KR0150490B1 - 액정표시소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

액정이 러빙처리되지 않는 한쌍의 기판 사이에 수용된다. 액정분자는 기판표면에서 랜덤하게 임의의 방향으로 배향한다. 거시적으로는 액정분자는 기판면내에서 모든 방향을 등확률로 향한다. 미시적으로는 액정분자는 거의 균일한 방향을 향한다.

일정의 방향을 향한 미소영역이 기판내면의 전체를 차지하는 형태, 미소영역이 골고루 분포하고, 배향방향이 연속변화하는 영역이 미소영역 사이에 있는 형태, 넓은 면적에 걸쳐서 액정분자의 배향방향이 연속 변화하는 형태 등이 있다.

배향 방향이 기판면내의 거의 모든 방향을 향하면, 한 쌍의 편광자와 조합시켜서 액정표시소자를 형성할 수 있다. 면내의 광학적 이방성과 러빙의 악영향을 방지할 수 있다.

Description

액정표시소자 및 그 제조방법

제1a도는 본 발명의 실시예에 따른 액정표시셀의 단면도.

제1b도는 액정의 카이랄 피치를 나타내는 개략도

제1c도는 액정표시셀의 기판의 구조를 나타내는 단면도.

제2도는 본 발명의 실시예에 따른 액정표시셀의 시야각특성도.

제3a도 내지 제3c도는 본 발명의 실시예에 따른 액정셀내의 액정분자의 배향을 나타내는 확대모식도.

제4a도 및 제4b도는 종래 기술에 따른 액정표시장치의 시야각특성과 각도의 정의를 나타내는 다이아그램.

제5도는 러빙(rubbing)에 의 한 프리틸트(pre-tilt)를 설명하는 다이아그램이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 2 : 유리기판 3 : 액정분자

4 : 미소영역 11 : 절연보호막

Q : 박막트랜지스터 P : 투명화소전극

W : 배선

[산업상 이용분야]

본 발명은 액정표시소자와 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 시야각(視野角)을 개선할 수 있는 액정표시소자와 그 제조방법에 관한 것이다.

[종래기술]

액정표시디스플레이등에 사용되는 액정표시소자, 소위 액정셀은 액정의 특정한 분자배열을 전계등의 외부로부터의 작용에 의해서 별개의 다른 분자배열로 변화시켜서, 그 사이의 광학적 특성의 변화르 시각(視角)적인 변화로서 표시에 이용하고 있다.

무전계(전계오프)시에 액정분자를 어느 특정의 배열상태로 하기 위해서는 액정을 협지하는 유리기판의 표면에는 배향처리를 행하는 것이 보통이다. 종래의 트위스트 네마틱(twisted nematic)형 액정셀 등에서는, 배향처리로서 액정을 협지하는 유리기판을 면포와 같은 것으로 일방향으로 문지르는, 소위 러빙(rubbing)이 채용되고 있다. 예를 들면, 러빙의 방향은 상하의 기판 사이에서 러빙의 방향이 서로 직교하도록 한쌍의 기판을 조립한다. 액정셀이 네가티브표시의 경우에는 평행배치의 편광판을 그 편광축이 어느 일방의 러빙방향과 평행하게 되도록 배치하고, 또한 포지티브표시의 경우에는 직교배치의 평관판을 그 편광축이 기판의 러빙방향과 평행이 되도록 배치한다.

[발명이 해결하고자 하는 과제]

이와 같은 러빙으로 배향처리를 하면, 액정분자의 배향방향이 일정하게 되기 때문에 , 관측자가 화면을 볼 때, 표시가 보기 쉬운 각도가 특정의 각도범위로 제한되는 시야각특성이 발생된다.

제4a도는 트위스트네마틱형 액정셀의 시야각특성을 표시하는 등 콘트라스트(等constrast)곡선의 일예이다. 제4a도에 있어서, 액정의 법선방향을 θ= 0으로 하고, 거기를 중심으로 방사선상으로 법선으로부터의 각도 θ를 취하고, 수평면내의 관측위치를 방위각도 Ø로 표시한다. 그 정의를 제4b도에 도시하고 있다.

제4a도의 굵은 실선의 곡선은 등콘트라스트선으로서, 각각의 곡선에는 콘트라스트값(CR)이 표시되어 있다. 제4a도에 도시된 바와 같이, 콘트라스트가 높은 시야각 영역은 특정의 각도영역에 편중되어 있음을 알 수 있다. 따라서 이와 같은 액정셀은 어느 방향으로는 보기가 쉽고, 다른 방향으로는 보기가 어려운 시야각의존성을 갖게 된다.

이와 같은 시야각의존성을 갖는 액정셀을 표시장치로서 이용한 경우에는 표시화면에 대하여 어느 각도(제4a도의 예에서는 Ø=180°부근) 에서는 콘트라스트가 극히 저하되고, 심한 경우에는 표시의 명암이 반전되어 버린다.

제4a도와 같은 시야각특성을 갖는 것은, 러빙에 의해 액정분자가 제5도에 도시한 바와 같은 프리틸트가 발생하기 때문이다. 액정분자가 프리틸트를 갖는 방향은, 제5도에서 화살표로 표시된 러빙백터방향과 일치한다.

액정셀에 전압이 인가되면, 액정분자는 프리틸트하고 있는 방향으로 올라오기 때문에, 그 방향에서 관측한 경우에, 선광성(旋光性)이 해소되기 쉽게 된다. 따라서, 백터종단방향이 가장 보기 쉽게 된다.

또한, 러빙을 할 때에는 마찰에 의한 정전기가 발생하여 배향막에 절연파괴가 일어나거나, 그 부분의 배향불량에 의해서 표시불량의 원인이 되는 경우가 있다. 또한 액티브메트릭스(active metrix) 구동방식을 채용하는 액정셀에서 TFT(박막 트랜지스터) 등의 구동소자나 배선이 표면에 형성된 기판을 러빙하는 경우에는 러빙에 의한 정전기에 의해서 소자나 배선이 파괴되는 경우가 있다. 단순 매트릭스의 경우에도, 가는 배선의 절단 등이 발생하는 경우가 있다.

또한, 배향막형성시나 러빙시에 미소한 먼지가 대량으로 발생하여, 그 먼지가 정전기에 의해 기판에 부착하고, 그것이 액정셀의 갭(gap) 불량이나, 흑점이나 백점과 같은 표시불량의 원인이 되는 경우가 있다.

[발명의 요약]

본 발명의 목적은 시야각특성을 개선하고, 러빙처리에 기인하는 문제를 해결할 수 있는 액정표시소자와 그 제조방법을 제공하는데 있다. 본 발명의 한 특징에 따르면, 한쌍의 기판과, 그 한쌍의 기판사이에 협지된 카이랄 네마틱(chiral nematic) 액정 또는 네마틱액정을 포함하는 액정층을 갖는 액정표시소자로서, 전기 액정층의 액정분자의 배향방향은 기판면내 방향에 관하여는 거시적으로는 거의 모든 방향으로 등(等)확률로 분포하고, 기판과 수직한 방향에 관하여는 거의 일정한 트위스트각을 나타내는 액정표시소자가 제공된다.

거시적으로는 기판면내 방행에 관해서는, 액정분자는 배향방향이 랜덤하게 분포하고 있다. 이 때문에 시야각특성이 전방위에 걸쳐서 거의 균일하고 관측자의 특정의 위치에 따라 콘트라스트가 저하하는 일이 없다. 기판면 수직방향에 관해서는, 카이랄 네마틱액정은 입사광의 편광축을 전체로 하여 소정각도 회전시킨다. 한쌍의 편광자를 이용하면 포스티브표시 등을 실현할 수 있다. 또한 러빙처리를 행하지 않기 때문에 정전기에 의한 소자나 배선의 파괴가 일어나지 않고, 먼지의 발생이나 부착에 의한 표시불량을 크게 줄이거나 없앨 수 있다. 그 외에 러빙으로 인한 각종 문제가 발생하지 않는다.

또한 배향막을 형성하지 않으면, 배향막에 기인하다고 생각되는 잔상(殘像)이나 소손 등의 문제없게 된다. 러빙처리 또는 배향막형성을 하지 않으면, 이들 공정이 없게 되므로, 제조비용의 절감이 가능하게 된다.

[발명의 구체적 실시예에 대한 설명]

이하, 본 발명의 실시예를 제1a 내지 제1c도 및 제2도를 참조하여 설명한다. 제1a도는 본 발명의 실시예에 따른 액정표시셀의 모식적인 단면도이다. 투명유리기판(1)(2) 사이에 카이랄네마틱형의 액정분자(3)가 협지되어 있다.

이 액정셀을 제조하는데에는 종래의 기술에 따른 프로세스를 그대로 이용할 수 있다. 다만, 러빙은 행하지 않는다. 러빙등의 적극적인 배향처리를 행하지 않을 때, 일측의 기판면상에 있어서, 미소영역을 보면 적어도 근사적으로 어느 일정의 방향으로 모든 액정분자들이 한방향으로 평행배향하고 있는 것으로 생각된다.

보다 넓은 범위를 전체로 하여 본 경우는, 이들 미소영역이 다수(멀티) 존재하고 있고, 그 멀티 영역내의 배향방향을 모든 방향이고, 모든 방향이 같은 확률로 존재하는 것으로 생각된다.

결국, 셀전체의 계면(界面)분자의 배향을 고려한 경우는 모든 방향을 향하고 있는 것으로 되고, 각 미소영역내를 본 경우는 어느 일정의 방향을 향하고 있는 것으로 근사할 수 있게 된다.

카이랄테마틱액정은, 제1b도에 도시되어 있는 바와 같이, 두께 P에서 액정분자의 배향방향이 360°회전한다. 액정분자는 일방의 기판표면으로부터 떨어짐에 따라서, 점차로 선회하고, 타방의 기판표면상에서는 d/p 로 규정되는 각도까지 선회하는 트위스트구조를 취한다. 한편, 네마틱액정의 경우는 p=∞이다. 이들은 멀티영역마다 같은 트위스트를 나타내므로, 반대측의 계면에서는 어느 트위스트각만 배향방향이 어긋난 같은 모양의 멀티영역상태의 배향을 한다.

카이랄네마틱액정의 카이랄피치를 p로 하고, 유리기판으로 협지되는 방향의 액정층의 두께를 d로 한 때에, 0(또는 0에 가까운 값) d/p 0.75(또는 0.75에 가까운 값)의 조건을 만족하도록 한다. 바람직하기로는, 0.15 d/p 0.75 의 조건을 만족하도록 액정셀을 형성한다. 즉 각도로 고치면, 54°부터 270°의 선광성을 갖도록 p와 d를 결정한다. 예를 들면, d/p =0.25(90°트위스트에 대응)으로 그 카이랄피치 p가 규정된 액정을 평행으로 배치한 갭 d의 투명유리기판(1)과 (2)의 사이에 주입하여 봉한다.

액정재료로서는, 예를 들면 알려져 있는 네마틱액정, 콜레스트릭(cholestric)액정 등을 이용할 수 있다. 트위스트를 갖게 한 경우는 네마틱액정에 카이랄제를 첨가한다.

물론, 액티브구동방식의 경우에는 제1c도에 도시된 바와 같이 비결정의 Si 나 다결정의 Si를 이용한 박막트랜지스터(TFT)(Q)와 같은 구동소자나 Cr 등의 금속으로 형성한 배선(W), 인듐석 산화물(indium tin oxide, ITO) 등으로 형성한 투명화소(畵素)전극(P) 등이 유리기판(1) 또는 (2)에 형성된다. 이들 표면을 절연보호막(11)으로 피복하는 것이 바람직하다. 또한 검은 스트립(black strip), 컬러필터(color filter) 등을 형성하여도 좋다. 대향기판상에는 전체면에 공통전극을 형성한다. 단순 메트릭스의 경우는, 한쌍의 기판상에 서로 교차하는 배선군을 형성한다. 절연보호막 내지는 배향막에 대해서는, 기판(1)(2) 상에 형성하는 것은 반드시 필요한 것은 아니나, 형성하여도 상관없다. 단지 러빙은 행하지 않는다.

예를 들면, d/p =0.25 로 한 경우, 각 영역내에서는 2매의 가핀사이에서 액정분자가 90°트위스트한 배열을 취한다. 그러나, 다수의 영역을 포함하는 멀티영역내의 계면에서의 배향은, 모든 방향을 향하고 있다.

또한, 액정을 주입하는 때에는, 액정의 온도를 액정의 N-I(N: 네마틱, I: 아이소트로픽(isotropic)) 상(相)전이점 이상의 온도로 유지하면서 아이소트픽상(相)으로 주입하여, N-I 점 이하까지 서서히 온도를 내려서 액정셀을 제작하는 것이 표시소자로서의 표시가 깨끗하게 된다.

또한, 액정뿐만 아니라, 액정주입전의 기판의 온도도 액정의 N-I 점 이상으로 유지하면서 액정을 주입하여, 서서히 N-I 점 이하로 온도를 내리는 것이 바람직히다. 이와 같이 해서 액정셀을 제작하는 것이 표시품질이 더욱 향상한다.

벌크(외부로부터 어떠한 배향규제력을 주지 않는 상태)의 액정성질이 멀티영역을 형성한다는 것을 고려하면, 일반적으로 배향규제력이 없는 셀내에서는 멀티영역구조를 취할 것이라는 것이 예상된다. 특히 액정을 N-I 점 이상으로 유지하여 주입할 때 특히 이 경향이 강하고, 더구나 멀티영역의 크기가 보다 균일하게 될 것이다.

한편, 액정셀의 외측에 배치하는 편광판(11)(12)의 배치는, 포지티브디스플레이의 경우에는 직교하고, 네가티브디스플레이의 경우에는 평행하게 된다. 기판면내에는 러빙과 같은 기준방향이 없다는 것에 의해서 알 수 있는 바와 같이, 편광판의 편광축의 면내각도는 임의이다.

d/p = 0.25 의 경우, 멀티 영역 중, 계면의 액정분자의 배향방향이 입사편광의 편광 방향과 평행, 또는 수직의 관계에 있는 것은, 통상의 TN 셀과 마찬가지로 그 선광능(旋光能)에 의해 출사(出射)편광의 편광방향은 90°트위스트한 것으로 된다.

이것에 대하여, 입사편광방향과 평행 및 수직의 관계에 없는 것은, 그 선광능 플러스 방해(△n·d, △n은 액정의 굴절률이방성이다)에 의해 출사광의 트위스트각이 결정되고, 그리고 그것은 파장의존성을 갖게 된다.

따라서, 이들 멀티영역 및 반대측의 편광판을 통과한 광(光)은 색을 띠게 된다. 그러나, 이들 멀티영역내의 배향방향은 모든 방향에 대하여 등확률로 존재하고 있기 때문에, 출사광의 파장의존성은 전체로서 거의 상쇄되어 버리고 만다. 포지티브표시에 있어서는, 오프시에는 색이 띠지 않는 투과상태를 나타내게 될 것이다.

제2도에는 이상에서 설명한 방법으로 제작한 액정셀의 시야각특성을 나타내고 있다. 제조조건으로서는, 복굴절률의 굴절률차 △n=0.93, 상전이온도 T_NI= 98℃의 TFT 용의 일반적인 액정을 이용하고, 갭 5.5μm의 투명전극(인듐석산화물 ITO)막을 설치한 테스트용 셀에 액정을 봉입했다.

배향막없이, 액정주입은 액정 및 기판 모두를 N-I점 이상의 온도로 유지하면서 행하였다. 뉴트랄고편광타입(일동전공사의 G-1200)의 편광판배치는 직교하도록 되어 있고, 전후 각각의 편광축을 (0°- 180°)방향 및 (90°- 27°)방향으로 배치하여 포지티브표시로 하였다.

제2도에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 있어서는, 전방위에 걸쳐서 거의 동일한 시약각특성을 갖고 있고, 제4a도의 종래의 액정셀에서 보여지는 것과 같은, 특정의 각도에서 볼 때의 콘트라스트의 악화가 나타나지 않는다. 이 액정셀의 조직을 편광현미경으로 관찰하여 본 바, 셀전체면에 걸쳐서 미소한 멀티영역이 관찰되었다. 이것이 시야각의존성이 없게 된 이유라고 보여진다.

즉, 표시면내에 다수의 영역이 발생하고, 전체로서 기판과 평행한 면내에 모든 배향의 액정분자가 분포하면, 입사광의 편광축이 어떠한 것일지라도 출사광의 전체로서의 편광축은 90°회전한 것이 된다. 90°의 편광축 회전과 직교 편광자의 조합에 의해 표시가 가능하게 된다. 또한 멀티영역에 의해 각도의 존성이 없게 된다.

편광축의 각도는 멀티영역구조이기 때문에 임의로 된다. 실제, 편광판의 각도를 변화시켜도, 특성면에서의 차는 관찰되지 않았다. 한편, 평행한 편광판의 네가티브 표시의 경우, 전술한 파장의존성 때문에, 오프시의 흑(黑)이 충분하게 나오기 어려운 경향이 있었다. 즉 포지티브표시가 바람직하다.

이상 설명한 실시예는 적극적 배향처리를 하지 않은 경우였다. 그러나. 최근에 러빙처리를 행하지 않더라도 배향처리가 가능하다는 것이 발견되었다. 예를 들면, 편광기억막을 이용하면, 광조사(光照射)에 의해 미소영역이 배향처리가 행해질 수 있다. 이와 같은 배향처리를 행하지 않는 기판을 사용하여도 상기 실시예와 같은 멀티영역구조를 형성할 수 있고, 동일한 효과가 얻어진다.

한편, 광편광기억막으로서는,

(1) 디아조아민계 염료를 도포한 실리콘 폴리이미드를 이용한 것 :

웨인 엠. 기본스(Wayne M. Gibbons) 외 다수인의 저서. NATURE의 Vol.35 1(1991), P.49 참조.

(2) 아조계염료를 도포한 PVA(폴리비닐알콜)를 이용한 것;

야스후미 이이무라 외 다수인의 저서 제18회 액정토론회-일본화학회 제64추계년회-, P. 34, 평성 4년 9월 11일 발행, 사단법인 일본화학회 또는 Jpn. J. Phys. Vol. 32(1993). PP. L93-L96

(3) 광중합포토폴리마를 이용한 것;

마르틴 샤트(Martin Schadt) 외 다수인의 저서. Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 31(1991) PP. 2155-3164

등을 이용할 수 있다.

이상의 실시예에 잇어서 멀티영역구조를 모식적으로 확대도시하면, 제3a도와 같이 된다. 제3a도는 셀의 평면확대도이다. 다수의 미소영역(4)이 형성되고, 각 영역(4)의 내부의 액정분자는, 화살표로 표시한 바와 같이, 어느 일정이 방향을 거의 균일하게 평행 배향하고 있다. 그러나 셀전체로서 거시적으로 보면 랜덤한 배향을 하고 있고 시야각특성이 실질적으로 등방적(等方的)이라는 것을 이해할 수 있을 것이다.

먼저 설명한 실시예에 있어서의 액정셀의 제조공정에 있어서, 제작조건을 다양하게 변경하는 것에 의해 제3a도의 멀티영역구조와는 다른 다음과 같은 배향구조를 얻을 수 있다.

예를 들면, 제3b도에 도시한 바와 같이. 액정분자(3)가 연속적으로 그 배향방향을 변화하고 있는 구조가 형성된다. 셀전체로서는 배향방향이 랜덤하고, 액정분자(3)은 모든 방향으로 등확률로 배향하고 있다.

또한 제3c도에 도시한 바와 같이, 제3a도와 제3b도의 조합과 같은 구조도 형성된다. 즉 미소영역내에서는 일정방향으로 배향한 미소영역(4)이 점재(占在)하고, 그 사이에 액정분자(3)가 연속적으로 배향방향을 변화시켜 존재하고 있다. 이 경우도 셀전체로서의 배향방향은 랜덤하다. 제3a, 3b 및 3c도의 어느 구조도 상술의 효과가 얻어진다는 것은 말할 것도 없다.

본 발명은 이상 설명한 실시예에 한정되지 않으며, 개시한 내용을 기초로하여 당 업자라면 다양하게 개선 또는 변경이 용이할 것이다.

Claims (10)

1. 액정의 다수의 액전분자들을 한 방향으로 배향하기 위한 배향수단을 포함하지 않고, 한쌍의 기판과, 상기 한쌍의 기판 사이에 협지된 카이랄네마틱액정 또는 네마틱액정을 포함하는 액정층을 가지며, 전기 액정층의 액정분자의 배향방향은 기판면내방향에 관해서 거시적으로 거의 모든 방향으로 등확률로 분포하고, 전기 액정분자들은 기판과 수직한 방향에 관해서는 일정한 트위스트각을 갖거나 트위스트각을 갖지 않는 연속적인 영역을 제공하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
2. 제1항에 있어서, 전기 액정층은 기판면내방향에서 다수의 미소영역을 가지며, 상기 각 미소영역내의 액정분자의 배향방향은 일정한 것을 특징으로 하는 액정 표시소자.
3. 제2항에 있어서, 편광을 액정표시소자의 광입력측에 제공하는 수단을 추가하로 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
4. 제2항에 있어서, 상기 다수의 미소영역이 액정분자들이 기판면내방향에 대하여 연속적으로 변화하는 미소영역들을 포함하고, 상기와 같은 미소영역들이 상기 다수의 미소영역 중에 분포됨으로써 적어도 몇 개의 미소영역들이 한 방향으로 배향한 분자들을 갖는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
5. 제1항에 있어서, 전기 액정층의 액정분자의 배향은 랜덤하게 상기 한쌍의 기판에 평행한 면에 대하여 미소하게 변하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
6. 제1항에 있어서, 상기 액정이 카이랄 네마틱 액정을 포함하고, 전기 한쌍의 기관이 갭 d 만큼 떨어져 있고, 카일랄피치가 p일 때, 0(또는 0에 가까운 값) d/p 0.75(또는 0.75에 가까운 값)의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
7. 다수의 액정분자들을 한 방향으로 배향하기 수단을 갖지 않는 액정표시소자의 제조방법으로서, 한 방향의 배향수단이 제공되지 않은 한쌍의 투명기판을 준비하는 공정과, 주입된 액정에 멀티영역구조가 형성되도록 카이랄네마틱 액정 또는 네마틱 액정의 액정재료를 전기 투명기판 사이에 주입하는 공정을 가지며, 상기 액정재료를 주입하는 공정에서 상기 멀티영역구조가, 다수의 미소영역구소가 상기 멀티영역구조내에 형성되고 각 미소영역구조가 다른 배향을 가지며, 각 미소영역구조가 한쌍의 기판 사이에 퍼져 있으며 또한 각 미소영역구조가 각 기판에 인접한 한 방향의 배향을 가지며, 그리고 상기 액정분자들은 한쌍의 기판에 평행한 면에 수직한 방향으로 일정한 트위스트각을 갖거나 트위스트각을 갖지 않는 연속적인 영역을 제공하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 액정표시소자의 제조방법.
8. 제7항에 있어서, 전기 카이랄 네마틱액정 또는 네마틱 액정이 액정표시소자에 주입되며, 액정을 주입할 때에 주입되는 액정의 온도를 주입되는 액정의 N-I점 이상으로 유지하면서 주입하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자의 제조방법.
9. 제7항에 있어서, 전기 카이랄 네마틱액정 또는 네마틱 액정이 액정표시소자에 주입되며, 액정을 주입할 때에 한쌍의 투명기판의 온도를 주입되는 액정의 N-I점 이상으로 유지하면서 주입하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자의 제조방법.
10. 제7항에 있어서, 상기 액정이 카이랄 네마틱액정을 포함하고, 한쌍의 기판사이의 액정층의 두께를 d로 하고 카이랄 피치를 p로 할 때, 0(또는 0에 가까운 값) d/p 0.75(또는 0.75에 가까운 값)의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자의 제조방법.