KR20130027912A - 액정표시장치 제조방법 - Google Patents

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KR20130027912A
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Abstract

본 발명은 액정표시장치 제조방법을 개시한다. 개시된 본 발명의 액정표시장치 제조방법은, 제1 기판 상에 박막트랜지스터, 화소 전극 및 공통 전극이 형성된 하부기판을 제공하는 단계와 상기 제1 기판 상에 제1 광배향막을 형성하고 자외선 조사 공정에 따라 광배향을 진행하는 단계를 포함하는 하부기판 형성단계; 제2 기판 상에 컬러필터와 블랙매트릭스가 형성된 상부기판을 제공하는 단계와 상기 제2 기판 상에 제1 광배향막을 형성하고, 자외선 조사 공정에 따라 광배향을 진행하는 단계를 포함하는 상부기판 형성단계; 상기 하부기판과 상부기판 사이에 광중합성 화합물을 포함하는 액정층을 형성하는 단계; 및 상기 액정층을 사이에 두고 합착된 상하부기판에 전면 자외선 조사 공정을 진행하여, 상기 액정층과 상하부 기판의 제1 및 제2 광배향막 사이에 배향보조층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 액정표시장치 제조방법은, 액정에 광중합성 화합물을 혼합하여 액정층과 광배향막 사이에 배향보조층이 형성되도록 하여 액정분자들과 광배향막 사이의 배향력을 강화시킨 효과가 있다.

Description

액정표시장치 제조방법{Method for fabricating Liquid Crystal Display Device}
본 발명은 액정표시장치 제조방법에 관한 것이다.
오늘날, 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display device ; LCD)는 소비전력이 낮고, 휴대성이 양호한 기술 집약적이며 부가가치가 높은 차세대 첨단 디스플레이(display) 소자로 각광받고 있다.
이와 같은 액정 표시 장치는 광의 투과도에 따라 영상을 표시하는 액정 표시 패널 및 상기 액정 표시 패널에 상기 광을 제공하는 백라이트를 포함한다.
액정 표시 패널은 박막트랜지스터와 화소전극을 갖는 하부기판, 상기 하부기판과 대향되고 블랙매트릭스 및 컬러 필터를 갖는 상부기판, 그리고 상기 두 기판들 사이에 개재된 액정층을 포함한다.
또한, 액정 표시 패널은 상기 액정을 일정한 방향으로 배열하기 위해, 액정을 형성하기 전에 기판 상에 배향막을 형성한다. 상기 배향막을 형성하는 공정은 배향물질이 형성된 기판상에 러빙천을 물리적으로 접촉시키는 러빙 방법으로 진행된다.
하지만, 상기와 같이 배향막 상에 러빙천을 접촉시켜 러빙 공정을 진행하는 경우에는 정전기로 인하여 기판 상에 형성된 박막트랜지스터와 같은 소자들이 손상되거나 배향막의 표면을 손상시킬 수 있는 문제가 있다. 아울러, 러빙천이 오염된 경우에는 배향막이 오염되는 문제가 있다.
이와 같은, 종래 배향 공정의 문제점을 해결하기 위해 최근에는 비접촉식 배향방법이 연구되고 있는데, 비접촉식 배향방법의 예로서는 광조사(Ultra Violet)를 이용하는 광배향 방법이다.
도 1은 종래 기술에 따른 광배향 공정을 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(10) 상에 광배향막(20)이 형성되면, 자외선 조사 공정을 진행하여 광배향막(20)의 유기물질을 특정한 방향으로 광분해 하여 광배향을 진행한다. 일반적으로 액정 분자(30)들이 배향되는 방향에 수직한 방향으로 자외선을 조사하면, 광배향막(20) 상에는 자외선 조사 방향과 수직한 방향으로 배향 방향이 설정된다.
이와 같이, 자외선 조사 공정에 의해 광배향막(20)에 광배향을 진행하게 되면, 광분해 반응으로 인하여 특정 방향으로 배열되는 광배향막(20)의 특성에 따라 액정분자(30)들이 특정한 방향으로 배열된다.
도 2는 종래 기술에 따른 광배향 원리를 도시한 도면이고, 도 3은 종래 기술에 따른 광배향의 문제점을 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 편광된 자외선(UV)이 광배향막의 유기물질인 폴리이미드(Polyimide)에 조사되면, 광분해 반응이 일어나 폴리이미드의 분자 결합이 알켄(alkene) 구조를 갖는 2개의 말레이미드(maleimide)로 광분해 된다. 말레이미드의 R은 다양한 디아민(diamine) 중 하나가 결합될 수 있다.
상기와 같이, 자외선 조사에 의해 폴리이미드의 분자 결합이 절단되면, 액정분자들은 폴리이미드의 절단면에 수직한 방향으로 배향된다. 이는 말레이미드의 분자 사슬이 자외선 조사방향과 수직한 방향으로 남아 이방성으로 형성되기 때문이다.
이와 같이, 자외선 조사에 의한 광배향 방법은 러빙천의 물리적 접촉이 없어 배향막 손상이 없고, 러빙천에 의한 추가 오염도 방지할 수 있는 장점이 있다.
하지만, 도 3에 도시된 바와 같이, 광배향 공정으로 러빙공정이 진행될 경우, 액정표시장치의 잔상 불량이 빈번하게 발생되는 단점이 있다.
특히, 이와 같은 잔상 불량은 배향막과 액정층의 계면 배향력이 약할 경우(anchoring energy), 배향 불안정으로 액정 분자들의 배열이 변동되는데, 이로 인하여 투과율 특성이 달라져서 발생된다.
즉, 도면에서와 같이, (a) 화소 영역에 전계가 공급되어 온(on) 상태가 되면, 액정 분자들은 초기 배향방향을 기준으로 소정 방향으로 회전된다. 액정 분자들의 회전각은 배향막의 프리틸트 각(pre tilt angle)에 따라 달라진다. 이후, (b) 전계가 오프(off)되면, 액정 분자들이 초기 배향 상태로 복귀(recovery state)되는데, 광배향을 진행한 경우에는 약한 배향력(weak anchoring enery)으로 인하여 액정 분자들이 초기 배향 방향으로 완전히 복귀하지 못하는 문제가 있다. 이는 잔상 불량이 원인이 된다.
이와 같이, 광배향 방법을 이용한 광배향 방법은 비접촉 방식으로 배향막을 손상시킬 수 있는 접촉 방식의 배향 방법보다 우수한 이점이 있으나, 접촉 방식(러빙천에 의한 러빙 방법)보다 배향력이 약한 단점이 있다.
본 발명은, 액정에 광중합성 화합물을 혼합하여 액정층과 광배향막 사이에 배향보조층을 형성하여 액정분자들과 광배향막 사이의 배향력을 강화시킨 액정표시장치 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은, 자외선 조사에 의한 광배향 후, 광중합성 화합물이 혼합된 액정층을 주입하여, 기판을 합착한 후, 전면 자외선 조사 공정을 진행하여 액정층과 광배향막 사이의 배향력을 향상시킨 액정표시장치 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기와 같은 종래 기술의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 액정표시장치 제조방법은, 제1 기판 상에 박막트랜지스터, 화소 전극 및 공통 전극이 형성된 하부기판을 제공하는 단계와 상기 제1 기판 상에 제1 광배향막을 형성하고 자외선 조사 공정에 따라 광배향을 진행하는 단계를 포함하는 하부기판 형성단계; 제2 기판 상에 컬러필터와 블랙매트릭스가 형성된 상부기판을 제공하는 단계와 상기 제2 기판 상에 제1 광배향막을 형성하고, 자외선 조사 공정에 따라 광배향을 진행하는 단계를 포함하는 상부기판 형성단계; 상기 하부기판과 상부기판 사이에 광중합성 화합물을 포함하는 액정층을 형성하는 단계; 및 상기 액정층을 사이에 두고 합착된 상하부기판에 전면 자외선 조사 공정을 진행하여, 상기 액정층과 상하부 기판의 제1 및 제2 광배향막 사이에 배향보조층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 액정표시장치 제조방법은, 액정에 광중합성 화합물을 혼합하여 액정층과 광배향막 사이에 배향보조층을 형성하여 액정분자들과 광배향막 사이의 배향력을 강화시킨 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 액정표시장치 제조방법은, 자외선 조사에 의한 광배향 후, 광중합성 화합물이 혼합된 액정층을 주입하여, 기판을 합착한 후, 전면 자외선 조사 공정을 진행하여 액정층과 광배향막 사이의 배향력을 향상시킨 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 광배향 공정을 도시한 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 광배향 원리를 도시한 도면이다.
도 3은 종래 기술에 따른 광배향의 문제점을 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 액정표시장치 제조시 광배향 공정을 도시한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 액정표시장치의 액정층에 혼합되는 광중합성 화합물과 광개시제의 일예를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 액정표시장치 제조시 광배향 공정을 도시한 도면이고, 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 액정표시장치의 액정층에 혼합되는 광중합성 화합물과 광개시제의 일예를 도시한 도면이다.
도 4a 내지 4e와 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명의 액정표시장치 제조방법은, 투명성 절연물질로 형성된 제1기판(100) 상에 게이트 전극(101), 게이트 절연막(102), 채널층(114), 오믹콘택층(115) 및 소스/드레인 전극(117a, 117b)으로 구성된 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor: TFT)와, 상기 박막 트랜지스터의 드레인 전극(117b)과 전기적으로 연결되며, 화소 영역의 보호막(109) 상에 형성된 화소 전극(120) 및 공통 전극(130)을 포함한 하부기판을 형성한다.
본 발명에서는 보호막(109) 상에 화소 전극(120)과 공통 전극(130)이 교대로 배치된 구조를 중심으로 설명하였지만, 보호막(109) 상에 화소 전극(120) 또는 공통 전극(130)이 슬릿 형태로 형성되고, 그 하부에 슬릿 또는 플레이트 형태로 화소 전극(120) 또는 공통 전극(130)을 형성하는 IPS(In Panel Switching mode) 구조에 동일하게 적용될 수 있다. 즉, 화소 전극(120)과 공통 전극(130)이 보호막(109)을 사이에 두고 상하에 배치될 수 있다.
또한, 본 발명은 박막 트랜지스터가 형성된 하부기판에 화소 전극이 형성되고, 이와 대응되게 컬러필터가 형성된 상부기판에 공통 전극이 형성되는 TN(Twisted Nematic Mode) 또는 VA(Vertical Alignment Mode)에 동일하게 적용될 수 있다.
상기와 같이, 제1기판(100) 상에 박막 트랜지스터, 화소 전극(120) 및 공통전극(130)을 포함하는 하부기판이 완성되면, 계속해서 제1 광배향막(150)을 제1기판(100)의 전면에 형성한다.
그런 다음, 도 4b에 도시한 바와 같이, 자외선 조사 공정을 진행하여 상기 제1 광배향막(150)을 광배향한다. 상기 제1 광배향막(150)은 일반적으로 사용되는 광배향 물질로써, 광조사에 의해 광분해되는 유기물질을 사용할 수 있다.
또한, 상기 제1 광배향막(150)이 제1기판(100) 상에 형성되면, 소성 공정을 진행하여 경화공정을 진행할 수 있고, 자외선 조사 공정으로 광배향을 진행한 후에는 세정 공정 및 열처리 공정(post bake)을 진행할 수 있다.
상기와 같이, 자외선 조사 공정이 완료되면, 도 4c에 도시한 바와 같이, 컬러필터층(203)이 형성된 상부기판과 하부기판을 합착하고, 액정층을 형성한다. 상기 상부기판은 투명성 절연물질로된 제2기판(200) 상에 적, 녹, 청색 컬러필터로 이루어진 컬러필터층(203), 블랙매트릭스(201)를 포함하고, 평탄화를 위한 오버코트층이 형성될 수 있다.
또한, 상기 컬러필터층(203) 상부에는 제2 광배향막(250)이 형성된다. 상기 제 2 광배향막(250)은 제1 광배향막(150)과 동일한 물질을 사용할 수 있고, 자외선 조사 공정에 의해 광배향이 진행된다.
또한, 액정층은 상부기판과 하부기판을 합착한 후, 액정 주입 공정으로 형성하거나, 상부기판 또는 하부기판 상에 액정을 적하한 후, 두개의 기판을 합착하는 액정 적하 공정으로 형성할 수 있다.
본 발명의 액정층은 액정(138), 광중합성 화합물(137) 및 광개시제(136)를 포함한다.
상기 광중합성 화합물(138)은 모노머(mononer)나, 올리고머(oligomer)라고 불리는 물질에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 아크릴산 에스테르(ester), 메타크릴산 에스테르 등의 아크릴레이트(acrylate)기, 메타크릴레이트(methacrylate)기나 에폭시기, 비닐기, 알릴기 등의 중합성 화합물들을 사용할 수 있다. 이와 관련하여 도 5a에 광중합성 화합물(138)로 사용될 수 있는 물질의 분자식을 도시하였다.
또한, 상기 광개시제(136)은 아크릴 성분을 갖거나, 알파하이드록시케톤(a-hydroxy ketone)계와 알파아미노케톤(a-amino ketone)계, BDK 등을 사용할 수 있다. 도 5b는 광개시제의 구조식을 일예로써 제시된 것이다.
또한, 본 발명의 광중합성 화합물(138)의 함량은 액정층 전체에 대한 0.1~3wt%이고, 광개시제(136)의 함량은 0.05~0.5wt%이다.
상기와 같이, 광중합성 화합물(138)을 포함하는 액정층이 형성되면, 도 4d에 도시한 바와 같이, 합착된 상하부 기판 전면에 자외선 조사 공정을 진행한다.
상기 자외선 조사 공정은 합착된 상하부 기판의 하부와 상부에서 각각 진행될 수 있다. 상기 자외선 조사 공정은 광배향막 상에 광배향을 진행하는 공정이 아니라 광중합성 화합물(138)을 열경화하여 액정층과 광배향막 계면에 폴리머 사슬층을 형성하는 공정이다.
상기 자외선 조사 공정은 기판 외부에서 조사되는 자외선 광량 대비 70~80%의 광량이 액정층에 도달하도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들어 조사되는 자외선 광량이 51mW/cm2 인 경우에, 액정층에 도달하는 자외선 광량은 35~45mW/cm2d이다. 조사되는 파장대는 다양할 수 있으나, 365nm 파장대의 자외선을 조사하여 광경화 반응을 유도한다.
또한, 상기 광중합성 화합물(138)의 쌍극자 모멘트는 5debye 이하인 것이 바람직하고, 광중합성 화합물(138)이 포함된 액정은 액정 주입 또는 액정 적하 방식에 의해 기판 사이에 게재될 수 있다.
상기와 같이 자외선 조사 공정에 의한 열경화 공정이 이루어지면, 액정층에 포함되어 있는 광중합성 화합물(138)은 액정층과 제1 및 제 2 광배향막(150, 250)의 계면에 폴리머(polymer) 사슬로 이루어진 배향보조층(140)이 형성된다.
상기 배향보조층(140)은 광경화 반응에 의해 광중합성 화합물(138)이 폴리머 사슬로 되면서 형성되는데, 이는 광배향막과 액정층의 계면에서 광배향 공정으로 이루어진 약한 배향력을 강화시키는 역할을 한다.
또한, 상기 폴리머 사슬로 이루어진 배향보조층(140)이 액정층과 광배향막 사이에 형성되면, 80~150℃ 범위에서 열처리 공정을 추가할 수 있다.
또한, 본 발명은 광배향 공정을 진행하여 광배향을 진행하는 경우에서도 액정층의 액정분자의 프리틸트 각을 10°이하로 광배향시키는 경우에 적용하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명에서는 자외선 조사에 의한 비접촉식 광배향 방법이 약한 배향력을 갖는 문제점을 해결하고자, 액정층과 광배향막 사이에 폴리머 사슬로 이루어진 배향보조층을 형성하여, 배향력을 강화시켜 잔상 불량을 개선한 효과가 있다.
100: 제1기판 200: 제2기판
150: 제1 광배향막 250: 제2 광배향막
138: 액정 137: 광중합성 화합물
136: 광개시제 203: 컬러필터층

Claims (10)

  1. 제1 기판 상에 박막트랜지스터, 화소 전극 및 공통 전극이 형성된 하부기판을 제공하는 단계와 상기 제1 기판 상에 제1 광배향막을 형성하고 자외선 조사 공정에 따라 광배향을 진행하는 단계를 포함하는 하부기판 형성단계;
    제2 기판 상에 컬러필터와 블랙매트릭스가 형성된 상부기판을 제공하는 단계와 상기 제2 기판 상에 제1 광배향막을 형성하고, 자외선 조사 공정에 따라 광배향을 진행하는 단계를 포함하는 상부기판 형성단계;
    상기 하부기판과 상부기판 사이에 광중합성 화합물을 포함하는 액정층을 형성하는 단계; 및
    상기 액정층을 사이에 두고 합착된 상하부기판에 전면 자외선 조사 공정을 진행하여, 상기 액정층과 상하부 기판의 제1 및 제2 광배향막 사이에 배향보조층을 형성하는 단계를 포함하는 액정표시장치 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 화소 전극과 공통 전극은 보호막을 사이에 두고 상하로 형성된 것을 특징으로 하는 액정표시장치 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광중합성 화합물은 모노머(mononer) 또는 올리고머(oligomer) 계열의 물질 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 액정표시장치 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 광중합성 화합물은 아크릴산 에스테르(ester), 메타크릴산 에스테르 등의 아크릴레이트(acrylate)기, 메타크릴레이트(methacrylate)기나 에폭시기, 비닐기, 알릴기 중 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있는 것을 특징으로 하는 액정표시장치 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광중합성 화합물의 함량은 0.1~3wt%인 것을 특징으로 하는 액정표시장치 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 액정층에는 아크릴계, 알파하이드록시케톤(a-hydroxy ketone)계, 알파아미노케톤(a-amino ketone)계 중 어느 하나로된 광개시제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 광개시제의 함량은 0.05~0.5wt%인 것을 특징으로 하는 액정표시장치 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 배향보조층은 자외선 조사 공정에 의해 상기 광중합성 화합물의 열경화에 의해 형성된 폴리머 사슬로 이루어진 층인 것을 특징으로 하는 액정표시장치 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 폴리머 사슬은 상기 액정층과 제1 및 제2 광배향막의 경계에 형성되어 배향력을 강화시키는 것을 특징으로 하는 액정표시장치 제조방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광배향막은 액정층의 액정분자의 프리틸트 각을 10°이하로 광배향 시킨 것을 특징으로 하는 액정표시장치 제조방법.

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