최 진 욱 동진쎄미켐

(1)

화학공학의 이론과 응용 제10권 제2호 2004년

최 진 욱

동진쎄미켐

TFT-LCD용 배향재료

(2)

Electronic Materials Business Division DONGJIN SEMICHEM CO., LTD.

Contents Contents

1. TFT-LCD의 배향재료개론

2. 액정분자배열의 종류 및 처리법 3. 액정분자 배향메카니즘

4. 개발제품특성

(3)

¾

¾TFT TFT- -LCD LCD 구조와 구조와 부품 부품 • • 소재

소재

배향재료 배향재료

폴리이미드, 폴리아미드계의 고분자물질로서 기판에 도포하고, 여러 방법으로 표면 처 리하여 액정을 균일하게 배향 시키는 역할을 한다.

Alignment

Layer

(4)

¾TFT ¾ TFT- -LCD LCD 제조공정 제조공정 ( (Cell Cell공정 공정 ) )

C/F

형성

TFT

형성

3

Cleaning 기판의 불순물을 유기/무기 용매로 세척 Aligning agent

Printing

Scribing &

Breaking Rubbing

Spacer dispensing &

Seal printing

LC injection &

Inspection Assembling

상,하판에 배향재료을 균일하게 도포하는 공정

(Aligning Agent)

배향막 처리 공정

기판 간극 유지 및 합착 공정

(Spacer, main-Sealant)

기판 합착 후, 액정 주입 공정

(Liquid crystal, end-Sealant)

후 후공정공정

전전공정공정 TFT 형성 &

C/F 형성

TFT array, ITO전극 및 칼라필터 형성 (a-Si, ITO, Cr, photoresist, etchant, stripper, Color filter, black matrix, over coat)

(5)

¾ ¾액정 액정 분자 분자 배열의 배열의 종류 종류 및 및 액정 액정 분자 분자 배향의 배향의 처리방법 처리방법 (일반적 ( 일반적 ) )

TN 4 ~ 8°

IPS

< 2°

VA 89 ~ 90°

적용적용 모드모드

Nematic Liquid Crystals

&

Positive dielectric anisotropy

∆ε > 0 Nematic

Liquid Crystals

&

Negative dielectric anisotropy

∆ε < 0 기판조합 기판조합

Twisted Alignment

모든 액정 분자가 양쪽의 기판면에 대하여 평행으로 배열 되어 있으나 그 배열 방향이 양족 기판면에 대하여 90도 비틀어져 있다.

Homogeneous (Parallel) Alignment

액정분자의 장축방향이 기판면에 수평(∥)으로 배향하도 록 기판표면 처리함.

ㅁ 평행배향계 ㅁ 배향분자사슬효과 ㅁ 안정된 선경사각 ㅁ 좁은 시야각 Homeotropic (Vertical) Alignment

액정분자의 장축방향이 기판면에 수직(⊥)으로 배향하도 록 기판표면 처리함.

ㅁ 수직배향계

ㅁ 임계표면장력의 효과 ㅁ 낮은 건조온도

배향처리방법 배향처리방법

3

분자배열모식도 분자배열모식도

1

2 NoNo

(6)

액정

액정 분자 분자 배향재료의 배향재료의 동향 동향

신규배향막 (ex) 넌러빙

광배향막 Polyimide 全방향족계

polyimide

고온처리용:

변성Polymide (STN용)

저온 처리형:

지방족· 방향족계 polyimide (A/M용) 프리틸트각 발현/시야각 및 잔상의 개선

(저온처리형:

CF의 내열성) (Segment, Dot 표시TN용)

SiO₂

기타 PVA 등

고신뢰성

저프로세스

저비용 (과제)

제 2세대 제 3세대

제 1세대

68 75 82 90 2000

(7)

¾ ¾액정 액정 분자 분자 배향막의 배향막의 요구특성 요구특성 및 및 PI 선택 PI 선택

• 폴리이미드 : 지방족산 / 방향족 아민(저극성)과 고극 성 폴리아믹산의 하이브리드화

잔상의 개선 저극성

폴리이미드: 가교기를 도입한 측쇄형 포토레지스트용 용제에

의 내성 시야각 개선

• 측쇄형 지방족산 / 방향족 아민 함유 폴리이미드 측쇄의 도입

프리틸트각 발현

• 지방족산 / 방향족 아민 가용성 폴리이미드수지 가용성 폴리이미드

비전자공역계 저온처리(CF의 내열성)

전압보유율

실용적 폴리이미드 구조 TFT LCD용 배향막의 분자설계

요구 특성

O

O R₁ H₂N R₂NH₂

R₂ O

O O

O R₁ ^OH N

HO N

H

H NMP

O

Heat -H2O

N R₁ N R₂

O

O O

+

n Polyamic acid Diamines

Dianhydrides

n Polyimide

주배향재료와 특성 개선용 재료를 적합한 비율로 배합하여 특성 구현

.

1. 주 배향재료(Polyamic acid 형) ⇒ 우수한 내열성, 내용제성, 내구성, 안정된 배향성, 높은 투과율 발현 2. 특성조절용 배향재료(Soluble PI 형) ⇒ 선경사각 조절, 우수한 막형성능, 높은 전압보전율, 낮은 잔류 DC 3. Varnish type ⇒ 우수한 인쇄성

(8)

¾액정 ¾ 액정 분자 분자 배향의 배향의 처리방법 처리방법 (실제공정 ( 실제공정 ) )

rubbing roll

glass Polyimide

light

glass lens polarizer

Photopolymer

러빙법 Homogeneous (Parallel) Alignment 장점 : 안정된 선경사각

단점 : 좁은 시야각, 표면scratch

광배향처리 (평행배향계, 배향분자쇄의 효과) 광경화성 PI(광배향법)

장점 : 광반응을 통한 선택적 배향이 가능 청정한 공정 제공

화소분할에 의한 광시야각 확보

(9)

9 9 액정배향 액정배향 상태 상태

On-state Off-state

+1V -1V

+5V -5V

(rubbing)

Applied waveform(60Hz)

(Non- rubbing)

+1V -1V

+5V

Off-state -5V On-state

(10)

¾ ¾액정분자배향 액정분자배향 메커니즘 메커니즘( (개론 개론) )

무배향 (방위부정) 평행배향계

(a) 랜덤분자쇄 (b) 배향분자쇄

배향분자사슬의 효과

분자간 상호 작용

(a) 변형에너지-大 (b) 변형에너지-小 변형에너지가 작은 (b)의 배향을 취한다

(director는 골에 평행(지면에 수직))

표면상태의 효과

변형 에너지

방위각Φ를 결정하는 요소

(a) γ

c

<

γLc

(b) γ

c

>

γLc

수직배향계 평행배향계(방위부정)

γc : 기판의 임계표면장력, γLc: 액정의 표면장력

표면장력의 효과

극성의 상태관계

극각 θ방향을

결정하는요소

(11)

9액정분자배향 9 액정분자배향 메커니즘 메커니즘 ( ( 표면장력 표면장력 ) )

표면 표면 자유에너지 자유에너지

γ

L

γ

S

Liquid θ

γ

LS

Surface

38.92 DV-L20

47.64 DT-S50

Surfave Energy (dyn/cm) :

γ

^s

Alignment materials

접촉각

¾The Surface Energy Decreased with the Increase of contact Angle.

¾The pretilt angles increased with the Decrease of Surface Energy.

0 10 20 30 40 50

28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52

D C B A

good Alignment Characteristic

Surface Tension(erg/cm2)

Pretilt Angle(θ)(Alignment Materials)

(12)

열경화성

열경화성 PI 배향막의 PI 배향막의 표면 표면 관찰( 관찰 (AFM) AFM) - - 건국대 건국대 액정연구센터 액정연구센터

9액정분자배향 9 액정분자배향 메커니즘 메커니즘 ( ( 표면상태효과 표면상태효과 ) )

(13)

¾The pretilt angles of polyimide increased with the increase of side chain length.

9액정분자배향 9 액정분자배향 메커니즘 메커니즘 ( ( 배향분자 배향분자 사슬효과 사슬효과 ) )

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0 10 20 30 40 50 60 70

Pretilt angle(θ)

Side chain length(carbon number) ^0.1 ^0.2 ^0.3 ^0.4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Pretilt angle

rubbing depth(m m )

B P C P C B

DV-Series

18.1Å

21Å 18Å

8.6Å 3Å

DT-Series

(14)

¾ ¾ Conclusions of Conclusions of Pretilt Pretilt angle angle

Curing temperature(Degree of imidiazation)

Increase Decrease

Increase

350 ℃ ~ 300 ~ 350 ℃

~ 300 ℃

Thickness of film

Thickness ↑

∝

Degree of imidiazation ↑

Rigidity of structure

Monomer structure ≠ Pretilt angle Polymer structure

∝

Pretilt angle ↑

Polarity

Polymer structure ↑ Æ Pretilt angle ↓

Length of side-chain

Length ↑

∝

Pretilt angle ↑

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 10

20 30 40 50 60 70 80 90 100

Pretilt angle(θ)

Rubbing depth(mm)

Rubbing Strength n

θ_p

(15)

Dongjin

Dongjin Aligning Agents for TFT Aligning Agents for TFT -LCDs - LCDs

Dongjin is providing display materials “ALIMAT " for liquid crystal displays (LCD) .

1. Alignment coating materials are used in manufacture of LCD.

2. Both polyimide type (pre-imidized organic-solvent-soluble type) and polyamic acid type are available.

3.Specification

1) Low curing temperature 2) High voltage holding ratio 3) Low image sticking

4) Various grades, which achieve the desired pre-tilt angle

5) All kinds of alignment films are available for various alignmentAll kinds of alignment films are available for various alignment modes, including IPS and vertical alignment

modes, including IPS and vertical alignment

(16)

< 1.0

< 1.0 Water absorption(%)

3H 4H

Film Hardness

1.60 1.63

Reflective Index(589.3㎚)

440 460

Decomposition temp (℃) in air

20 50

Residual DC (mV) at 25℃

89 ~ 90 4 ~ 8

Pretilt angle(deg)

20 ± 4 20 ± 4

Viscosity(cP)

7.5 ± 0.5 7.0 ± 0.5

Solid Content(%)

< 0.5

< 0.5 Metal Ion content(ppm)

< 10

< 10 Particle( > 0.3㎛)(EA/ml)

99 (98) 99 (96)

VHR (%) at 25℃(60℃) Main-curing Pre-curing

200 ~ 230℃ / 5 ~ 20 min 90 ~ 120℃ / 1 ~ 5 min Cure-condition

(℃/min) on H.P.

High VHR , Low R-DC Excellent Printability

Characteristic

VA - LR TN - Standard

Type

DV –Series DT –Series

Grade name

Spec. Sheet

Spec. Sheet of Dongjin’s Product

(17)

9 9 개발제품의 개발제품의 열적특징 열적특징

The curves of TGA (heating rate 5 ℃ /min)

521 286

DV-Series

527 292

DT-Series

T₁₀(^oC) T_d(^oC)

Alignment Materials

T

_d

: temperature of weight loss starting point T

₁₀

: weight loss 10 wt% point (T

₁₀

)

(1)

Polyimide (PI) Polyamic acid (PAA)

Temperature (^oC )

T_i

Thermal Imidasation Temperature Of Poly(amic aicd)

Decomposition Temperature of PI

Poly(amic acid)의 thermal Imidazation temperature가 180~383℃ 의 범위에서 나타낸다.

Polyimide의 decomposition temperature가 480℃에서 500℃ 이상의 높은 값을 나타낸다.

N N ^*

*

O

R1 R2

HN HN

*

O

O O

O R1

R₂ OH HO

(18)

9개발제품의 9 개발제품의 전기광학적 전기광학적 특징 특징

98.06 99.21

DV- Series

96.92 99.01

DT- Series

VHR (%) 60 ℃ VHR (%)

25 ℃ Alignment

materials

2.2 1.2

DT-Series

2.1 1.1

DV-Series

V₉₀ V₁₀

Alignment materials

20 40 60 80

90 92 94 96 98 100

Cured at 200^oC, LC Mixture MLC-2003

DV-Series DT-Series

Voltage Holding Ratio (%)

Measurement Temperature (^oC)

0 1 2 3 4 5

0 20 40 60 80 100