KR20160087666A

KR20160087666A - 패턴의 구조적 변화를 이용한 선경사각의 조절을 통한 빠른 응답속도를 가지는 액정 디스플레이의 제조방법

Info

Publication number: KR20160087666A
Application number: KR1020150006921A
Authority: KR
Inventors: 정희태; 정우빈; 정현수; 전환진
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2015-01-14
Filing date: 2015-01-14
Publication date: 2016-07-22

Abstract

본 발명은 패턴의 구조적 변화를 이용한 선경사각의 조절을 통한 빠른 응답속도를 가지는 액정 디스플레이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판바닥에 전사된 프리-패턴(pre-pattern)을 비대칭으로 식각한 다음, 이온밀링을 이용하여 비대칭으로 식각된 프리-패턴의 일측면에 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 경사각이 조절된 패턴의 제조방법과 경사각이 조절된 패턴을 이용하여 빠른 응답속도를 가지는 액정 디스플레이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 패턴의 구조적 변화를 이용한 선경사각의 조절을 통한 빠른 응답속도를 가지는 액정 디스플레이의 제조방법은 고가의 이온빔이나 폴리아미드의 조성을 변경하는 등의 화학적 방법을 사용하지 않고 액정의 선경사각이 조절 가능하며, 상기 방법으로 제조된 디스플레이의 응답속도가 빨라지므로, 경제적이고 고효율을 가지는 액정 디스플레이의 제조에 유용하다.

Description

패턴의 구조적 변화를 이용한 선경사각의 조절을 통한 빠른 응답속도를 가지는 액정 디스플레이의 제조방법{Method of Preparing Liquid Crystal Display Having Rapid Response Speed Through Adjusting Pretilt Angle Using Structural Change in Pattern}

본 발명은 패턴의 구조적 변화를 이용한 선경사각의 조절을 통한 빠른 응답속도를 가지는 액정 디스플레이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판바닥에 전사된 프리-패턴(pre-pattern)을 비대칭으로 식각한 다음, 이온밀링을 이용하여 비대칭으로 식각된 프리-패턴의 일측면에 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 경사각이 조절된 패턴의 제조방법과 경사각이 조절된 패턴을 이용하여 빠른 응답속도를 가지는 액정 디스플레이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

디스플레이 중에서 특히 액정의 배향으로 빛의 개폐를 조절해 정보를 표시하는 액정표시장치(liquid crystal display, LCD)는 낮은 제조 단가로 대면적에 적용이 가능한 장점을 갖고 있다.

이러한 액정표시장치의 원리는 비등방적 구조의 액정을 특정 방향으로 배열시키기 위한 액정 배향막(alignment layer)과, 빛을 제공하는 백라이트(backlight), 빛의 개폐를 조절하는 편광판(polarizer), 색의 구현을 위한 색필터(color filter), 전기장 생성을 위한 전극(electrode) 그리고 액정층으로 구성되어 있다.

액정배향 기술은 배향막에서 특정 방향으로 배열되어 있는 액정층이 전기장 인가 유무에 따라 배향 방향이 결정되고, 액정층을 통과하는 빛의 투과율 조절함으로서 정보를 표시한다. 액정 배향막의 액정배향 특성은 장치에서의 휘도나 명암비 등 표시품질을 좌우하는 핵심 사항이다.

상용화된 액정표시장치에서의 액정 배향막은 주로 고분자 물질을 사용한다. 가장 통상적인 방법으로 유리 기판에 폴리이미드(polyimide)와 같은 고분자를 도포한 후, 섬유로 만든 천으로 감싼 롤러(roller)를 이용해 일정한 방향으로 문지르는 러빙법(rubbing)을 이용해 마이크로(micro) 크기의 홈을 형성한다. 배향막에 생성된 홈의 방향에 평행하게 액정이 물리적으로 배향되며 비교적 쉽고 간단한 공정상의 장점이 있다. 그러나 러빙법은 배향막과 롤러의 접촉시 정전기(static electricity) 발생, 롤러에 감싼 천에 의한 먼지의 발생, 고분자 전 면적에 균일하게 홈을 형성하지 못해 생기는 결함(defect)의 문제점이 존재한다.

따라서 최근에 러빙법을 대체하기 위한 액정 배향법으로써 광배향법(photoalignment), 임프린트법(imprint), 경사증착법(oblique evaporation) 등이 제시되고 있다. 이중에서 미국특허 제5,464,669호에서 개시된 광배향법은 선편광 자외선 빛(linearly polarized UV light)에 의한 광반응성 물질들의 비등방적 구조형성을 원리로 하고 있으며, 선형 편광된 자외선에 의해서 고분자에 결합된 감광성 그룹이 광반응을 일으키고 이 과정에서 고분자의 주쇄가 일정 방향으로 배열을 하게 됨으로써 결국 액정이 배향되는 메카니즘을 말한다. 액정 디스플레이 제조시 상기 광배향 방법을 이용하는 경우 광배향재를 액정 배향재로 사용하여 선형 편광된 자외선의 1회 경사조사로 배향을 유도하게 된다. 이때 광반응성 물질로는 아조벤젠(azobenzene), 시나메이트(cinnamate), 쿠마린(coumarine), 폴리이미드(polyimide) 등의 대표적이다.

이러한 광 배향법은 낮은 공정온도가 가능하며 한 유리 기판 내에서 다른 배향 방향을 갖는 다중 도메인(multi-domain) 구조가 가능하다는 이점을 가지고 있다. 다만 기판의 크기가 작을 경우에는 하나의 자외선 광원으로도 기판의 전체 면적을 효과적으로 직접 조사할 수 있지만, 기판의 크기가 커질수록 이러한 직접 조사는 전체 면적을 포함하기에는 한계가 있으며 마스크에 의한 부분 조사방법을 택하거나 기판 전체를 스캐닝할 수밖에 없다. 따라서 기판의 크기가 큰 경우 일반적으로 행해지는 방법은 기판에 광배향재를 도포하고 편광판을 부착한 다음 포토 마스크를 이용하여 자외선 빔으로 광조사하는 포토 마스킹을 하는 것이다.

포토 마스킹에 의해 부분 조사를 하는 경우, 평행 빔(collimated beam)을 사용한다 하더라도 액정에 선경사각을 형성하기 위하여 광원을 기판에 대하여 일정한 각도로 기울여 조사함에 따라 광원과의 거리 차이로 인해 각 부분에 미치는 편광 자외선의 에너지가 달라지므로 기판의 조사 면적 전체에 걸쳐서 배향의 불균일성을 초래하며, 이에 따라 선경사각이 달라지는 문제점이 발생한다. 또한 이 방법은 넓은 면적을 가지는 액정 디스플레이 기판의 제조에도 부적합하다.

이러한 선경사각을 조절하기 위한 방법으로 오직 이온빔 처리나 폴리이미드 폴리머의 수직/수평 조성을 변화하는 등 화학적인 방법만이 연구되어 왔다. 하지만 이러한 방법들은 유해한 화학물질을 사용하거나 고가의 이온빔장치를 사용해야 한다는 문제점을 가지고 있다.

이에, 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 기판바닥에 전사된 프리-패턴(pre-pattern)을 비대칭으로 식각한 다음, 이온밀링을 이용하여 비대칭으로 식각된 프리-패턴의 일측면에 패턴을 형성하여 경사각이 조절된 패턴을 제조하고, 상기 패턴을 이용하여 액정을 배향시킨 결과, 선경사각이 조절되어 응답속도가 향상된 액정 디스플레이를 수득할 수 있다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 비대칭 식각을 이용한 경사각이 조절된 패턴의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 바닥면에 대하여 30~89° 기울어진 패턴 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 바닥면에 대하여 상측일부가 30~89°로 접힌 패턴 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 바닥면에 대하여 30~89° 기울어진 패턴 또는 바닥면에 대하여 상측일부가 30~89°로 접힌 패턴을 이용한 선경사각이 조절된 액정 디스플레이 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 바닥면에 대하여 30~89° 기울어진 패턴 또는 바닥면에 대하여 상측일부가 30~89°로 접힌 패턴을 이용한 선경사각이 조절된 투명전극 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 바닥면에 대하여 30~89° 기울어진 패턴 또는 바닥면에 대하여 상측일부가 30~89°로 접힌 패턴을 이용한 선경사각이 조절된 터치스크린 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 기판에 전사된 프리-패턴의 일측면을 비대칭으로 식각하여 프리-패턴의 경사각을 조절하는 단계; (b) 프리-패턴이 전사되지 않은 부분을 제거하여 기판을 노출시키는 단계; (c) 상기 경사각이 조절된 프리-패턴을 기울여서 이온밀링하여, 기판의 성분이 프리-패턴의 일측면에 붙도록 하는 단계; (d) 상기 프리-패턴을 제거하여, 경사각이 조절된 패턴을 수득하는 단계;를 포함하는 비대칭 식각을 이용한 경사각이 조절된 패턴의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한, (a) 기판에 전사된 프리-패턴의 일측면을 1~30분간, 30~50°의 각도로 비대칭 식각하여 프리-패턴의 경사각을 조절하는 단계; (b) 프리-패턴이 전사되지 않은 부분을 제거하여 기판을 노출시키는 단계; (c) 상기 경사각이 조절된 프리-패턴을 기울여서 이온밀링하여, 기판의 성분이 프리-패턴의 일측면에 붙도록 하는 단계; (d) 상기 프리-패턴을 제거하여, 경사각이 조절된 패턴을 수득하는 단계;를 포함하는 바닥면에 대하여 30~89° 기울어진 패턴 및 그 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한, (a) 기판에 전사된 프리-패턴의 일측면을 1~30분간, 50~80°의 각도로 비대칭 식각하여 프리-패턴의 경사각을 조절하는 단계; (b) 프리-패턴이 전사되지 않은 부분을 제거하여 기판을 노출시키는 단계; (c) 상기 경사각이 조절된 프리-패턴을 기울여서 이온밀링하여, 기판의 성분이 프리-패턴의 일측면에 붙도록 하는 단계; (d) 상기 프리-패턴을 제거하여, 경사각이 조절된 패턴을 수득하는 단계;를 포함하는 바닥면에 대하여 상측일부가 30~89°로 접힌 패턴 및 그 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 바닥면에 대하여 30~89° 기울어진 패턴 또는 바닥면에 대하여 상측일부가 30~89°로 접힌 패턴을 이용한 선경사각이 조절된 액정 디스플레이 및 그 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 바닥면에 대하여 30~89° 기울어진 패턴 또는 바닥면에 대하여 상측일부가 30~89°로 접힌 패턴을 이용한 선경사각이 조절된 투명전극 및 그 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 바닥면에 대하여 30~89° 기울어진 패턴 또는 바닥면에 대하여 상측일부가 30~89°로 접힌 패턴을 이용한 선경사각이 조절된 터치스크린 및 그 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 패턴의 구조적 변화를 이용한 선경사각의 조절을 통한 빠른 응답속도를 가지는 액정 디스플레이의 제조방법은 고가의 이온빔이나 폴리아미드의 조성을 변경하는 등의 화학적 방법을 사용하지 않고 액정의 선경사각이 조절 가능하며, 상기 방법으로 제조된 디스플레이의 응답속도가 빨라지므로, 경제적이고 고효율을 가지는 액정 디스플레이의 제조에 유용하다.

도 1은 수직으로 세워진 패턴, 기울어진 패턴 및 구부러진 패턴을 제조하는 방법을 각각 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 방법으로 제작되는 구조적으로 변화된 패턴의 표면 SEM사진이다.
도 3은 본 발명의 방법으로 제작되는 각각의 패턴의 단면 사진이다.
도 4는 본 발명의 방법으로 제작되는 패턴을 이용한 액정의 선경사각 그래프이다.
도 5는 각각의 패턴의 경사각을 측정한 그림이다.
도 6은 본 발명의 방법으로 제작되는 패턴을 이용한 투명전극의 (a) 전도도 및 (b) 투과도 그래프이며, 본 발명의 방법으로 제작되는 패턴을 이용한 TN cell에 전기장을 가했을 때의 투과도(c) 그래프이다.
도 7은 액정의 반응시간과 고정 에너지(anchoring energy)의 그래프로 (a) 각각의 패턴에 따른 라이징 시간(rising time), (b) 각각의 패턴에 따른 폴링 시간(falling time), (c) 각각의 패턴에 따른 총 응답시간 및 (d) 각각의 페턴에 따른 고정 에너지(anchoring energy)그래프이다.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.

본 발명에서는, 기판바닥에 전사된 프리-패턴(pre-pattern)을 비대칭으로 식각한 다음, 이온밀링을 이용하여 비대칭으로 식각된 프리-패턴의 일측면에 패턴을 형성하는 것으로 수득되는 경사각이 조절된 패턴을 수득하였으며 상기 패턴에 액정을 배향시켜 액정디스플레이를 제조하였다. 그 결과 액정의 선경사각이 조절 가능하였으며 제조된 액정 디스플레이의 응답속도가 향상된 것을 확인하였다.

따라서, 본 발명은 일 관점에서, (a) 기판에 전사된 프리-패턴의 일측면을 비대칭으로 식각하여 프리-패턴의 경사각을 조절하는 단계; (b) 프리-패턴이 전사되지 않은 부분을 제거하여 기판을 노출시키는 단계; (c) 상기 경사각이 조절된 프리-패턴을 기울여서 이온밀링하여, 기판의 성분이 프리-패턴의 일측면에 붙도록 하는 단계; (d) 상기 프리-패턴을 제거하여, 경사각이 조절된 패턴을 수득하는 단계;를 포함하는 비대칭 식각을 이용한 경사각이 조절된 패턴의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 다른 관점에서, (a) 기판에 전사된 프리-패턴의 일측면을 1~30분간, 30~50°의 각도로 비대칭 식각하여 프리-패턴의 경사각을 조절하는 단계; (b) 프리-패턴이 전사되지 않은 부분을 제거하여 기판을 노출시키는 단계; (c) 상기 경사각이 조절된 프리-패턴을 기울여서 이온밀링하여, 기판의 성분이 프리-패턴의 일측면에 붙도록 하는 단계; (d) 상기 프리-패턴을 제거하여, 경사각이 조절된 패턴을 수득하는 단계;를 포함하는 바닥면에 대하여 30~89° 기울어진 패턴 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 또 다른 관점에서, (a) 기판에 전사된 프리-패턴의 일측면을 1~30분간, 50~80°의 각도로 비대칭 식각하여 프리-패턴의 경사각을 조절하는 단계; (b) 프리-패턴이 전사되지 않은 부분을 제거하여 기판을 노출시키는 단계; (c) 상기 경사각이 조절된 프리-패턴을 기울여서 이온밀링하여, 기판의 성분이 프리-패턴의 일측면에 붙도록 하는 단계; (d) 상기 프리-패턴을 제거하여, 경사각이 조절된 패턴을 수득하는 단계;를 포함하는 바닥면에 대하여 상측일부가 30~89°로 접힌 패턴 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 프리-패턴(Pre-Pattern)은 고분자 화합물, 포토레지스트 화합물, 실리콘, 실리콘옥사이드, 또는 블록공중합체인 것을 특징으로 할 수 있다. 프리-패턴은 기울어진 패턴을 형성하기 위해 제조되는 것으로 선 패턴의 몰드를 이용하여 기판에 전사된다. 이때 선 패턴의 몰드는 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)를 사용하는 것이 바람직하지만 이에 제한되는 것은 아니다. 선 패턴의 몰드를 이용하여 바닥에 전사된 프리-패턴은 단면이 사각형을 가지고 있으며, 일측면이 비대칭으로 식각되어 비대칭 식각된 부분에 기판의 성분이 부착되게 된다. 프리-패턴의 재질은 바람직하게는 폴리스티렌과 같은 고분자체, 포토레지스트와 같은 저분자체, 실리콘, 실리콘옥사이드, 또는 블록공중합체, 더욱 바람직하게는 폴리스티렌을 사용할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 기판은 실리콘, ITO, 금, 은, 백금, 철, 구리, 티타늄, 알루미늄, 마그네슘, 크롬, 텅스텐, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 바나듐, 코발트, 니켈, 하연, 게르마늄, 갈륨, 루비듐, 스트론튬, 지르코늄, 몰리브덴, 납, 카드늄, 인듐, 주석, 이리듐, 또는 상기 금속의 산화물인 것을 특징으로 할 수 있다. 기판은 프리-패턴이 전사되기 전에, 폴리스티렌과 같은 고분자체, 포토레지스트와 같은 저분자체, 실리콘, 실리콘옥사이드, 또는 블록공중합체로 코팅되는 것이 바람직하지만 이에 제한되는 것은 아니다. 비대칭으로 식각된 프리-패턴의 일측면에 이온밀링에 의하여 기판의 성분이 프리-패턴의 일측면에 옮겨 붙게 되며, 이후 프리-패턴을 제거하면 기울어진 패턴을 얻을 수 있다. 따라서 기판의 재질은 패턴을 사용가능한 실리콘, ITO, 금, 은, 백금, 철, 구리, 티타늄, 알루미늄, 마그네슘, 크롬, 텅스텐, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 바나듐, 코발트, 니켈, 하연, 게르마늄, 갈륨, 루비듐, 스트론튬, 지르코늄, 몰리브덴, 납, 카드늄, 인듐, 주석, 이리듐, 또는 상기 금속의 산화물인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 ITO일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 비대칭식각은 이온밀링 공정을 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다. 기판이 전사된 프리-패턴은 일측면이 비대칭으로 식각된다. 이때 식각 공정은 이온 밀링 공정을 사용하는 것이 바람직하며, 이온밀링의 시간과 각도에 따라 기울어진 패턴 또는 구부러진 패턴을 얻을 수 있다. 프리-패턴의 일측면을 1~30분간, 30~50°의 각도로 비대칭 식각하는 경우 바닥면에 대하여 30~89° 기울어진 프리-패턴을 수득 할 수 있으며, 1~30분간, 50~80°의 각도로 비대칭 식각하는 경우 바닥면에 대하여 상측일부가 30~89°로 접힌 패턴을 수득할 수 있다.

또한, 상기 각각의 (c) 경사각이 조절된 프리-패턴을 기울여서 이온밀링하여, 기판의 성분이 프리-패턴의 일측면에 붙도록 하는 단계에서, 이온밀링의 시간을 조절하여 마지막으로 얻어지는 패턴의 경사각을 미세하게 조절가능하다. 기울어진 패턴의 경우 30~90°의 각도로 조절가능하며, 이때 30° 미만의 각도를 가지는 경우 선 패턴이 무너지는 경우가 발생할 수 있다. 구부러진 패턴의 경우 상측 일부의 각도를 30~90°까지 조절가능하며, 이 역시 30°미만에서는 선 패턴이 무너지는 경우가 발생할 수 있다. 기울어진 패턴의 경우, 15분 식각을 통해 70°의 패턴을 구현할 수 있으며, 25분을 식각할 경우, 60°의 패턴이 만들어진다. 구부러진 패턴의 경우, 15분 식각을 통해 60°의 패턴이 구현되며, 25분 식각으로 40도의 패턴이 얻어진다.

본 발명에 있어서, 상기 패턴은 5~50nm의 두께와 높이 20nm~10μm를 가지며, 패턴사이의 간격은 100nm~10μm인 것을 특징으로 할 수 있다. 이에 따라 종횡비는 약 20을 나타내고 있으며, 상기 패턴은 5mm X 5mm ~ 15cm X 15cm 크기의 면적을 가질 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명은 또 다른 관점에서, 바닥면에 대하여 30~89° 기울어진 패턴 또는 바닥면에 대하여 상측일부가 30~89°로 접힌 패턴을 이용한 선경사각이 조절된 액정 디스플레이 및 그 제조방법에 관한 것이다.

상기 디스플레이 제조방법은 (i) 동일한 패턴을 가지는 두 개의 기판을 선페턴이 마주보게 한 다음, 스페이서를 부착하여 1~50μm의 간격을 유지하는 단계; 및 (ii) 상기 마주본 기판 사이에 액정을 주입하여 디스플레이를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 이때 두 개의 기판의 선패턴이 수평을 이루는 경우 ECB모드의 셀이 만들어지며, 수직을 이루는 경우 TN모드의 셀이 만들어 진다.

본 발명은 또 다른 관점에서, 바닥면에 대하여 30~89° 기울어진 패턴 또는 바닥면에 대하여 상측일부가 30~89°로 접힌 패턴이 있는 투명전극 및 그 제조방법에 관한 것이다. ITO(인듐틴옥사이드)는 이미 기존의 투명 전극 소재로 많이 사용되고 있는 물질로, 본 발명에서 기판을 ITO로 사용할 경우, 패턴화된 투명전극을 제작할 수 있다. 기존 기술들과 달리, 적은 양의 식각(5~50nm)으로 높이가 높은 패턴을 구현할 수 있기 때문에, 패턴 전후의 전도도 및 투과도에 큰 변화가 없는 장점을 가진다.

본 발명은 또 다른 관점에서, 바닥면에 대하여 30~89° 기울어진 패턴 또는 바닥면에 대하여 상측일부가 30~89°로 접힌 패턴을 이용한 선경사각이 조절된 터치스크린 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 터치스크린의 제조방법은 (a) 바닥면에 대하여 30~89° 기울어진 패턴을 가지는 기판에 기존의 선패턴과 수직이 되는 제2프리-패턴을 전사하는 단계; 및 (b) 상기 제2프리-패턴을 식각하여 격자형의 선패턴을 수득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 전극에 사용되는 소재인 ITO, 금, 구리 등의 전극소재를 패턴에 사용할 경우, 터치스크린에 응용될 수 있다. 경사각이 조절된 선패턴을 제작하고, 또 다른 선패턴을 기존의 선패턴 위에 수직방향으로 전사하여 터치스크린을 제작할 수 있다.

[실시예]

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1: 비대칭 식각을 이용한 구조적 변화된 패턴의 제조

ITO기판에 선패턴의 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS) 몰드를 이용하여 폴리스티렌 프리-패턴을 전사한다. 이후 이온밀링을 이용하여 상기 프리-패턴을 비대칭으로 식각한 다음, 바닥에 있는 ITO기판이 드러나도록 RIE공정을 이용하여 폴리머를 수직 식각한다. 이때 비대칭 식각의 각도를 40도와 60도로 하여 기울어진 선패턴(도 1의 (b))과 구부러진 선 패턴(도1의 (c))을 얻을 수 있다.이후 기판을 약 16도 정도 기울여서 이온밀링 과정을 통해 바닥의 ITO가 튀겨서 비대칭으로 식각된 프리-패턴의 한쪽 면에만 부착되도록 한다. 이때 각각의 각도에서 이온밀링의 시간을 조절하여 마지막으로 얻어지는 선 패턴의 각도를 조절할 수 있다. 마지막으로 RIE공정을 통하여 프리-패턴의 폴리스티렌을 제거하여, 기울어지거나 구부러진 선 패턴을 수득한다.

도2에 나타난 바와 같이, SEM이미지로 만들어진 패턴의 모양을 확인할 수 있다. 도 2는 대면적에 구현된 기울어진 패턴의 사진을 보여주며, 도 3은 여러 모양의 선 패턴의 단면 모습을 보여준다. 이 사진들은 이 연구결과의 중요한 점을 보여주고 있다. 첫째로, 대면적에 굉장히 균일하고 일정한 패턴의 구현이 가능하다는 것이다. 이 패턴의 경우, 1000나노 간격의 선 패턴이며, 두께는 약 15nm, 높이는 약 300nm로 종회비가 약 20이다(도 2). 또한, 본 연구실에서는 5mm*5mm 크기의 면적에 일정한 패턴을 구현하는 것에 성공하였다. 두번째로는, 이온 밀링 공정을 통해 패턴의 모양과 각도를 나노스케일로 조절 가능하다는 점이다. 그림 2b에서 보듯이, 이온 밀링 과정의 변화로 선 패턴의 기울어진 각도를 90도에서부터 85, 70, 60도까진 변화시킬 수 있다(도 3). 가장 많이 기울어진 각도는 60도로, 이는 더 기울어지면 선 패턴이 무너지는 경우가 발생하기 때문이다. 구부러진 패턴의 경우, 두 가지 부분으로 이루어져 있다. 거의 90도로 서 있는 아랫부분과 식각 시간에 따라 여러 가지 각도로 기울어져 있는 윗부분으로 구성되어 있다. 그림 2b를 보면 윗부분의 각도가 60도에서 40도까지 조절 된 것을 확인 할 수 있다.

비교예 1: 수직으로 서 있는 패턴의 제조

ITO기판에 선패턴의 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS) 몰드를 이용하여 폴리스티렌 프리-패턴을 전사한다. 이후 바닥에 있는 ITO기판이 드러나도록 RIE공정을 이용하여 폴리머를 수직 식각하고, 기판을 약 15도 정도 기울여서 이온밀링 과정을 통해 바닥의 ITO가 튀겨서 프리-패턴의 한쪽 면에만 부착되도록 한다. 마지막으로 RIE공정을 통하여 프리-패턴의 폴리스티렌을 제거하여 수직으로 서 있는 패턴을 수득한다(도 1의 (a))

실험예 1: 각각의 각도를 가지는 선 패턴을 이용하여 제조되는 액정의 결선구조 측정

상기 실시예1 및 비교예2의 패턴들로 액정의 배향을 결선 구조없이 배열이 가능한지 확인하기 위해, 액정들의 배향되는 정도를 ITO 선 패턴의 기울어진 각도에 따른 함수로 정의하였다. 결선 구조는 액정표시장치의 대비 비율을 떨어뜨리기 때문에, 이런 결선 구조를 없애는 것이 중요하다. 본 발명에서는, 네마틱 액정 물질로 5CB를 사용하여, 실시예 1의 기울어진 ITO 선 패턴과 비교예 1의 90도의 ITO 선패턴으로 만든 TN cell에 넣어서 성능을 확인하였다. 전기장이 없을 때에는, 도4에 나타난 바와 같이, 5V의 전기장을 걸었을 때는, 비교예1의 수직으로 서 있는 패턴 영역에서 하얀색 곡선으로 보이는 결선구조들이 나타났다. 이런 결선구조는 액정분자들이 한 방향으로 동시에 움직이지 않는다는 증거이다. 반면, 실시예 1의 기울어진 패턴 영역에서는 깔끔한 검은색을 확인할 수 있으며, 기울어진 패턴의 효과를 명백히 보여주는 결과이다.

실험예 2: 각각의 각도를 가지는 선 패턴을 이용하여 제조되는 액정의 선경사각 측정

변형된 ITO 선패턴에 따라 액정의 선경사각이 어떻게 변화하는지, 도 5에서 보여주고 있다. 액정의 선경사각을 측정하기 위해 셀 간격 15마이크로미터인 ECB 모드로 액정표시장치를 만들고, 편광판 회전 방법을 이용하여 측정하였다. 패턴의 주기는 1000나노미터로 고정하였고, 선 패턴의 각도는 기울어진 패턴의 경우 85, 70, 60도로 변화하였고, 구부러진 패턴에서는 60, 40도로 변화하였다. 이때 액정분자의 선경사각은 0.822도에서 17.7도까지 변화하였다. 이는 오직 물리적인 모양 변화로 액정 분자의 선경사각이 조절 가능하다는 것을 보여준다. 비교예 1의 수직으로 서 있는 패턴의 경우, 선경사각이 0.822도인데, 이는 결선구조를 없애기에는 충분하지 않은 각도이다. 반면, 85도로 기울어진 패턴의 경우 작은 각도변화임에도 불구하고, 더 큰 선경사각을 가지게 하면서 결선구조를 깔끔하게 없애주는 효과를 보여주었다. 도 4에서 보듯이, 한 쪽 방향으로 기울어져 있거나, 구부러진 패턴에서는 모두 결선구조가 깔끔하게 사라진 것을 확인 할 수 있다

이렇게 액정의 선경사각이 각각 다른 각도의 기울어진 패턴에 따라 달라지는 것은 액정이 패턴을 따라 올라가는 현상 때문으로 보여진다. 패턴의 기울어진 정도나 구부러진 정도에 따라 기울어진 부분을 따라 액정 분자들이 따라 올라가서 선경사각이 증가하였다고 추정하고 있다. 선 패턴 또한 기판과 같은 소재인 ITO 이기 때문에 같은 고정 에너지(anchoring energy)가 작용하여 액정분자들이 선 패턴을 따라 기울어질 수 있다고 추정한다. 이로 인해, 액정의 방위각이 변화하면서 선경사각도 같이 변화하는 것으로 보인다.

구부러진 패턴의 경우, 기울어진 패턴보다 더 큰 선경사각이 측정되는데, 이는 구부러지는 지점에서는 기판과 액정사이의 고정 에너지(anchoring energy)가 없기 때문에 더 쉽게 액정의 거동이 변화하는 것으로 보인다. 즉, 구부러진 지점에서는 액정들 간의 약한 상호작용 때문에 더 쉽게 선경사각이 증가하는 것으로 보인다.

실험예 3: 각각의 각도를 가지는 선 패턴을 이용하여 제조되는 투명전극의 전도도, 투과도 및 전기광학적 반응 측정

투명전극의 성능에는 저하가 없는지 확인하기 위하여, ITO 패턴의 전도도, 투과도, 전기광학적 반응을 측정하였다. ITO 선 패턴이 ITO 기판의 전기적, 광학적 성질을 저하시키지 않는다는 것을 확인했다. (도 6a, 6b) 반면, 다른 이전의 연구방법들에서는 패턴의 높이가 높아질수록 면저항이 급격히 증가하는 결과를 보여주었다. 예를 들어, 플라즈마 에칭으로 64나노미터 높이의 패턴을 만들 경우, 100% 저항이 증가하였다. 디스플레이 분야에서 가시광선 영역대의 투과도는 중요한 인자이기 때문에 본 기술에 대해서도 투과도를 측정하였고, 그 결과, 투과도의 저하는 없었다. 이렇게 전기적, 과학적 성능의 저하가 없는 것은 400나노미터에 달하는 높이와 15나노미터의 두께를 가지는 패턴을 만들기 위해 굉장히 적은 ITO가 식각되기 때문이다.

도 6c는 TN cell에 전기장을 가했을 때의 투과도 변화 그래프이다. 모든 패턴 시리즈들은 TN cell의 일반적인 거동(전기장을 가했을 때, 백색에서 흑색으로 변하는 그래프)을 따르고 있다. 이 그래프에서 주목할 점은 비교예 1의 수직으로 서 있는 패턴의 그래프 모양이다. 1V 근처에서 그래프 모양이 한 번 튕기는 것을 볼 수 있는데, 이는 선경사각의 방위각이 한 방향을 조절되지 않았다는 것을 보여준다. 반면, 실시예 1의 한 쪽으로 기울어지거나 구부러진 패턴들의 경우, 깔끔한 V-T 커브를 보여준다. 또 다른 중요한 점은 구동전압이 1.37V로 적다는 것이다. LCD 연구에서 적은 에너지 소비는 매우 중요하다. 본 기술로 만든 ITO 패턴의 경우, 모든 샘플에서 낮은 에너지 소비량을 보여준다. 가장 큰 선경사각을 가지는 40도로 구부러진 패턴의 경우, 문턱 전압이 없는 것과 같은 거동을 보이는데, 이는 굉장히 낮은 고정 에너지(anchoring energy)를 나타낸다.

실험예 3: 각각의 각도를 가지는 선 패턴을 이용하여 제조되는 액정의 반응속도 측정

도 7는 액정의 반응시간 그래프와 측정한 고정 에너지(anchoring energy) 그래프를 보여준다. 특히, 기울어진 패턴의 반응시간은 확연하게 줄어든 것을 확인할 수 있다.

도 7a, 7b 를 보면, 기울어진 패턴에서 액정의 라이징 시간(rising time) 과 폴링 시간(falling time)이 모두 많이 줄어든 것을 보여준다. 즉, 기울어진 패턴에서 선경사각이 증가할수록 반응시간이 줄어드는 경향을 보인다. 기울어진 패턴 중, 60 도로 기울어진 패턴이 2.46 도의 선경사각을 가지면서 동시에 가장 빠른 반응속도를 보여주었다. 가장 빠른 반응시간은 라이징 시간(rising time)이 0.606밀리초, 폴링 시간(falling time)이 7.485밀리초이다. 라이징 시간(rising time)의 경우 기존의 상용화되어 쓰이고 있는 폴리이미드 배향막의 샘플보다 3배 빠르고, 폴링 시간(falling time)의 경우 2.5배 빠르다. 구부러진 패턴의 경우, 라이징 시간(rising time)은 0.8 밀리초로 거의 일정한 반응시간을 보여주었고, 폴링 시간(falling time)은 오히려 더 길어지는 결과를 보여주었다. 결과적으로, 전체 반응시간을 보았을 때 60도로 기울어진 패턴의 반응시간이 가장 짧은 것으로 확인이 되었다.

이렇게 반응시간의 경향이 나온 이유에 대해 알아보기 위하여, 고정 에너지(anchoring energy)를 측정하였다. 일반적으로, 높은 고정 에너지(anchoring energy)를 가지면 라이징, 폴링 시간(rising, falling time)이 모두 빨라진다. 도 7d에서 보면, 기울어진 패턴들은 수직 패턴보다 높은 고정 에너지(anchoring energy)를 가지는 반면, 구부러진 패턴은 더 낮은 고정 에너지(anchoring energy)를 가진다. 선경사각 결과와 비교해보면, 기울어진 패턴은 선경사각이 증가하면서 고정 에너지(anchoring energy)가 같이 증가하였지만, 구부러진 패턴은 선경사각이 증가하면서 고정 에너지(anchoring energy)는 줄어드는 반대 경향을 보였다.

폴링 시간(falling time)에서는 특히 고정 에너지(anchoring energy)가 주요하게 작용한다. 고정 에너지(anchoring energy)가 액정 분자들을 다시 수평상태로 돌아오게 하는 힘이기 때문에, 긴 폴링 시간(falling time)은 낮은 고정 에너지(anchoring energy)때문이다. 앞선 반응시간 결과들도 이런 경향성을 따르고 있다. 따라서, 패턴의 선 간격을 줄이면 더 높은 고정 에너지(anchoring energy)를 가지면서, 더 빠른 반응시간을 쉽게 얻을 수 있을 것으로 본다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims

다음 단계를 포함하는 비대칭 식각을 이용한 경사각이 조절된 패턴의 제조방법:
(a) 기판에 전사된 프리-패턴의 일측면을 비대칭으로 식각하여 프리-패턴의 경사각을 조절하는 단계;
(b) 프리-패턴이 전사되지 않은 부분을 제거하여 기판을 노출시키는 단계;
(c) 상기 경사각이 조절된 프리-패턴을 기울여서 이온밀링하여, 기판의 성분이 프리-패턴의 일측면에 붙도록 하는 단계;
(d) 상기 프리-패턴을 제거하여, 경사각이 조절된 패턴을 수득하는 단계.
제1항에 있어서, 상기 프리-패턴은 고분자 화합물, 포토레지스트 화합물, 실리콘, 실리콘옥사이드, 또는 블록공중합체인 것을 특징으로 하는 비대칭 식각을 이용한 경사각이 조절된 패턴의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 기판은 실리콘, ITO, 금, 은, 백금, 철, 구리, 티타늄, 알루미늄, 마그네슘, 크롬, 텅스텐, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 바나듐, 코발트, 니켈, 하연, 게르마늄, 갈륨, 루비듐, 스트론튬, 지르코늄, 몰리브덴, 납, 카드늄, 인듐, 주석, 이리듐, 또는 상기 금속의 산화물 인 것을 특징으로 하는 비대칭 식각을 이용한 경사각이 조절된 패턴의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 비대칭식각은 이온밀링 공정을 이용하는 것을 특징으로 하는 비대칭 식각을 이용한 경사각이 조절된 패턴의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 (a)단계는 1~30분간 식각하는 것을 특징으로 하는 비대칭 식각을 이용한 경사각이 조절된 패턴의 제조방법.
다음의 단계를 포함하는 바닥면에 대하여 30~89° 기울어진 패턴의 제조방법:
(a) 기판에 전사된 프리-패턴의 일측면을 1~30분간, 30~50°의 각도로 비대칭 식각하여 프리-패턴의 경사각을 조절하는 단계;
(b) 프리-패턴이 전사되지 않은 부분을 제거하여 기판을 노출시키는 단계;
(c) 상기 경사각이 조절된 프리-패턴을 기울여서 이온밀링하여, 기판의 성분이 프리-패턴의 일측면에 붙도록 하는 단계;
(d) 상기 프리-패턴을 제거하여, 바닥면에 대하여 30~89° 기울어진 패턴을 수득하는 단계.
제6항에 있어서, 상기 프리-패턴은 고분자 화합물, 포토레지스트 화합물, 실리콘, 실리콘옥사이드, 또는 블록공중합체인 것을 특징으로 하는 바닥면에 대하여 30~89° 기울어진 패턴의 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 기판은 실리콘, ITO, 금, 은, 백금, 철, 구리, 티타늄, 알루미늄, 마그네슘, 크롬, 텅스텐, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 바나듐, 코발트, 니켈, 하연, 게르마늄, 갈륨, 루비듐, 스트론튬, 지르코늄, 몰리브덴, 납, 카드늄, 인듐, 주석, 이리듐, 또는 상기 금속의 산화물인 것을 특징으로 하는 바닥면에 대하여 30~89° 기울어진 패턴의 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 비대칭 식각은 이온밀링 공정을 이용하는 것을 특징으로 하는 바닥면에 대하여 30~89° 기울어진 패턴의 제조방법.
제6항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되고, 바닥면에 대하여 30~89° 기울어진 패턴.
제10항에 있어서, 상기 패턴은 5~50nm의 두께와 높이 20nm~10μm를 가지며, 패턴사이의 간격은 100nm~10μm인 것을 특징으로 하는 바닥면에 대하여 30~89° 기울어진 패턴.
제10항의 패턴을 이용한 선경사각이 조절된 액정 디스플레이의 제조방법.
제12항에 있어서, 상기 제조방법은
(i) 바닥면에 대하여 30~89° 기울어진 패턴을 가지는 두 개의 동일한 기판을 선패턴이 마주보게 한 다음, 스페이서를 부착하여 1~50μm의 간격을 유지하는 단계; 및
(ii) 상기 마주본 기판 사이에 액정을 주입하여 디스플레이를 제조하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이의 제조방법.
제12항의 방법으로 제조되고, 선경사각이 0.5~20°로 조절된 액정 디스플레이.
제10항의 패턴을 이용한 선경사각이 조절된 투명전극의 제조방법.
제15항의 방법으로 제조되고, 선경사각이 0.5~20°로 조절된 투명전극.
제10항의 패턴을 이용한 선경사각이 조절된 터치스크린의 제조방법.
제17항에 있어서, 상기 제조방법은
(a) 바닥면에 대하여 30~89° 기울어진 패턴을 가지는 기판에 기존의 선패턴과 수직이 되는 제2프리-패턴을 전사하는 단계; 및
(b) 상기 제2프리-패턴을 식각하여 격자형의 선패턴을 수득하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치스크린의 제조방법.
제17항의 방법으로 제조되고 선경사각이 0.5~20°로 조절된 터치스크린.
다음의 단계를 포함하는 바닥면에 대하여 상측일부가 30~89°로 접힌 패턴의 제조방법:
(a) 기판에 전사된 프리-패턴의 일측면을 1~30분간, 50~80°의 각도로 비대칭 식각하여 프리-패턴의 경사각을 조절하는 단계;
(b) 프리-패턴이 전사되지 않은 부분을 제거하여 기판을 노출시키는 단계;
(c) 상기 경사각이 조절된 프리-패턴을 기울여서 이온밀링하여, 기판의 성분이 프리-패턴의 일측면에 붙도록 하는 단계;
(d) 상기 프리-패턴을 제거하여, 바닥면에 대하여 상측일부가 30~89°로 접힌 패턴을 수득하는 단계.
제20항에 있어서, 상기 프리-패턴은 고분자 화합물, 포토레지스트 화합물, 실리콘, 실리콘옥사이드, 또는 블록공중합체인 것을 특징으로 하는 바닥면에 대하여, 상측일부가 30~89°로 접힌 패턴의 제조방법.
제20항에 있어서, 상기 바닥은 실리콘, ITO, 금, 은, 백금, 철, 구리, 티타늄, 알루미늄, 마그네슘, 크롬, 텅스텐, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 바나듐, 코발트, 니켈, 하연, 게르마늄, 갈륨, 루비듐, 스트론튬, 지르코늄, 몰리브덴, 납, 카드늄, 인듐, 주석, 이리듐, 또는 상기 금속의 산화물인 것을 특징으로 하는 바닥면에 대하여, 상측일부가 30~89°로 접힌 패턴의 제조방법.
제20항에 있어서, 상기 비대칭식각은 이온밀링 공정을 이용하는 것을 특징으로 하는 바닥면에 대하여, 상측일부가 30~89°로 접힌 패턴의 제조방법.
제20항 내지 제23항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되고, 바닥면에 대하여 상측일부가 30~89°를 가지며, 하부는 80~110°각도를 가지는 패턴.
제24항에 있어서, 상기 패턴은 5~50nm의 두께와 높이 20nm~10μm를 가지며, 패턴사이의 간격은 100nm~10μm인 것을 특징으로 하는 바닥면에 대하여 상측일부가 40~60°로 접힌 패턴.
제24항의 패턴을 이용한 선경사각이 조절된 액정 디스플레이의 제조방법.
제26항에 있어서, 상기 제조방법은
(i) 바닥면에 대하여 상측일부가 30~89°를 가지며, 하부는 80~110°각도를 가지는 패턴을 가지는 동일한 두 개의 기판을 선패턴이 마주보게 한 다음, 스페이서를 부착하여 1~50μm의 간격을 유지하는 단계; 및
(ii) 상기 마주본 기판 사이에 액정을 주입하여 디스플레이를 제조하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이의 제조방법;
제26항의 방법으로 제조되고, 선경사각이 0.5~20°로 조절된 액정 디스플레이.
제24항의 패턴을 이용한 선경사각이 조절된 투명전극의 제조방법.
제29항의 방법으로 제조되고 선경사각이 0.5~20°로 조절된 투명전극.
제24항의 패턴을 이용한 선경사각이 조절된 터치스크린의 제조방법.
제31항에 있어서, 상기 제조방법은
(a) 바닥면에 대하여 상측일부가 30~89°를 가지며, 하부는 80~110°각도를 가지는 패턴을 가지는 기판에 기존의 선패턴과 수직이 되는 제2프리-패턴을 전사하는 단계; 및
(b) 상기 제2프리-패턴을 식각하여 격자형의 선패턴을 수득하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치스크린의 제조방법.
제31항의 방법으로 제조되고, 선경사각이 0.5~20°로 조절된 터치스크린.