KR100594484B1 - 액정표시장치용 기판의 배향막 표면 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액정표시장치용 기판 상의 배향막 표면 처리 방법에 관한 것이다.
액정의 초기 상태 정렬을 위해서는 주쇄와 연결되며 규칙적으로 정렬된 측쇄를 갖는 배향막을 필요로 한다.
종래에는 이러한 그 표면이 규칙성 있는 배향막을 형성하기 위해서 상기 배향막 표면에 러빙포를 부착한 회전하는 롤러를 직접 접촉하여 마찰하는 방법의 러빙법을 이용하였다. 하지만 전술한 러빙법에 의한 배향막 표면처리는 파티클 및 미세먼지 발생으로 이물 불량을 발생시키고, 또한 마찰시 정전기 발생으로 기판 내부에 형성된 스위칭 소자 등의 특성을 저하시키는 등의 문제가 발생한다.
본 발명은 배향막이 형성된 기판에 적정 에너지 세기를 갖는 이온 빔을 조사하여 상기 배향막에 일정 방향으로 정렬된 측쇄를 형성하는 이온 빔 조사에 의한 배향막 표면처리 방법을 제공함으로써 전술한 러빙법에 의한 문제들을 해결할 수 있으며, 더욱이, 이온 빔 조사 이후 열처리 공정을 더욱 진행시킴으로써 더욱 안정적인 배향 특성을 갖는 배향막을 형성할 수 방법을 제공한다.
이온빔 조사장치, 배향, 배향막, 배향 안정성, 열처리, 열중합 작용기

Description

액정표시장치용 기판의 배향막 표면 처리 방법 {Method for surface treatment of an alignment film on substrate for LCD}
도 1은 일반적인 액정표시장치의 개략도.
도 2a와 2b는 종래의 러빙에 의한 배향막 표면처리 공정을 간략히 도시한 평면도 및 단면도.
도 3a 내지 3b는 본 발명에 의한 이온빔 조사 장치를 간략히 도시한 도면.
도 4a 내지 4b는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 배향막 표면 처리 과정을 도시한 도면.
도 5a 내지 5d는 상기 배향막 표면 처리 과정에 따른 배향막의 변화를 간략히 도시한 단면도.
도 6a 내지 6c는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 배향막 표면 처리 과정을 도시한 도면.
도 7a 내지 7e는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 배향막 표면 처리 과정에 따른 배향막의 변화를 간략히 도시한 배향막의 단면도.
도 8a와 도 8b는 일반적인 고분자 물질과 열중합 작용기를 포함하는 고분자 물질로 배향막을 형성한 후 각각의 단면 구조를 간략히 도시한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
490 : 핫 플레이트 420 : 기판
430 : 배향막 HZ : 경화존
본 발명은 액정표시장치의 배향에 관한 것으로, 더 상세히는 이온빔을 이용한 배향 방법에 관한 것이다.
일반적으로 액정표시장치는 액정의 광학적 이방성을 이용한 장치이다.
즉, 전압이 가해지면 전계의 세기에 따라 액정의 분자배열이 바뀌고, 상기 액정의 분자배열에 따라 빛을 조절할 수 있는 특성을 이용하여 이미지를 표현하는 장치로서, 상기 액정표시장치는 상부 및 하부의 절연기판과 그 사이에 충진된 액정으로 구성된다.
상기와 같은 액정표시장치에 대해 간단히 설명한다.
도 1은 일반적인 액정표시장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도시한 바와 같이, 일반적인 액정표시장치(1)는 투명한 절연기판 상에 컬러필터(5)와 상기 각 컬러필터(5)사이에 구성된 블랙매트릭스(7)와 상기 컬러필터(5)와 블랙매트릭스(7) 하부에 증착된 공통전극(9)이 형성된 상부기판(3)과, 게이트 배선(13)과 데이터 배선(15)이 교차하여 정의되는 화소영역(P)과, 상기 화소영역(P) 상에 형성된 화소전극(17)과 스위칭 소자(T)로 형성된 하부기판(11)으로 구성되며, 상기 상부기판(3)과 하부기판(11) 사이에는 액정(19)이 충진되어 있다.
전술한 액정표시장치의 제조공정에 대해 간단히 설명한다.
먼저, 어레이 기판은 증착(deposition), 노광(photo-lithography), 식각(etching)공정을 거쳐 박막 트랜지스터(thin film transistor)와 같은 다수의 스위칭소자를 형성하고, 상기 각각의 스위칭 소자(switching device)에 대응하는 화소(pixel)를 매트릭스 형태로 구성하며, 상기 스위칭 소자를 중심으로 배선이 교차되고 상기 각 배선의 일단에는 패드부가 형성되는 어레이 패턴을 형성함으로써 완성한다.
또한, 컬러필터 기판은 상기 어레이 기판과 마주보는 면에 공통전극을 형성하고, 상기 공통전극 하부에 블랙매트릭스(BM)와 적, 녹, 청색이 반복되는 컬러필터층을 형성함으로써 완성한다.
이후, 전술한 바와 같이 제작된 상기 어레이 기판 및 컬러필터 기판을 상기 두 기판 사이에 액정을 충진하고, 기판을 합착함으로써 하나의 액정패널을 형성하는 셀 공정을 진행하여 액정표시장치로 제품화 된다.
이러한, 액정표시장치는 액정의 전기 광학적 효과를 이용한 것이고, 이러한 전기 광학적 효과는 액정 자체의 이방성과 액정의 분자배열 상태에 의해 결정되며, 상기 액정의 분자배열에 대한 제어는 액정표시장치에서의 화상표시 품위를 안정화하는 데 큰 영향을 미치게 된다.
따라서, 상기 두 기판 사이에 개재되는 액정층 내의 액정 분자의 초기 배열을 고르게 하기 위한 배향공정을 진행하고 있다.
상기 배향공정은 크게 배향막을 기판에 형성하는 배향막 인쇄 공정과, 상기 기판 상에 형성된 배향막의 표면에 일정방향으로 방향성을 갖는 고분자 사슬이 형성되도록 하는 배향막 표면처리 공정으로 나눌 수 있다.
배향막 인쇄공정은 어레이 기판 또는 컬러필터 기판 전면에 배향막으로 주로 이용되는 고분자 물질인 폴리이미드(polyimide)를 고른 두께로써 형성하는 공정이다. 더욱 정확히 설명하면 상기 배향막은 기판 전면에 형성하는 것이 아니라, 액정층이 형성될 영역 즉, 화상을 표시하게 되는 액티브 영역에만 형성한다. 따라서, 스핀 코팅법 등에 의해 배향막을 기판 전면에 형성하게 되면, 액티브 영역 이외의 비표시영역에 형성된 배향막을 제거하기 위해 식각공정을 더욱 진행해야 하므로, 액티브 영역에 대응되도록 미리 패터닝된 전사판을 이용하여 기판에 인쇄하는 방법에 의해 기판 상에 배향막을 형성하고 있다.
이후, 상기 배향막이 형성된 기판을 건조로 및 경화로 내에서 각각 적정시간 유지시킴으로써 상기 배향막 내의 수분을 제거하고, 적당한 경도를 유지할 수 있도록 경화시킨다.
다음, 상기 경화된 배향막 표면에 일정한 방향성을 갖는 고분사 사슬을 형성하기 위해 배향막의 표면처리를 실시하게 되는데, 상기 배향막 표면 처리공정은 통상적으로 러빙에 의해 진행되고 있다.
여기서 종래의 러빙에 의한 배향 즉, 배향막 표면처리 방법에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
도 2a와 2b는 종래의 러빙에 의한 배향막 표면처리 공정을 간략히 도시한 평면도 및 단면도이다.
도시한 바와 같이, 배향막(45)이 형성된 기판(40)을 러빙 장치의 스테이지(30) 위에 위치시키면 표면에 레이온 등의 재질로 이루어진 러빙포(55)가 감겨진 러빙롤(50)이 상기 기판(40)과 일정한 갭(gap)을 유지하며 위치하게 되고, 동시에 상기 러빙롤(50)이 고속 회전을 하게 되는데, 이때, 상기 러빙롤(50) 표면에 부착된 러빙포(55)가 상기 기판(40)상의 배향막(45)에 접촉하며 상기 배향막(45) 표면을 마찰시키게 된다. 더욱 정확히는 상기 고속 회전하는 러빙롤(50)의 표면에 부착된 러빙포(55)가 상기 기판(40)과 접촉함과 동시에 상기 스테이지(30) 또는 러빙롤(50)이 일정한 속도로써 일방향으로 이동함으로써 배향막 기판상의 전 배향막(45) 표면이 러빙포(55)로써 마찰이 이루어지게 되어 배향막(45) 표면에 그 내부적으로 형성된 고분자 사슬(측쇄)이 일방향으로 정렬되게 된다. 따라서, 배향막(45) 표면이 더욱 정확히는 배향막(45) 표면의 고분자 사슬(측쇄)이 일정한 방향으로 배향되어 진다.
하지만, 이렇게 러빙법에 의한 배향막의 표면처리는 다음과 같은 문제가 있다.
우선, 레이온 등의 재질로 이루어진 러빙포(55)가 기판(40)과 마찰하게 됨으로써, 러빙포(55) 표면의 포털(57)이 상기 러빙포(55)에서 이탈함으로써 파티클(particle)을 많이 발생시키고 있으며, 더욱이 러빙포(55) 자체로부터 미세 먼지가 많이 발생되어 초 청정도를 요구하는 액정표시장치용 기판 제조에 악영향을 끼치고 있다.
따라서, 이러한 문제에 대한 한 대응으로써 기판 상에 남아있는 파티클 및 미세먼지를 제거하기 위해 러빙공정 후, 반드시 세정 및 건조 공정을 진행하고 있다. 이는 액정표시장치의 제조를 위한 투자비용이 증가하게 되므로 최종적으로는 액정표시장치의 제조 비용을 상승시키게 되는 문제가 발생한다.
또한, 러빙포에 의한 기판과의 마찰에 의해 기판 상에 정전기가 발생함으로써 기판에 형성된 배선을 단선시키거나 또는 스위칭 소자 특성을 저하시키는 등의 문제가 발생하고 있다.
또한, 기판이 점점 대형화됨으로써 이를 대응하기 위해 러빙롤의 길이를 늘림으로써 상기 러빙롤의 고속회전시 편심 영향이 증가하여 진동이 심하게 발생하며, 동시에 러빙포와 기판이 접촉 시 압력이 기판의 위치에 따라 일정하지 않게되어 배향 균일성을 저하시키는 문제가 발생하고 있다.
따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 러빙에 의한 배향막의 표면처리를 지양하고, 적정 에너지 세기를 갖는 이온 빔을 상기 배향막 표면에 적정 각도로 조사하야 상기 배향막 표면의 고분자 사슬을 일정방향으로 정렬시키는 이온빔 조사를 통한 배향막의 표면 처리 방법을 제공한다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 본 발명에 따른 액정표시장치용 배향막 표면 처리 방법은 기판 상에 배향막을 형성하는 단계와; 상기 배향막이 형성된 기판을 이온 빔 조사장치의 적정 진공도를 갖는 챔버내에 스테이지에 위치시키는 단계와; 상기 이온 빔 조사 장치의 이온 발생부 또는 스테이지를 기판 상의 배향막이 적정 각도를 이루도록 조절하는 단계와; 상기 이온 발생부로부터 적정 도즈량과 적정 에너지 세기를 갖는 이온 빔을 상기 배향막 표면에 조사하는 단계와; 상기 이온빔이 조사된 배향막을 포함하는 기판을 적정온도에서 열처리하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 챔버내의 적정 진공도는 10-5 Torr 내지 10-3 Torr인 것이 바람직하다.
또한, 상기 이온 빔의 적정 도즈량은 5×1015 개/㎠ 내지 5×1016 개/㎠ 인 것이 바람직하며, 상기 이온 빔의 적정 에너지 세기는 300eV 내지 800eV인 것이 바람직하다.
또한, 상기 배향막은 고분자 무기막 또는 폴리머(polymer) 계열인 것이 바람직하며, 이때, 상기 고분자 무기막 또는 폴리머(polymer)는 열중합 작용기를 더욱 포함하며, 상기 열중합 작용기는 아크릴인 것이 바람직하다.
이때, 상기 폴리머(polymer)는 폴리이미드(polyimide)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 열처리는 적정온도를 갖는 핫 플레이트 또는 경화로에서 적정시간 유지하는 것이 특징이며, 이때, 상기 적정온도는 배향막을 형성하는 고분자 물 질의 주쇄와 측쇄의 결합을 깨뜨리는 유리 전이 온도보다는 작은 값으로 결정되는 것이 특징이다.
이때, 상기 적정온도는 열중합 작용기의 중합 온도 보다는 큰 값으로 결정되며, 이때, 상기 열중합 작용기의 중합 온도는 150℃인 것이 특징이다.
또한, 상기 고분자 물질의 유리 전이 온도는 300℃ 인 것이 특징이다.
이하 본 발명에 따른 실시예에 의한 이온빔 조사에 의한 배향막의 표면처리 방법에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
우선, 본 발명에 이용되는 이온 빔 조사장치의 구조에 대해 간단히 설명한다.
도 3a 내지 3b는 본 발명의 실시예에 의한 이온 빔 조사를 통한 배향막 표면처리를 위한 이온 빔 조사 장치를 간략히 도시한 도면이다. 도 3a는 한번의 이온 빔 조사로써 기판 전면의 배향막의 표면 처리가 가능한 이온빔 조사장치를 도시한 것이며, 도 3b는 대면적 기판에 대응하기 위해 대면적 기판에 형성된 배향막을 스캔 형식으로 기판을 이동시키며 이온 빔 조사를 하는 장치를 도시한 것이다.
도 3a에 도시한 바와 같이, 이온빔 조사 장치는 진공상태를 만들기 위한 챔버(150)와, 상기 챔버(150) 내부에 이온 발생부(110)와, 기판(145)이 위치하는 스테이지(140)로 구성된다. 이때, 상기 챔버(150)는 진공을 만들기 위한 진공펌프(미도시)와 배기관(155)으로써 연결되어 있으며, 또한, 상기 이온 발생부(110)는 이온 생성을 위한 가스를 공급하기 위한 가스 공급관(130)이 연결되어 있다.
이때, 이온 빔 조사 시 챔버(150) 내의 진공도는 10-5 Torr 내지 10-3 Torr정도로 유지하는 것이 바람직하다.
다음, 이온 발생부(110)는 그 내부적으로 공급된 가스를 이온으로 전리시키는 플라즈마 챔버(115)와, 상기 생성된 이온을 일정한 속도 및 에너지를 갖게 하기 위한 가속전극(120)과, 그리드(grid) 구조로 이루어진 이온 배출구(125)로 구성된다.
또한, 기판(145)이 위치하는 스테이지(140)는 상기 이온 발생부(110)로부터 조사되는 이온이 특정한 각도로 상기 기판(145)에 입사시키기 위해 상기 스테이지(140)가 지면에 대해 특정각도를 갖으며 위치하도록 설계되어진 것이 특징이다.
상기 이온빔 조사장치(100)는 기판(145) 전면에 대응하여 한번의 이온빔을 적정시간 조사함으로써 기판(145)상의 배향막(미도시) 표면에 고분자 사슬(측쇄)을 정렬시키는 것이다. 하지만, 최근에 기판이 대형화되어 전술한 이온빔 발생창치로 한번의 이온빔 조사로써 기판 전면에 대응함에 어려움이 있다.
도 3b에 도시한 이온빔 조사장치(200)는 대면적 기판(245)의 이온빔 배향을 위한 것이다. 챔버(250)와 스테이지(240)와 이온 발생부(210)로 구성되는 것은 앞서 전술한 이온빔 발생장치와 동일하다.
하지만, 도 3b에 의한 이온빔 장치(200)는 이온 발생부(210)가 지면에 대해 특정각도를 가지며 위치할 수 있도록 설계되어 있으며, 더욱이 상기 이온 발생부(210)의 이온 배출구(223)는 그 너비가 기판(245)의 폭과 같거나 또는 크게 형성되어 있는 것이 특징이다.
또한, 기판(245)이 위치하는 스테이지(240)에 있어, 상기 스테이지(240)는 상기 이온 배출구(223)를 통과하여 일정한 속도를 가지며 일방향으로 이동할 수 있는 것이 특징이다.
즉, 기판(245) 상에 이온빔의 조사는 마치 스캔을 하듯 진행되어지는 것이 특징이다. 기판(245)에 대해 특정각도를 갖고 조사되는 이온빔 조사 영역(IA)이 상기 기판(245)상에 형성되며, 스테이지(240)가 일정한 속도를 갖고 일방향으로 이동함으로써 상기 이온빔 조사 영역(IA)이 기판(245)상에서 스캔하듯 이동함으로써 기판(245) 전면에 특정각도를 갖는 이온빔 조사가 이루어지게 된다.
다음, 이온 발생부(210)에 대해 간략히 설명한다.
이온 발생부(210)는 크게 플라즈마 발생부(215), 가속전극(220), 이온 배출구(223)로 구성된다. 외부로부터 상기 이온 발생부(210)에 공급된 불활성 가스를 매개체로하여 상기 플라즈마 발생부(215)에 고압이 인가되어 플라즈마가 발생되며 상기 가스가 전리되어, 상기 플라즈마 발생부(215)에는 공급된 가스의 종류에 기인한 이온이 발생되며, 상기 플라즈마 발생부(215)에 채워진 이온이 가속전극(220)에 의해 적정한 에너지 세기를 갖게 되고, 상기 적정 에너지 세기를 갖는 이온들이 그리드(grid) 형태로 구성된 이온 배출구(223)를 통해 진공의 챔버(250)내로 배출되며, 상기 이온 발생부(210) 챔버(250)내부로 특정 에너지 세기를 갖고 배출된 이온들이 기판(245) 상의 배향막(미도시)에 일정한 각도를 갖고 충돌하게 됨으로써 배 향막(미도시) 표면을 변형시키게 되며, 상기 기판(245)에 충돌한 이온은 진공펌프(미도시)와 연결된 배기관(255)을 통해 챔버(250) 외부로 배출된다.
이때, 전술한 설명 중 이온빔 발생을 위해 주로 이용되는 가스는 불활성 가스인 He, Ne, Ar, Kr, Xe 등이며, 이들 중 비용이 저렴한 Ar이 주로 이용되고 있다.
이후에는 전술한 이온 빔 조사장치를 이용하여 배향막 표면 처리하는 방법에 대해 설명한다.
<제 1 실시예>
도 4a 내지 4b는 본 발명에 의한 배향을 위한 배향막 표면 처리 과정을 도시한 도면이며, 도 5a 내지 5d는 상기 배향막 표면 처리에 따른 배향막의 변화를 간략히 도시한 단면도이다. 단순히 기판 상에 배향막만을 도시하였으며, 내부의 스위칭 소자 또는 컬러필터 등을 생략하였다.
우선, 도 4a에 도시한 바와 같이, 기판(320) 상에 배향막(330)을 형성한다. 이때, 상기 기판(320)은 통상적으로 스위칭 소자 및 화소전극이 형성된 액정표시장치용 어레이 기판 또는 상기 어레이 기판과 합착하여 액정패널을 이루는 컬러필터 및 공통전극이 형성된 컬러필터 기판이며, 상기 액정표시장치를 구성하는 어레이 기판 또는 컬러필터 이외의 다른 기판도 가능하다.
또한, 상기 배향막(330)은 고분자 무기막 또는 폴리머(polymer) 물질인 것이 바람직하며, 상기 폴리머(polymer) 중 폴리이미드(polyimide)가 주로 이용된다.
기판(320) 상에 배향막(330)의 형성에 있어, 종래에서 언급한 바와 같이, 배향막 물질 중 하나인 폴리이미드(polyimide)를 닥터롤(312)과 아니록스롤(310)과 판동(308)과 스테이지(305)를 구비한 배향막 인쇄장치(300) 및 상기 판동(308) 표면에 부착된 패터닝된 전사판(315)을 이용하여 스테이지(305) 상에 위치한 기판(320)에 일정한 모양의 패턴으로 인쇄함으로써 배향막(330)을 형성한다.
이후, 연속하여 상기 인쇄된 배향막(330)을 적정 온도로 가열된 건조로(미도시) 및 경화로(미도시)에서 일정 시간 유지시킴으로써 적당한 두께와 적당한 굳기를 가지며 경화된 배향막(330)을 형성한다. 이때, 상기 기판(320)상에 최종적으로 경화된 배향막(330)은 500Å 내지 1000Å의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
전술한 공정을 진행하여 형성된 기판 상의 배향막 단면을 도시한 도 5a를 참조하면, 상기 기판(320)과 배향막(330)의 계면에는 배향막(330)을 이루는 고분자 물질의 주쇄(main chain, 335)가 복잡하게 서로 얽혀 베이스를 형성하고, 상기 주쇄(335)에서 다수의 측쇄(side chain, 340)가 방향성 없이 분기하고 있는 형태로 형성되어 있음을 알 수 있다.
다음, 도 4b와 도 5b에 도시한 바와 같이, 이온 빔 조사장치를 이용하여 주쇄(335) 및 측쇄(340)를 갖는 배향막(330)이 형성된 기판(320)에 상기 기판(320)에 대해 적당한 각도를 갖도록 조절된 이온 빔을 전면에 조사한다.
이때, 상기 이온 빔 조사장치(360)에 있어, 이온 빔이 조사되기까지 장치 내부의 과정을 간략히 서술하면, 배향막(미도시)이 형성된 기판(320)이 이온 빔 조사장치(360)의 스테이지(385) 상에 위치되면, 진공 배기관(380)을 통해 챔버(363) 내 부의 공기가 외부로 배출되며 챔버(363) 내에 10-5 Torr 내지 10-3 Torr의 진공도를 갖는 진공이 형성된다. 동시에 이온빔 조사 장치(360)내의 이온 발생부(366)로 가스 공급관(378)을 통해 불활성 가스가 주입되고, 상기 주입된 불활성 가스가 상기 이온 발생부(366)에 구비된 플라즈마 발생부(369)를 통해 이온으로 전리되고, 상기 전리된 이온이 가속전극(372)에 의해 일정한 에너지 세기를 갖고 기판에 대해 특정 각도를 갖는 이온 배출구(375) 통해 배출되며, 상기 이온 배출구(375)를 통해 배출된 이온 빔이 스테이지(385)와 상기 이온 발생부의 이온 배출구(375)의 위치에 의해 특정 각도로 기판(320) 상의 배향막(미도시)으로 조사된다. 이때, 조사되는 이온 빔은 5×1015 개/㎠ 내지 5×1016 개/㎠ 의 도즈량과 300eV 내지 800eV의 에너지 세기를 갖는 것이 바람직하다.
이온 빔이 조사된 배향막의 단면인 도 5c를 참조하면, 배향막(330)에 특정각도를 가지며 조사된 이온 빔에 의해 배향막(330) 표면에 있어 주쇄(335)에서 분기한 측쇄(340) 중, 상기 이온 빔이 조사되는 각도와 비슷한 각도를 가지며 주쇄(335)로부터 분기한 측쇄(340a)는 그 상태를 유지하고, 그 외의 이온 빔이 입사되는 각도와 다른 각도로 주쇄(335)에 연결되어 있는 측쇄(340a)는 상기 조사된 이온과 충돌하여 주쇄(335)에 얽히게 되거나, 또는 일부는 주쇄(335)로부터 분리되어 최종적으로 조사된 이온 빔과 평행한 방향으로 주쇄에서 분기한 측쇄(340a)들만이 남게 된다. 따라서, 배향막(330) 표면은 일정한 방향을 갖는 측쇄(340a)들만으로 형성됨으로써 방향성을 갖게 된다.
이때, 주쇄(335)에 연결되어 일정한 방향을 갖는 측쇄(340a)가 러빙법에 의한 표면처리에 형성된 측쇄 대비 그 수가 감소함을 알 수 있다. 하지만, 액정의 초기 상태를 유기시키기 위한 배향 규제력, 즉 엥커링 에너지는 그 크기가 10-4J/㎡이상이면 액정의 초기 배향에 문제가 되지 않는데, 전술한 이온 빔 조사에 의한 배향막의 엥커링 에너지는 이온 빔 에너지 세기를 조절하면 통상적으로 10-4J/㎡ 이상이 되므로 액정의 초기 배향력 제어에 문제가 없다.
다음, 도면으로 제시하지 않았지만, 이온 빔이 조사되어 표면처리 된 기판에 봉지 패턴을 형성한 후 합착하고, 액정을 주입하는 공정을 진행하여 최종적으로 액정패널을 완성한다.
도 5d는 이온 빔에 의해 표면처리 된 기판 상에 액정이 주입된 것을 보이고 있다.
도시한 바와 같이, 정렬된 배향막(330)의 측쇄(340a)에 의해 액정 분자(351)들이 일방향으로 방향성 있게 배열됨을 알 수 있다.
그러나, 제 1 실시예에 의한 배향막의 표면처리에 의해 완성된 액정패널에 있어서는 상기 이온 빔 조상에 의해 주쇄로부터 결합이 끊어진 측쇄 및 상기 주쇄에 엉겨 결합상태가 변한 측쇄가 일정방향을 가지며 배열된 측쇄에 영향을 주어 배열 상태를 변화시키거나, 또는 상기 주쇄로부터 끊어진 측쇄가 액정층으로 흡수되어 불순물로 작용하는 등의 문제가 발생할 가능성이 있다.
<제 2 실시예>
본 발명의 제 2 실시예는 전술한 제 1 실시예의 문제점으로 보완한 배향막의 표면처리 방법에 대해 서술한다.
본 발명의 제 2 실시예에서는 열처리 공정 단계를 더욱 추가하여 상기 끊어진 측쇄 및 결합상태가 바뀐 측쇄를 중합 처리함으로써 전술한 제 1 실시예의 문제로 대두될 수 있는 점을 보완하였다. 또한, 제 2 실시예에 의한 배향막의 표면처리 과정에 의한 배향막의 단면을 도시한 도면(도 7a 내지 7d)은 열중합 반응기를 포함하는 고분자 물질을 배향막으로 형성한 것을 보이고 있으나, 열중합 작용기를 포함하는 고분자 물질을 배향막으로 형성하지 않고 일반적인 고분자 물질을 형성할 수 도 있다.
도 6a 내지 6c는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 배향막 표면 처리 과정을 도시한 도면이며, 도 7a 내지 7e는 상기 배향막 표면 처리 과정에 따른 배향막의 변화를 간략히 도시한 배향막의 단면도이다. 단순히 기판 상에 배향막 만을 도시하였으며, 내부의 스위칭 소자 또는 컬러필터 등의 적층 레이어는 생략하여 표현하였다.
우선, 도 6a에 도시한 바와 같이, 스위칭 소자 또는 컬러필터가 형성된 액정표시장치용 기판(420) 상에 고분자 무기물 또는 폴리머(polymer) 등을 배향막 인쇄장치(400)를 이용하여 인쇄함으로써 배향막(430)을 형성한다.
이때, 상기 배향막(430)을 형성하는 고분자 무기물 또는 폴리머(polymer)는 주쇄(main chain) 및 측쇄(side chain)로 형성된 일반적인 분자 구조를 갖는 물질 또는 분자 구조에 있어 고분자 물질의 특성인 주쇄(main chain) 및 측쇄(side chain)와 상기 주쇄(main chain)를 덮으며 열중합 작용기를 더욱 포함하는 분자구조를 갖는 물질인 것이 바람직하다. 일례로써 열중합 작용기 중 하나인 아크릴(acryl)을 포함하는 폴리이미드(polyimide)를 들 수 있다.
여기서 일반적인 고분자 물질로 형성한 배향막의 단면 구조와 열중합 작용기를 포함하는 고분자 물질로 형성한 배향막의 단면 구조에 대해 간략히 도면을 참조하여 설명한다.
도 8a와 도 8b는 일반적인 고분자 물질과 열중합 작용기를 포함하는 고분자 물질로 배향막을 형성한 후 각각의 단면 구조를 간략히 도시한 도면이다.
도 8a에 도시한 바와 같이, 일반적인 고분자 물질로 배향막(503)을 형성한 경우 기판(500) 상에 주쇄(505)가 서로 얽히어 베이스를 이루고 있으며, 상기 주쇄(505)로부터 분기하여 무질서한 상태로 측쇄(510)가 형성되어 있음을 알 수 있다.
반면, 도 8b를 참조하면, 열중합 작용기(535)를 포함하는 배향막(523)은 기판(520)상에 주쇄(525)가 서로 복잡하게 얽혀 베이스를 이루고 있으며, 상기 서로 얽힌 주쇄(525)를 열중합 작용기(535)가 덮고 있으며, 상기 주쇄(525)로부터 분기한 다수의 방향성이 없는 측쇄(530)들이 상기 주쇄(525)를 덮으며 형성된 열중합 작용기(535)를 뚫고 나온 형상을 하고 있는 것이 특징이다.
다시, 본 발명의 제 2 실시예에 의한 이온 빔 조사를 통한 배향막 표면 처리 방법에 대해 설명한다.
기판(420) 상에 배향막(430)의 형성에 있어, 배향막(430)을 형성하는 물질 중 하나인 폴리이미드(polyimide) 또는 광중합 작용기 중 하나인 아크릴을 포함하는 폴리이미드(polyimide)를 배향막 인쇄장치(400)) 및 패터닝된 전사판(415)을 이용하여 기판(420)에 인쇄하여 형성하고, 연속하여 상기 인쇄된 배향막(430)을 적정 온도로 가열된 건조로(미도시) 및 경화로(미도시)에서 일정 시간 유지시킴으로써 적당한 500Å 내지 1000Å의 두께로서 적당한 굳기를 가지면 경화된 배향막(430)을 형성한다.
도 7a는 도 6a에 도시한 배향막 형성 공정을 진행한 상태의 배향막의 단면을 도시한 것이다.
도시한 바와 같이, 기판(420) 상에 광중합 반응기(445)가 주쇄(435)와 측쇄(440) 사이에 위치한 구조를 갖는 배향막(430)이 형성되어 있음을 알 수 있다. 상기 배향막(430)의 단면 구조에 대해서는 도 8b를 통해 이미 그 구조를 설명하였으므로 더 이상의 설명은 생략한다.
다음, 도 6b와 도 7b에 도시한 바와 같이, 이온 빔 조사장치(460)를 이용하여 주쇄(435) 및 측쇄(440)를 갖는 배향막(403)이 형성된 기판(300)에 상기 기판(420)에 대해 적당한 각도를 갖도록 조절된 이온 빔을 배향막 전면에 조사한다.
이때, 이온 빔 조사장치(460)의 이온 빔 조사과정 및 이온 빔 조사의 조건 즉, 챔버의 진공도, 이온빔의 에너지 세기 및 도즈량 등의 조건은 전술한 제 1 실시예에서 설명한 바와 동일하므로 그 설명은 생략한다.
도 7c는 전술한 도 6b의 이온 빔 조사 공정을 진행한 후의 기판상의 배향막의 단면을 도시한 것이다.
배향막(430)에 특정 각도로서 조사된 이온 빔에 의해 배향막(430) 표면에 있어 주쇄(435)에서 분기한 측쇄(440) 중, 상기 이온 빔이 조사되는 각도와 비슷한 각도를 가지며 주쇄(435)로부터 분기한 측쇄(440a)는 그 상태를 유지하고, 그 외의 이온 빔이 입사되는 각도와 다른 각도로 주쇄(435)에 연결되어 있는 측쇄(440b)는 상기 조사된 이온 빔에 의해 주쇄(435) 상부에 위치한 열중합 작용기(445)에 얽히거나, 또는 일부는 주쇄(435)로부터 분리되어 열중합 작용기(445) 위로 퇴적되며, 최종적으로 조사된 이온 빔과 평행한 방향으로 주쇄에서 열중합 작용기(445) 위로 분기한 측쇄(440a)들만이 남게 된다. 따라서, 배향막(303)은 일정한 방향을 갖는 측쇄(440a)들만으로 형성됨으로써 방향성을 갖게 된다.
이때, 이온 빔 조사에 의해 주쇄(435)로부터 분리된 측쇄(440b) 및 그 결합력이 약해진 측쇄가 액정 주입 후 방향성을 가지며 형성된 측쇄(440a)들에 영향을 주어 액정(미도시)의 선경사각을 변화시키거나, 또는 액정층(미도시) 내부로 상기 주쇄(435)로부터 분리된 측쇄(440b)들이 흡수되어 액정층(미도시)을 오염시킬 가능성이 있다.
따라서, 제 2 실시예에서는 도 6c에 도시한 바와 같이, 상기 이온 빔이 조사된 기판(420)을 적정 온도가 유지되는 핫 플레이트(hot plate, 490) 타입의 경화존(HZ)을 적정 시간동안 서서히 통과시키거나, 또는 적정 온도의 분위기를 갖는 경화로(미도시) 내에 적정 시간 동안 위치시켜 가열하는 열처리 단계를 진행시 킨다.
이때, 상기 경화존 또는 경화로 내부의 열처리 온도는 배향막(430)을 폴리머(polymer) 계열의 일종인 폴리이미드(polyimide)로 형성하였을 경우, 폴리이미드(polyimide)의 결합 즉, 주쇄와 측쇄의 결합이 깨지는 온도(여기서 상기 온도를 설명의 편의 상 Tg라 정의한다.)보다는 낮게, 동시에 열중합 작용기의 중합이 이루어지는 온도보다는 높게 형성하는 것이 바람직하다. 통상적으로 폴리이미드(polyimide)의 Tg는 300℃정도이므로, 상기 열처리 온도는 300℃보다는 낮게 설정되는 것이 바람직하다.
열중합 작용기의 열중합 온도는 통상적으로 상기 폴리이미드(polyimide)의 Tg보다는 낮은 온도에서 결정되고 있고, 이때, 상기 열중합 온도는 상기 열중합 작용기의 종류에 따라 다양하므로 열중합 작용기에 따라 적당히 조절해야 한다. 일례로 아크릴의 경우 통상적으로 150℃ 내외에서 변성이 일어나므로 아크릴의 열중합 작용기로 하는 폴리이미드(polyimide)의 경우 상기 열처리 온도는 150℃ 내지 300℃ 내에서 형성하는 것이 바람직하다.
도 7d는 도 6c의 열처리 단계를 진행한 후의 기판상의 배향막의 단면을 도시한 것이다.
도시한 바와 같이, 이온 빔 조사에 의해 열중합 작용기(445) 위로 퇴적된 측쇄(440b)들이 경화로 또는 핫 플레이트(490)에 의해 가열됨으로써 상기 열중합 작용기(445)가 상변이 되어 상기 상변이된 열중합 작용기(445) 내부로 흡수되거나, 또는 상기 열중합 작용기(445)의 표면에 밀착 고정된 상태에서 굳어지게 된다.
따라서, 전 단계에서 열중합 작용기 상부로 이온 빔 조사에 의해 주쇄로부터 분리되거나 결합력이 약해져 퇴적된 측쇄들이 상기 열중합 작용기 내부로 흡수되거나 또는 고정되어 특정 각도를 갖고 배열된 측쇄의 배열상태에 영향을 주거나, 액정 주입시 액정층으로 흡수되는 등의 불량을 방지할 수 있다.
열중합 반응기를 포함하지 않는 고분자 물질을 배향막으로 형성하였을 경우에도, 상기 열처리 단계를 통해 이온 빔 조사에 의해 주쇄에서 분리되거나, 결합력이 약해진 측쇄들이 어느 정도 주쇄에 밀착되게 되어 영향력을 줄일 수 있는 효과가 있다.
다음, 도면으로 제시하지 않았지만, 이온 빔이 조사되어 표면처리 된 기판을 봉지 패턴을 형성한 후 합착하고, 액정을 주입하는 공정을 진행하여 최종적으로 액정패널을 완성한다.
도 7e는 이온 빔에 의해 표면처리 된 기판 상에 액정이 주입된 것을 도시하고 있다.
도시한 바와 같이, 정렬된 배향막(430)의 측쇄(440a)에 의해 액정 분자(451)들이 일방향으로 방향성 있게 배열되어 있음을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 액정의 초기 배열상태를 결정시키기 위한 배향막의 표면처리를 위해 종래의 러빙에 의한 표면처리 대신 적정 에너지 세기를 갖는 이온 빔을 배향막 표면에 조사하는 배향법에 의해 충분한 배향 규제력을 갖는 안정적인 배향을 확보할 수 있고, 종래의 러빙에 의한 배향 공정 진행으로 발생하는 파티클 및 정전기 발생에 의한 불량문제를 해결하는 효과가 있다.
또한, 대형 기판에 대해서도 배향 균일성의 저하없이 균일한 배향을 할 수 있다.
또한, 이온 빔 조사 후 열처리 공정을 진행함으로써 더욱 안정성 있는 배향상태를 유지시키는 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 기판 상에 주쇄와, 상기 주쇄를 덮는 열중합 작용기와, 상기 주쇄로부터 분기되어 상기 열중합 작용기를 뚫어 돌출된 측쇄로 이루어지는 고분자 물질로써 배향막을 형성하는 단계와;
    상기 배향막이 형성된 기판을 이온 빔 조사장치의 제 1 진공도를 갖는 챔버내의 스테이지에 위치시키는 단계와;
    상기 이온 빔 조사 장치의 이온 발생부를 통해 방출되는 이온 빔이 상기 배향막에 입사되도록 상기 이온 발생부와 스테이지를 위치시키는 단계와;
    상기 이온 발생부로부터 제 1 도즈량 및 제 1 에너지를 가지며 발생한 이온 빔을 상기 배향막 표면에 조사함으로써 상기 이온빔에 평행한 측쇄는 잔존시키고, 그 외의 측쇄는 열중합 작용기 상에 퇴적되도록 변형시키는 단계와;
    상기 열중합 작용기 상에 퇴적된 측쇄가 상기 열중합 작용기에 고정되도록 제 1 온도에서 열처리하는 단계
    를 포함하는 액정표시장치의 배향막 표면 처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 진공도는 10-5 Torr 내지 10-3 Torr인 액정표시장치의 배향막 표면 처리 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 도즈량은 5× 1015 개/㎠ 내지 5× 1016 개/㎠ 인 액정표시장치의 배향막 표면 처리 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 에너지는 300eV 내지 800eV의 범위에서 결정됨으로써 상기 배향막 표면에 있어 10-4J/㎡ 보다 큰 엥커링 에너지를 갖도록 하는 것이 특징인 액정표시장치의 배향막 표면 처리 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 물질은 고분자 무기물 또는 폴리머(polymer) 계열인 액정표시장치의 배향막 표면 처리 방법.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 열중합 작용기는 아크릴인 액정표시장치의 배향막 표면 처리 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 폴리머(polymer)는 폴리이미드(polyimide)인 액정표시장치의 배향막 표면 처리 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리는 핫 플레이트 또는 경화로를 통해 이루어지는 것이 특징인 액정표시장치의 배향막 표면 처리 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 온도는 상기 고분자 물질의 주쇄와 측쇄의 결합을 깨뜨리는 유리 전이 온도보다는 작고, 상기 열중합 작용기의 중합온도보다는 큰 범위에서 결정되는 것이 특징인 액정표시장치의 배향막 표면 처리 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 유리 전이 온도는 300℃인 액정표시장치의 배향막 표면 처리 방법.
  12. 삭제
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 열중합 작용기의 중합 온도는 150℃인 액정표시장치의 배향막 표면 처리 방법.
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