KR20040057247A - 액정표시장치 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배향막 표면에 작용기를 형성하여 광배향하는 액정표시장치에 관한 것이다.
일반적으로 액정의 배향을 위해서는 고분자 물질인 폴리이미드를 도포하고 건조하여 러빙법에 의해 일정한 결을 만들어 액정이 일정한 방향으로 선경사각을 갖고 배열되도록 한다. 그러나 상기 전술한 러빙법에 의한 배향은 배향막을 오염시키고, 정전기를 발생시켜 박막 트랜지스터의 결함을 생성시키므로 자외선에 의한 광배향을 개발하였다. 그러나 상기의 광배향법 중 광반응성 작용기를 형성함에 있어 파우더 상태에서 배향막 재료인 폴리이미드와 상기 광반응성 작용기를 반응시켜 광배향을 하게 되면, 배향막 표면에 형성된 작용기의 밀도가 작아 배향의 안정성 및 배향막 자체의 코팅성 저하를 유발시킨다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 배향막인 폴리이미드 표면 변형을 통하여 작용기를 도입함으로써 작용기의 표면 밀도를 증가시키고 엥커링 에너지를 크게하여 안정적인 광배향을 할 수 있는 액정표시장치를 제공한다.

Description

액정표시장치 및 그 제조방법{Liquid crystal display device and method for fabricating the same}
본 발명은 박막트랜지스터 액정표시장치(TFT-LCD ; Thin Film Transistor Liquid Crystal Display)에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 배향막 위에 광반응성 작용기를 도입함으로써 광배향력을 개선한 액정표시소자에 관한 것이다.
최근 정보화 사회로 시대가 급진전함에 따라, 대량의 정보를 처리하고 이를 표시하는 디스플레이(display)분야가 발전하고 있다.
특히 최근 들어 박형화, 경량화, 저 소비전력화 등의 시대상에 부응하기 위해 평판표시장치(flat panel display)의 필요성이 대두되었고, 이에 따라 색 재현성이 우수하고 박형인 박막트랜지스터형 액정표시소자(Thin film transistor-liquid crystal display ; 이하 TFT-LCD라 한다)가 개발되었다.
이러한 액정표시장치의 디스플레이 방법은 액정분자의 광학적 이방성과 분극성질을 이용하는데, 이는 상기 액정분자의 구조가 가늘고 길며, 인위적으로 액정에 전압을 인가하면 상기 액정 분자의 배열 방향을 제어할 수 있으므로, 적절한 전압을 액정층에 인가함으로써 상기 액정분자의 배열 방향을 임의로 조절하여 액정의 분자배열을 변화시키고, 이러한 액정이 가지고 있는 광학적 이방성에 의하여 편광된 빛을 임의로 변조함으로써 원하는 화상정보를 표현한다.
현재에는 박막 트랜지스터와 상기 박막 트랜지스터에 연결된 화소전극이 행렬 방식으로 배열된 능동행렬 액정표시장치(Active Matrix LCD : AM-LCD)가 해상도및 동영상 구현능력이 우수하여 가장 주목받고 있다.
상기 액정표시장치의 액정패널은 두 개의 기판을 일정 간격 이격되도록 대향 합착한 후, 상기 두 기판 사이에 액정을 주입하여 형성하는데, 디스플레이로서 그 역할을 다하기 위해 광투과성, 시야각, 콘트라스트 등과 같은 표시소자로서의 기능이 요구된다.
상기 기능은 액정표시소자의 액정분자의 배열 특성에 따라 결정되므로 액정분자의 배향을 균일하게 제어하는 기술은 매우 중요하다.
액정의 균일한 배향 상태는 단순히 액정을 두 개의 기판 사이에 개재시키는 것만으로는 얻기 힘들다. 따라서 액정을 배향시킬 수 있는 배향막을 형성하는 것이 일반적이다.
상기 배향막으로는 기판 상에 폴리이미드(polyimide)와 같은 고분자 유기물질이 주로 이용되는데, 주로 상기 고분자 물질을 형성한 후에 그 표면을 레이온 재질의 특수형태의 천으로 러빙하여 배향막을 형성하는 러빙법에 의한다.
상기 러빙법은 실시가 용이하고 공정이 단순하기 때문에 액정표시소자의 제조에 널리 이용되고 있다.
그러나, 러빙시 사용된 특수 형태의 천에 붙은 미세입자, 섬유소 등에 의해 배향막을 오염시킬 수 있으며, 배향막 재료에 따라서 배향이 용이하지 않은 경우도 있다. 또한 러빙시 발생하는 정전기로 인하여 박막 트랜지스터가 손상되어 액정표시소자 공정의 불량률을 높이기도 한다.
이러한 러빙법의 문제점을 해결하기 위하여 상기 러빙법과 같은 접촉 방식이아닌 비접촉 방식의 배향법에 대한 연구, 개발이 활발하다.
이들 가운데서 특히, 광배향법은 자외선 또는 편광 자외선을 이용하여 표면 비접촉 방식으로 고분자 표면을 간단하고 쉽게 배향할 수 있기 때문에 많은 관심의 대상이 되고 있다.
도 1을 참조하면, 액정의 광배향에서 액정을 배향시키는 것은 배향막 안에 있는 작용기가 아니라 배향막(20) 표면에 나와있는 광반응성 작용기(30)가 배향의 주된 역할을 한다. 폴리이미드와 작용기를 파우더 상태에서 반응시킴으로써 작용기가 도입된 폴리이미드를 기판(10) 위에 코팅하면 작용기들이 폴리머 체인에 엉기게되어 제대로 배향막 표면으로 나오기가 힘들게 된다. 이로 인하여 배향막(20) 표면에서는 작용기(30)의 표면밀도가 작아지게 되고, 이것은 광배향시 액정과 배향막간의 상호 작용을 약화시키며, 엥커링 에너지(anchoring energy)를 약화시키는 주 요인이 되어, 액정의 광배향시 배향 안정성을 저하시키게 된다. 또한 작용기가 도입된 폴리이미드는 용매에 대한 용해도가 떨어지고, 이로 인하여 코팅성 또한 저하된다. 이것은 액정의 배향 특성에 큰 결함을 유발하게 된다. 작용기가 도입된 폴리이미드의 합성도 염기에 매우 약한 폴리이미드에는 매우 가혹한 조건이 되어 합성수율 또한 매우 낮다. 이를 보완하기 위해 행해지는 다른 합성 방법은 반응 단계가 많아져서 합성 시간과 비용을 증가시키는 요인이 된다.
본 발명은 상기 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 광배향을 위한 광반응성 작용기의 도입에 있어 폴리이미드의 표면 변형법을 이용하여 배향 안정성 및 폴리이미드의 코팅성이 우수한 액정표시장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 종래의 광배향에 의한 작용기 형성을 표시한 단면도
도 2는 본 발명에 의한 표면 변형을 통한 폴리이미드와 작용기의 반응을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 광배향에 의한 작용기 형성을 표시한 단면도.
도 4a 및 4b는 배향막 표면에 작용기 도입 전후의 접촉각 측정을 표시한 도면.
도 5는 배향막 표면 변형을 통한 작용기 형성 후의 IR 스펙트럼 측정 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110 : 기판 120 : 배향막
130 : 작용기
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 서로 이격되어 대향하는 상, 하부기판과; 상기 상부, 하부 기판 상에 형성된 배향막; 상기 배향막 표면의 표면변형을 통하여 형성되는 광반응성 작용기; 상기 광반응성 작용기 사이에 형성되는 액정층을 포함하는 액정표시장치를 제공하는 것이다.
이때 상기 배향막은 폴리이미드로 형성되며, 상기 광반응성 작용기는 윌리암슨 에테르 합성법을 이용한 배향막의 표면 변형을 통하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 액정표시장치의 제조방법으로서는 상부기판과 하부기판을 준비하는 단계와; 상기 상, 하부기판에 배향막을 형성하는 단계와; 상기 상, 하부기판에 형성된 배향막을 윌리암슨 에테르 합성법을 이용한 배향막 표면변형을 통하여 광작용기를 형성하는 단계와; 상기 광작용기가 형성된 배향막에 광조사하여 광배향하는 단계와; 상기 상, 하부기판을 합착하는 단계와; 상기 상, 하부기판 사이에 액정층을 형성하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 상, 하부기판에 형성된 배향막에 윌리암슨 에테르 합성법을 이용한 배향막 표면변형을 통하여 광작용기를 형성하는 단계는 상기 배향막과 수산화나트륨(NaOH)과 에탄올 용액을 반응시키는 단계와; 상기 수산화나트륨(NaOH)과 에탄올 용액에 반응된 배향막 표면을 질소(N2)가스에 의해 건조시키는 단계와; 상기 건조된 배향막을 에탄올 및 작용기 용액에 반응시키는 단계와; 상기 에탄올 및 작용기에 반응된 배향막이 형성된 상, 하부기판을 초음파로 세척하는 단계를 더욱 포함하여 구성된다.
또한, 광작용기가 형성된 배향막에 광조사하여 광배향하는 단계는 선편광을 수직조사한 후, 무편광 또는 비편광을 경사조사하는 2회 조사법 또는, 선편광, 무편광, 비편광 또는 부분편광을 경사조사하는 1회 조사법을 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상, 하부기판에 형성된 배향막을 수산화나트륨과 에탄올 용액과 반응시키는 단계에서 반응온도는 섭씨 0도 내지 40도이고, 반응시간은 1분 내지 5분인 것이 특징이다.
또한, 상기 상, 하부기판에 형성된 배향막을 에탄올과 작용기 용액과 반응시키는 단계에서 반응온도는 섭씨 0도 내지 40도이고, 반응시간은 5분 내지 10분인 것을 특징이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 상세히 설명한다.
액정표시장치는 일반적으로 일정한 간격을 두고 마주보도록 배치된 두장의 기판 즉, 박막 트랜지스터가 배열된 하부기판과 컬러필터가 형성된 상부기판 사이에 주입되는 액정으로 이루어지며, 상기 액정의 배향을 위한 배향막은 대향하는 상기 기판의 대향면에 형성되고 있다.
박막 트랜지스터가 배열된 하부 기판과 컬러필터가 형성된 상부기판 상에 배향막을 형성시키는 공정에 대해 설명한다.
상기 상부기판과 하부기판을 세정한 후 고분자 화합물인 폴리이미드를 상기 두 기판 상에 인쇄법 또는 스핀코팅법 등을 적용하여 배향막을 형성한다. 일반적으로 스핀 코팅법은 폴리이미드를 스핀 코팅 한 후에 마스크를 이용하여 패터닝하고, 상기 패터닝 된 부분 이외의 영역에 코팅된 폴리이미드를 제거하는 식각공정을 거쳐야하므로 이미 폴리이미드가 도포되어야할 부분이 패터닝된 고무판을 이용하여 한번의 작업으로 원하는 부분에 폴리이미드를 도포할 수 있는 인쇄법이 주로 이용된다. 상기와 같이 코팅된 폴리이미드막은 코팅성이 우수하다. 이는 종래의 광배향을 위해 파우더 상태의 작용기를 폴리이미드와 섞은 후 코팅 진행시 상기 작용기에 대한 폴리이미드의 용매의 용해도 등의 문제로 코팅성이 저하되는데, 본 발명의 실시예에서는 폴리이미드만으로 기판상에 코팅을 하였으므로 코팅성이 우수하게 된다.
다음으로, 상기 두 기판상에 도포된 폴리이미드는 액체상태이므로 이를 건조시키기 위한 공정을 진행한다. 섭씨 70도 내지 100도로 가열된 평평한 금속판에 일정 시간 상기 폴리이미드가 도포된 상기 상, 하부기판을 올려놓음으로써 상기 두 기판상의 폴리이미드 내의 액체 성분이 모두 휘발되어 건조된다. 이때 건조가 고르게 이루어지도록 하기 위해 상기 평평한 금속판 표면의 온도를 편차 없이 일정하도록 유지해야 한다. 고르게 건조되지 않을 경우 완제품 제작후 전압 인가시 휘도 차이를 보이며 얼룩형태로 나타난다.
다음으로 도 2를 참조하면, 상기 두 기판상에 형성된 폴리이미드 박막 표면에 작용기를 도입하기 위하여 윌리암슨 에테르 합성법을 이용하여 폴리이미드 박막 표면을 변형시킨다. 자세히 설명하면, 상기 배향막이 도포되어 건조된 두 기판을 섭씨 0도 내지 40도 온도의 수산화나트륨(NaOH)과 에탄올(ethanol) 용액에 1분 내지 5분간 노출시켜 배향막인 폴리이미드 박막과 상기 수산화나트륨(NaOH)과 에탄올 용액을 반응시킨다. 상기 반응으로 수산화나트륨(NaOH)과 에탄올 용액내 염기에 의해서 폴리이미드 박막 표면의 수산화(OH)기가 친핵체로 바뀌게 된다.
일정시간 반응 후, 상기 두 기판상의 잔류 용매를 제거하기 위하여 상기 두 기판을 노즐을 통한 일정한 압력을 갖는 질소(N2)가스에 노출시켜 상기 수산화나트륨(NaOH)과 에탄올 용액을 완전히 건조시킨다.
이후, 상기 두 기판을 섭씨 0도 내지 40도의 에탄올과 작용기 용액에 5분 내지 10분간 노출시켜 폴리이미드 박막과 작용기가 충분히 반응하도록 한다. 폴리이미드 박막과 에탄올 및 작용기의 충분한 반응이 이루어진 후, 잔류 용액과 물리적으로 흡착된 작용기를 제거하기 위해 초음파 세척을 한다.
상기 초음파 세척된 두 기판을 적외선(Infra Red:이하 IR이라 칭함) 노출 또는 가열의 방식으로 완전히 건조시킨다.
이후, 상기 폴리이미드 박막 표면에 형성된 작용기에 액정분자들이 일정한 방향성의 선경사각과 배향방향을 갖도록 광배향을 실시한다. 광배향의 광조사방법은 선편광을 수직조사하고, 비편광 또는 무편광을 경사조사하는 2회 조사법 또는 선편광, 무편광, 비편광 또는 부분편광을 경사조사하는 1회 조사법이 사용된다. 이때 광원으로는 일반적으로 자외선(Ultra Violet)을 이용한다.
광배향이 완료되면 상기 두 기판을 배향면을 마주보도록 위치시킨 후 합착시킨다. 이후, 합착된 두 기판 사이에 액정을 주입한 후 주입구를 막는 봉지 작업을 진행함으로써 액정표시장치는 제조된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 광반응성 작용기가 형성된 것을 나타낸 도면이다.
광배향에 있어서, 폴리이미드를 기판(110)상에 도포하는 공정으로부터 자외선을 조사하는 본 발명의 실시예에 의한 방법을 통하여 많은 수의 작용기(130)를 배향막(120) 표면에 형성시킬 수 있다. 이는 폴리이미드와 작용기를 파우더 상태에서 반응시켜 폴리이미드 표면에 작용기를 형성한 경우보다 폴리이미드 표면에서의 작용기 밀도가 현저히 높게 되며, 이로 인해 엥커링 에너지(anchoring energy) 또한 증가한다.
표면 변형을 한 후 작용기의 도입 여부를 확인하기 위하여 상기 두 기판의 접촉각과 IR 스펙트럼 측정을 통해 확인하였다.
도 4a 및 도 4b는 광배향에 의한 작용기 도입 전, 후의 접촉각을 측정한 도면이다.
도 4a는 광반응성 작용기 형성 이전의 표면 즉, 배향막을 도포 및 건조 직후의 접촉각을 측정한 것이고, 도 4b는 윌리암슨 에테르 합성법을 이용하여 배향막표면에 광반응성 작용기를 형성한 후의 접촉각을 측정한 것이다. 광반응성 작용기는 소수성의 성질을 지니고 있다. 광반응성 작용기 형성 이전은 전진 접촉각이 60.6도, 후진 접촉각이 29.8도인데 반하여, 광반응성 작용기의 형성 후에는 전진 접촉각이 94.3도, 후진 접촉각이 55.3도로써 광반응성 작용기 형성후 배향막 표면이 소수화(Hydrophobic) 된 것을 확인할 수 있다. 이를 통하여 많은 작용기들이 배향막 표면에 형성되었음을 알 수 있다.
도 5 는 작용기의 IR 스펙트럼을 측정한 도면이다.
도시한 바와 같이, IR 스펙트럼 측정을 통하여 광반응성 작용기의 지방족인 CH의 스트레칭 진동 피크를 2950cm-1과 2850 cm-1에서 확인함으로써 광반응성 작용기의 형성이 잘 이루어졌음을 더욱 확인하였다.
본 발명의 실시예에 따라 광배향을 실시함으로써 러빙 배향에 의해 발생하는 미세입자 및 섬유소에 의한 배향막 오염 및 정전기에 의한 박막 트랜지스터의 결함을 방지할 수 있으며, 배향막 표면 변형에 의한 광배향을 함으로써 광반응성 작용기의 표면 밀도가 증가되며, 이로인해 엥커링 에너지(anchoring energy)가 증가되어 액정의 안정적 배향을 이룰 수 있으며, 파우더 상태에서의 폴리이미드의 작용기 도입에 대한 결함인 배향막의 코팅성 저하도 해결할 수 있다.

Claims (8)

  1. 서로 이격되어 대향하는 상, 하부기판과;
    상기 상, 하부기판 상면에 형성된 배향막;
    상기 배향막 표면의 표면 변형을 통하여 형성되는 광반응성 작용기;
    상기 광반응성 작용기 사이에 형성되는 액정층
    을 포함하는 액정표시장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 배향막은 폴리이미드인 액정표시장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광반응성 작용기는 윌리암슨 에테르 합성법을 이용한 배향막의 표면 변형을 통하여 형성되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  4. 상, 하부 기판에 배향막을 형성하는 단계와;
    상기 상, 하부 기판에 형성된 배향막을 윌리암슨 에테르 합성법을 이용한 배향막 표면변형을 통하여 광작용기를 형성하는 단계와;
    상기 광작용기가 형성된 배향막에 광조사하여 광배향하는 단계와;
    상기 상, 하부기판을 합착하는 단계와;
    상기 상, 하부기판 사이에 액정층을 형성하는 단계
    를 포함하는 액정표시장치의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    광작용기가 형성된 배향막에 광조사하여 광배향하는 단계는 선편광을 수직조사 후 무편광 또는 비편광을 경사조사하는 2회 조사법 또는 선편광, 무편광, 비편광 또는 부분편광을 경사조사하는 1회 조사법을 사용하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 상, 하부 기판에 형성된 배향막에 윌리암슨 에테르 합성법을 이용한 배향막 표면변형을 통하여 광작용기를 형성하는 단계는 상기 배향막을 수산화나트륨(NaOH)과 에탄올 용액에 반응시키는 단계와;
    상기 수산화나트륨(NaOH)과 에탄올 용액에 반응된 배향막 표면을 질소(N2)가스에 의해 건조시키는 단계와;
    상기 건조된 배향막을 에탄올과 작용기 용액에 반응시키는 단계와;
    상기 에탄올 및 작용기에 반응된 배향막이 형성된 상, 하부기판을 초음파로 세척하는 단계
    를 더욱 포함하는 액정표시장치의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 상, 하부 기판에 형성된 배향막을 수산화나트륨(NaOH)과 에탄올 용액과 반응시키는 단계에서 반응온도는 섭씨 0도 내지 40도이고, 반응시간은 1분 내지 5분인 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 제조방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 상, 하부기판에 형성된 배향막을 에탄올과 작용기 용액과 반응시키는 단계에서 반응온도는 섭씨 0도 내지 40도이고, 반응시간은 5분 내지 10분인 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 제조방법.
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KR100738810B1 (ko) * 2005-06-07 2007-07-12 엘지.필립스 엘시디 주식회사 광 배향막 형성 장치 및 방법
KR100933457B1 (ko) * 2007-09-28 2009-12-23 엘지디스플레이 주식회사 배향막의 제조방법 및 액정패널의 제조방법

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