터롤(103)은 도 4에 도시된 바와 같이 평행하게 배치되어 있다. 봉형상의 디스펜서(101)가 어닐록스롤(102), 닥터롤(103)과 나란히 배치되어 있어 두 롤 사이에 배향액을 일시에 배출하므로 기존 방식의 디스펜서가 이동하는 시간을 제조공정에서 줄일 수 있다. 도시된 바와 같이 디스펜서(101)는 어닐록스롤(102)의 폭과 거의 동일한 길이를 갖는다. 디스펜서(101)는 봉형상으로 이루어져 있으며, 그 내부는 빈 공간으로 이루어져 배향액공급관(109)을 통해 배향액탱크(108)에 채워진 배향액(114)이 공급된다.

도 5는 노즐(110), 노즐에 형성된 슬릿(111), 디스펜서(101)를 지지하기 위한 지지대(112) 및 슬릿의 각도를 조절할 수 있는 각도조절장치(113,114)와 배향액을 주입받기 위한 주입구(미도시)를 포함하는 디스펜서의(101) 상세한 구조를 나타낸 것이다.

도면에서 노즐(110)은 삼각기둥의 형상을 하고 있어, 슬릿(111)이 형성된 삼각기둥의 모서리 부분으로 배향액이 모이게 되고 이렇게 모인 배향액이 어닐록스롤로 공급된다. 상기 지지대(112)는 디스펜서(101)를 어닐록스롤 위에 고정시키기 위한 것이고, 상기 각도 조절 장치(113,114)는 디스펜서가 중력 또는 외부의 압력 등으로 인해 처음에 설정되었던 각도와 다르게 되어 배향액이 어닐록스롤 아래로 흐르게 되었을 때에 이를 조정하기 위한 것이다. 각도 조절 장치는 디스펜서 측면에형성된 각도 조정 슬릿(114)과 고정용 볼트(113)로 구성되어 있는데, 지지대(112)가 각도 조정 슬릿(114)을 따라 움직여 화살표 방향으로 각도가 조절되고 원하는 각도에서 이를 고정용 볼트(113)로 고정한다.

도 6은 디스펜서(101)의 저면도로서 디스펜서(101)에 폭 t를 갖는 슬릿(111)이 형성되어 있는 것을 도시하고 있다. 상기 디스펜서(101)에 형성된 슬릿(111)은 기판상에 박막트랜지스터나 컬러필터가 형성된 액티브 영역의 폭보다는 길게 형성되어야 한다. 그래야 액티브 영역 전체에 대해 배향막을 도포할 수 있다. 상기 봉형상의 디스펜서(101)에 형성된 슬릿(111)은 실질적으로 디스펜서의 폭과 동일한 길이로 형성되어 한번의 배향액 배출에 의해 어닐록스롤 전체 폭에 배향액을 공급하게 된다. 이러한 봉형상의 디스펜서를 사용함으로써 신속한 배향막의 도포가 가능하게 되며, 그 결과 디스펜서의 이동에 의한 시간지연이라는 종래 인쇄장치의 문제점을 해결할 수 있게 된다.

본 발명의 배향막 인쇄장치의 전체적인 동작을 설명하면 다음과 같다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 배향액탱크(108)에 외부의 가스공급수단(미도시)으로부터 N₂가스가 공급되면, 이 공급된 N₂가스에 의해 배향액탱크(108) 내부에 압력이 가해져 배향액탱크(108)의 배향액(114)이 배향액공급관(109)을 통해 디스펜서(101) 내부로 공급된다.

상기 과정을 통해 디스펜서(101) 내부로 주입된 배향액은 디스펜서에 형성된 슬릿(slit)(111)을 통해 어닐록스롤 전체로 일시에 분출된다. 어닐록스롤 상에 분출된 배향액은 종래의 배향막 인쇄장치에서와 같은 과정을 거쳐 기판에 배향막이 도포되게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명에서는 디스펜서(101)로부터 공급된 배향액(114)을 어닐록스롤(102)과 닥터롤(103) 사이에서 균일한 두께로 형성하기 위해서 어닐록스롤(102) 전체에 대해 배향액을 같은 밀도로 공급할 수 있는 봉형상의 디스펜서(101)를 사용한다. 따라서 어닐록스롤(102) 표면에 균일한 두께의 배향막이 형성되고 이에 따라 인쇄롤(104) 표면에 부착된 고무판(105)에도 균일한 두께의 배향막이 전사된다. 따라서 모터로 구동하던 종래 주사기 방식의 디스펜서가 가지고 있던 단점인 불균일한 배향막의 발생을 최소화할 수 있다.

배향액을 기판상에 인쇄하고 나면 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor)나 칼라필터(Color Filter)가 형성되어 있는 액티브(active) 영역 외의 부분에도 배향막이 인쇄되게 되는데 이는 디스펜서의 길이를 액티브 영역의 크기에 맞는 길이를 갖도록 디스펜서를 제작함으로써 더미(dummy) 영역을 없애 배향액의 낭비를 막을 수 있다.

본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 고정식 디스펜서이므로 디스펜서가 아닐록스롤 위를 이동할 필요가 없으므로 이동 시간만큼 제조공정 시간을 단축할 수 있다.

예컨데 아닐록스롤의 길이가 780mm일 경우 종래의 디스펜서가 아닐록스롤의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 이동하는데 걸리는 시간은 10초 정도인데 본 발명의고정식 디스펜서를 사용하면 이동시간이 없으므로 7~8초의 시간을 단축할 수 있다.

둘째, 디스펜서가 고정되어 있으므로 기존 디스펜서의 경우 구동 수단으로 모터를 사용하므로 매끄럽지 못한 이동으로 아닐록스롤 상에 배향액이 뭉치는 현상이 발생하여 기판 상에 불균일한 배향막을 형성하게 되는데, 본 발명은 배향막의 불균일을 최소화하여 제품의 불량률을 낮춘다. 또한 모터의 구동에 따른 윤활유를 사용하지 않으므로 공정 중의 청정도 향상에 기여할 수 있다.

셋째, 디스펜서의 길이를 적절히 조절함으로써 배향막이 기판 상의 액티브 영역에서만 형성되게 하여 배향액의 낭비를 막고 액티브 영역 주변부의 배향막을 제거하는 추가공정을 실시하지 않아도 되는 장점이 있다.

Claims (6)

1. 제 1 롤과;

   상기 제 1 롤에 평행하게 배열되어 상기 제 1 롤의 소정 영역에 배향액을 일시에 공급하는 봉형상의 배향액공급부와;

   상기 제 1 롤 및 배향액공급부와 평행하게 배열되고 제 1 롤과 맞닿아 회전하면서 제 1 롤로 공급된 배향액을 균일한 두께의 배향막으로 형성하는 제 2 롤과;

   상기 제 1 롤과 맞닿아 회전하면서 상기 배향막이 전사되고, 박막트랜지스터나 컬러필터가 형성된 액티브영역을 포함하는 기판에 상기 배향막을 재전사하는 제 3 롤

   을 포함하는 액정표시소자의 배향막 인쇄장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 배향액공급부 저면에 배향액을 배출하는 슬릿이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 액정표시소자의 배향막 인쇄장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 배향액공급부는 슬릿이 형성된 삼각기둥의 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 표시소자의 배향막 인쇄장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 배향액공급부는 기판 상의 액티브영역의 폭과 실질적으로 동일한 제 1 롤의 영역에 대해 배향액을 공급하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자의 배향막 인쇄장치.
5. 봉형상의 배향액공급부와 평행하게 배열되어 회전하는 제 1 롤의 소정 영역에 상기 배향액공급부에 충진된 배향액을 공급하는 단계와;

   상기 제 1 롤에 공급된 배향액을 균일한 두께의 배향막으로 형성하는 단계와;

   상기 제 1 롤과 맞닿아 회전하는 제 2 롤에 상기 배향막을 전사하는 단계와;

   상기 제 2 롤을 이용해 박막트랜지스터나 컬러필터가 형성된 액티브영역을 포함하는 기판에 배향막을 재전사하는 단계

   를 포함하는 액정표시소자의 배향막 인쇄방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 배향액을 공급하는 단계는, 제 1 롤의 영역에 대해 배향액을 일시에 공급하는 것을 특징으로 하는 액정 표시소자의 배향막 인쇄방법.