수직 무기 배향막의 제조방법 및 이를 갖는 액정표시장치

수직 무기 배향막의 제조방법 및 이를 갖는 액정표시장치{METHOD OF MANUFACTURING VERTICAL INORGANIC ALIGNMENT LAYER AND LIQUID CRYSTAL DISPLAY APPARATUS HAVING THE SAME}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 무기 배향막의 형성과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직 무기 배향막의 형성과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 3은 RF 파워 비율에 따른 탄화 실리콘의 조성비를 나타낸 그래프이다.

도 4는 RF 파워 비율에 따른 선경사각을 나타낸 그래프이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 PVA 모드 액정표시장치의 평면도이다.

도 6은 도 5에 도시된 절단선 II`에 따른 PVA 모드 액정표시장치의 단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

23, 25 : 제1 및 제2 타겟 30, 35 : 처리 기판

40, 45 : 수직 무기 배향막 50 : 반응기

55 : 반응기 100 : 컬러필터기판

150 : 공통전극 160 : 제1 수직 무기 배향막

200 : 어레이 기판 260 : 화소전극

270 : 제2 수직 무기 배향막 300 : 액정층

400 : 액정표시장치

본 발명은 배향막의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수직 무기 배향막의 제조방법 및 이를 갖는 액정표시장치에 관한 것이다.

일반적으로, 액정표시장치는 어레이 기판, 컬러필터기판 및 액정층으로 이루어진다. 액정층은 다수의 액정분자를 포함하고, 어레이 기판과 컬러필터기판과의 사이에 개재된다. 어레이 기판과 컬러필터기판의 표면에는 액정층에 포함된 다수의 액정분자들을 일정 방향으로 배열시키기 위한 배향막이 구비된다.

배향막은 크게 수평 배향막과 수직 배향막으로 구분된다. 수평 배향막은 액정층에 전압이 인가되지 않은 상태에서 액정 분자들을 기판의 표면에 대해서 평행하는 배열시키는 특성을 갖는다. 한편, 수직 배향막은 액정층에 전압이 인가되지 않은 상태에서 액정 분자들을 기판의 표면에 대해서 소정의 각도로 기울어지도록 배열시키는 특성을 갖는다.

종래에는 수평 배향막과 수직 배향막이 폴리 이미드계 물질로 이루어진다. 특히, 수직 배향막은 폴리 이미드계 물질을 처리 기판 상에 인쇄한 후 베이크 및 큐어링 공정을 거쳐서 완성된다. 최근에는 생산비 절감을 위해 수직 배향막이 형성 되는 처리 기판의 사이즈가 증가되고 있다. 그러나, 처리 기판의 사이즈가 증가하면, 폴리 이미드계 물질을 처리 기판 상에 균일한 두께로 인쇄하기가 어려워진다.

또한, 수직 배향막을 구비하는 피브이에이(Paterned Vertical Alignment: PVA) 모드 액정표시장치의 응답속도는 수직 배향막의 선경사각에 따라 달라진다. 그러나, 종래와 같이 수직 배향막이 폴리 이미드계 물질로 이루어지면, 공정 상에서 수직 배향막의 선경사각을 조절할 수 없다.

따라서, 본 발명의 목적은 제조 공정을 단순화하기 위한 수직 무기 배향막의 제조방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기한 수직 무기 배향막을 구비하는 액정표시장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 수직 무기 배향막의 제조방법에서, 처리기판은 반응기 내로 제공된다. 상기 반응기 내에는 실리콘계 가스와 탄소계 가스가 주입된다. 상기 처리 기판의 표면에서 상기 가스들이 화학 반응하여 상기 처리 기판 상에 수직 배향 특성을 갖는 탄화 실리콘으로 이루어진 수직 무기 배향막이 형성된다.

본 발명에 따른 수직 무기 배향막의 제조방법에서, 처리 기판은 실리콘계 물질로 이루어진 제1 타겟 및 탄소계 물질로 이루어진 제2 타겟이 구비된 반응기 내로 제공된다. 상기 반응기 내에는 불활성 가스가 주입된다. 상기 처리 기판, 상기 제1 및 제2 타겟에 전원을 공급하면, 상기 불활성 가스는 플라즈마 상태로 활성화 된다. 플라즈마 상태의 상기 불활성 가스가 상기 제1 및 제2 타겟과 충돌함에 따라, 상기 제1 및 제2 타겟으로부터 실리콘 원자와 탄소 원자가 방출되어 상기 처리 기판 상에는 수직 배향 특성을 갖는 탄화 실리콘으로 이루어진 수직 무기 배향막이 형성된다.

본 발명에 따른 액정표시장치는 제1 표시기판, 제2 표시기판 및 액정층으로 이루어진다.

상기 제1 표시기판은 제1 베이스 기판, 상기 제1 베이스 기판 상에 형성된 공통전극 및 상기 공통전극 상에 형성되고, 탄화 실리콘으로 이루어진 제1 수직 무기 배향막을 포함한다. 상기 제2 표시기판은 제2 베이스 기판, 상기 제2 베이스 기판 상에 형성된 화소전극 및 상기 화소전극 상에 형성되고, 탄화 실리콘으로 이루어진 제2 수직 무기 배향막을 포함한다. 상기 액정층은 상기 제1 표시기판과 상기 제2 표시기판과의 사이에 개재된다.

이러한 수직 무기 배향막의 제조방법 및 이를 갖는 액정표시장치에 따르면, 수직 무기 배향막은 수직 배향 특성을 갖는 탄화 실리콘으로 이루어지고, 화학기상증착 또는 스퍼터링 방법을 통해서 처리 기판 상에 형성되므로, 수직 무기 배향막의 제조 공정이 단순화되고, 그 결과 액정표시장치의 생산성이 향상될 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 무기 배향막의 형성과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 반응기(50) 내에는 소정의 온도로 가열된 처리 기판(30)이 구비된다. 상기 반응기(50) 내에는 실리콘계 가스와 탄소계 가스가 주입된다. 본 발명의 일 예로, 상기 실리콘계 가스는 실란(silane)(SiH4) 가스를 포함하고, 상기 탄소계 가스는 아세틸렌(C2H2) 가스 또는 메탄(CH4) 가스를 포함한다.

가열된 상기 처리 기판(30) 상에서 상기한 가스들이 화학 반응하고, 그 결과 상기 처리 기판(30) 상에는 수직 배향 특성을 갖는 탄화 실리콘(SiCx)으로 이루어진 수직 무기 배향막(40)이 형성된다.

도 1에서는 열 에너지를 이용한 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition: CVD) 공정을 통해서 상기 처리 기판(30) 상에 상기 수직 무기 배향막(40)을 형성하는 과정을 나타내었다. 그러나, 본 발명의 다른 예로, 상기 수직 무기 배향막(40)은 플라즈마 또는 광 에너지를 이용한 CVD 공정을 통해서 상기 처리 기판(30) 상에 형성될 수 있다.

한편, 상기 수직 무기 배향막(40)에서, 탄소(C)와 실리콘(Si)의 조성비는 상기한 실리콘계 가스와 탄소계 가스의 비율에 따라서 조절된다. 본 발명의 일 예로, 실리콘(Si)에 대한 탄소(C)의 조성비는 0.5 내지 11이다.

상기 수직 무기 배향막(40)에 존재하는 실리콘(Si) 결합 분율 중 실리콘(Si)-실리콘(Si) 결합 분율이 전체의 약 35% 이상일 때, 상기 수직 무기 배향막(40)은 이온빔을 조사하는 공정 없이도 수직 배향 특성을 가질 수 있다. <표 1>은 Si-Si 결합 분율에 대한 액정배향상태를 나타낸다. 여기서, <표 1>에 제시된 데이터는 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 분석기로 측정한 결과이다.

<표 1>에 도시된 바와 같이, 상기 Si-Si 결합 분율이 0%인 비교예 1과 상기 Si-Si 결합 분율이 5.84%인 비교예 2에서 액정은 수직 배향되지 못했다. 즉, 상기 비교예 1 및 비교예 2와 같이 Si-Si 결합분율이 35% 이하인 경우에는, 수직 배향 특성을 갖는 무기 배향막이 형성되지 않았다. 그러나, 상기 Si-Si 결합 분율이 39.63%인 실험예 1에서와 같이 Si-Si 결합 분율이 35% 이상인 경우에는, 액정이 수직 배향되었다. 즉, 상기 Si-Si 결합 분율이 35% 이상일 때, 수직 배향 특성을 갖는 상기 수직 무기 배향막(40)이 형성된다.

한편, 상기 수직 무기 배향막(40)의 선경사각을 조절하기 위해서 상기 수직 무기 배향막(40)의 표면에는 이온빔이 조사된다. 본 발명의 일 예로, 상기 수직 무기 배향막(40)의 선경사각은 67°내지 90°이다. 이때, 상기 이온빔의 입사 각도는 45°내지 90°이고, 이온빔 에너지는 100eV 내지 700eV일 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직 무기 배향막의 형성과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 진공 상태의 반응기(55) 내에는 처리 기판(35)을 지지하는 지지대(20), 실리콘계 물질로 이루어진 제1 타겟(23) 및 탄소계 물질로 이루어진 제2 타겟(25)이 구비된다. 상기 반응기(55) 내부로 이송된 상기 처리 기판(35)은 상기 지지대(20)에 안착된다. 여기서, 상기 처리 기판(35)에는 접지전압이 인가되고, 상기 제1 및 제2 타겟(23, 25)에는 제1 및 제2 라디오 주파수(Radio Frequency: RF) 파워가 각각 공급된다.

한편, 상기 반응기(55) 내부에는 불활성 가스인 아르곤 가스(Ar)가 주입된다. 상기 아르곤 가스(Ar)는 상기 제1 및 제2 타겟(23, 25)으로부터 방출된 전자와 충돌하여 아르곤 이온(Ar+)으로 여기되고, 여기된 아르곤 이온(Ar+)은 상기 제1 및 제2 타겟(23, 25)과 충돌한다. 상기 아르곤 이온(Ar+)이 상기 제1 및 제2 타겟(23, 25)과 충돌하면, 상기 제1 및 제2 타겟(23, 25)으로부터 실리콘 원자와 탄소 원자가 각각 방출된다. 방출된 상기 실리콘 원자와 탄소 원자는 상기 처리 기판(35) 상에서 결합되어 상기 처리 기판(35) 상에 박막으로 코팅된다. 따라서, 상기 처리 기판(35) 상에는 수직 배향 특성을 갖는 탄화 실리콘(SiCx)으로 이루어진 수직 무기 배향막(45)이 형성된다.

본 발명의 일 예로, 탄화 실리콘(SiCx)으로 이루어진 상기 수직 무기 배향막(45)에 포함된 수소의 농도는 약 30% 이하일 수 있다.

<표 2>는 상기 아르곤 가스(Ar)에 포함된 수소 성분에 따른 액정 배향 상태를 나타낸다.

<표 2>에 나타난 바와 같이, 상기 불활성 가스가 순수 아르곤 가스(Ar)로 이루어진 실험예의 경우에는 상기 수직 무기 배향막(45)에 의해서 액정이 수직 배향되었다. 그러나, 상기 불활성 가스에 수소(H ₂ ) 성분이 함유된 비교예 1 및 비교예 2에서는 액정이 수직 배향되지 못하였다. 따라서, 액정을 수직 배향시킬 수 있는 수직 무기 배향막(45)을 형성하기 위해서는 상기 반응기(55)로 주입되는 상기 아르곤 가스에 함유된 수소 성분을 최대로 감소시키는 것이 바람직하다.

한편, 탄화 실리콘(SiCx)으로 이루어진 상기 수직 무기 배향막(45)에서 상기 실리콘(Si)과 탄소(C)의 조성비는 상기 제1 및 제2 RF 파워의 크기에 따라서 변화된다.

도 3은 RF 파워 비율에 따른 탄화 실리콘의 조성비를 나타낸 그래프이다.

도 3에서, x축은 RF 파워 비율을 나타내고, y축은 탄화 실리콘의 조성비를 나타낸다. 여기서, 상기 RF 파워 비율은 제1 타겟으로 인가되는 제1 RF 파워에 대한 제2 타겟으로 인가되는 제2 RF 파워의 비율로 정의된다. 상기 탄화 실리콘의 조성비는 실리콘에 대한 탄소의 비율을 나타낸다.

도 3을 참조하면, 상기 RF 파워 비율이 0.5에서부터 5까지 점차적으로 상승될 때, 상기 탄화 실리콘의 조성비도 0.5 내지 11의 범위에서 점차적으로 상승됐다.

<표 3>은 상기 RF 파워 비율에 따른 액정 배향 상태를 나타낸다.

<표 3>에 따르면, 상기 RF 파워 비율이 1, 2, 3, 4, 5인 경우에 액정 배향 상태가 수직 배향으로 나타났다. 따라서, 탄화 실리콘의 조성비가 0.5 내지 11일 때, 액정이 수직 배향될 수 있다.

도 4는 RF 파워 비율에 따른 선경사각을 나타낸 그래프이다. 도 4에서, x축은 RF 파워 비율을 나타내고, y축은 선경사각을 나타낸다.

도 4를 참조하면, 제1 그래프(G1)는 이온빔을 조사하지 않았을 때 RF 파워 비율에 따른 선경사각을 나타내고, 제2 그래프(G2)는 80°로 이온빔을 조사하였을 때 RF 파워 비율에 따른 선경사각을 나타낸다. 또한, 제3 그래프(G3)는 60°로 이온빔을 조사하였을 때 RF 파워 비율에 따른 선경사각을 나타내며, 제4 그래프(G4)는 45°로 이온빔을 조사하였을 때 RF 파워 비율에 따른 선경사각을 나타낸다.

제1 내지 제4 그래프(G1, G2, G3, G4)에 나타난 바와 같이, RF 파워 비율이 1 내지 5인 범위 내에서, 이온빔이 조사되지 않는 경우 또는 90°내지 45°로 조사된 경우, 선경사각은 90°내지 65°로 나타났다. 이와 같이, RF 파워 비율이 1 내지 5의 범위에 존재하면, 액정의 배향 상태가 수직 배향으로 나타날 뿐만 아니라, 선경사각도 수직 배향에 충분한 65°이상으로 나타난다. 따라서, 스퍼터링 방식으로 상기 수직 무기 배향막(45, 도 2에 도시됨)을 제조할 때 상기 제1 및 제2 타겟(23, 25, 도 2에 도시됨)에 각각 인가되는 제1 및 제2 RF 파워의 비율은 1 내지 5의 범위 내에 존재하는 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 PVA 모드 액정표시장치의 평면도이고, 도 6은 도 5에 도시된 절단선 II`에 따라 절단한 PVA 모드 액정표시장치의 단면도이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 액정표시장치(400)는 컬러필터기판(100), 상기 컬러필터기판(100)과 마주하는 어레이 기판(200) 및 상기 컬러필터기판(100)과 상기 어레이 기판(200)과의 사이에 개재된 액정층(300)으로 이루어진다.

상기 컬러필터기판(100)은 제1 베이스 기판(110), 블랙 매트릭스(120), 컬러필터층(130), 공통전극(150) 및 제1 수직 무기 배향막(160)을 포함한다.

상기 제1 베이스 기판(110) 상에는 상기 블랙 매트릭스(120)가 형성되고, 상기 컬러필터층(130)은 레드, 그린 및 블루 색화소(R, G, B)로 이루어지고, 상기 블랙 매트릭스(120)에 인접하여 제2 베이스 기판(110) 상에 형성된다.

상기 블랙 매트릭스(120)와 상기 컬러필터층(130) 상에는 오버 코팅층(140)이 더 형성된다. 상기 오버 코팅층(140)은 서로 다른 두께를 갖는 상기 블랙 매트릭스(120)와 상기 컬러필터층(130) 사이에서 발생하는 단차를 감소시킴으로써 상기 컬러필터기판(100)의 표면을 평탄화시킨다.

상기 공통전극(150)은 상기 오버 코팅층(140) 상에 형성된다. 상기 공통전극(150)에는 상기 오버 코팅층(140)을 노출시키는 제1 개구부(151)가 형성되고, 상기 제1 개구부(151)는 'V'자 형상을 갖는다.

상기 제1 수직 무기 배향막(160)은 탄화 실리콘(SiCx)으로 이루어지고, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 공정을 통해서 상기 공통전극(150) 상에 형성된다.

한편, 상기 어레이 기판(200)은 제2 베이스 기판(210), 게이트 라인(GL), 데이터 라인(DL), 박막 트랜지스터(220), 화소전극(260) 및 제2 수직 무기 배향막(270)을 구비한다.

상기 게이트 라인(GL)과 데이터 라인(DL)은 상기 제2 베이스 기판(210) 상에 구비되고, 서로 직교하는 방향으로 연장된다. 상기 게이트 라인(GL)과 데이터 라인(DL)은 게이트 절연막(230)에 의해서 서로 전기적으로 절연되고, 상기 게이트 라인(GL)과 데이터 라인(DL)에는 게이트 신호와 데이터 신호가 각각 인가된다.

상기 게이트 라인과 상기 데이터 라인에 의해서 정의된 화소영역에는 상기 박막 트랜지스터(220)와 상기 화소전극(260)이 구비된다. 상기 박막 트랜지스터(220)는 상기 게이트 라인(GL)과 데이터 라인(DL)에 전기적으로 연결된다. 구체적으로, 상기 박막 트랜지스터(220)의 게이트 전극은 상기 게이트 라인(GL)에 전기적으로 연결되고, 소오스 전극은 상기 데이터 라인(DL)에 전기적으로 연결된다. 상기 박막 트랜지스터(220)의 드레인 전극은 상기 화소전극(260)에 전기적으로 연결된다. 따라서, 상기 박막 트랜지스터(220)는 상기 게이트 신호에 응답하여 상기 데이터 신호를 상기 화소전극(260)으로 제공한다.

상기 화소전극(260)은 절곡되어'V'자 형상을 갖고, 상기 화소전극(260)의 절곡부는 데이터 라인(DL)과 부분적으로 오버랩된다. 상기 화소전극(260)의 중앙영역에는 'V'자 형상의 제2 개구부(261)가 형성된다.

여기서, 상기 화소전극(260)에 형성된 제2 개구부(261)는 상기 공통전극(150)에 형성된 두 개의 제1 개구부(151) 사이에 위치한다. 이와 같이 상기 제1 및 제2 개구부(151, 261)에 의해서 상기 액정표시장치(400)의 화소 영역은 액정 배향이 다른 다수의 도메인으로 분할된다.

한편, 상기 제2 수직 무기 배향막(270)은 탄화 실리콘(SiCx)으로 이루어지고, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 공정을 통해서 상기 화소전극(260) 상에 형성된다. 상기 제1 및 제2 수직 무기 배향막(160, 270)에 의해서 상기 액정층(300)에 포함된 액정 분자들은 블랙 상태에서 수직 배향된다.

상기 어레이 기판(200)이 완성되면, 상기 어레이 기판(200) 상에는 액정이 적하된다. 이후, 상기 컬러필터기판(100)과 상기 어레이 기판(200)이 결합되면, 두 기판(100, 200) 사이에는 상기 액정층(300)이 형성된다.

이와 같이 완성된 상기 액정표시장치(400)의 상기 화소전극(260)과 상기 공통전극(150) 사이에 전기장이 형성되면, 도메인에 따라서 상기 액정층(300)에 포함된 액정 분자들은 서로 다른 방향으로 배향된다. 따라서, 액정표시장치(400)는 배향된 액정 분자를 이용하여 광 투과도를 조절함으로써 영상을 표시할 수 있고, 그 결과 상기 액정표시장치(400)의 시야각을 전체적으로 개선할 수 있다.

도 5 및 도 6에 도시하지는 않았지만, 상기 액정표시장치(400)는 수동 발광소자인 상기 액정 분자들을 이용하므로, 상기 어레이 기판(200)의 후면에 구비되어 광을 발생하는 백라이트 어셈블리를 더 포함한다. 따라서, 상기 액정표시장치(400)는 상기 백라이트 어셈블리로부터 출력되어 상기 액정층(300)에 의해서 투과도가 조절된 광을 이용하여 영상을 표시한다.

이와 같은 수직 무기 배향막의 제조방법 및 이를 갖는 액정표시장치에 따르면, 처리 기판 상에는 화학기상증착 또는 스퍼터링 방법을 통해서 수직 배향 특성을 갖는 탄화 실리콘으로 이루어진 수직 무기 배향막이 형성된다.

따라서, 종래에 수행되었던 베이크 공정 및 큐어링 공정이 생략되어, 수직 무기 배향막의 제조 공정이 단순화될 수 있다. 그 결과, 상기한 공정을 통해서 제조되는 수직 무기 배향막을 구비하는 액정표시장치의 생산성이 향상될 수 있다.

또한, 스퍼터링 방법을 통해 수직 무기 배향막을 형성하는 과정에서 제1 및 제2 타겟에 인가되는 제1 및 제2 RF 파워를 조절함으로써, 상기 수직 무기 배향막의 선경사각을 조절할 수 있고, 그 결과 상기 액정표시장치의 응답속도를 향상시킬 수 있다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.