KR101127831B1 - 셀 갭 제어용 칼럼 스페이서 및 이를 이용한 액정 표시장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 재료의 물성을 변경하여 액정층의 셀 갭 제어가 가능한 칼럼 스페이서와 상기 칼럼 스페이서를 이용하여 균일한 셀 갭을 유지하고, 제조 공정 마진을 키운 액정 표시 장치에 관한 것으로, 본 발명의 셀 갭 제어용 칼럼 스페이서는 소성 변형과 탄성 변형의 총 변형 합이 1~3㎛이며, 변형시 복원률이 50% 이상으로, 상기 셀 갭 제어용 칼럼 스페이서는 액상 고분자 전구체와 광 개시제의 혼합액이 광중합 반응하여 이루어짐을 특징으로 한다.
액상 고분자 전구체(Liquid Prepolymer), 스페이서, 복원력, 셀 갭, 중력 불량, 터치불량

Description

셀 갭 제어용 칼럼 스페이서 및 이를 이용한 액정 표시 장치{Column Spacer for Controlling Cell gap and Liquid Crystal Display Device Using the Same}
도 1은 칼럼 스페이서를 포함한 액정 표시 장치를 나타낸 단면도
도 2는 물질의 복원률을 정의하기 위한 변형량을 나타낸 그래프
도 3은 물질에 가압에 따른 변형 정도를 나타낸 도면
도 4는 일반적으로 사용하고 있는 칼럼 스페이서 물질의 변형량을 나타낸 그래프
도 5는 본 발명의 액정 표시 장치를 나타낸 단면도
도 6은 본 발명의 액정 표시 장치를 나타낸 평면도
도 7은 본 발명의 셀 갭 제어용 칼럼 스페이서와 일반 칼럼 스페이서에 있어서, 복원률을 정의하기 위한 변형량을 나타낸 그래프
*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명*
100 : 제 1 기판 101 : 게이트 라인
101a : 게이트 전극 102 : 데이터 라인
102a : 소오스 전극 102b : 드레인 전극
103 : 화소 전극 104 : 반도체층
105 : 게이트 절연막 106 : 보호막
107 : 공통 라인 107a : 공통 전극
108 : 콘택홀 200 : 제 2 기판
201 : 블랙 매트릭스층 202 : 컬러 필터층
203 : 오버코트층 210 : 칼럼 스페이서
본 발명은 칼럼 스페이서에 관한 것으로 특히, 재료의 물성을 변경하여 액정층의 셀 갭 제어가 가능한 칼럼 스페이서와 상기 칼럼 스페이서를 이용하여 균일한 셀 갭을 유지하고, 제조 공정 마진을 키운 액정 표시 장치에 관한 것이다.
정보화 사회가 발전함에 따라 표시 장치에 대한 요구도 다양한 형태로 점증하고 있으며, 이에 부응하여 근래에는 LCD(Liquid Crystal Display Device), PDP(Plasma Display Panel), ELD(Electro Luminescent Display), VFD(Vacuum Fluorescent Display) 등 여러 가지 평판 표시 장치가 연구되어 왔고, 일부는 이미 여러 장비에서 표시 장치로 활용되고 있다.
그 중에, 현재 화질이 우수하고 경량, 박형, 저소비 전력의 특징 및 장점으로 인하여 이동형 화상 표시 장치의 용도로 CRT(Cathode Ray Tube)를 대체하면서 LCD(액정 표시 장치)가 가장 많이 사용되고 있으며, 노트북 컴퓨터의 모니터와 같은 이동형의 용도 이외에도 방송 신호를 수신하여 디스플레이하는 텔레비젼 및 컴퓨터의 모니터 등으로 다양하게 개발되고 있다.
이와 같은 액정 표시 장치가 일반적인 화면 표시 장치로서 다양한 부분에 사용되기 위해서는 경량, 박형, 저 소비 전력의 특징을 유지하면서도 고정세, 고휘도, 대면적 등 고품위 화상을 얼마나 구현할 수 있는가에 관건이 걸려 있다고 할 수 있다.
일반적인 액정 표시 장치는, 일정 공간을 갖고 합착된 제 1 기판 및 제 2 기판과, 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 주입된 액정층으로 구성되어 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 상기 제 1 기판에는 화소 영역을 정의하기 위하여 일정한 간격을 갖고 일방향으로 복수개의 게이트 라인과, 상기 게이트 라인에 수직한 방향으로 일정한 간격을 갖고 복수개의 데이터 라인이 배열된다. 그리고, 상기 각 화소 영역에는 화소 전극이 형성되고, 상기 각 게이트 라인과 데이터 라인이 교차하는 부분에 박막 트랜지스터가 형성되어 상기 게이트 라인에 인가되는 신호에 따라 상기 데이터 라인의 데이터 신호를 상기 각 화소 전극에 인가한다.
그리고, 상기 제 2 기판에는 상기 화소 영역을 제외한 부분의 빛을 차단하기 위한 블랙 매트릭스층이 형성되고, 상기 각 화소 영역에 대응되는 부분에는 색상을 표현하기 위한 R, G, B 컬러 필터층이 형성되고, 상기 컬러 필터층위에는 화상을 구현하기 위한 공통 전극이 형성되어 있다.
상기와 같은 액정 표시 장치는 상기 화소 전극과 공통 전극 사이의 전계에 의해 상기 제 1, 제 2 기판 사이에 형성된 액정층의 액정이 배향되고, 상기 액정층의 배향 정도에 따라 액정층을 투과하는 빛의 양을 조절하여 화상을 표현할 수 있다.
이와 같은 액정 표시 장치를 TN(Twisted Nematic) 모드 액정 표시 장치라 하며, 상기 TN 모드 액정 표시 장치는 시야각이 좁다는 단점을 가지고 있어 이러한 TN 모드의 단점을 극복하기 위한 횡전계형(IPS: In-Plane Switching) 모드 액정 표시 장치가 개발되었다.
상기 횡전계형(IPS) 모드 액정 표시 장치는 제 1 기판의 화소 영역에 화소 전극과 공통 전극을 일정한 거리를 갖고 서로 평행하게 형성하여 상기 화소 전극과 공통 전극 사이에 횡 전계(수평 전계)가 발생하도록 하고 상기 횡 전계에 의해 액정층이 배향되도록 한 것이다.
한편, 이와 같이 형성되는 액정 표시 장치의 제 1, 제 2 기판 사이에는 액정층이 형성되는 일정한 간격을 유지하기 위해 스페이서가 형성된다.
이러한 스페이서는 그 형상에 따라 볼 스페이서 또는 칼럼 스페이서로 나뉘어진다.
볼 스페이서는 구 형상이며, 제 1, 제 2 기판 상에 산포하여 제조되고, 상기 제 1, 제 2 기판의 합착 후에도 움직임이 비교적 자유롭고, 상기 제 1, 제 2 기판과의 접촉 면적이 작다.
반면, 칼럼 스페이서는 제 1 기판 또는 제 2 기판 상의 어레이 공정에서 형성되는 것으로, 소정 기판 상에 소정 높이를 갖는 기둥 형태로 고정되어 형성된다. 따라서, 제 1, 2 기판과의 접촉 면적이 볼 스페이서에 비하여 상대적으로 크다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 종래의 칼럼 스페이서를 구비한 액정 표시 장치에 대하여 설명한다.
도 1은 칼럼 스페이서를 포함하는 액정 표시 장치를 나타낸 단면도이다.
도 1과 같이, 칼럼 스페이서를 포함하는 액정 표시 장치는 서로 대향하는 제 1 기판(30) 및 제 2 기판(40)과, 상기 제 1, 제 2 기판(30, 40) 사이에 형성된 칼럼 스페이서(20) 및 상기 제 1, 제 2 기판(30, 40) 사이에 충진된 액정층(미도시)을 포함하여 이루어진다.
상기 제 1 기판(30) 상에는 화소 영역을 정의하기 위해 게이트 라인(31) 및 데이터 라인(미도시)이 서로 수직으로 교차하여 배열되고, 상기 각 게이트 라인(31)과 데이터 라인이 교차하는 부분에 박막 트랜지스터(TFT)가 형성되며, 각 화소 영역에는 화소 전극(미도시)이 형성된다.
상기 제 2 기판(40) 상에는 상기 화소 영역을 제외한 영역에 대응되어 블랙 매트릭스층(41)이 형성되고, 상기 데이터 라인에 평행한 세로선상의 화소 영역들에 대응되는 스트라이프 상의 컬러 필터층(42)이 형성되고, 전면에 공통 전극 또는 오버코트층(43)이 형성된다.
여기서, 상기 칼럼 스페이서(20)는 상기 게이트 라인(31) 상부의 소정 위치에 대응되어 형성된다.
또한, 상기 제 1 기판(30) 상에는 상기 게이트 라인(31)을 포함한 기판 전면에 게이트 절연막(36)이 형성되며, 상기 게이트 절연막(36)위에 보호막(37)이 형성된다.
한편, 상술한 종래의 칼럼 스페이서를 포함하는 액정 표시 장치는, 액정 패 널의 표면을 손이나 그 밖의 물건을 이용하여 소정 방향으로 터치하여 지나가게 되면, 터치된 부위에서 얼룩이 발생한다. 이러한 얼룩은 터치시에 발생한 얼룩이라 하여 터치 얼룩이라 하며, 이와 같이 화면에서 얼룩이 관찰되기 때문에 터치 불량이라고도 한다.
이러한 터치 불량은, 이전의 볼 스페이서의 구조에 비해 상기 칼럼 스페이서(20)와 대향하는 제 1 기판(30)간의 접촉 면적이 크기 때문에, 마찰력이 커서 나타나는 것으로 파악된다. 즉, 볼 스페이서에 비해 원기둥 형태로 형성되는 칼럼 스페이서는, 상대적으로 제 1 기판(30)과의 접촉 면적이 크기 때문에, 터치로 인해 제 1, 제 2 기판(30, 40)이 서로 쉬프트된 후, 원 상태로 복원하는데 오랜 시간이 걸리기 때문에 원 상태로 복원하기 전까지 얼룩이 잔존하게 된다.
또한, 서로 대향된 제 1, 제 2 기판(30, 40) 사이에 액정(미도시)이 충진되고, 상기 제 1, 제 2 기판(30, 40) 사이의 소정 부위에 칼럼 스페이서(20)가 형성되는 액정 표시 장치는 세워져 있는 상태로, 고온 환경에 있게 되면, 액정이 열 팽창이 일어나 칼럼 스페이서(20)의 높이보다 크게 셀 갭이 늘어날 경우 액정이 지면 가까운 하단부측으로 흘러내려 하단부가 불룩하게 관찰되어 보이는 현상이 관찰된다. 이러한 현상을 중력 불량이라 한다.
상기와 같은 종래의 칼럼 스페이서를 포함하는 액정 표시 장치는 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 칼럼 스페이서와 대향 기판간의 접촉 면적이 크기 때문에, 마찰력이 커서 터치시 기판이 쉬프트되었을 때, 원 상태로 복원되는데 시간이 오래 걸려 복원시간동안 터치 불량이 관찰된다.
둘째, 칼럼 스페이서를 포함하는 액정 패널이 세워져있는 상태로, 고온 환경에 놓이게 되면 액정의 열팽창이 발생하고 심한 경우 칼럼 스페이서의 높이보다 더한 두께로 셀 갭이 늘어나 하측으로 액정이 흘러 하단부가 불룩하게 보이며, 시감적으로 불투명하게 보이는 현상이 관찰된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 재료의 물성을 변경하여 액정층의 셀 갭 제어가 가능한 칼럼 스페이서와 상기 칼럼 스페이서를 이용하여 균일한 셀 갭을 유지하고, 제조 공정 마진을 키운 액정 표시 장치를 제공하는 데, 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 셀 갭 제어용 칼럼 스페이서는 소성 변형과 탄성 변형의 총 변형 합이 1~3㎛이며, 변형시 복원률이 50% 이상이다.
상기 셀 갭 제어용 칼럼 스페이서는 액상 고분자 전구체와 광 개시제의 혼합액이 광중합 반응하여 이루어진다.
상기 액상 고분자 전구체는 모노아크릴레이트(monoacrylate) 계열 10~20%와, 트리아크릴레이트(triacrylate) 계열 10~20% 및 메타크릴레이트(methacrylate) 계열 40~60%를 포함하여 이루어진다.
상기 모노아크릴레이트 계열은 하이드록시프로필 아크릴레이트(hydroxypropyl acrylate)이다.
상기 트리아크릴레이트 계열은 펜타에리쓰리톨 트리아크릴레이트(pentaerythritol triacrylate)이다.
상기 메타크릴레이트 계열은 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트(ethyleneglycol dimethacrylate)이다.
상기 광개시제는 케톤(Ketone) 계열의 개시제이다.
상기 케톤 계열의 개시제는 이라큐어 184이다.
또한, 동일한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 액정 표시 장치는 서로 대향된 제 1 기판 및 제 2 기판과, 상기 제 1 기판 상에 서로 교차하여 형성되어 화소 영역을 정의하는 게이트 라인 및 데이터 라인과, 상기 게이트 라인 상의 소정 부위에 대응되어 상기 제 2 기판 상에 형성되며, 소성 변형과 탄성 변형의 총 변형 합이 1~3㎛이며, 변형시 복원률이 50% 이상인 물성을 갖도록 형성된 칼럼 스페이서 및 상기 제 1, 제 2 기판 사이에 충진된 액정층을 포함하여 이루어짐에 그 특징이 있다.
상기 셀 갭 제어용 칼럼 스페이서는 액상 고분자 전구체와 광 개시제의 혼합액이 광중합 반응하여 이루어진다.
상기 액상 고분자 전구체는 모노아크릴레이트(monoacrylate) 계열 10~20%와, 트리아크릴레이트(triacrylate) 계열 10~20% 및 메타크릴레이트(methacrylate) 계열 40~60%를 포함하여 이루어진다.
이하에서는 셀 갭 제어용 칼럼 스페이서를 이용하여 셀 갭을 균일하게 유지 하고, 또한, 이로써, 셀 갭 불량 관련한 불량을 해결한 액정 표시 장치를 설명한다. 이를 위해 이하에서는 복원률과 관련한 실험을 소개하고, 실험에 따라 복원률 특성한 우수한 재료에 대하여 설명한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 셀 갭 제어용 칼럼 스페이서 및 이를 이용한 액정 표시 장치를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 물질의 복원률을 정의하기 위한 변형량을 나타낸 그래프이며, 도 3은 물질에 가압에 따른 변형 정도를 나타낸 도면이다.
복원률은 일정 시간동안 일정한 힘으로 눌렀을 때 변한 거리에 대하여, 동일 시간동안 동일한 힘으로 풀었을 때 변한 거리의 비로 나타내며, 일반적으로 도 2와 같은 방법으로 측정한다.
도 2에서 ① 및 ③ 과정에서의 속도(v)는 3(0.45gf/sec)이며, 최대 로드(maximum load)는 5gf(gravity force)이다. ①과정은 0에서 5gf 까지 로드를 가하는 구간이며, ②과정은 5gf에서 일정 시간 유지(일반적으로 5sec)하는 구간이며 ③ 과정은 5gf에서 0까지 로드를 감하는 구간이며, ④ 과정은 로드 0에서 5sec 간 유지하는 구간이다.
여기서, ②과정의 최대점에서 ④ 과정의 최소점까지의 변형 두께의 차를 탄성 변형(elastic deformation)이라고 하며, 0으로부터 탄성 변형(elastic deformation)의 최소점까지의 변형 두께의 차를 소성 변형(plastic deformation)이라고 하며, 복원율(elastic deformation ratio(%) =
Figure 112005034507716-pat00001
x100)은 탄성 변형(elastic deformation)을 총 변형(total deformation)으로 나눈 값으로 정의한다.
도 3과 같이, 예를 들어, 칼럼 스페이서(20)를 소정의 높이(h)로 형성하였을 때, 소정 힘을 수직 방향으로 인가시에는 최대로 변형했을 때의 칼럼 스페이서(20a)가 갖는 총 변형은 탄성 변형(elastic deformation)(h1)과 소성 변형(plastic deformation)(h2)을 합한 값이다. 이 경우, 상기 칼럼 스페이서(20b)는 감압 후 소정 시간이 지난 후에는 어느 정도 회복되는데, 이 때, 회복된 두께(h1)가 탄성 변형이다. 그리고, 소성 변형은 회복되지 않고, 눌려진 상태로 남아있는 두께를 의미한다.
한편, 대부분의 자연계에 존재하는 탄성체는 일정 이상의 압력이 가해진 후, 압력이 제거되면 원 상태로 완전히 회복하지 못하고, 어느 정도 변성된 부분이 남은 상태로 복귀한다.
이하에서는 물질로서, 일반적으로 사용하고 있는 칼럼 스페이서의 물질의 복원률과 이를 액정 표시 장치에 적용시 영역별 셀 갭을 살펴본다.
도 4는 일반적으로 사용하고 있는 칼럼 스페이서 물질의 변형량을 나타낸 그래프이다.
도 4와 같이, 일반적으로 사용하는 물질(CS1, CS2)로 칼럼 스페이서를 형성하고, 이를 이용하여 복원률 실험을 진행하면, 가압에 의한 총 변형 량의 데이터가 0.5~0.6㎛ 수준으로 0.7㎛ 미만인 것을 알 수 있다. 이와 같이, 총 변형량 값이 0.7㎛미만이면 외부 압력에 의한 변형 자유도가 작아 소성 불량이 심한 특성을 가지며, 따라서, 이러한 물질을 이용하여 형성한 칼럼 스페이서의 복원력이 떨어지는 문제점이 있다. 그리고, 이에 따라 이러한 물질을 이용한 칼럼 스페이서의 두께 제어 마진이 작아 칼럼 스페이서를 형성하기 위한 코팅(coating) 두께, 경화, 현상(develop) 등 공정 로드가 증가하는 문제가 발생하게 된다.
표 1은 도 4의 일반적인 상용 칼럼 스페이서 물질의 변형 데이터를 나타낸 표이다.
샘플 데이터 변형량[㎛] 복원률(%)
힘(force) 총변형 소성변형 탄성변형
CS1 5gf 0.623 0.222 0.401 64.4
CS2 5gf 0.541 0.175 0.366 67.6
이와 같은, 실험 값에서 알 수 있는 바와 같이, 일반적인 상용 제 1, 제 2 칼럼 스페이서 물질의 총 변형량이 각각 0.623, 0.541로, 그 범위가 0.5~0.7㎛ 정도이며, 각각 그 탄성 변형량이 0.401㎛, 0.366㎛로 제 1, 제2 칼럼 스페이서의 각각의 회복률은 64.4%, 67.6%이다. 이와 같은, 일반적인 상용 칼럼 스페이서 물질은 작은 총 변형량 정도에서 50%이상의 회복률을 가지나, 실제 변형 값이 0.5~0.7㎛ 내이므로, 변형 자유도 값이 좋지 않아, 강한 힘이 눌려졌을 때, 파괴되거나 완전히 소성 변형될 우려가 있다.
도 5는 본 발명의 액정 표시 장치를 나타낸 단면도이며, 도 6은 본 발명의 액정 표시 장치를 나타낸 평면도이다.
도 5 및 도 6과 같이, 본 발명의 액정 표시 장치는 서로 대향된 제 1 기판(100)과, 제 2 기판(200)과, 그 사이에 충진된 액정층(170) 및 상기 제 1 기판(100)의 게이트 라인(101)에 대응되는 위치에 형성된 칼럼 스페이서(210)를 포함하여 이루어진다.
보다 자세히 설명하면, 상기 제 1 기판(100) 상에는 게이트 전극(101a)을 포함하여 일 방향으로 형성된 게이트 라인(101)과, 상기 게이트 라인(101)을 포함한 제 1 기판(100) 전면에 형성된 게이트 절연막(105)과, 상기 게이트 절연막(105) 상에 게이트 전극(101a)을 덮는 섬상으로 형성된 반도체층(104)과, 소오스 전극(102a)이 돌출되어 상기 게이트 라인(101)과 수직한 제 2 방향으로 상기 게이트 절연막(105) 상에 형성된 데이터 라인(102)과, 상기 데이터 라인(102)을 포함한 제 1 기판(100) 전면에 형성된 보호막(106)과, 상기 보호막(106) 상부의 화소 영역에 서로 교번되어 형성되는 화소 전극(103) 및 공통 전극(107a)을 포함하여 이루어진다. 여기서, 상기 공통 전극(107a)은 상기 게이트 라인(101)에 인접하여 상기 게이트 라인(101)에 평행한 공통 라인(107)으로부터 연장되어 형성된다.
여기서, 상기 박막 트랜지스터(TFT)는 상기 게이트 라인(101)에서 돌출되어 형성된 게이트 전극(101a)과, 상기 데이터 라인(102)의 소정 부위에 'U'자형으로 돌출된 소오스 전극(102a)과, 상기 소오스 전극(102a)과 이격되어 상기 소오스 전극(102a)의 'U'자형 패턴의 내부로 일부 들어오는 드레인 전극(102b) 및, 상기 게이트 전극(101a)의 상부에 상기 소오스/드레인 전극(102a/102b)의 하측부에 일부 접하여 형성된 반도체층(104)을 포함하여 이루어진다. 여기서, 반도체층(104)은 하부에는 비정질 실리콘층이, 상부에는 불순물층이 형성된 적층체로 형성되며, 상기 소오스 전극(102a)과 드레인 전극(102b) 사이의 영역에 대응하는 부위에는 불순물층이 제거되어 형성되어 있다. 여기서, 상기 박막 트랜지스터의 소오스 전극(102a)의 형상은 '-'자형으로 형성될 수도 있으며, 도시된 소오스 전극의 형상은 채널의 형성 면적을 크게 형성하기 위함이다.
상기 제 2 기판(200) 상에는 상기 화소 영역을 제외한 영역(게이트 라인 및 데이터 라인 대응 부위)과 박막 트랜지스터 형성 부위를 가리는 형상으로는 블랙 매트릭스층(201)이 형성되며, 상기 블랙 매트릭스층(201)을 포함한 제 2 기판(200) 상부에는 적어도 화소 영역들에 대응되어 컬러 필터층(202)이 형성되며, 상기 블랙 매트릭스층(201) 및 컬러 필터층(202)을 포함한 제 2 기판(200) 전면에는 오버코트층(203)이 형성된다. 그리고, 상기 게이트 라인(101) 상에 돌기(110) 상부에 대응되어 상기 오버코트층(203) 상부에 칼럼 스페이서(210)가 형성된다.
또한, 씰 패턴(150)은 제 1, 제 2 기판(100, 200)의 외곽 영역에 대응되어 두 기판을 합착하기 위해 형성된다.
한편, 설명하지 않은 도면 부호 108은 보호막(106)에 드레인 전극(102b)의 소정 부위를 노출하는 콘택홀로, 상기 콘택홀에서 드레인 전극(102b)과 화소 전극(103)이 전기적으로 접속된다.
도 4는 셀 갭(cell gap)에 영향을 미치는 층을 간단하게 나타낸 도면으로, 게이트 라인(101)의 두께와 칼럼 스페이서(210)의 두께가 셀 갭에 직접적으로 미침을 알 수 있다.
두께 게이트 라인 칼럼 스페이서 셀 갭
제 1 영역 0.25㎛ 3.3㎛ 3.3㎛
제 2 영역 0.25㎛ 3.4㎛ 3.4㎛
제 3 영역 0.25㎛ 3.5㎛ 3.5㎛
제 4 영역 0.25㎛ 3.6㎛ 3.6㎛
제 5 영역 0.25㎛ 3.7㎛ 3.7㎛
표 2는 일반 상용하는 칼럼 스페이서 물질(도 4에 실험에서 이용된)로 칼럼 스페이서를 형성시, 영역별 칼럼 스페이서의 높이에 따른 셀 갭 측정 데이터를 나타낸다.
일반 상용하는 칼럼 스페이서 물질은 네거티브 감광성 수지로 이루어져 노광 및 현상 공정을 통해 노광이 이루어진 부분만이 남겨지도록 패터닝되어 이루어지는데, 이러한 패터닝 공정 상에서는 영역별 단차가 발생할 수 있다. 표 2에서는 이와 같이, 영역별 단차가 발생할 경우, 각 영역에서 칼럼 스페이서의 높이에 대한 셀 갭을 측정한 것이다. 제 1 영역에서 제 5 영역까지 각각의 칼럼 스페이서가 0.1㎛의 간격으로 점차적으로 높아지도록 형성되었는데, 각 영역에서 칼럼 스페이서의 높이에 따른 셀 갭이 관찰되며, 이는 영역별 셀 갭 편차가 발생함을 알 수 있다.
이는 칼럼 스페이서 높이 제어가 매우 중요하며, 칼럼 스페이서 물질용 코팅(coating) 두께 균일성이 조금만 나빠져도 셀 갭 불량에 따른 얼룩이 다발함을 의미한다.
도 7은 본 발명의 셀 갭 제어용 칼럼 스페이서와 일반 칼럼 스페이서에 있어서, 복원률을 정의하기 위한 변형량을 나타낸 그래프이다.
일반 상용의 칼럼 스페이서 물질이 큰 총변형 값(1㎛이상)에서 소성 변형이 심하고, 경우에 따라서는, 원 상태로의 회복이 불가한 점을 감안하여, 본 발명의 셀 갭 제어용 칼럼 스페이서는, 칼럼 스페이서를 이루는 물질을 변경하여, 큰 총 변형 값에, 복원률이 좋은 재료로 이루어진다. 즉, 본 발명의 셀 갭 제어용 칼럼 스페이서는 탄성 변형과 소성 변형의 합인 총 변형 값이 1~3㎛이며, 복원률이 50% 이상의 특징을 가진 물질을 이용하여 형성한다.
샘플 데이터 힘[gf] 변형량[㎛] 복원률(%)
총 변형 소성 변형 탄성 변형
CS3 5 2.339 0.885 1.454 62.2
CS4 5 2.160 0.997 1.184 54.8
CS5 5 1.407 0.713 0.694 49.3
CS6 5 1.192 0.629 0.564 47.3
CS7 5 1.346 0.732 0.615 45.7
표 3 및 도 7의 실험에서는 도 4 및 표1에 비해 가압을 크게 하여 칼럼 스페이서 물질의 총 변형 값을 크게하여 진행한다. 이번 실험에서는 사용된 칼럼 스페이서 물질들(CS3, CS4, CS5, CS6, CS7)의 총 변형 데이터가 각각 2.339㎛, 2.160㎛, 1.407㎛, 1.192㎛, 1.346㎛ 로, 모두 1㎛이상의 총 변형량을 갖는 것을 알 수 있다. 그리고, 각 칼럼 스페이서 물질들의 각각의 총 변형량에서 복원되는 값인 탄성 변형량은 1.454, 1.184, 0.694, 0.564, 0.615로, 각각의 복원률은 62.2%, 54.8%, 49.3%, 47.3%, 45.7%가 된다. 이러한 실험을 통해 표 4 및 도 7의 실험에서 사용하는 칼럼 스페이서 물질들 중 제 3, 제 4 칼럼 스페이서 물질(CS3, CS4)과, 제 5 내지 제 7 칼럼 스페이서 물질(CS5, CS6, CS7)은 복원률이 50%를 넘는지 아닌지에 따라 정도 경향 차이를 보임을 알 수 있다.
즉, 제 5 내지 제 7 칼럼 스페이서 물질들은 일반적인 상용 칼럼 스페이서 물질을 나타내고, 제 3 및 제 4 칼럼 스페이서 물질은 본 발명의 셀 갭 제어용 칼럼 스페이서 물질을 나타낸다.
이와 같이, 본 발명의 셀 갭 제어용 칼럼 스페이서는 다음과 같은 재료로 이루어진다. 즉, 액상 고분자 전구체(liquid prepolymer)와 개시제의 혼합액 형태로, 점도가 10cp 이하로 낮은 물질이다. 보다 자세히 그 성분을 살펴보면, 모노아크릴레이트(monoacrylate) 계열이 10~20% 함유되고, 트리아크릴레이트(tryacrylate) 계열이 10~20% 함유되고, 메타크릴레이트(methacrylate) 계열이 40~60% 함유되고, 광 개시제(photoinitiator)가 3% 미만으로 함유되어 조성된다. 실험에서 각각의 성분의 예로는 상기 모노아크릴레이트 계열로는 하이드록시프로필 아크릴레이트(hydroxypropyl acrylate)를, 트리아크릴레이트 계열로는 펜타에리쓰리톨 트리아크릴레이트(pentaerithritol triacrlate)를, 메타크릴레이트 계열로는 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트(ethyleneglycol dimethacrylate)를, 광 개시제로는 케톤 계열의 개시제로 예를 들어, 이라큐어 184(Iracure 184)를 이용하였다.
상기 표 4에 개시된 제 3 및 제 4 칼럼 스페이서 물질들은 상술한 액상 고분자 전구체와 광 개시제의 성분량을 상술한 범위 내에서 조절하여 나타낸 것이다.
본 발명의 셀 갭 제어용 칼럼 스페이서는 일반적인 노광 및 현상을 이용한 패터닝 공정이 아니라, IPP(In Plane Printing: 평판 인쇄) 방식을 통해, 기판 상에 액상 고분자 전구체와 개시제의 혼합액을 도포하고, 패터닝이 이루어지는 부분에 음각이 정의된 소프트 몰드를 대응시켜 상기 음각에 상기 혼합액을 채워 개시제가 반응하는 열 또는 광을 가하여 상기 음각의 형상으로 패터닝을 진행하여 칼럼 스페이서를 형성한다.
상술한 실험에서 이용되는 제 3 및 제 4 칼럼 스페이서 물질로 액정 패널 내에 칼럼 스페이서를 구성시 영역별 액정 패널의 칼럼 스페이서의 두께에 따른 셀 갭 변화를 표 4에 나타내었다. 표 4를 통해 칼럼 스페이서의 미세 높이 변화에도 불구하고 셀 갭에 미치는 영향이 거의 없어 칼럼 스페이서 공정 마진이 매우 높음을 알 수 있다.
두께[㎛] 게이트 라인 칼럼 스페이서 셀 갭
제 1 영역 0.25㎛ 3.3㎛ 3.3㎛
제 2 영역 0.25㎛ 3.4㎛ 3.3㎛
제 3 영역 0.25㎛ 3.5㎛ 3.3㎛
제 4 영역 0.25㎛ 3.6㎛ 3.3㎛
제 5 영역 0.25㎛ 3.7㎛ 3.35㎛
즉, 표 4와 같이, 본 발명의 셀 갭 제어용 칼럼 스페이서(제 3 및 제 4 칼럼 스페이서 물질로 이루어짐)는 영역별 형성되는 칼럼 스페이서가 각각 편차를 갖고 형성되더라도, 거의 균일한 값을 유지함을 알 수 있다. 이는, 원하는 셀 갭이 3.3㎛라 할 때, 그보다 높게 형성된 칼럼 스페이서 형성 부위에서는 이를 더 형성된 높이만큼 탄성력으로 잡아준다는 의미이며, 상기 탄성에 의해 잡힌 두께는 이는 중력 불량의 조건에서 중력 마진(gravity margin)으로 작용하여 액정이 팽창시 칼럼 스페이서가 대향 기판에 대해 상기 중력 마진의 수준 이하에서는 떨어지지 않게 된다. 따라서, 액정의 팽창으로 인해 액정이 하측으로 흘러내려 중력이 발생하는 가능성을 낮추어 줄 수 있어 공정적으로 유리하다. 특히, 본 발명의 셀 갭 제어용 칼럼 스페이서는 탄성 변형 값이 일반 사용하는 칼럼 스페이서의 재료에 비해 큰 값을 유지하므로, 대형 패널에서 문제가 되고 있는 중력 불량의 공정 마진이 증가될 수 있다.
또한, 칼럼 스페이서의 두께 불균일성(ununiformity)에 의한 셀 갭 불균형도 완화시킬 수 있는 점이 특징이다.
또한, 칼럼 스페이서가 탄성에 의해 잡힌 두께만큼 터치시 제 1, 제 2 기판이 서로 쉬프트됨을 방지할 수 있게 되어 터치 불량도 개선할 수 있을 것이다. 한편, 터치 불량을 개선하는 효과를 상승시키기 위해 상술한 본 발명의 액정 표시 장치의 구조에 있어서, 칼럼 스페이서에 대응되는 부위에 돌기를 더 형성하는 점을 고려해볼 수 있을 것이다.
이러한 총 변형량이 큰 조건에서 복원률이 좋은 특징을 만족하는 칼럼 스페이서의 재료는 액상 고분자 전구체와, 개시제의 혼합액의 형태를 갖는다. 이와 같은 칼럼 스페이서는 스핀 코팅한 후, 이를 노광하여 선택적으로 패터닝하는 일반적인 패터닝 공정으로 형성되는 것이 아니라, 비노광으로, 소프트 몰드에 음각을 형성하고, 상기 소프트 몰드가 대향되는 기판 상에 액상 고분자 전구체와 개시제의 혼합액을 도포한 후, 상기 소오스 몰드를 상기 대향 기판에 상기 소프트 몰드를 대응시키면, 모세관 현상에 의해 상기 음각으로 상기 혼합액이 빨려들어가게 되며, 상기 소프트 몰드를 배면에서 UV(Ultra Violet)노광하여 주면, 상기 음각의 형상으로 칼럼 스페이서가 형성된다.
상기와 같은 본 발명의 셀 갭 제어용 칼럼 스페이서 및 이를 이용한 액정 표시 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 총 변형량이 큰 조건에 있어서, 복원률이 높은 물질로 칼럼 스페이서를 형성함으로써, 영역별로 형성된 칼럼 스페이서간의 높이 편차가 발생하더라도 합착 후, 셀 갭보다 크게 형성된 부위는 칼럼 스페이서가 갖는 자체의 탄성으로 눌러주어 전체적으로 영역별 셀 갭 차가 발생하지 않고, 고른 셀 갭을 갖고 눌러준다.
따라서, 셀 갭보다 더 눌린 부위는 액정이 팽창하는 중력 불량의 조건에서 중력 마진으로 작용하여 중력 마진만큼 칼럼 스페이서가 대향 기판에 접하여 있어, 액정이 흘러내리는 현상을 방지하여 중력 불량을 방지할 수 있다.
둘째, 합착 후, 외압이 인가되는 조건에서 칼럼 스페이서가 갖는 자체의 탄성으로 칼럼 스페이서의 변형 후 원 상태로 돌아오는 회복력이 좋아 눌림 불량(찍힘 불량) 등이 방지되게 된다.
궁극적으로 본 발명의 셀 갭 제어용 칼럼 스페이서와 이를 이용한 칼럼 스페이서는 합착 후, 칼럼 스페이서가 갖는 탄성에 의해 고른 셀 갭으로 칼럼 스페이서가 대응되어 셀 갭 불량에 기인한 여러 가지 불량들을 방지할 수 있다. 따라서, 칼럼 스페이서 두께 마진 증가에 따른 생산성을 향상할 수 있다.

Claims (11)

  1. 소성 변형과 탄성 변형의 총 변형 합이 1~3㎛이며, 변형시 복원률이 50% 이상의 물성을 갖고,
    모노아크릴레이트(monoacrylate) 계열 10~20%와, 트리아크릴레이트(triacrylate) 계열 10~20% 및 메타크릴레이트(methacrylate) 계열 40~60%를 포함하여 이루어진 액상 고분자 전구체와, 광 개시제의 혼합액이 광중합 반응하여 이루어진 것을 특징으로 하는 평판 인쇄용 셀 갭 제어용 칼럼 스페이서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 모노아크릴레이트 계열은 하이드록시프로필 아크릴레이트(hydroxypropyl acrylate)인 것을 특징으로 하는 평판 인쇄용 셀 갭 제어용 칼럼 스페이서.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 트리아크릴레이트 계열은 펜타에리쓰리톨 트리아크릴레이트(pentaerythritol triacrylate)인 것을 특징으로 하는 평판 인쇄용 셀 갭 제어용 칼럼 스페이서.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 메타크릴레이트 계열은 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트(ethyleneglycol dimethacrylate)인 것을 특징으로 하는 평판 인쇄용 셀 갭 제어용 칼럼 스페이서.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 광개시제는 케톤(Ketone) 계열의 개시제인 것을 특징으로 하는 평판 인쇄용 셀 갭 제어용 칼럼 스페이서.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 케톤 계열의 개시제는 이라큐어 184인 것을 특징으로 하는 평판 인쇄용 셀 갭 제어용 칼럼 스페이서.
  9. 서로 대향된 제 1 기판 및 제 2 기판;
    상기 제 1 기판 상에 서로 교차하여 형성되어 화소 영역을 정의하는 게이트 라인 및 데이터 라인;
    상기 게이트 라인 상의 소정 부위에 대응되어 상기 제 2 기판 상에 평판 인쇄 방식으로 형성되며, 소성 변형과 탄성 변형의 총 변형 합이 1~3㎛이며, 변형시 복원률이 50% 이상의 물성을 갖고,
    모노아크릴레이트(monoacrylate) 계열 10~20%와, 트리아크릴레이트(triacrylate) 계열 10~20% 및 메타크릴레이트(methacrylate) 계열 40~60%를 포함하여 이루어진 액상 고분자 전구체와, 광 개시제의 혼합액이 광중합 반응하여 이루어진 재료로 형성된 칼럼 스페이서; 및
    상기 제 1, 제 2 기판 사이에 충진된 액정층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
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