액정(Cell) 공정에 대한 정보 및 진공주입법 소개

액정 Cell 공정은 개별적으로 TFT 공정과 CF 공정을 통하여 구성된 TFT 기판과 CF 기판을 합착하고, 그 사이에 액정을 주입하는 일련의 공정을 의미한다. 이와 같은 액정 공정의 흐름을 살펴보자. 하판은 전기 신호전달과 제어를 위한 TFT 기판이고, 상판은 색과 영상 표현을 위한 CF 기판이며, 인가전압에 의해 빛의 투과를 조절하는 액정이 중간에 놓이게 된다. 액정 공정의 전체 흐름을 살펴보면, 먼저 상판과 화판을 깨끗하게 세정한 후, 액정분자가 일정한 방향으로 배열 할 수 있도록 두 기판에 배향막을 인쇄하고 Rubbing 공정을 진행한다. 그리고 액정 주입을 위하여 Seal 인쇄를 실시하고, 균일한 간격으로 액정 셀이 형성되도록 하기 위해 산포기를 뿌린다. 구 기판이 마주 보고 잘 정렬할 수 있도록 합착하여 가공한 다음에 각 패널로 절단한다. 분리된 패널은 액정을 주입한 뒤에 주입구를 봉합하고, 액정 cell에 대한 검사를 통하여 불량 여부를 확인함으로써 액정 공정을 마무리하게 된다. 이상에서 기술한 액정 공정의 각 단위 공정 기술을 알아보자. (1) 배향막 공정 상판과 하판에 배향막을 형성하는 공정으로 액정분자가 일정한 방향으로 정렬 할 수 있도록 배향막을 가공하는 단계이다. 이러한 공정에는 배향막을 인쇄하고 건조시킨 후, 연이어 rubbing 공정을 통하여 균일하게 표면처리를 수행한다. 배향막은 200도 이하에서 두께가 1,000A 정도의 균일한 박막을 형성하여야 하고, ito 표면과 접촉이 우수한 특성을 보여야 한다. 또한, 화학적으로 안정하여 액정과 반응을 하지 않아야 하며, 비저항이 높아 액정 동작에 영향을 주지 말아야 한다. 배향막의 소재로는 안정성, 내구성 및 생산성 등을 고려하여 polyimide 계열의 고분자 화합물을 주로 사용하며, pixel 전극과 공통 전극의 표면에 인쇄되어 액정 전압이 가해지기 때문에 두께를 최소화해하고, 액정의 전기적인 동작 특성에 미치는 영향을 가능한 없애야 한다. 따라서 배향막의 두께는 1,00A 이하로 도포하여야 한다. rubbing 공정의 단면을 보여주는데 원통형의 roller에 부드러운 천을 부착하여 배향막을 일정한 방향으로 문질러 홈을 만들어주는 작업을 rubbing 공정이라 한다. rubbing 포는 면이나 나일로계의 섬유가 심어진 천이다. (2) Spacer 공정 TFT-LCD 동작을 최적으로 유지하기 위해서는 상판과 하판 사이에 간격을 균일하게 만들어야 하며, LCD 패널 전체를 통해 균일한 간격을 유지하기 위해 Spacer를 사용한 일례이다. spacer는 공 모양의 구로 직경이 4~5㎛ 정도이다. 산포 방식은 용액에 spacer를 혼합하여 분사하는 습식법과 공기나 질소가스를 이용한 건식법이 있다. spacer 공정에서 중요한 요소로서 산포의 밀도는 화면의 크기에 따라 조정해야 하며, 패널 전체를 통해 spacer가 뭉침 없이 고르게 분포하도록 해야 한다. 실제로 액정 cell 내에서 spacer는 액정의 배열을 방해하는 불순물이기 때문에 산포 밀도가 높아서는 안 되며, 어느 정도 이하를 유지해야 한다. 만일, 산포 밀도가 높으면 spacer로 인한 빛의 산란뿐만 아니라 spacer 주변에 액정의 배향이 흐트러지는 현상으로 인하여 black 화면의 표시 성능이 저하하여 contrast ratio가 감소한다. spacer의 재료는 재질에 따라 plastic spacer와 glass spacer로 구분하는데 plastic spacer는 하중의 여부에 따라 크기가 변하는 탄성체로서 미세한 cell 두께가 조절될 필요가 있을 경우에 적합한 재료이며, 액정의 열팽창계수와 가까운 성질을 가지기 때문에 온도와 변화에 따른 spacer의 이동이나 공동 발생을 방지할 수 있는 효과가 있다. plastic spacer는 내열성과 내약품성이 우수하고, 넓은 온도 범위에서 탄성체로 거동하는 구형의 미립자이다. glass spacer는 무알칼리 glass를 방사하여 제조하며, 만일 알카리 성분을 가진다면 액정 중에 노출되어 있기 때문에 액정의 노화를 촉진하게 된다. glass spacer는 외부에서 화중을 가하더라도 거의 변형이 발생하지 않지만, 막대 모양(봉상)의 spacer이기 때문에 cell 내에서 배향막에 손상을 줄 수도 있다. 따라서 spacer를 분산하는 과정에서 세심한 주의가 요구된다. (3) 액정 주입 상판과 하판을 합착하여 LCD 패널을 구성하면, SPACER의 크기에 의해 약 5㎛ 의 간격을 가지므로 효과적으로 액정을 주입하기 위해서는 seal pattern을 형성하여 LCD 패널의 cell 내부를 진공처리하고 모세관 현상과 압력 차를 이용하여 액정을 주입하는 진공주입법이 주로 사용된다. 즉, cell 내부를 액정이 담긴 용기에 넣으면 액정이 모세관 원리에 의해 cell 내부로 빨려 들어가며, 약 80%의 액정이 채워질 때, 진공 내로 질소가스를 넣어주면 cell 내부와 주위의 압력 차에 의해 빈 공간으로 액정이 채워지게 된다. 이와 같은 액정 주입 공정이 끝나면 주입구를 봉합하여 LCD 패널을 완성하게 된다. 그러나 이와 같은 진공주입법에 의한 액정 주입 과정이 모두 완료되기까지의 소요시간은 약 2일 정도 소모되는데 최근에는 시간을 단축하기 위해 rubbing, spacer 공정 및 seal 인쇄 이후에 액정을 미리 균일하게 떨어뜨리는 ODF(one drop filling)기술로 상판과 하판을 합착하는 방식이 이용되고 있다.