KR20160137871A - 액정 표시 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20160137871A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치는 기판, 상기 기판 위에 위치하는 박막 트랜지스터, 상기 박막 트랜지스터 위에 위치하는 화소 전극, 상기 화소 전극과 마주보는 루프층 그리고 상기 화소 전극과 상기 루프층 사이에 액정 분자 및 반응성 메소겐을 포함하는 복수의 미세 공간으로 형성된 액정층을 포함하고, 상기 화소 전극에 인접한 상기 미세 공간 영역에 형성된 돌기(bump)에 의해 상기 액정 분자가 선경사각을 가진다.

Description

액정 표시 장치 및 그 제조 방법{LIQUID CRYSTAL DISPLAY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 액정 표시 장치 및 그 제조 방법에 대한 것이다.
액정 표시 장치는 현재 가장 널리 사용되고 있는 평판 표시 장치 중 하나로서, 화소 전극과 공통 전극 등 전기장 생성 전극이 형성되어 있는 두 장의 표시판과 그 사이에 들어 있는 액정층으로 이루어진다.
전기장 생성 전극에 전압을 인가하여 액정층에 전기장을 생성하고 이를 통하여 액정층의 액정 분자들의 배향을 결정하고 입사광의 편광을 제어함으로써 영상을 표시한다.
액정 표시 장치 가운데 하나로써 복수의 캐비티(cavity)를 형성하고, 여기에 액정을 채워 디스플레이를 구현하는 기술이 개발되고 있다. 이 기술은 하판 위에 상판을 형성하는 것 대신에 유기 물질 등으로 희생층을 형성하고 상부에 지지 부재를 형성한 후에 희생층을 제거하고 희생층 제거로 형성된 빈 공간에 해 액정을 채워 디스플레이를 만드는 장치이다.
이러한 액정 표시 장치는 복수의 캐비티 안에 배향 물질을 주입해야 하기 때문에 두 장의 표시판으로 이루어진 표시 장치에 대비하여 배향막을 형성하는 공정이 용이하지 않다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 공정을 단순화하고 배향 특성을 개선한 액정 표시 장치 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치는 기판, 상기 기판 위에 위치하는 박막 트랜지스터, 상기 박막 트랜지스터 위에 위치하는 화소 전극, 상기 화소 전극과 마주보는 루프층 그리고 상기 화소 전극과 상기 루프층 사이에 액정 분자 및 반응성 메소겐을 포함하는 복수의 미세 공간으로 형성된 액정층을 포함하고, 상기 화소 전극에 인접한 상기 미세 공간 영역에 형성된 돌기(bump)에 의해 상기 액정 분자가 선경사각을 갖는다.
상기 돌기는 상기 액정층에 포함된 반응성 메소겐이 중합되어 형성된 배향 중합체를 포함할 수 있다.
상기 미세 공간과 상기 루프층 사이에 위치하는 공통 전극을 더 포함하고, 상기 미세 공간 내에서 서로 마주보는 상기 화소 전극의 윗면 및 상기 공통 전극의 아랫면에 상기 돌기가 위치할 수 있다.
상기 공통 전극과 상기 루프층 사이에 위치하는 하부 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 돌기는 하기 화학식 1-1 내지 1-14로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 화합물이 UV에 의해 중합된 중합체를 포함할 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
Figure pat00007
Figure pat00008
Figure pat00009
Figure pat00010
Figure pat00011
Figure pat00012
Figure pat00013
Figure pat00014
상기 화학식 1-1 내지 1-14에서,
상기 n은 1 내지 20 이고,
상기 X는 H, CH3, (CH2)nCH3, F, Br, I, OH, C3H7, NH2, CN로 이루어진 군에서 선택되는 하나이고,
상기 R은
Figure pat00015
로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다.
상기 돌기는 하기 화학식 2-1 내지 2-17으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 화합물이 UV에 의해 중합된 중합체를 포함할 수 있다.
Figure pat00016
Figure pat00017
Figure pat00018
Figure pat00019
Figure pat00020
Figure pat00021
Figure pat00022
Figure pat00023
Figure pat00024
Figure pat00025
Figure pat00026
Figure pat00027
Figure pat00028
Figure pat00029
Figure pat00030
Figure pat00031
Figure pat00032
상기 화학식 2-1 내지 2-17에서,
상기 n은 1 내지 20이고,
상기 X는 H, F, Cl, Br, I, NH2, OH로 이루어진 군에서 선택되는 하나이고,
상기 R은
Figure pat00033
로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다.
상기 액정층 내의 반응성 메소겐 함량은 150 ppm 미만일 수 있다.
상기 미세 공간 안에 배향막이 존재하지 않을 수 있다.
상기 액정층은 1도 내지 2도의 선경사가 형성되어 있을 수 있다.
상기 루프층 위에 위치하는 캐핑층을 더 포함하고, 상기 복수의 미세 공간 사이에 트렌치가 형성되어 있고, 상기 캐핑층은 상기 트렌치를 덮을 수 있다.
상기 돌기는 상기 화소 전극 표면 바로 위에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치의 제조 방법은 기판 위에 박막 트랜지스터를 형성하는 단계, 상기 박막 트랜지스터와 연결되도록 화소 전극을 형성하는 단계, 상기 화소 전극 위에 희생층을 형성하는 단계, 상기 희생층 위에 루프층을 형성하는 단계, 상기 희생층을 제거하여 복수의 미세 공간(Microcavity)을 형성하는 단계, 상기 미세 공간에 액정 분자와 반응성 메소겐의 혼합물을 주입하는 단계, 상기 액정 분자와 반응성 메소겐의 혼합물에 자외선을 조사하여 상기 화소 전극에 인접한 상기 미세 공간 영역에 돌기를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 액정 분자와 상기 반응성 메소겐의 혼합물을 주입하는 단계는 상기 미세 공간과 마주보는 상기 화소 전극의 표면이 노출된 상태에서 수행할 수 있다.
상기 액정과 반응성 메소겐의 혼합물에서 반응성 메소겐의 함량은 2000 ppm 내지 10000 ppm 사이일 수 있다.
상기 반응성 메소겐은 화학식 1-1 내지 1-14로 표현되는 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
Figure pat00034
Figure pat00035
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Figure pat00047
상기 화학식 1-1 내지 1-14에서,
상기 n은 1 내지 20 이고,
상기 X는 H, CH3, (CH2)nCH3, F, Br, I, OH, C3H7, NH2, CN로 이루어진 군에서 선택되는 하나이고,
상기 R은
Figure pat00048
로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다.
상기 반응성 메소겐은 하기 화학식 2-1 내지 2-17로 표현되는 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
Figure pat00049
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Figure pat00065
상기 화학식 2-1 내지 2-17에서,
상기 n은 1 내지 20이고,
상기 X는 H, F, Cl, Br, I, NH2, OH로 이루어진 군에서 선택되는 하나이고,
상기 R은
Figure pat00066
로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다.
상기 액정 분자와 상기 반응성 메소겐의 혼합물에 자외선을 조사하여 상기 돌기를 형성하는 단계는, 무전계 상태에서 1차로 자외선을 조사하는 단계, 및 전계 상태에서 2차로 자외선을 조사하여 선경사를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전계 상태에서 2차로 자외선을 조사하여 선경사를 형성하는 단계 이후, 형광 UV를 조사하여 상기 미세 공간에 남아 있는 미반응 반응성 메소겐를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 전계 상태에서 2차로 자외선을 조사하여 선경사를 형성하는 단계 이후 형성되는 선경사는 1도 내지 2도일 수 있다.
상기 액정 분자와 상기 반응성 메소겐의 혼합물에 자외선을 조사하여 돌기를 형성하는 단계 이후 액정층 내의 잔여 반응성 메소겐의 함량은 150 ppm 미만일 수 있다.
상기 미세 공간에 상기 액정 분자와 상기 반응성 메소겐의 혼합물을 주입하는 단계와 상기 액정 분자와 상기 반응성 메소겐의 혼합물에 자외선을 조사하여 돌기를 형성하는 단계 사이에, 상기 루프층 위에 캐핑층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치는 종래의 배향막을 형성하는 방법 대신 반응성 메소겐을 사용하여 액정 분자의 수직 배향을 유도함으로써 공정을 축소하고 재료비를 절감하며, 동등 또는 그 이상 수준의 수직 배향력을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 표시부의 표시 패널을 나타내는 평면도이다.
도 2는 도 1의 절단선 II-II를 따라 자른 단면도이다.
도 3은 도 1의 절단선 III-III을 따라 자른 단면도이다.
도 4 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치의 공정 단면도이다.
도 10은 반응성 메소겐을 포함하는 액정층에 UV를 조사하여 돌기를 형성하는 공정을 간략하게 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치의 이미지이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 액정 표시 장치에 형성된 돌기의 표면 이미지이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이제 본 발명의 실시예에 따른 표시 장치 및 그 제조 방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 표시부의 표시 패널을 나타내는 평면도이다. 도 2는 도 1의 절단선 II-II를 따라 자른 단면도이다. 도 3은 도 1의 절단선 III-III을 따라 자른 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 투명한 유리 또는 플라스틱 등으로 만들어진 기판(110) 위에 게이트선(121) 및 유지 전극선(131)이 형성되어 있다. 게이트선(121)은 게이트 전극(124)을 포함한다. 유지 전극선(131)은 주로 가로 방향으로 뻗어 있으며 공통 전압(Vcom) 등의 정해진 전압을 전달한다. 유지 전극선(131)은 게이트선(121a)과 실질적으로 수직하게 뻗은 한 쌍의 세로부(135a) 및 한 쌍의 세로부(135a)의 끝을 서로 연결하는 가로부(135b)를 포함한다. 유지 전극(135a, 135b)은 화소 전극(191)을 둘러싸는 구조를 가질 수 있다.
게이트선(121) 및 유지 전극선(131) 위에 게이트 절연막(140)이 형성되어 있다. 게이트 절연막(140) 위에는 데이터선(171) 하부에 위치하는 반도체층(151), 소스/드레인 전극의 하부 및 박막 트랜지스터(Q)의 채널 부분에 위치하는 반도체층(154)이 형성되어 있다.
각 반도체층(151, 154) 위이며, 데이터선(171), 소스/드레인 전극의 사이에는 복수의 저항성 접촉 부재가 형성되어 있을 수 있는데, 도면에서는 생략되어 있다.
각 반도체층(151, 154) 및 게이트 절연막(140) 위에 소스 전극(173) 및 소스 전극(173)과 연결되는 데이터선(171), 드레인 전극(175)을 포함하는 데이터 도전체(171, 173, 175)가 형성되어 있다.
게이트 전극(124), 소스 전극(173), 및 드레인 전극(175)은 반도체층(154)과 함께 박막 트랜지스터(Q)를 형성하며, 박막 트랜지스터(Q)의 채널(channel)은 소스 전극(173)과 드레인 전극(175) 사이의 반도체층 부분(154)에 형성된다.
데이터 도전체(171, 173, 175) 및 노출된 반도체층(154) 부분 위에는 제1 층간 절연막(180a)이 형성되어 있다. 제1 층간 절연막(180a)은 질화 규소(SiNx)와 산화 규소(SiOx) 따위의 무기 절연물 또는 유기 절연물을 포함할 수 있다.
제1 층간 절연막(180a) 위에는 색필터(230) 및 차광 부재(220a, 220b)가 형성되어 있다.
먼저, 차광 부재(220a, 220b)는 화상을 표시하는 영역에 대응하는 개구부를 가지는 격자 구조로 이루어져 있으며, 빛이 투과하지 못하는 물질로 형성되어 있다. 차광 부재(220a, 220b)의 개구부에는 색필터(230)가 형성되어 있다. 차광 부재는 게이트선(121)과 평행한 방향을 따라 형성된 가로 차광 부재(220a)와 데이트선(171)과 평행한 방향을 따라 형성된 세로 차광 부재(220b)를 포함한다. 다만, 세로 차광 부재(220b)는 생략될 수도 있다.
색필터(230)는 적색, 녹색 및 청색의 삼원색 등 기본색(primary color) 중 하나를 표시할 수 있다. 하지만, 적색, 녹색, 및 청색의 삼원색에 제한되지 않고, 청록색(cyan), 자홍색(magenta), 옐로(yellow), 화이트 계열의 색 중 하나를 표시할 수도 있다. 색필터(230)는 인접하는 화소마다 서로 다른 색을 표시하는 물질로 형성되어 있을 수 있다.
색필터(230) 및 차광 부재(220a, 220b)의 위에는 이를 덮는 제2 층간 절연막(180b)이 형성되어 있다. 제2 층간 절연막(180b)은 질화 규소(SiNx)와 산화 규소(SiOx) 따위의 무기 절연물 또는 유기 절연물을 포함할 수 있다. 도 2의 단면도에서 도시된 바와 달리 색필터(230)와 차광 부재(220a, 220b)의 두께 차이로 인하여 단차가 발생된 경우에는 제2 층간 절연막(180b)을 유기 절연물을 포함하도록 하여 단차를 줄이거나 제거할 수 있다.
색필터(230), 차광 부재(220a, 220b) 및 층간 절연막(180a, 180b)에는 드레인 전극(175)을 노출하는 접촉 구멍(185)이 형성되어 있다.
제2 층간 절연막(180b) 위에는 화소 전극(191)이 형성되어 있다.
화소 전극(191)은 전체적인 모양이 사각형이며 가로 줄기부(191a) 및 이와 교차하는 세로 줄기부(191b)로 이루어진 십자형 줄기부를 포함한다. 또한 가로 줄기부(191a)와 세로 줄기부(191b)에 의해 네 개의 부영역으로 나뉘어지며 각 부영역은 복수의 미세 가지부(191c)를 포함한다. 또한, 본 실시예에서 화소 전극(191)의 외곽을 둘러싸는 외곽 줄기부를 더 포함할 수 있다.
화소 전극(191)의 미세 가지부(191c)는 게이트선(121) 또는 가로 줄기부와 대략 40도 내지 45도의 각을 이룬다. 또한, 이웃하는 두 부영역의 미세 가지부는 서로 직교할 수 있다. 또한, 미세 가지부의 폭은 점진적으로 넓어지거나 미세 가지부(191c)간의 간격이 다를 수 있다.
화소 전극(191)은 세로 줄기부(191b)의 하단에서 연결되고, 세로 줄기부(191b)보다 넓은 면적을 갖는 연장부(197)를 포함하고, 연장부(197)에서 접촉 구멍(185)을 통하여 드레인 전극(175)과 물리적, 전기적으로 연결되어 있으며, 드레인 전극(175)으로부터 데이터 전압을 인가 받는다.
지금까지 설명한 박막 트랜지스터(Q) 및 화소 전극(191)에 관한 설명은 하나의 예시이고, 측면 시인성을 향상시키기 위해 박막 트랜지스터 구조 및 화소 전극 디자인을 변형할 수 있다.
화소 전극(191) 표면 위에는 돌기(50)가 형성되어 있다. 이러한 돌기(50)는 액정층을 형성하는 액정 분자(310)와 혼합되어 있던 반응성 메소겐이 UV(Ultraviolet Ray) 조사에 의해 형성된 배향 중합체를 포함한다. 돌기(50)는 수직 배향기를 갖는 폴리이미드를 도포하여 형성된 수직 배향막처럼 기능하여 액정 분자(310)의 수직 배향을 유도한다. 돌기(50)의 구체적인 물질, 구조 및 효과에 대하여는 후술한다.
이러한 돌기(50)는 화소 전극(191)과 마주보는 공통 전극(270) 아래에도 형성되어 있고, 이렇게 마주보게 형성된 돌기(50) 사이에는 미세 공간(305)이 형성되어 있다.
도 3을 참고하면 돌기(50)는 미세 공간의 측벽에도 형성되어 미세 공간 내부에서 전체적으로 연결되어 있을 수 있다.
미세 공간(305)에는 액정 분자(310)를 포함하는 액정 물질이 주입되어 있고, 미세 공간(305)은 입구부(307)를 갖는다. 미세 공간(305)은 화소 전극(191)의 열 방향 다시 말해 세로 방향을 따라 형성될 수 있다. 본 실시예에서 돌기(50)를 형성하는 반응성 메소겐과 액정 분자(310)를 포함하는 액정 물질은 모관력(capillary force)을 이용하여 미세 공간(305)에 주입될 수 있다.
미세 공간(305)은 게이트선(121)과 중첩하는 부분에 위치하는 복수의 트렌치(307FP)에 의해 세로 방향으로 나누어지며, 또한 게이트선(121)이 뻗어 있는 방향을 따라 복수개 형성되어 있다. 복수개 형성된 미세 공간(305) 각각은 화소 영역 하나 또는 둘 이상에 대응할 수 있고, 화소 영역은 화면을 표시하는 영역에 대응할 수 있다.
화소 전극과 마주보는 위치에 형성된 돌기(50) 위에는 공통 전극(270), 하부 절연층(350)이 위치한다. 공통 전극(270)은 공통 전압을 인가 받고, 데이터 전압이 인가된 화소 전극(191)과 함께 전기장을 생성하여 두 전극 사이의 미세 공간(305)에 위치하는 액정 분자(310)가 기울어지는 방향을 결정한다. 공통 전극(270)은 화소 전극(191)과 축전기를 이루어 박막 트랜지스터가 턴 오프(turn-off)된 후에도 인가된 전압을 유지한다. 하부 절연층(350)은 질화 규소(SiNx) 또는 산화 규소(SiO2)로 형성될 수 있다.
본 실시예에서는 공통 전극(270)이 미세 공간(305) 위에 형성되는 것으로 설명하였으나, 다른 실시예로 공통 전극(270)이 미세 공간(305) 하부에 형성되어 수평 전계 모드에 따른 액정 구동도 가능하다.
하부 절연층(350) 위에 루프층(Roof Layer; 360)이 위치한다. 루프층(360)은 화소 전극(191)과 공통 전극(270)의 사이 공간인 미세 공간(305)이 그 모양을 유지할 수 있도록 지지하는 역할을 한다. 루프층(360)은 포토 레지스트 또는 그 밖의 유기 물질을 포함할 수 있다.
루프층(360) 위에 상부 절연층(370)이 위치한다. 상부 절연층(370)은 루프층(360)의 상부면과 접촉할 수 있다. 상부 절연층(370)은 질화 규소(SiNx) 또는 산화 규소(SiO2)로 형성될 수 있다.
상부 절연층(370) 위에 캐핑층(390)이 위치한다. 본 실시예에서 캐핑층(390)은 트렌치(307FP)을 채우면서 트렌치(307FP)에 의해 노출된 미세 공간(305)의 입구부(307)를 덮는다. 캐핑층(390)은 유기 물질 또는 무기 물질을 포함한다.
본 실시예에서는 도 3에 도시한 바와 같이, 가로 방향으로 이웃하는 미세 공간(305) 사이에 격벽부(PWP)가 형성되어 있다. 격벽부(PWP)는 데이터선(171)이 뻗어 있는 방향을 따라 형성될 수 있고, 루프층(360)에 의해 덮일 수 있다. 격벽부(PWP)에는 하부 절연층(350), 공통 전극(270), 상부 절연층(370) 및 루프층(360)이 채워져 있는데 이러한 구조물이 격벽(Partition Wall)을 형성함으로써 미세 공간(305)을 구획 또는 정의할 수 있다. 본 실시예에서는 미세 공간(305)사이에 격벽부(PWP)와 같은 격벽 구조가 있기 때문에 절연 기판(110)이 휘더라도 발생하는 스트레스가 적고, 셀 갭(Cell Gap)이 변경되는 정도가 훨씬 감소할 수 있다.
도시는 생략하였으나, 표시 패널의 상하부 면에는 편광판이 더 형성될 수 있다. 편광판은 제1 편광판 및 제2 편광판으로 이루어질 수 있다. 제1 편광판은 기판(110)의 하부 면에 부착되고, 제2 편광판은 캐핑층(390) 위에 부착될 수 있다.
그러면 본 실시예의 미세 공간 내부에 형성되는 돌기(50)에 대하여 보다 상세히 설명한다.
기존의 미세 공간 구조를 갖는 액정 표시 장치의 경우, 수직 배향막 확보를 위하여 측쇄에 수직 배향기를 갖는 배향 물질을 도포하고 소성하여 배향막을 제조하였다. 그러나 미세 공간 내에 배향막을 도포하는 공정이 용이하지 않기 때문에, 저점도의 배향막을 사용하여야 했다. 따라서 배향막의 두께가 10 nm 이하로 형성되었으며, 이로 인해 수직 배향력이 떨어지는 문제점이 있었다. 또한 미세 공간 내부에 배향막이 균일하게 도포되기 어려운 문제점이 있었다.
그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치의 경우 기존의 배향막을 형성하는 방법 대신 액정 분자에 혼합된 반응성 메소겐을 UV 조사함으로써 돌기를 형성하고, 돌기를 사용하여 액정 분자를 배향할 수 있다. 따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하였다. 즉, 배향 물질을 도포 및 소성하는 대신에, 후술하는 반응성 메소겐을 중합하여 돌기를 미세 공간 내부에 형성하고, 이러한 돌기를 이용하여 액정의 수직 배향력을 유도하였다.
이러한 돌기는 반응성 메소겐과 액정 분자의 혼합물을 미세 공간에 주입한 후, UV 등을 조사하여 반응성 메소겐을 중합시키는 방법으로 형성될 수 있다.
이때 본 발명의 일실시예 따른 반응성 메소겐은 하기 화학식 1-1 내지 1-14로 표현되는 화합물 중 적어도 하나일 수 있다.
Figure pat00067
Figure pat00068
Figure pat00069
Figure pat00070
Figure pat00071
Figure pat00072
Figure pat00073
Figure pat00074
Figure pat00075
Figure pat00076
Figure pat00077
Figure pat00078
Figure pat00079
Figure pat00080
이때 상기 화학식 1-1 내지 1-14에서 상기 n은 1 내지 20 이고, 상기 X는 H, CH3, (CH2)nCH3, F, Br, I, OH, C3H7, NH2, 및 CN 중에서 선택되는 하나일 수 있다.
또한 상기 R은
Figure pat00081
로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다. 상기
Figure pat00082
에서 n은 1 내지 20 사이일 수 있다.
또한 본 발명의 일실시예에 따른 반응성 메소겐은 하기 화학식 2-1 내지 2-17로 표현되는 화합물들 중 적어도 하나일 수 있다.
Figure pat00083
Figure pat00084
Figure pat00085
Figure pat00086
Figure pat00087
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Figure pat00092
Figure pat00093
Figure pat00094
Figure pat00095
Figure pat00096
Figure pat00097
Figure pat00098
Figure pat00099
이때 상기 화학식 2-1 내지 2-17에서, 상기 n은 1 내지 20이고, 상기 X는 H, F, Cl, Br, I, NH2, 및 OH 중에서 선택되는 하나일 수 있다.
또한 상기 R은
Figure pat00100
로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다. 상기
Figure pat00101
에서 n은 1 내지 20 사이일 수 있다.
이렇게 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치는 미세 공간 내부에 배향막을 형성하지 않고 돌기를 형성하고, 돌기로 액정 분자의 수직 배향을 유도하였다. 따라서 기존에 미세 공간 내부에 배향막을 도포하기 어려웠던 공정상의 문제점 및 저점도 배향막 적용으로 인해 수직 배향력이 충분히 확보되지 않았던 문제점을 해결하였다. 또한 배향막 도포 공정 및 소성 공정을 생략할 수 있어 공정을 축소하고 재료비를 절감할 수 있다.
그러면 이하에서 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치의 제조 방법에 대하여 설명한다. 도 4 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치의 공정 단면도이다.
도 1 및 도 4를 참고하면 기판(110) 위에 일반적으로 알려진 스위칭 소자를 형성하기 위해 가로 방향으로 뻗어 있는 게이트선(121), 게이트선(121) 위에 게이트 절연막(140)을 형성하고, 게이트 절연막(140) 위에 반도체층(151, 154)을 형성하고, 소스 전극(173) 및 드레인 전극(175)을 형성한다. 이 때 소스 전극(173)과 연결된 데이터선(171)은 게이트선(121)과 교차하면서 세로 방향으로 뻗도록 형성할 수 있다.
소스 전극(173), 드레인 전극(175) 및 데이터선(171)을 포함하는 데이터 도전체(171, 173, 175) 및 노출된 반도체층(154) 부분 위에는 제1 층간 절연막(180a)을 형성한다.
제1 층간 절연막(180a) 위에 화소 영역에 대응하는 위치에 색필터(230)를 형성하고, 색필터(230) 사이에 차광부재(220a, 220b)를 형성한다.
색필터(230) 및 차광 부재(220a, 220b) 위에 이를 덮는 제2 층간 절연막(180b)을 형성하고, 제2 층간 절연막(180b)은 화소 전극(191)과 드레인 전극(175)을 전기적, 물리적으로 연결하는 접촉 구멍(185)을 갖도록 형성한다.
이후, 제2 층간 절연막(180b) 위에 화소 전극(191)을 형성한다.
도 5를 참고하면 화소 전극(191) 위에 희생층(300)을 형성한다. 이어 희생층(300) 위에 공통 전극(270), 하부 절연층(350) 및 루프층(360)을 차례로 형성한다. 루프층(360)은 노광 및 현상 공정에 의해 세로 방향으로 이웃하는 화소 영역 사이에 위치하는 가로 차광 부재(220a)와 대응하는 영역에서 제거될 수 있다.
다음 루프층(360)과 노출된 하부 절연층(350) 위를 덮도록 상부 절연층(370)을 형성한다.
도 6을 참고하면, 상부 절연층(370), 하부 절연층(350) 및 공통 전극(270)을 건식 식각하여 상부 절연층(370), 하부 절연층(350) 및 공통 전극(270)이 부분적으로 제거됨으로써 트렌치(307FP)을 형성한다.
이 때, 상부 절연층(370)이 루프층(360)의 측면을 덮는 구조를 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않고 루프층(360)의 측면을 덮고 있던 상부 절연층(370)이 제거되어 루프층(360)의 측면이 외부로 노출되도록 할 수도 있다.
도 7을 참고로 하면 트렌치(307FP)을 통해 희생층(300)을 산소(O2) 애싱(Ashing) 처리 또는 습식 식각법 등으로 제거한다. 이 때, 입구부(307)를 갖는 미세 공간(305)이 형성된다. 미세 공간(305)은 희생층(300)이 제거되어 빈 공간 상태이다.
다음, 도 8을 참고로 하면 입구부(307)를 통해 액정 분자(310)와 반응성 메소겐(51)이 혼합된 액정 물질을 주입한다. 이때 반응성 메소겐 (51)의 함량은 전체 액정 혼합 용매에 대하여 2000 ppm 내지 10000 ppm의 농도로 포함될 수 있다.
이때 포함되는 반응성 메소겐은 하기와 같다. 즉, 반응성 메소겐은 하기 화학식 1-1 내지 1-14로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
Figure pat00102
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Figure pat00114
Figure pat00115
상기 화학식 1-1 내지 1-14에서 상기 n은 1 내지 20 이고, 상기 X는 H, CH3, (CH2)nCH3, F, Br, I, OH, C3H7, NH2, CN로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다.
또한 상기 R은
Figure pat00116
로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다. 상기
Figure pat00117
에서 n은 1 내지 20 사이일 수 있다.
또한 반응성 메소겐은 하기 화학식 2-1 내지 2-17으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
Figure pat00118
Figure pat00119
Figure pat00120
Figure pat00121
Figure pat00122
Figure pat00123
Figure pat00124
Figure pat00125
Figure pat00126
Figure pat00127
Figure pat00128
Figure pat00129
Figure pat00130
Figure pat00131
Figure pat00132
Figure pat00133
Figure pat00134
상기 화학식 2-1 내지 2-17에서, 상기 n은 1 내지 20이고, 상기 X는 H, F, Cl, Br, I, NH2, OH로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다.
또한 상기 R은
Figure pat00135
로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다. 상기
Figure pat00136
에서 n은 1 내지 20 사이일 수 있다.
이때, 화소 전극(191) 위에는 배향막 등이 형성되어 있지 않으며 상기 액정 분자(310)와 반응성 메소겐(51)이 혼합된 액정 물질은 상기 화소 전극(191)의 표면이 노출된 상태에서 주입된다.
이후 도 9와 같이 상부 절연층(370) 위에 입구부(307) 및 트렌치를 덮도록 캐핑층(390)을 형성한다.
다음, UV를 조사하여 반응성 메소겐을 중합시키면, 액정 분자(310)와 반응성 메소겐(51) 혼합 용매로부터 반응성 메소겐(51)이 중합, 분리되어 화소 전극(191)과 공통 전극(270)에 인접한 영역에 돌기가 형성되고, 최종적으로 도 2와 같은 구조의 표시 장치가 완성되게 된다.
이렇게 UV를 조사하여 돌기를 형성하는 공정에 대하여 도 10을 참고로 하여 보다 자세히 설명한다.
도 10은 UV를 조사하여 돌기를 형성하는 공정을 간략하게 나타낸 것이다.
도 10(A)는 미세 공간에 액정 분자와 반응성 메소겐이 혼합 주입되어 있는 표시 장치를 도시한 것이다. 도 10의 (A)는 액정과 반응성 메소겐이 혼합되어 존재하는 상태로 수평배향 상태이다.
여기에 도 10의 (B)와 같이 무전계 UV 공정을 통해 반응성 메소겐을 액정 분자로부터 분리, 중합시켜 돌기를 형성한다. 이때 돌기의 형성을 통해 액정 분자는 수직배향된다.
이때 액정 혼합 용매에 포함되어 있던 반응성 메소겐 모두가 반응하는 것은 아니며, 일부는 미반응 상태로 존재하게 된다.
다음, 도 10의 (C)와 같이 전계 상태에서 UV를 조사하면 미반응 반응성 메소겐이 반응하면서 88.6 도 내지 90도 사이의 선경사각(pretilt)이 형성된다.
다음, 도 10의 (D)와 같이 형광 UV 공정을 통해 미반응 반응성 메소겐을 제거한다. 이러한 형광 UV를 통해 액정 내에 존재하는 잔여 반응성 메소겐이 제거되며, 최종적으로 액정층 내에 잔존하는 잔여 반응성 메소겐의 함량은 150 ppm 미만으로 유지되게 된다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치 및 그 제조 방법은 상기와 같이 액정과 반응성 메소겐의 혼합 용매를 미세 공간 내부에 주입하고, UV 조사를 통해 돌기를 형성함으로써 기존의 배향막 형성 공정을 대체하였다.
따라서 기존에 미세 공간 내부에 배향막을 도포하기 어려웠던 공정상의 문제점 및 저점도 배향막 적용으로 인해 수직 배향력이 충분히 확보되지 않았던 문제점을 해결하였다. 또한 배향막 도포 공정 및 소성 공정을 생략할 수 있어 공정을 축소하고 재료비를 절감할 수 있다.
도 11은 앞서 설명한 표시 장치의 제조 방법으로 제조된 표시 장치의 이미지이다. 이때 돌기의 제조에 사용한 반응성 메소겐은 하기와 같다.
Figure pat00137
도 11의 (a)는 액정과 반응성 메소겐의 혼합 용매가 미세 공간 내에 주입된 후 UV가 가해지기 전의 상태로, 도 10의 (a)와 대응한다. 이 상태에서는 표시 장치의 액정은 수평상태로 배향되어 있으며, 블랙 또는 화이트를 나타내지 않는다.
도 11의 (b)는 액정과 반응성 메소겐의 혼합 용매가 주입된 액정 표시 장치에 UV를 조사하여 돌기를 형성한 후의 이미지로, 도 10의 (b)와 대응한다. 돌기 형성으로 인해 액정이 수직 배향되어, 전계가 공급되지 않은 상태에서 블랙을 나타낸다.
다음 도 11의 (c)는 실제로 표시 장치에 전압을 공급하여 구동한 이미지이다. 도 11(c)에 나타난 바와 같이, 배향막 없이 돌기만 형성한 경우에도 표시 장치가 정상적으로 구동함을 확인할 수 있었다.
도 12는 배향막 없이 돌기의 표면 이미지이다. 도 12에 도시된 바와 같이 형성된 돌기로 인해 액정층에 수직 배향력이 부여된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
110: 기판 121: 게이트선
131: 유지 전극선 140: 게이트 절연막
151: 반도체층 171: 데이터선
191: 화소 전극 220a, 220b: 차광 부재
230: 색필터 270: 공통 전극
310: 액정 분자 51: 반응성 메소겐
50: 돌기

Claims (20)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 위치하는 박막 트랜지스터;
    상기 박막 트랜지스터 위에 위치하는 화소 전극;
    상기 화소 전극과 마주보는 루프층 그리고
    상기 화소 전극과 상기 루프층 사이에 액정 분자 및 반응성 메소겐을 포함하는 복수의 미세 공간으로 형성된 액정층을 포함하고,
    상기 화소 전극에 인접한 상기 미세 공간 영역에 형성된 돌기(bump)에 의해 상기 액정 분자가 선경사각을 갖는 액정 표시 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 돌기는 상기 액정층에 포함된 반응성 메소겐이 중합되어 형성된 배향 중합체를 포함하는 액정 표시 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 미세 공간과 상기 루프층 사이에 위치하는 공통 전극을 더 포함하고,
    상기 미세 공간 내에서 서로 마주보는 상기 화소 전극의 윗면 및 상기 공통 전극의 아랫면에 상기 돌기가 위치하는 액정 표시 장치.
  4. 제3항에서,
    상기 공통 전극과 상기 루프층 사이에 위치하는 하부 절연층을 더 포함하는 액정 표시 장치.
  5. 제1항에서,
    상기 돌기는 하기 화학식 1-1 내지 1-14로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 화합물이 UV에 의해 중합된 중합체를 포함하는 액정 표시 장치:
    Figure pat00138

    Figure pat00139

    Figure pat00140

    Figure pat00141

    Figure pat00142

    Figure pat00143

    Figure pat00144

    Figure pat00145
    Figure pat00146

    Figure pat00147

    Figure pat00148

    Figure pat00149

    Figure pat00150

    Figure pat00151


    상기 화학식 1-1 내지 1-14에서,
    상기 n은 1 내지 20 이고,
    상기 X는 H, CH3, (CH2)nCH3, F, Br, I, OH, C3H7, NH2, CN로 이루어진 군에서 선택되는 하나이고,
    상기 R은
    Figure pat00152
    로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다.
  6. 제1항에서,
    상기 돌기는 하기 화학식 2-1 내지 2-17으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 화합물이 UV에 의해 중합된 중합체를 포함하는 액정 표시 장치:

    Figure pat00153

    Figure pat00154

    Figure pat00155
    Figure pat00156

    Figure pat00157
    Figure pat00158

    Figure pat00159
    Figure pat00160

    Figure pat00161
    Figure pat00162

    Figure pat00163
    Figure pat00164

    Figure pat00165
    Figure pat00166

    Figure pat00167
    Figure pat00168
    Figure pat00169

    상기 화학식 2-1 내지 2-17에서,
    상기 n은 1 내지 20이고,
    상기 X는 H, F, Cl, Br, I, NH2, OH로 이루어진 군에서 선택되는 하나이고,
    상기 R은
    Figure pat00170
    로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다.
  7. 제1항에서,
    상기 액정층 내의 반응성 메소겐 함량은 150 ppm 미만인 액정 표시 장치.
  8. 제1항에서,
    상기 미세 공간 안에 배향막이 존재하지 않는 액정 표시 장치.
  9. 제1항에서,
    상기 액정층은 1도 내지 2도의 선경사가 형성되어 있는 액정 표시 장치.
  10. 제1항에서,
    상기 루프층 위에 위치하는 캐핑층을 더 포함하고, 상기 복수의 미세 공간 사이에 트렌치가 형성되어 있고, 상기 캐핑층은 상기 트렌치를 덮는 액정 표시 장치.
  11. 제1항에서,
    상기 돌기는 상기 화소 전극 표면 바로 위에 위치하는 액정 표시 장치.
  12. 기판 위에 박막 트랜지스터를 형성하는 단계,
    상기 박막 트랜지스터와 연결되도록 화소 전극을 형성하는 단계,
    상기 화소 전극 위에 희생층을 형성하는 단계,
    상기 희생층 위에 루프층을 형성하는 단계,
    상기 희생층을 제거하여 복수의 미세 공간(Microcavity)을 형성하는 단계,
    상기 미세 공간에 액정 분자와 반응성 메소겐의 혼합물을 주입하는 단계,
    상기 액정 분자와 반응성 메소겐의 혼합물에 자외선을 조사하여 상기 화소 전극에 인접한 상기 미세 공간 영역에 돌기를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 액정 분자와 상기 반응성 메소겐의 혼합물을 주입하는 단계는 상기 미세 공간과 마주보는 상기 화소 전극의 표면이 노출된 상태에서 수행하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  13. 제12항에서,
    상기 액정과 반응성 메소겐의 혼합물에서 반응성 메소겐의 함량은 2000 ppm 내지 10000 ppm 사이인 액정 표시 장치의 제조 방법.
  14. 제12항에서,
    상기 반응성 메소겐은 화학식 1-1 내지 1-14로 표현되는 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 액정 표시 장치의 제조 방법.

    Figure pat00171

    Figure pat00172

    Figure pat00173

    Figure pat00174

    Figure pat00175

    Figure pat00176

    Figure pat00177

    Figure pat00178
    Figure pat00179

    Figure pat00180

    Figure pat00181

    Figure pat00182

    Figure pat00183

    Figure pat00184

    상기 화학식 1-1 내지 1-14에서,
    상기 n은 1 내지 20 이고,
    상기 X는 H, CH3, (CH2)nCH3, F, Br, I, OH, C3H7, NH2, CN로 이루어진 군에서 선택되는 하나이고,
    상기 R은
    Figure pat00185
    로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다.
  15. 제12항에서,
    상기 반응성 메소겐은 하기 화학식 2-1 내지 2-17로 표현되는 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 액정 표시 장치의 제조 방법:

    Figure pat00186

    Figure pat00187

    Figure pat00188
    Figure pat00189

    Figure pat00190
    Figure pat00191

    Figure pat00192
    Figure pat00193

    Figure pat00194
    Figure pat00195

    Figure pat00196
    Figure pat00197

    Figure pat00198
    Figure pat00199

    Figure pat00200
    Figure pat00201
    Figure pat00202

    상기 화학식 2-1 내지 2-17에서,
    상기 n은 1 내지 20이고,
    상기 X는 H, F, Cl, Br, I, NH2, OH로 이루어진 군에서 선택되는 하나이고,
    상기 R은
    Figure pat00203
    로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다.
  16. 제12항에서,
    상기 액정 분자와 상기 반응성 메소겐의 혼합물에 자외선을 조사하여 상기 돌기를 형성하는 단계는,
    무전계 상태에서 1차로 자외선을 조사하는 단계, 및
    전계 상태에서 2차로 자외선을 조사하여 선경사를 형성하는 단계를 포함하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  17. 제16항에서,
    상기 전계 상태에서 2차로 자외선을 조사하여 선경사를 형성하는 단계 이후,
    형광 UV를 조사하여 상기 미세 공간에 남아 있는 미반응 반응성 메소겐를 제거하는 단계를 더 포함하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  18. 제16항에서,
    상기 전계 상태에서 2차로 자외선을 조사하여 선경사를 형성하는 단계 이후 형성되는 선경사는 1도 내지 2도인 액정 표시 장치의 제조 방법.
  19. 제17항에서,
    상기 액정 분자와 상기 반응성 메소겐의 혼합물에 자외선을 조사하여 돌기를 형성하는 단계 이후 액정층 내의 잔여 반응성 메소겐의 함량은 150 ppm 미만인 액정 표시 장치의 제조 방법.
  20. 제12항에서,
    상기 미세 공간에 상기 액정 분자와 상기 반응성 메소겐의 혼합물을 주입하는 단계와
    상기 액정 분자와 상기 반응성 메소겐의 혼합물에 자외선을 조사하여 돌기를 형성하는 단계 사이에,
    상기 루프층 위에 캐핑층을 형성하는 단계를 더 포함하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
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