KR20050017593A - 액정 디스플레이 장치 및 그 제조방법 - Google Patents

액정 디스플레이 장치 및 그 제조방법

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KR20050017593A
KR20050017593A KR1020040063401A KR20040063401A KR20050017593A KR 20050017593 A KR20050017593 A KR 20050017593A KR 1020040063401 A KR1020040063401 A KR 1020040063401A KR 20040063401 A KR20040063401 A KR 20040063401A KR 20050017593 A KR20050017593 A KR 20050017593A
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vertical alignment
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치엥 가오 지
웨이룽 영 스티브
리 조지
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바르인텔리전트(비브이아이) 리미티드
존슨 테렌스 레슬리
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Abstract

본 발명은 대량생산에 사용할 수 있고, 비용면에서 효율적이며, 공정처리 속도를 높일 수 있는 개선된 수직정렬 액정 디스플레이 장치 및 그 액정 디스플레이 장치의 제조방법을 제공한다.

Description

액정 디스플레이 장치 및 그 제조방법{A liquid crystal display}
본 발명은 액정 디스플레이(LCD) 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 수직정렬 액정 디스플레이 장치 및 그 액정 디스플레이 장치의 제조방법에 관한 것이다.
수직정렬은 자체의 암도(dark state)가 낮고 콘트라스트가 높기 때문에 고해상도 및 고사영(high projection) 디스플레이 장치에 있어서 매우 중요하다. 보통의 블랙 모드는 TFT 디스플레이와 액정을 모두 만들 수 있다. 실리콘 마이크로디스플레이에서는 더 우수한 콘트라스트 및 칼라 성능을 구현할 수 있다. 이러한 용도로, 예컨대 정렬층으로 코팅한 후에 네거티브 유전 비등방성을 가지는 액정을 충전시킨 ITO 유리나 CMOS 실리콘 웨이퍼를 사용할 수 있다.
수직 정렬을 구현하는 방법으로는 여러가지가 있는데, 건식 방법과 습식 방법이 있다: 폴리이미드 용액, SiOx, SixNy, 플루오르화칼슘 및 유기 중합체층의 이온 밀링법.
습식 방법은 엄밀한 공정과 신속한 순환시간을 가질 수 있는 장점이 있다. 그러나, 필수적인 기계적 버핑(buffing) 공정은 많은 분진과 먼지 등을 발생시키게 되어 최종 수율에 현격하게 악영향을 끼치게 된다. 이러한 피해는 작은 픽셀 규격의 디스플레이에서 가장 심각하다. 또한, 폴리이미드에 대해서 신뢰도도 문제시될 수 있는데, 강력하고 지속적인 광강도가 상기 중합체 코팅의 성능을 열화시켜서 명도 및 색상이 변할 수 있게 된다.
건식 방법은 상기와 같은 버핑 공정을 배제할 수 있고, 더 우수한 광안정성을 제공할 수 있다. SiOx는 수직(homeotropic) 정렬을 발생시키는 가장 일반적인 방법이다. 통상의 무기적 정렬층은 프리틸트(pretilt) 각도와 균일성을 달성할 수 있도록 2단계 각(angle) 증착공정에 의해 제조될 수 있다. 여기에는 입사각에 대한 민감성과 두께의 조절이라는 2가지 문제점이 있게 된다. 증착각도나 두께에 있어서의 작은 변화는 다양한 성능을 도출할 수 있는 바, 이 방법을 대량생산에 사용하기는 어렵다는 결론에 도달하게 된다. 또한, 2단계 증착법은 비용면에서 효율적이지 않다. 각각의 증착에 소요되는 사이클 시간은 1시간 이상 정도 됨으로써 공정 처리속도가 매우 느리다.
본 발명의 목적은 이와 같은 종래기술의 단점을 극복할 수 있는 개선된 방법을 제공하는 것이다.
전술한 바와 같이, 증착각도나 두께에 있어서의 작은 변화는 다양한 성능을 도출할 수 있는 바, 이 방법을 대량생산에 사용하기는 어렵다는 결론에 도달하게 된다. 또한, 2단계 증착법은 비용면에서 효율적이지 않다. 각각의 증착에 소요되는 사이클 시간은 1시간 이상 정도 됨으로써 공정 처리속도가 매우 느리다.
따라서, 본 발명은 대량생산에 사용할 수 있고, 비용면에서 효율적이며, 공정처리 속도를 높일 수 있는 개선된 액정 디스플레이 장치 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명에 따르면, 여러개의 기판, 상기 기판상에 코팅된 수직(homeotropic) 정렬 필름, 및 인접한 상기 기판들 사이에 존재하는 네마틱(nematic) 액정 혼합물을 포함하는 액정 디스플레이 장치가 제공된다.
본 발명을 구현하는 LCD에는, 높은 광안정성, 높은 콘트라스트 및 안정한 프리틸트(pretilt) 각도를 가지는 수직(homeotropic) 또는 틸트-수직(tilted homeotropic) 정렬층이 구비되고 단일 또는 다중 도메인을 가지는 전도(transmissive)형, 반사형 또는 미투과형 액정이 제공된다.
본 발명은 정렬층을 조성하는 간단하고 비용면에서 효율적인 방법을 입증하고자 한다. 본 발명의 방법에 따르면, 1단계 증착공정으로 짧은 사이클 시간내에 원하는 특성을 발생시킬 수 있다.
본 발명은 동일한 수직 정렬 특성을 가지는 가지는 ITO 유리 및 실리콘 웨이퍼 모두에 정렬층을 조성시키는 바람직한 방법을 제공한다. ITO 유리는 TN/STN LCD용으로 보통 수준의 광택을 가지는 소다석회 유리일 수 있고, 반사모드 마이크로디스플레이용으로 지수-매칭 다층 ITO 규산붕소 유리일 수도 있다. 실리콘 웨이퍼는 노출된 광택성 반사 웨이퍼이거나, CMOS Al 거울표면 처리된 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 단일 플루오르화-다이아몬드류의 탄소(F-DLC)는 플루오르화 가스와 함께 경사식 플라즈마 증착법에 의해 기판상에 증착될 수 있다.
본 발명에 따르면, 동일한 정렬 필름을 가지는 수직 또는 틸트-수직 정렬 액정 디스플레이 장치가 제공된다. 이러한 박막증착용 증착챔버는 증착원(deposion source), 및 기판을 기준으로 분자들의 입사각도가 경사각을 형성하도록 설정된 각도로 비스듬히 유지되는 기판을 구비한다.
정렬층은 플라스마가 강화된 화학증착법 또는 스퍼터링 증착법에 의해서 형성될 수 있다. 기판은 바닥에 놓일 수도 있고, 공중에 부동시킬 수도 있다. 외부로부터 기판에 연결된 외부 전력은 증착공정중에 소기의 바이어스(bias)를 제공할 수 있다. 바이어스 범위는 +1000V 내지 -1000V, 바람직하게는 +300V 내지 -300V일 수 있다. 플루오르화 탄소의 두께는 5nm 내지 2000nm일 수 있다. 이 필름에는 예컨대 Si, O, Ar, N, Ne, Kr, He, Al, Fe, Cr, Ni, Cu, Zn, Co, Mg, Ag, Pt, Ca, B, Cl, Br, I, In, Sn, Pb, Ta, Ti, V, Ba, Na, K, Li, Mn, Ga, Ge, Sb, P, S, Se 등, 또는 상기 원소들의 혼합물과 같은 다른 성분 원소들이 15% 미만, 바람직하게는 5% 미만 함유될 수도 있다.
상기 증착은 작업용 가스 또는 가스 혼합물로서, 플라스마를 형성할 수 있다. 상기 가스로서는 CH4, C2H2, C2H4, C 2H6, H2, HF, CFH3, CF2H2, CF 3H, CF4, C2F6, C4F8 등이 있으나, 이것들에 국한되는 것은 아니다.
본 발명에 사용되는 진공 챔버는 100 Torr 내지 1×106 Torr의 진공 범위를 가질 수 있다.
본원에 첨부된 도면들은 본 발명에 사용되는 장치 및 셀 구조를 보다 잘 이해할 수 있도록 하기 위한 설명이다. 이것들은 발명의 상세한 설명에서 인용될 것이며, 본 발명의 원리는 상기 도면들을 참조로 더 잘 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 경사진 수직 액정 디스플레이의 기본 셀 구조는 도 1에 도시되어 있다. 이것은 기판(1,7), 전도성 전극(2,6) 및 정렬층(3,5)을 가지는 투과형, 반사형 또는 비투과형 액정 디스플레이일 수 있다. 이것은 네거티브 유전 등방성을 가지는 액정(4)으로 채워져 있다. 액정(8) 분자는 정상적인 기판을 기준으로 경사각(9)을 형성하도록 정렬되어 있다.
수직 액정 디스플레이 기판(1,7)은 실질적으로 0.1 내지 5mm, 바람직하게는 0.2 내지 3mm 범위 이내의 두께를 가진다. 이 두께는 어떤 재료를 사용했느냐에 따라 달라질 수 있다. 이 기판은 예를 들어 Al 금속을 거울 표면으로 가지는 CMOS 실리콘 웨이퍼와 같이, 설계 목적으로 다층구조를 가질 수 있다.
전도성 전극(2,6)은 10A 내지 5000A, 바람직하게는 100A 내지 2000A의 두께 범위를 가지도록 제공된다. 전극의 두께는 다를 수 있고, 필름의 특성에 따라 다층으로 구성된다.
액정 정렬용 무기물 정렬 필름(3,5)은 실질적으로 50 내지 20000A, 바람직하게는 100A 내지 2000A 이내의 두께를 가지도록 제공된다. 정렬층의 두께는 다를 수 있고, 필름의 특성에 따라 다층으로 구성된다.
액정(4)은 또한 네거티브 유전 등방성을 가지도록 제공될 수도 있다. 이것은 E.M. Merck 사에서 모델 MLC-6608, MLC-6609 및 MLC-6610으로 공급된다. 타사 제품이라도 적합한 네거티브 유전 등방성을 가지기만 한다면 또한 본 발명에 사용할 수 있다. 도 1에 도시된 것과 동일한 구조의 경사식 수직 정렬을 가진 반사모드 디스플레이를 위해, 기판(1,7)은 최상부에 전도성 전극(2,6)을 가진다. 무기물 정렬 필름(3,5)은 플라스마가 증강된 증기증착법에 의해 경사각도로 증착된다. 액정분자(8)는 정렬층상에서 정상 기판(9)를 기준으로 정해진 경사각으로 정렬된다. 프리틸트 각도의 균일성과 크기는 측정할 수 있고, 디스플레이의 콘트라스트로 나타내어진다.
고품질의 수직 액정 디스플레이는 셀 상에서 균일한 디스플레이를 나타내야 한다. 교차극성화 장치(cross polarizer)하에서 온/오프 성능을 관찰함으로써 직접 검사를 수행할 수 있다. 오프 상태에서는 어떠한 색변화도 나타나서는 안된다. 프리틸트 각도는 셀 회전법 및 등나선 도면을 사용한 점검에 의해 측정될 수 있다. 도 3은 셀 회전법을 위한 20㎛의 셀 간극을 가지는 투과형 디스플레이를 도시한다. 등나선도에서는 프리틸트 각도를 가지는 수직 정렬특성을 보여준다. 12㎛ 크기의 픽셀을 가지는 반사모드 마이크로 디스플레이도 또한 형성되어 양호한 수직 정렬을 나타낸다.
도 2에는 박막 증착 시스템의 개략도가 도시되어 있다. 본 발명의 시스템에는 증착원을 구비한 진공 챔버, 셔터 및 공정처리할 기판이 포함된다. 기판은 정상 기판을 기준으로 기울어진 각도로 위치한다. 정렬층은 플라스마 강화 화학증기 증착법 또는 스퍼터링 증착법으로 형성된다. 기판은 바닥에 놓일 수도 있고 공중에 부동시킬 수도 있다. 기판에 연결되는 외부 전원은 증착중에 소기의 바이어스를 제공하게 된다. 이 바이어스 는 +300V 내지 -300이다. 본 발명자의 실험에서, 플루오르화 탄소 정렬층의 두께는 약 100 내지 1000A였다. 증착법에서는 공정 가스 또는 가스 혼합물을 사용하여 플라스마를 형성시킨다. 상기 가스는 탄화수소 가스, 수소가스 또는 플루오르화 탄화수소 가스 또는 이것들의 혼합물일 수 있다. 바람직한 가스로서는 CH4, C2H2, C2H4, C 2H6, H2, HF, CFH3, CF2H2, CF 3H, CF4, C2F6, C4F8 등이 있으나, 이것들에 국한되는 것은 아니다. 본 발명에 사용되는 진공 챔버는 100 Torr 내지 1×106 Torr의 진공 범위를 가질 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 광안정성 수직정렬 또는 경사수직 정렬 액정 디스플레이를 제공한다. 상기에서는 본 발명의 몇가지 바람직한 실시예를 중심으로 본 발명을 설명하였으나, 당업자라면 하기 청구범위에 기재된 본 발명의 사상과 범위 이내에서 본 발명의 변형이 가능하다는 것을 인식할 수 있을 것이다.
도 1은 무기물 정렬층을 가지는 액정 디스플레이의 셀 구조를 도시한 설명도이고,
도 2는 증착용 챔버를 도시한 것으로서, 각각의 부분들의 상대적 위치와 배치를 도시하고, 정렬은 플라스마가 증강된 화학증기 증착을 사용하여 경사각에 의해 기판상에 증착되어 있으며,
도 3은 셀 회전법에 의한 프리틸트(pretilt) 측정용 20㎛ 셀 간극을 가지는 투과형 수직 정렬 액정 디스플레이를 도시한 것이고,
도 4는 단일축 구조의 간섭 패턴을 나타내는 Bertland 렌즈를 사용하여 현미경으로 측정된 등나선상(isogyre)를 도시한 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1,7 : 기판
2,6 : 전도성 전극
3,5 : 정렬층
4,8 : 액정
9 : 경사각

Claims (40)

  1. 2개 이상의 기판, 상기 기판에 코팅된 수직정렬 필름, 및 상기 인접 기판들 사이에 존재하는 네마틱 액정 혼합물을 포함하는 액정 디스플레이 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 수직 정렬 필름이 경사수직 정렬 필름인 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 수직 정렬 필름이 1개 영역, 2개 영역 또는 4개 영역 수직 정렬 필름인 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 수직 정렬 필름이 비결정성 플루오르화 탄소 필름인 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 플루오르화 탄소 수직 정렬 필름이 수소를 포함하는것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 플루오르화 탄소 수직 정렬 필름이 Si, O, Ar, N, Ne, Kr, He, Al, Fe, Cr, Ni, Cu, Zn, Co, Mg, Ag, Pt, Ca, B, Cl, Br, I, In, Sn, Pb, Ta, Ti, V, Ba, Na, K, Li, Mn, Ga, Ge, Sb, P, S, Se, 또는 상기 원소들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 다른 성분 원소들이 15% 미만, 바람직하게는 5% 미만 함유하는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치.
  7. 제 1항 내지 제 6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 수직 정렬 필름의 두께가 5 내지 2000nm, 바람직하게는 10 내지 100nm인 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치.
  8. 제 1항 내지 제 7항중 어느 한 항에 있어서, 상기 수직 정렬 필름이 가시광선 범위내에서 50% 이상, 바람직하게는 75% 이상 투명한 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치.
  9. 제 1항 내지 제 8항중 어느 한 항에 있어서, 상기 수직 정렬 필름이 절연체이거나 전도체일 수 있고, 저항 범위가 1×102 내지 1×1014Ωcm인 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치.
  10. 제 1항 내지 제 9항중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치가 수동적으로 구동되는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치.
  11. 제 1항 내지 제 9항중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치가 능동적으로 구동되는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 능동 구동이 박막 트랜지스터에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 능동 구동이 CMOS에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치.
  14. 제 1항 내지 제 13항중 어느 한 항에 있어서, 각각의 상기 기판들이 전도성 코팅 필름으로 이루어진 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 전극의 최상부에 버퍼층이 구비되어, 장치의 전류 누출을 감소시키고/또는 광학적 커플링을 개선시키고/또는 상기 정렬층의 두께를 감소시키는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치.
  16. 제 1항 내지 제 15항중 어느 한 항에 있어서, 상기 수직 정렬 필름이 플라스마 강화 화학증기 증착에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치.
  17. 제 1항 내지 제 15항중 어느 한 항에 있어서, 상기 수직 정렬 필름이 스퍼터링 증착에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치.
  18. 제 1항 내지 제 15항중 어느 한 항에 따른 액정 디스플레이 장치의 제조방법에 있어서, 상기 수직 정렬 필름이 스퍼터링 증착에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치의 제조방법.
  19. 제 1항 내지 제 15항중 어느 한 항에 따른 액정 디스플레이 장치의 제조방법에 있어서, 상기 수직 정렬 필름이 화학증기 증착에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치의 제조방법.
  20. 제 18항 내지 제 19항중 어느 한 항에 있어서, 수직 정렬 필름의 증착과정중에 각각의 상기 기판들이 증착원에 대하여 일정 각도로 비스듬히 유지되는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치의 제조방법.
  21. 제 20항에 있어서, 기판면과 상기 증착면의 사잇각이 0°보다 크고 ±90° 미만, 바람직하게는 1°보다 크고 ±90°미만인 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치의 제조방법.
  22. 제 20항에 있어서, 기판면과 상기 증착면의 사잇각이 0°보다 크고 ±89° 미만, 바람직하게는 1°보다 크고 ±89°미만인 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치의 제조방법.
  23. 제 19항 내지 제 22항중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라스마 강화 화학증기 증착이, 기판을 유지하는 기판 호울더, 전원에 의해서 공정 가스로부터 플라스마를 형성시키는 플라스마 형성 수단, 및 진공 챔버로 이루어지는 장치에 의해서 수행되는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치의 제조방법.
  24. 제 19항 내지 제 23항중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라스마가 커패시터 커플 DC 및/또는 RF 플라스마인 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치의 제조방법.
  25. 제 19항 내지 제 23항중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라스마가 인덕터 커플 RF 플라스마인 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치의 제조방법.
  26. 제 19항 내지 제 23항중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라스마가 마이크로파 유도 플라스마 또는 전자 사이클로트론 공명 마이크로파 플라스마인 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치의 제조방법.
  27. 제 23항 내지 제 26항중 어느 한 항에 있어서, 상기 공정 가스가 탄화수소 가스, 수소가스 또는 플루오르화 탄화수소 가스 또는 이것들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치의 제조방법.
  28. 제 27항에 있어서, 상기 공정 가스가 CH4, C2H2, C2H 4, C2H6, H2, HF, CFH3, CF2H2, CF3H, CF4, C2F6, C4 F8로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치의 제조방법.
  29. 제 18항 또는 제 20항 내지 제 22항중 어느 한 항에 있어서, 상기 스퍼터링 증착법이, 표적, 기판을 유지하는 기판 호울더, 상기 표적과 기판 호울더 사이에 플라스마를 형성시키는 플라스마 형성 수단, 및 진공 챔버로 이루어지는 장치에 의해서 수행되는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치의 제조방법.
  30. 제 29항에 있어서, 상기 표적이 탄소 원소를 주로 함유한 그라파이트, PTFE 및 기타 다른 고형 물체인 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치의 제조방법.
  31. 제 29항 또는 제 30항에 있어서, 상기 플라스마가 DC 또는 RF 플라스마인 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치의 제조방법.
  32. 제 29항 내지 제 31항중 어느 한 항에 있어서, 상기 공정 가스가 Ar, He, Kr, N2, 탄화수소, 수소 가스, 플루오르화 탄화수소 가스 또는 이것들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치의 제조방법.
  33. 제 32항에 있어서, 상기 공정 가스가 CH4, C2H2, C2H 4, C2H6, B2, HF, CFH3, CF2H2, CF3H, CF4, C2F6, C4 F8로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치의 제조방법.
  34. 제 23항 내지 제 33항중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판 호울더가 바닥에 위치하거나 공중에 부양되는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치의 제조방법.
  35. 제 23항 내지 제 34항중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판 호울더가 증착중에 +1000V 내지 -1000V, 바람직하게는 +300V 내지 -300의 범위로 바이어스되는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치의 제조방법.
  36. 제 35항에 있어서, 상기 기판 바이어스가 DC 또는 모든 파형의 펄스 바이어스인 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치의 제조방법.
  37. 제 23항 내지 제 36항중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판의 온도범위가 실온 내지 600℃인 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치의 제조방법.
  38. 제 23항 내지 제 37항중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판 호울더가 회전하거나 이동하거나 고정될 수 있도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치의 제조방법.
  39. 제 23항 내지 제 38항중 어느 한 항에 있어서, 상기 진공 챔버는 760 Torr 내지 1×10-6 Torr, 바람직하게는 10 Torr 내지 1×10-5 Torr의 진공 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치의 제조방법.
  40. 1쌍의 기판; 상기 기판상에 코팅되고 비결정성 플루오르화 탄소 필름을 포함하는 수직정렬 필름; 및 수직정렬제를 사용하지 않고 상기 수직정렬 필름에 의해 정렬된 네거티브 유전등방성을 가지는 네마틱 액정 혼합물로 이루어지고, 상기 비결정성 플루오르화 탄소필름이 적어도 F 및 C원소들로 이루어진 고형 박막인 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치.
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