KR20180047422A - 액정표시장치 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20180047422A
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임기환
츠요시 마에다
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Abstract

본 발명은, 액정표시장치 및 그 제조방법에 관한 것이다. 서로 마주보며 이격된 제1 및 제2기판과, 제1기판 내면에 배치되는 박막트랜지스터, 화소전극 및 공통전극과, 화소전극 및 공통전극 상부에 배치되는 제1배향층과, 제2기판 내면에 배치되는 제2배향층과, 제1기판 및 제1배향층 사이와 제2기판 및 제2배향층 사이 중 하나에 배치되는 제1제로앵커링층과, 제1 및 제2배향층 사이에 배치되는 액정층을 포함하는 액정표시장치를 제공한다. 제1기판 상부에 박막트랜지스터, 화소전극 및 공통전극을 형성하는 단계와, 화소전극 및 공통전극 상부와 제2기판 상부 중 하나에 제1제로앵커링층을 형성하는 단계와, 제1 및 제2기판을 합착하는 단계와, 액정분자와 자기정렬 모노머의 혼합물질로 제1 및 제2기판 사이에 액정층을 형성하는 단계와, 상온에서 자기정렬 모노머에 자외선을 조사하여 제1 및 제2기판과 액정층 사이에 각각 제1 및 제2배향층을 형성하는 단계를 포함하는 액정표시장치의 제조방법을 제공한다. 제로앵커링층으로 액정층이 평균적으로 등방상을 갖도록 하여 배향층을 형성함으로써, 제조시간이 감소되고 제조비용이 절감된다.

Description

액정표시장치 및 그 제조방법 {Liquid Crystal Display Device And Method Of Fabricating The Same}
본 발명은 액정표시장치에 관한 것으로, 특히 제로앵커링층을 이용하여 형성되는 배향층을 포함하는 액정표시장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 정보화 사회로 시대가 급진전함에 따라, 대량의 정보를 처리하고 이를 표시하는 디스플레이(display)분야가 발전하고 있는데, 박형화, 경량화, 저 소비전력화 등의 시대상에 부응하기 위해 평판 표시 장치(flat panel display)의 필요성이 대두되었다.
이에 따라 색 재현성이 우수하고 박형인 박막트랜지스터 액정표시장치(thin film transistor liquid crystal display: TFT-LCD)가 개발되었는데, 액정표시장치는 액정분자의 광학적 이방성과 분극성질을 이용하여 영상을 표시한다.
액정표시장치는, 서로 마주보며 이격되고 2개의 기판과, 2개의 기판 사이에 형성되는 액정층을 포함하는데, 2개의 기판 내면에는 각각 화소전극 및 제1배향층과, 공통전극 및 제2배향층이 순차적으로 형성되고, 2개의 기판 외면에는 각각 제1 및 제2편광층이 형성된다.
그런데, 화소전극 및 공통전극이 서로 수직으로 마주보며 형성되고, 그 사이에서 생성되는 상하방향의 수직 전기장에 의해 액정층을 구동하는 방식을 사용할 경우, 투과율과 개구율 등의 특성이 우수한 장점은 있으나, 시야각 특성이 우수하지 못한 단점이 있다.
이러한 단점을 극복하기 위해 동일한 기판에 형성되는 공통전극 및 화소전극 사이에 생성되는 수평 전기장을 이용하는 인-플레인 스위칭 모드(in-plane switching mode: IPS mode) 또는 프린지 필드 스위칭 모드(fringe field switching mode: FFS mode) 액정표시장치가 제안되었다.
한편, 액정표시장치에서는, 액정층에 초기 방향성을 부여하기 위하여 배향층을 사용하는데, 일반적으로 배향층은 폴리이미드(polyimide: PI)를 코팅하고 러빙(rubbing) 공정을 진행하여 완성된다.
그런데, 폴리이미드로 형성한 배향층은 액정층에 초기 방향성을 부여할 수는 있지만, 세정, 도포, 소성(pre-baking, post-baking), 러빙 등 많은 공정을 수행하여야 하므로 시간, 공간, 재료가 소모되어 제조비용이 증가하는 단점이 있고, 특히 러빙 공정에서 발생하는 이물질이 잔상을 야기하거나 신뢰성 저하의 원인이 되기도 한다.
이러한 단점을 개선하기 위하여, 러빙공정이 생략된 배향층 형성방법으로 액정분자에 모노머를 혼합하여 액정층을 형성한 후 자외선을 조사하여 배향층을 형성하는 자기정렬(self-alignment)공정이 제안되었는데, 이를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1a 내지 도 1d는 종래의 자기정렬공정에 의한 배향층 형성방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1a에 도시한 바와 같이, 합착된 제1 및 제2기판(20, 50) 사이에 액정층(70)을 형성하는데, 액정층(70)은 액정분자(72)와 자기정렬 모노머(self-alignment monomer)(74)를 포함하고, 액정분자(72)는 장축이 무작위로(random) 배열된 상태를 갖는다.
도 1b에 도시한 바와 같이, 핫플레이트(hot plate)와 같은 가열장치(80)를 이용하여 액정층(70)을 액정분자(72)의 네마틱상(nematic phase)과 등방상(isotropic phase) 사이의 전이온도(Tni) 이상으로 가열하고, 이에 따라 액정분자(72)는 등방상이 된다.
도 1c에 도시한 바와 같이, 액정층(70)을 가열하여 액정분자(72)가 등방상인 상태에서 제2기판(50)을 통하여 액정층(70)에 편광자외선을 조사한다.
도 1d에 도시한 바와 같이, 편광자외선에 의하여 액정층(70)의 자기정렬 모노머가 중합되어 제1기판(20)과 액정층(70) 사이에 제1배향층(76)이 형성되고 제2기판(50)과 액정층(70) 사이에 제2배향층(78)이 형성되고, 제1 및 제2배향층(76, 78)에 의하여 액정분자(72)는 장축이 일방향을 따라 정렬되는 일축배향상태를 갖는다.
그런데, 이러한 자기정렬공정에 의한 배향층 형성방법에서, 액정분자(72)가 네마틱상인 상태에서 액정층(70)에 편광자외선을 조사할 경우 액정층(70)의 굴절률 이방성에 의하여 편광자외선이 자기정렬 모노머(74)에 제대로 전달되지 않아서 배향층이 형성되지 않으므로, 반드시 액정분자(72)를 등방상으로 전이시킨 상태에서 편광자외선을 조사하여야 하고, 이에 따라 액정층(70)에 대한 전이온도(Tni) 이상의 가열공정이 필수적으로 요구된다.
따라서, 종래의 자기정렬공정을 이용하는 액정표시장치의 제조방법은 가열공정 및 이를 위한 가열장치로 인하여 제조시간 및 제조비용이 증가하는 문제가 있다.
본 발명은, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제시된 것으로, 제로앵커링층으로 액정분자가 평균적으로 등방상을 갖도록 하여 배향층을 형성함으로써, 제조시간이 감소되고 제조비용이 절감되는 액정표시장치 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은, 제로앵커링층을 이용하여 자기정렬 모노머에 편광자외선을 조사하여 배향층을 형성함으로써, 러빙공정이 생략되어 이물질에 의한 잔상이 방지되고 신뢰성이 개선되는 액정표시장치 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 과제의 해결을 위해, 본 발명은, 서로 마주보며 이격된 제1 및 제2기판과, 상기 제1기판 내면에 배치되는 박막트랜지스터와, 상기 박막트랜지스터 상부에 배치되는 화소전극 및 공통전극과, 상기 화소전극 및 상기 공통전극 상부에 배치되는 제1배향층과, 상기 제2기판 내면에 배치되는 제2배향층과, 상기 제1기판 및 상기 제1배향층 사이와 상기 제2기판 및 상기 제2배향층 사이 중 하나에 배치되는 제1제로앵커링층과, 상기 제1 및 제2배향층 사이에 배치되는 액정층을 포함하는 액정표시장치를 제공한다.
그리고, 상기 액정표시장치는, 상기 제1기판 및 상기 제1배향층 사이와 상기 제2기판 및 상기 제2배향층 사이 중 나머지 하나에 배치되는 제2제로앵커링층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2제로앵커링층은, 각각 아래의 화학구조식1로 표시되는 폴리머 브러시로 이루어질 수 있다.
[화학구조식1]
Figure pat00001
X는 수소(H) 또는 메틸(CH3)이고, m는 양의 정수
그리고, 상기 제1 및 제2배향층은, 각각 자기정렬 모노머가 중합된 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 액정표시장치는, 상기 제1기판 내면에 배치되는 블랙매트릭스 및 컬러필터층을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은, 제1기판 상부에 박막트랜지스터를 형성하는 단계와, 상기 박막트랜지스터 상부에 화소전극 및 공통전극을 형성하는 단계와, 상기 화소전극 및 상기 공통전극 상부와 제2기판 상부 중 하나에 제1제로앵커링층을 형성하는 단계와, 상기 제1 및 제2기판을 합착하는 단계와, 액정분자와 자기정렬 모노머의 혼합물질로 상기 제1 및 제2기판 사이에 액정층을 형성하는 단계와, 상온에서 상기 자기정렬 모노머에 자외선을 조사하여 상기 제1 및 제2기판과 상기 액정층 사이에 각각 제1 및 제2배향층을 형성하는 단계를 포함하는 액정표시장치의 제조방법을 제공한다.
그리고, 상기 액정표시장치의 제조방법은, 상기 화소전극 및 상기 공통전극 상부와 제2기판 상부 중 나머지 하나에 제2제로앵커링층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2제로앵커링층은, 각각 아래의 화학구조식1로 표시되는 폴리머 브러시로 이루어질 수 있다.
[화학구조식1]
Figure pat00002
X는 수소(H) 또는 메틸(CH3)이고, m는 양의 정수
그리고, 상기 제1 및 제2배향층은, 각각 상기 자외선에 의하여 상기 자기정렬 모노머가 중합되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 액정표시장치의 제조방법은, 상기 제1기판 내면에 블랙매트릭스 및 컬러필터층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은, 제로앵커링층으로 액정분자가 평균적으로 등방상을 갖도록 하여 액정층을 가열하지 않는 상온에서 배향층을 형성함으로써, 제조시간이 감소되고 제조비용이 절감되는 효과를 갖는다.
그리고, 본 발명은, 제로앵커링층을 이용하여 자기정렬 모노머에 편광자외선을 조사하여 배향층을 형성함으로써, 러빙공정이 생략되어 이물질에 의한 잔상이 방지되고 신뢰성이 개선되는 효과를 갖는다.
도 1a 내지 도 1d는 종래의 자기정렬공정에 의한 배향층 형성방법을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 액정표시장치를 도시한 도면.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 제1실시예에 따른 액정표시장치의 제조방법을 설명하기 위한 도면.
도 4a 및 도 4b는 각각 도 3b 및 도 3d의 액정층을 도시한 평면도.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 액정표시장치를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 액정표시장치를 도시한 도면.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 액정표시장치 및 그 제조방법을 설명하는데, 인-플레인 스위칭 모드(IPS mode) 액정표시장치를 예로 들어 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 액정표시장치를 도시한 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 액정표시장치(110)는, 서로 마주보며 이격되는 제1 및 제2기판(120, 150)과, 제1 및 제2기판(120, 150) 사이에 형성되는 액정층(170)과, 제1기판(120) 하부의 백라이트 유닛(미도시)을 포함한다.
구체적으로, 제1기판(120) 내면의 각 화소영역에는 게이트전극(122)이 형성되고, 게이트전극(122) 상부의 제1기판(120) 전면에는 게이트절연층(124)이 형성된다.
게이트전극(122)에 대응되는 게이트절연층(124) 상부에는 반도체층(126)이 형성되고, 반도체층(126) 양단의 상부에는 서로 이격되는 소스전극(128) 및 드레인전극(130)이 형성된다.
여기서, 게이트전극(122), 반도체층(126), 소스전극(128) 및 드레인전극(130)은 박막트랜지스터(T)를 구성한다.
도시하지는 않았지만, 제1기판(120) 상면에는 게이트전극(122)에 연결되는 게이트배선이 형성되고, 게이트절연층(124) 상부에는 소스전극(128)에 연결되는 데이터배선이 형성되며, 게이트배선 및 데이터배선은 서로 교차하여 화소영역을 정의한다.
박막트랜지스터(T) 상부의 제1기판(120) 전면에는 보호층(132)이 형성되고, 보호층(132) 상부의 화소영역의 경계부에는 박막트랜지스터(T), 게이트배선 및 데이터배선에 대응되는 블랙매트릭스(134)가 형성된다.
블랙매트릭스(134) 상부에는 각 화소영역에 대응되는 적, 녹, 청 컬러필터를 포함하는 컬러필터층(136)이 형성되는데, 컬러필터층(136)과 보호층(132)은 드레인전극(130)을 노출하는 드레인콘택홀을 갖는다.
도 2에서는 블랙매트릭스(134)가 컬러필터층(136)과 상이한 층으로 형성되는 것을 예로 들었으나, 다른 실시예에서는 컬러필터층(136)의 적, 녹, 청 컬러필터 중 둘 이상을 중첩하여 블랙매트릭스(134)로 이용할 수도 있다.
컬러필터층(136) 상부의 각 화소영역에는, 드레인콘택홀을 통하여 드레인전극(130)에 연결되는 화소전극(138)과, 화소전극(138)으로부터 이격되는 공통전극(140)이 형성된다.
화소전극(138) 및 공통전극(140)은, 바(bar) 형상을 갖고, 금속물질 또는 투명도전성 물질로 이루어지고, 화소영역 내에서 교대로 배치될 수 있다.
도 2에서는 화소전극(138) 및 공통전극(140)이 동일층으로 형성되는 것을 예로 들었으나, 다른 실시예에서는 화소전극(138) 및 공통전극(140)이 절연층을 개재하여 상이한 층으로 형성될 수도 있다.
화소전극(138) 및 공통전극(140) 상부의 제1기판(120) 전면에는 제1제로앵커링(zero-anchoring)층(142) 및 제1배향층(176)이 순차적으로 형성된다.
제2기판(150) 내면 전면에는 제2제로앵커링층(152) 및 제2배향층(178)이 순차적으로 형성된다.
제1 및 제2기판(120, 150) 사이에는 액정분자(172)를 포함하는 액정층(170)이 형성되고, 제1 및 제2기판(120, 150) 외면에는 각각 제1 및 제2편광판(160, 162)이 형성된다.
여기서, 제1 및 제2제로앵커링층(142, 152)은, 각각 제1 및 제2기판(120, 150)의 내면의 앵커링 에너지(anchoring energy)가 0이 되도록 하는데, 이에 따라 편광자외선 조사에 의하여 자기정렬 모노머를 중합하여 제1 및 제2배향층(176, 178)을 형성하는 공정에서 액정층(170)의 액정분자(172)가 무작위로(random) 배열되어 액정층(170) 전체가 평균적으로 등방상을 갖게 된다.
따라서, 액정층(170)을 가열하지 않는 상온에서 편광자외선을 액정층(170)에 조사하여 자기정렬 모노머를 중합할 수 있으며, 그 결과 액정표시장치(110)의 제조시간을 단축하고 제조비용을 절감할 수 있다.
이러한 제1 및 제2제로앵커링층(142, 152)은, 각각 아래의 화학식구조식1로 표시되는 폴리머 브러시(polymer brush)로 이루어질 수 있다.
[화학구조식1]
Figure pat00003
여기서, X는 수소(H) 또는 메틸(CH3)이고, m는 양의 정수이다.
그리고, 폴리머 브러시의 유리온도(Tg)는 -5℃ 이하일 수 있다.
이러한 폴리머 브러시는, 다수의 그래프트 폴리머 체인(graft polymer chain)이 고밀도로 제1 및 제2기판(120, 150)의 법선 방향으로 신장된 구조를 갖는 것을 의미한다.
일반적으로 일단이 제1 및 제2기판(120, 150)의 표면에 고정된 그래프트 폴리머 체인은 그래프트 밀도가 낮으면 코일 형상의 얽힌 구조를 갖지만 , 폴리머 브러시는 그래프트 밀도가 높기 때문에 인접한 그래프트 폴리머 체인의 상호작용(입체반발)에 의해 제1 및 제2기판(120, 150)의 표면에 대하여 수직 방향(법선 방향)으로 신장된 구조를 가질 수 있다.
여기서, '고밀도'는, 인접하는 그래프트 폴리머 체인 사이에서 입체반발이 발생할 정도로 밀집된 그래프트 폴리머 체인의 밀도를 의미하고, 예를 들어 0.1가닥/nm2 이상, 바람직하게는 0.1가닥/nm2 ~ 1.2가닥/nm2의 밀도일 수 있다.
그리고, '그래프트 폴리머 체인의 밀도'는, 단위면적(nm2)당 제1 및 제2기판(120, 150) 표면에 형성된 그래프트 폴리머 체인의 가닥수를 의미한다.
이러한 폴리머 브러시의 제1 및 제2제로앵커링층(142, 152)의 두께는 특별히 제한되지 않지만, 일반적으로 수십nm, 예를 들어 1nm 이상 100nm 미만, 바람직하게는 10nm ~ 80nm의 범위를 가질 수 있다.
또한, 폴리머 브러시의 제1 및 제2제로앵커링층(142, 152)은 사이즈 배제 효과가 있어서, 일정 크기의 물질은 폴리머 브러시의 제1 및 제2제로앵커링층(142, 152)을 통과할 수 없으며, 이에 따라 폴리머 브러시의 제1 및 제2제로앵커링층(142, 152)의 두께를 얇게 해도, 제2기판(120, 150)으로부터 액정층(170)으로의 불순물 침입을 방지할 수 있다.
이러한 폴리머 브러시의 제1 및 제2제로앵커링층(142, 152)의 형성방법은 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어 라디칼 중합성 모노머를 리빙 라디칼 중합시킴으로써 형성할 수 있다.
여기서, '리빙 라디칼 중합'은, 라디칼 중합 반응에 있어서 연쇄 이동 반응 및 정지 반응이 실질적으로 일어나지 않고, 라디칼 중합성 모노머가 다 반응한 후에도 연쇄 성장 말단이 활성을 유지하는 중합 반응을 의미한다.
리빙 라디칼 중합에서는 중합 반응 종료 후에도 생성 중합체의 말단에 중합 활성을 유지하고 있어, 라디칼 중합성 모노머를 부가하면 다시 중합 반응을 개시 시킬 수 있다.
그리고, 리빙 라디칼 중합에서는, 라디칼 중합성 모노머와 중합개시제의 농도비를 조절함으로써, 임의의 평균 분자량을 가지는 중합체 합성을 할 수 있고, 생성하는 중합체 분자량 분포가 매우 좁다는 등의 특징이 있다.
이러한 리빙 라디칼 중합의 대표적인 예는, 원자 이동 라디칼 중합(ATRP)이다. 예를 들면 중합개시제 존재 하에서 할로겐화 구리/리간드 착화합물을 이용하여 라디칼 중합성 모노머의 원자 이동 리빙 라디칼 중합을 수행한다. 고분자 말단 할로겐을 할로겐화 구리/리간드 착화합물이 뽑아냄으로써 가역적으로 성장하는 성장 라디칼에 라디칼 중합성 모노머가 부가되어 진행되고, 충분한 빈도의 가역적 활성화/불활성화에 의해 분자량 분포가 규제된다.
한편, 제1 및 제2배향층(176, 178)은, 각각 자기정렬 모노머(self-alignment monomer)에 대한 자외선 조사 공정을 통하여 형성될 수 있으며, 자기정렬 모노머는 도 3b에서 상세히 설명한다.
그리고, 제1 및 제2기판(120, 150)의 합착 후 주입 공정으로 액정층(170)을 형성하거나, 제1 및 제2기판(120, 150) 중 하나에 적하(dispensing) 공정으로 액정층(170)을 형성한 후 제1 및 제2기판(120, 150)을 합착할 수 있다.
이와 같은 액정표시장치(110)에서는, 게이트배선의 게이트전압에 따라 박막트랜지스터(T)가 턴-온(turn-on) 되면, 데이터배선의 데이터전압이 박막트랜지스터(T)를 통하여 화소전극(138)에 인가된다.
데이터전압이 인가된 화소전극(138)과 공통전압이 인가된 공통전극(140) 사이에 수평 전기장이 생성되고, 액정층(170)의 액정분자(172)가 생성된 수평 전기장에 따라 재배열되어 영상을 표시한다.
특히, 자기정렬 모노머에 대한 자외선 조사 공정을 통하여 제1 및 제2배향층(176, 178)을 형성함으로써, 폴리이미드의 도포, 소성, 러빙 공정을 생략할 수 있으며, 그 결과 잔상이 방지되고 신뢰성이 개선되며, 제조공정이 단순화 되고 제조비용이 절감된다.
이러한 제로앵커링층을 이용하여 형성되는 배향층을 포함하는 액정표시장치의 제조방법을 도면을 참조하여 설명한다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 제1실시예에 따른 액정표시장치의 제조방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 4a 및 도 4b는 각각 도 3b 및 도 3d의 액정층을 도시한 평면도로서, 도 2를 함께 참조하여 설명한다.
도 3a에 도시한 바와 같이, 제1기판(120) 상부에 게이트전극(122), 게이트절연층(124), 반도체층(126), 소스전극(128) 및 드레인전극(130)을 순차적으로 형성하여 박막트랜지스터(T)를 완성하고, 박막트랜지스터(T) 상부에 보호층(132)을 형성한다.
그리고, 보호층(132) 상부에 블랙매트릭스(134), 컬러필터층(136)을 순차적으로 형성하고, 컬러필터층(136) 상부에 화소전극(138) 및 공통전극(140)을 형성하고, 화소전극(138) 및 공통전극(140) 상부에 제1제로앵커링층(142)을 형성한다.
이때, 제1제로앵커링층(142)은 위의 화학구조식1로 표시되는 폴리머 브러시로 이루어질 수 있다.
도 3b 및 도 4a에 도시한 바와 같이, 제2기판(150) 상부에 제2제로앵커링층(152)을 형성한 후, 제1 및 제2제로앵커링층(142, 152)이 마주보도록 제1 및 제2기판(120, 150)을 합착하고, 액정분자(172)와 자기정렬 모노머(self-alignment monomer)(174)의 혼합물질로 합착된 제1 및 제2기판(120, 150) 사이에 액정층(170)을 형성한다.
이때, 제1 및 제2기판(120, 150)의 합착 후 액정분자(172)와 자기정렬 모노머(174)의 혼합물질의 주입 공정으로 액정층(170)을 형성하거나, 제1 및 제2기판(120, 150) 중 하나에 액정분자(172)와 자기정렬 모노머(174)의 혼합물질의 적하 공정으로 액정층(170)을 형성한 후 제1 및 제2기판(120, 150)을 합착할 수 있다.
여기서, 제2제로앵커링층(152)은, 위의 화학구조식1로 표시되는 폴리머 브러시로 이루어질 수 있다.
그리고, 자기정렬 모노머(174)는 신네메이트(cinnamate)기 또는 칼콘(chalcone)기를 포함하는 아래의 화학구조식2 내지 화학구조식5로 표시되는 물질일 수 있다.
[화학구조식2]
Figure pat00004
[화학구조식3]
Figure pat00005
[화학구조식4]
Figure pat00006
[화학구조식5]
Figure pat00007
화학구조식2로 표시되는 폴리비닐-신네메이트(polyvinyl-cinnamate)는 약 330nm의 파장 및 약 3J/cm2의 에너지밀도를 갖는 편광자외선에 의하여 중합되고, 화학구조식3으로 표시되는 트랜스-신네메이트(trans-cinnamate)는 약 330nm의 파장 및 약 4J/cm2의 에너지밀도를 갖는 편광자외선에 의하여 중합되고, 화학구조식4로 표시되는 4-하이드록시-칼콘(4-hydroxy-chalcone)은 약 365nm의 파장 및 약 3J/cm2의 에너지밀도를 갖는 편광자외선에 의하여 중합되고, 화학구조식5로 표시되는 4'-하이드록시-칼콘(4'-hydroxy-chalcone)은 약 365nm의 파장 및 약 4J/cm2의 에너지밀도를 갖는 편광자외선에 의하여 중합될 수 있다.
제1 및 제2제로앵커링층(152)에 의하여 제1 및 제2기판(120, 150) 각각의 내면의 앵커링 에너지가 0이 되므로, 액정층(170)의 액정분자(172)는 제1 및 제2기판(120, 150) 각각의 내면에 속박되지 않고, 장축이 제1 및 제2기판(120, 150)에 평행한 평면 내에서 무작위로 배열된다.
즉, 액정층(170)의 액정분자(172)의 장축은 제1 및 제2기판(120, 150)에 평행한 평면 내에서 다양한 방향으로 배열되며, 그 결과 액정층(170) 전체가 평균적으로 등방상을 갖게 된다.
도 3c에 도시한 바와 같이, 상온(약 25℃)에서 합착된 제1 및 제2기판(120, 150)의 제2기판(150)을 통하여 액정층(170)에 선편광 상태의 자외선(UV)을 조사하는데, 편광자외선에 의하여 자기정렬 모노머(174)에 중합반응이 발생한다.
이때, 블랙매트릭스(134)와 컬러필터층(136)이 제1기판(120) 상부에 형성되어 있으므로, 제2기판(150)을 통하여 자외선을 액정층(170)에 조사할 수 있다.
그리고, 제1 및 제2제로앵커링층(142, 152)에 의하여 액정층(170)이 평균적으로 등방상을 가지므로, 상온에서도 편광자외선이 자기정렬 모노머(174)에 균일하게 전달될 수 있다.
따라서, 액정층(170)을 가열하지 않는 상온에서 편광자외선을 액정층(170)에 조사하여 자기정렬 모노머를 중합할 수 있으며, 그 결과 액정표시장치(110)의 제조시간을 단축하고 제조비용을 절감할 수 있다.
도 3d 및 도 4b에 도시한 바와 같이, 편광자외선 조사에 따른 자기정렬 모노머(174)의 중합에 의하여 제1기판(120)과 액정층(170) 사이에는 제1배향층(176)이 형성되고 제2기판(150)과 액정층(170) 사이에는 제2배향층(178)이 형성되고, 제1 및 제2배향층(176, 178)의 초기방향성 부여에 의하여 액정층(170)은 액정분자(172)의 장축이 제1 및 제2기판(120, 150)에 평행한 평면 내에서 일방향을 따라 정렬되는 일축배향상태를 갖게 된다.
도 3e에 도시한 바와 같이, 제1 및 제2기판(120, 150) 외면에 각각 제1 및 제2편광층(160, 162)을 형성하여 액정표시장치(110)를 완성한다.
이와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 액정표시장치(110) 및 그 제조방법에서는, 제1 및 제2기판(120, 150)의 제1 및 제2제로앵커링층(142, 152) 사이에 액정층(170)을 형성함으로써, 액정층(170)이 평균적으로 등방상을 갖도록 하여 상온에서 액정층(170)에 편광자외선을 조사하여 제1 및 제2배향층(176, 178)을 형성할 수 있으며, 그 결과 액정표시장치(110)의 제조시간이 감소되고 제조비용이 절감된다.
그리고, 제1 및 제2제로앵커링층(142, 152)을 이용하여 상온에서 자기정렬 모노머(174)에 편광자외선을 조사하여 제1 및 제2배향층(176, 178)을 형성함으로써, 러빙공정이 생략되어 이물질에 의한 잔상이 방지되고 신뢰성이 개선된다.
한편, 다른 실시예에서는 제1 및 제2기판 중 하나의 내면에만 제로앵커링층을 형성할 수도 있는데, 이를 도면을 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 액정표시장치를 도시한 도면으로, 제1실시예와 동일한 부분에 대한 설명은 생략한다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 액정표시장치(210)는, 서로 마주보며 이격되는 제1 및 제2기판(220, 250)과, 제1 및 제2기판(220, 250) 사이에 형성되는 액정층(270)과, 제1기판(220) 하부의 백라이트 유닛(미도시)을 포함한다.
구체적으로, 제1기판(220) 내면의 각 화소영역에는 게이트전극(222)이 형성되고, 게이트전극(222) 상부의 제1기판(220) 전면에는 게이트절연층(224)이 형성된다.
게이트전극(222)에 대응되는 게이트절연층(224) 상부에는 반도체층(226)이 형성되고, 반도체층(226) 양단의 상부에는 서로 이격되는 소스전극(228) 및 드레인전극(230)이 형성된다.
여기서, 게이트전극(222), 반도체층(226), 소스전극(228) 및 드레인전극(230)은 박막트랜지스터(T)를 구성한다.
박막트랜지스터(T) 상부의 제1기판(220) 전면에는 보호층(232)이 형성되고, 보호층(232) 상부의 화소영역의 경계부에는 박막트랜지스터(T), 게이트배선 및 데이터배선에 대응되는 블랙매트릭스(234)가 형성된다.
블랙매트릭스(234) 상부에는 각 화소영역에 대응되는 적, 녹, 청 컬러필터를 포함하는 컬러필터층(236)이 형성되는데, 컬러필터층(236)과 보호층(232)은 드레인전극(230)을 노출하는 드레인콘택홀을 갖는다.
컬러필터층(236) 상부의 각 화소영역에는, 드레인콘택홀을 통하여 드레인전극(230)에 연결되는 화소전극(238)과, 화소전극(238)으로부터 이격되는 공통전극(240)이 형성된다.
화소전극(238) 및 공통전극(240)은, 바(bar) 형상을 갖고, 금속물질 또는 투명도전성 물질로 이루어지고, 화소영역 내에서 교대로 배치될 수 있다.
화소전극(238) 및 공통전극(240) 상부의 제1기판(220) 전면에는 제1배향층(276)이 형성된다.
제2기판(250) 내면 전면에는 제1제로앵커링(zero-anchoring)층(252) 및 제2배향층(278)이 순차적으로 형성된다.
제1 및 제2기판(220, 250) 사이에는 액정분자(272)를 포함하는 액정층(270)이 형성되고, 제1 및 제2기판(220, 250) 외면에는 각각 제1 및 제2편광판(260, 262)이 형성된다.
여기서, 제1제로앵커링층(252)은, 제2기판(250)의 내면의 앵커링 에너지(anchoring energy)가 0이 되도록 하는데, 편광자외선 조사에 의하여 자기정렬 모노머(self-alignment monomer)를 중합하여 제1 및 제2배향층(276, 278)을 형성하는 공정에서 액정층(270)의 액정분자(272) 중 제1기판(220)에 인접한 일부 액정분자(272)는 제1기판(220) 내면의 0이 아닌 앵커링 에너지에 의하여 제1기판(220)에 속박되지만 제2기판(250)에 인접한 액정분자(272)는 제2기판(250) 내면의 0인 엥커링 에너지에 의하여 제2기판(250)에 속박되지 않고 무작위로(random) 배열된다.
따라서, 액정층(270) 전체에서 액정분자(272)의 장축이 제1 및 제2기판(220, 250)에 평행한 평면 내에서 무작위로 배열되어 액정층(270) 전체가 평균적으로 등방상을 갖게 되며, 액정층(270)을 가열하지 않는 상온에서 편광자외선을 액정층(270)에 조사하여 자기정렬 모노머를 중합할 수 있으며, 그 결과 액정표시장치(210)의 제조시간을 단축하고 제조비용을 절감할 수 있다.
이러한 제1제로앵커링층(252)은, 위의 화학식구조식1로 표시되는 폴리머 브러시(polymer brush)로 이루어질 수 있다.
그리고, 자기정렬 모노머는 신네메이트(cinnamate)기 또는 칼콘(chalcone)기를 포함하는 위의 화학구조식2 내지 화학구조식5로 표시되는 물질일 수 있다.
한편, 제1 및 제2배향층(276, 278)은, 각각 액정층(270)에 포함되어 있던 자기정렬 모노머에 대한 자외선 조사 공정을 통하여 형성될 수 있다.
그리고, 제1 및 제2기판(220, 250)의 합착 후 주입 공정으로 액정층(270)을 형성하거나, 제1 및 제2기판(220, 250) 중 하나에 적하(dispensing) 공정으로 액정층(270)을 형성한 후 제1 및 제2기판(220, 250)을 합착할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 액정표시장치(210) 및 그 제조방법에서는, 제1기판(220)과 제2기판(250)의 제1제로앵커링층(252) 사이에 액정층(270)을 형성하여 액정층(270)이 평균적으로 등방상을 갖도록 함으로써, 상온에서 액정층(270)에 편광자외선을 조사하여 제1 및 제2배향층(276, 278)을 형성할 수 있으며, 그 결과 액정표시장치(210)의 제조시간이 감소되고 제조비용이 절감된다.
그리고, 제1제로앵커링층(252)을 이용하여 상온에서 자기정렬 모노머에 편광자외선을 조사하여 제1 및 제2배향층(276, 278)을 형성함으로써, 러빙공정이 생략되어 이물질에 의한 잔상이 방지되고 신뢰성이 개선된다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 액정표시장치를 도시한 도면으로, 제1실시예와 동일한 부분에 대한 설명은 생략한다.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 액정표시장치(310)는, 서로 마주보며 이격되는 제1 및 제2기판(320, 350)과, 제1 및 제2기판(320, 350) 사이에 형성되는 액정층(370)과, 제1기판(320) 하부의 백라이트 유닛(미도시)을 포함한다.
구체적으로, 제1기판(320) 내면의 각 화소영역에는 게이트전극(322)이 형성되고, 게이트전극(322) 상부의 제1기판(320) 전면에는 게이트절연층(324)이 형성된다.
게이트전극(322)에 대응되는 게이트절연층(324) 상부에는 반도체층(326)이 형성되고, 반도체층(326) 양단의 상부에는 서로 이격되는 소스전극(328) 및 드레인전극(330)이 형성된다.
여기서, 게이트전극(322), 반도체층(326), 소스전극(328) 및 드레인전극(330)은 박막트랜지스터(T)를 구성한다.
박막트랜지스터(T) 상부의 제1기판(320) 전면에는 보호층(332)이 형성되고, 보호층(332) 상부의 화소영역의 경계부에는 박막트랜지스터(T), 게이트배선 및 데이터배선에 대응되는 블랙매트릭스(334)가 형성된다.
블랙매트릭스(334) 상부에는 각 화소영역에 대응되는 적, 녹, 청 컬러필터를 포함하는 컬러필터층(336)이 형성되는데, 컬러필터층(336)과 보호층(332)은 드레인전극(330)을 노출하는 드레인콘택홀을 갖는다.
컬러필터층(336) 상부의 각 화소영역에는, 드레인콘택홀을 통하여 드레인전극(330)에 연결되는 화소전극(338)과, 화소전극(338)으로부터 이격되는 공통전극(340)이 형성된다.
화소전극(338) 및 공통전극(340)은, 바(bar) 형상을 갖고, 금속물질 또는 투명도전성 물질로 이루어지고, 화소영역 내에서 교대로 배치될 수 있다.
화소전극(338) 및 공통전극(340) 상부의 제1기판(320) 전면에는 제1제로앵커링(zero-anchoring)층(342) 및 제1배향층(376)이 순차적으로 형성된다.
제2기판(350) 내면 전면에는 제2배향층(378)이 형성된다.
제1 및 제2기판(320, 350) 사이에는 액정분자(372)를 포함하는 액정층(370)이 형성되고, 제1 및 제2기판(320, 350) 외면에는 각각 제1 및 제2편광판(360, 362)이 형성된다.
여기서, 제1제로앵커링층(342)은, 제1기판(320)의 내면의 앵커링 에너지(anchoring energy)가 0이 되도록 하는데, 편광자외선 조사에 의하여 자기정렬 모노머(self-alignment monomer)를 중합하여 제1 및 제2배향층(376, 378)을 형성하는 공정에서 액정층(370)의 액정분자(372) 중 제2기판(350)에 인접한 일부 액정분자(372)는 제2기판(350) 내면의 0이 아닌 앵커링 에너지에 의하여 제2기판(350)에 속박되지만 제1기판(320)에 인접한 액정분자(372)는 제1기판(320) 내면의 0인 엥커링 에너지에 의하여 제1기판(320)에 속박되지 않고 무작위로(random) 배열된다.
따라서, 액정층(370) 전체에서 액정분자(372)의 장축이 제1 및 제2기판(320, 350)에 평행한 평면 내에서 무작위로 배열되어 액정층(370) 전체가 평균적으로 등방상을 갖게 되며, 액정층(370)을 가열하지 않는 상온에서 편광자외선을 액정층(370)에 조사하여 자기정렬 모노머를 중합할 수 있으며, 그 결과 액정표시장치(310)의 제조시간을 단축하고 제조비용을 절감할 수 있다.
이러한 제1제로앵커링층(342)은, 위의 화학식구조식1로 표시되는 폴리머 브러시(polymer brush)로 이루어질 수 있다.
그리고, 자기정렬 모노머는 신네메이트(cinnamate)기 또는 칼콘(chalcone)기를 포함하는 위의 화학구조식2 내지 화학구조식5로 표시되는 물질일 수 있다.
한편, 제1 및 제2배향층(376, 378)은, 각각 액정층(370)에 포함되어 있던 자기정렬 모노머에 대한 자외선 조사 공정을 통하여 형성될 수 있다.
그리고, 제1 및 제2기판(320, 350)의 합착 후 주입 공정으로 액정층(370)을 형성하거나, 제1 및 제2기판(320, 350) 중 하나에 적하(dispensing) 공정으로 액정층(370)을 형성한 후 제1 및 제2기판(320, 350)을 합착할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 액정표시장치(310) 및 그 제조방법에서는, 제1기판(320)의 제1제로앵커링층(342)과 제2기판(350)의 사이에 액정층(370)을 형성하여 액정층(370)이 평균적으로 등방상을 갖도록 함으로써, 상온에서 액정층(370)에 편광자외선을 조사하여 제1 및 제2배향층(376, 378)을 형성할 수 있으며, 그 결과 액정표시장치(310)의 제조시간이 감소되고 제조비용이 절감된다.
그리고, 제1제로앵커링층(342)을 이용하여 상온에서 자기정렬 모노머에 편광자외선을 조사하여 제1 및 제2배향층(376, 378)을 형성함으로써, 러빙공정이 생략되어 이물질에 의한 잔상이 방지되고 신뢰성이 개선된다.
제1 내지 제3실시예에서는 제1기판(120, 220, 320) 상부에 박막트랜지스터(T) 및 컬러필터층(136, 236, 336)이 순차적으로 형성되는 COT(color filter on thin film transistor) 타입의 액정표시장치(110, 210, 310)를 예로 들었으나, 다른 실시예에서는 제1기판 상부에 컬러필터층 및 박막트랜지스터가 순차적으로 형성되는 TOC(thin film transistor on color filter) 타입의 액정표시장치나, 표시패널에는 컬러필터층을 형성하지 않고 적, 녹, 청색 광원을 순차적으로 발광하여 컬러를 표시하는 필드 시퀀셜 컬러 모드(field sequential color mode: FSC mode) 액정표시장치에도, 제로앵커링층을 이용한 액정층의 등방상 구현 및 상온에서의 편광자외선 조사에 의한 배향막 형성을 적용할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110: 액정표시장치 120: 제1기판
150: 제2기판 142: 제1제로앵커링층
152: 제2제로앵커링층 170: 액정층
176: 제1배향층 178: 제2배향층

Claims (10)

  1. 서로 마주보며 이격된 제1 및 제2기판과;
    상기 제1기판 내면에 배치되는 박막트랜지스터와;
    상기 박막트랜지스터 상부에 배치되는 화소전극 및 공통전극과;
    상기 화소전극 및 상기 공통전극 상부에 배치되는 제1배향층과;
    상기 제2기판 내면에 배치되는 제2배향층과;
    상기 제1기판 및 상기 제1배향층 사이와 상기 제2기판 및 상기 제2배향층 사이 중 하나에 배치되는 제1제로앵커링층과;
    상기 제1 및 제2배향층 사이에 배치되는 액정층
    을 포함하는 액정표시장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1기판 및 상기 제1배향층 사이와 상기 제2기판 및 상기 제2배향층 사이 중 나머지 하나에 배치되는 제2제로앵커링층을 더 포함하는 액정표시장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2제로앵커링층은, 각각 아래의 화학구조식1로 표시되는 폴리머 브러시로 이루어지는 액정표시장치.
    [화학구조식1]
    Figure pat00008

    X는 수소(H) 또는 메틸(CH3)이고, m는 양의 정수
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2배향층은, 각각 자기정렬 모노머가 중합된 물질로 이루어지는 액정표시장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1기판 내면에 배치되는 블랙매트릭스 및 컬러필터층을 더 포함하는 액정표시장치.
  6. 제1기판 상부에 박막트랜지스터를 형성하는 단계와;
    상기 박막트랜지스터 상부에 화소전극 및 공통전극을 형성하는 단계와;
    상기 화소전극 및 상기 공통전극 상부와 제2기판 상부 중 하나에 제1제로앵커링층을 형성하는 단계와;
    상기 제1 및 제2기판을 합착하는 단계와;
    액정분자와 자기정렬 모노머의 혼합물질로 상기 제1 및 제2기판 사이에 액정층을 형성하는 단계와;
    상온에서 상기 자기정렬 모노머에 자외선을 조사하여 상기 제1 및 제2기판과 상기 액정층 사이에 각각 제1 및 제2배향층을 형성하는 단계
    를 포함하는 액정표시장치의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 화소전극 및 상기 공통전극 상부와 제2기판 상부 중 나머지 하나에 제2제로앵커링층을 형성하는 단계를 더 포함하는 액정표시장치의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2제로앵커링층은, 각각 아래의 화학구조식1로 표시되는 폴리머 브러시로 이루어지는 액정표시장치의 제조방법.
    [화학구조식1]
    Figure pat00009

    X는 수소(H) 또는 메틸(CH3)이고, m는 양의 정수
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2배향층은, 각각 상기 자외선에 의하여 상기 자기정렬 모노머가 중합되어 형성되는 액정표시장치의 제조방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1기판 내면에 블랙매트릭스 및 컬러필터층을 형성하는 단계를 더 포함하는 액정표시장치의 제조방법.
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