KR0171612B1 - 강유전성 액정 소자 - Google Patents

Abstract

한쌍의 유기기판내에 강유전성 액정을 채워서 만들어진 각 유전성 액정소자로서 상하 유리기판에 강유전성 고분자 액정과 수평배향능을 갖는 고분자재료를 혼합한 배향막을 코팅하되 상하로 그 혼합비를 달리함으로서 상하 기판 규제력이 서로 다르도록한 것으로 양호한 기억효과와 콘트래스티비의 저하가 적은 장점을 갖는다.

Description

강유전성 액정 소자

제1도는 일반적인 강유전성 액정소자의 판넬 설명도.

제2도는 강유전성 액정이 전장하에서의 분자응답 변화를 보여주는 것으로

a도는 +전압 인가시의 액정분자의 위치를

b도는 -전압 인가시의 액정분자의 위치를 보여주는 설명도.

제3도는 기판표면 배향막의 조합이 강유전성 고분자액정(FP1)과 수평배향능을 갖는 고분자 재료(HP2)와의 혼합비율의 차이에 의해 실현됨을 보여주는 것으로 a도는 HP2와 FP1이 상분리가 일어날 경우로 HP2를 모체로 FP1이 마이크론 단위로 분산된 상태를, b도는 상분리가 없는 경우로 HP2와 FP1이 완전혼합된 상태를 보여주는 설명도이다.

본 발명은 배향 및 기억효과가 높은 강유전성 액정소자, 보다 상세하게는 강유전성액정을 이용하여 디스플레이 판넬(Display Panel)을 만드는데 있어 그 배향처리에 관한 것으로써 쌍안정성이 좋은 유니폼(uniform) 배향에 의해 양호한 기억효과를 가지며 배향 결함에 의한 콘트래스트 비(contrast ratio) 저하가 적은 우수한 배향성을 갖는 강유전성 액정소자에 관한 것이다.

액정을 이용한 디스플레이용 판넬에는 현재 TN(Twist Nematic) 및 STN(S uper Twist Nematic) 액정등이 널리 사용되고 있으나 표시용량의 증대와 동화상 표시의 필요성등의 대두로 액티브매트릭스 형에 의한 TN액정 구동이 주류를 이루고 있다. 그러나 TN액정을 이용한 액티브매트릭스 방식은 판넬구성의 복잡성 때문에(한개의 판넬에 수백만 TFT(Tbin Film Transistor)회로를 실어야 함) 생산수율이 낮아(20∼30%) 제조원가의 상승으로 판넬가격이 매우 비싸다. 이와 같은 문제를 해결할 수 있는 액정이 곧 강유전성액정(Ferroelectric Liquid Crystal)인바 (N.A.Clark and S.T. Lagerwall, 미국특허 4367924, 미국특허 4563059, Appl. Phys. Lett., vol. 36, p899(1980)). 이 액정의 특징은 매우 빠른 응답속도와 쌍안정성(bistability or me mory성)이 있어 표시용량이 증가하더라도(주사선-Scanning line 이 1,000본 이상) 콘트래스트 비등의 저하가 없고 기존 TN 액정에서 문제가 되었던 플릭커(flicker : 화면이 떨리며 아른거리는 현상)나 크로스톡크(crosstalk : 표시 이외의 곳에서 깜박거리는 점들이 발생하는 현상)등의 발생없이 선명한 화상구현이 가능하다. 즉 강유전성액정은 상기한 2가지 특징을 이용하여 단순 매트릭스 방식(싼 제조비용)으로 구동하면서 액티브매트릭스 방식(고화질)에 의해 구동되는 화질과 동일한 화질을 얻을 수 있는 매우 흥미있는 재료이다. 그러나 강유전성 액정에서 가장 어려운 기술은 쌍안정성을 갖기위한 양호한 배향 처리법의 개발이다.

일반적으로 액정물질을 단순히 유리기판 사이에 끼워넣는 것만으로는 균일한 분자배향을 얻기가 어려워 기판벽면에 인위적으로 배향처리를 행한다. 이를 위한 배향막에는 유기 배향막과 무기 배향막 두가지로 크게 나눌 수 있으며, 현제 TN 액정과 STN 액정에 대해서는 고온 처리하에서도 잘 견디는 유기계 수평배향 재료로써 폴리이미드(Polyimide-PI)계 재료가 선정되어 사용되고 있다. 이 PI계 유기재료는 도포성, 러빙성(rubbing), 배향 제어능력 그리고 화학적 안정성등이 다른 유기 고분자에 비해 매우 우수함이 확인되어 현재 각종 액정표시소자에 가장 많이 이용되고 있는 실정이다.

그러나 응답속도가 매우 빠르고 쌍안정성이 있는 상술한 강유전성 액정에서는 기존의 PI막 배향으로는 양호한 배향특성이나 좋은 쌍안정성을 얻을 수 없다. 이 강유전성 액정은 응답속도가 빠르고(현재 20㎲∼40㎲) 쌍안정성이 우수하기 때문에 기존의 TN 액정과 STN 액정이 응용되는 곳에 모두 이용될 수 있으며 특히 표시용량의 증가로 구동방식을 액티브매트릭스(Active Matrix)방식을 취하게 되는데, 이 경우 TFT(Thin Film Transistor) 제작공정의 어려움 때문에 가격이 매우 비싸지게 된다. 이 경우 상기와 같은 강유전성 액정의 2가지 특성(빠른 응답특성과 쌍안정성)을 이용하면 기존의 단순 매트릭스에 의한 구동이 가능하게 된다. 그러나 이 경우 표면 배향법이 아직 미확립되어 상기한 강유전성액정의 제반특성을 제대로 활용하지 못하고 있는 실정이다.

종래의 배향처리기술을 고찰해 보면 먼저 PI막에 의한 러빙은 양호한 배향이 어렵고(일특개 평1-155318, 평1-281428, 평2-61614), SiOx에 의한 사방 증착법(증착하는 각도를 달리하여 증착하는 방법)은 양산상의 문제점이 있어 배향제로 채택되기 어렵다고 보고되고 있다 (일특개 평2-293719). 또한 교류전류에 의한 안정화법(AC Stabilizing)에 의한 방법도 있으나(SID '85. Digest p128), 부유전이방성(△ε이 0보다 작은것)을 갖는 액정재료가 많지않고 안정화를 위한 전압이 40V 이상 필요한데 통상의 IC 구동전압은 25V 이하이므로 구동회로에도 문제점이 있다. 또한 PI막을 사용하는 경우 이막으로부터 나오는 불순물중의 이온성 물질이 인가전장에 이끌리어 계면으로 이동, 이때문에 쌍안정성을 약화시킨다고 보고되고 있다 (일특개소 63-132220, 일특개 평3-59089). 이와 같은 쌍안정성의 약화를 방지하기 위하여 몇가지 제안이 있는데, 예를들면 일특개 소63-106626에는 배향막으로 실리카 변성 폴리비닐알콜을이용한 강유전성 액정표시소자를 발표하고 있고 또한 제4회 액정 토론회에서도 아미노계 실탄커플링제, 폴리비닐알콜 및 PI계 배향막을 써서 셀(cell)에 교류전계를 인가하면서 쌍안정성을 향상시키는 방법을 발표하고 있는데 이를 모두 어느정도 액정소자의 쌍안정성이 증가하여 기억효과가 향상되었으나 시간이 경과함에 따라 쌍안정성이 저하되는, 즉 시간에 따른 안정성에 문제가 있고 여전히 내습, 내열성에 문제가 있다.

또 유기막에 의한 더빙처리를 하여 제작된 배향막은 분자배향이 트위스트(Twist) 상태가 되기 쉽고 따라서 양호한 기억효과를 가질 수 없다. 또한 상기 배향법에서 제작된 액정 전기광학 소자는 소위 지그재그 결함이 발생할 소지가 많다(Ferroelectrics 1984. vol. 59, p69). 소자중 이 결함이 발생하면 광누수 현상에 의해 콘트래스트비가 상당히 저하되게 된다.

따라서 본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하여 배향 및 기억효과가 높은 강유전성 액정을 사용한 디스플레이용 판넬을 제공하려는 것이다.

즉, 본 발명은 강유전성 액정을 사용하여 디스플레이용 판넬을 제작할 때 배향에 관한 것으로 배향재료를 강유전성 고분자액정과 수평배향능을 갖는 고분자를 이용하여 액정의 균일한 배향을 이루어 높은 콘트래스트비를 얻고 또한 액정과 배향막과의 상호작용(Affinity)이 좋아 러빙후에도 트위스트 배향이나 전하발생등을 억제하여 기억효과가 탁월한 액정판넬을 제공하는 것이다.

좀더 상세하게 설명하면 본 발명은 투명전극이 코팅된 한쌍의 유리기판내에 강유전성 액정을 채워서 만든 전기광학 액정판넬로서 상하 유리기판에 배향처리를 위해 코팅한 배향막의 혼합비가 서로달라 상하기판 규제력이 서로 다르게 한것을 특징으로 하는 강유전성 액정소사로서, 여기에서 상기 배향처리를 위한 배향막 재료는 강유전성 고분자액정과 수평배향능을 갖는 고분자재료의 혼합으로 이루어지며, 이때 강유전성 고분자액정은 강유전성 액정과 상호작용이 좋은 물질로 그의 표면에너지가 강유전성 액정의 표면장력보다 작아서 약한 수직배향을 갖는 재료이다.

일반적으로 액정소자에 있어 상하전극의 바로 밑에는 절연막과 배향막이 각각 도포되어 있다. 이때 형성된 층은 층법선과 원추의 회전축 양방향이 러빙방향과 평행한 방향이지만 층자체가 상하 기판에 대해 직교할 것인가, 어느정도 기판에 대해 틸트각을 이룰것인가는 배향재료, 배향처리, 기판상에서 액정분자의 각도등에 크게 의존한다. 층내의 분자배향은 간단하지 않고 복잡한 구조와 메커니즘을 취하고 있다. 따라서 셀의 광학특성은 광이 셀에 입사해서 투과할 때까지 어떠한 분자배향을 경험할 것인가로부터 여러가지 광학특성이 결정되므로 원하는 양호한 셀을 만들기 위한 액정의 층구조 또는 층내 분자배향의 제어가 상당히 중요하다. 사실 초기 클라크와 라저웰등이 제안한 판넬의 층 구조는(제1도) 스멕틱층(6)이 기판표면(1)에 수직하고 층내 액정분자의 배향을 나타내는 디렉터는 기판 표면과 평행으로(분자배향이 일정) 층법선(3)과 ±θ을 이루는 유니폼(uniform), 즉 북쉘프(bookshelf) 구조이다.

그러나 실제에서 이런 이상적인 구조를 만들기가 그렇게 쉽지않다. 즉 액정분자는 하나의 층내에서 안정화된 위치에 있지 못하고 위치에 따라 조금씩 2θ의 원추의 저변을 따라 회전하는 구조(트위스트 구조)나 표면 안정화함이 벌크(bulk) 액정에까지 충분히 미치지 못하여 발생하는 쉐브론 구조(chevron)를 띤다. 이 때문에 북쉘프 구조와 비교하면 기억특성과 콘트래스트비의 감소의 주원인이 된다.

이 같은 일반론을 바탕으로 본 발명으로 채택사용한 강유전성 고분자 액정과 그와 혼합된 수평유기 배향막 그리고 그 제작법을 이론적 배경으로 자세히 설명하면 다음과 같다. 표면안정화를 위한 강유전성 액정의 배향은 기존의 배향처리와는 달리 분자장축을 기판에 평행한 일정방향으로 해야하고 스멕틱(smectic)층을 기판에 수직한 일정방향으로 배열시켜야 하며 또 자발분극의 방향을 기판에 수직한 위 또는 아래방향으로 하는 마치 3차원 배향을 실현해야 한다. 게다가 제2도에 도시한 바와 같이 초기배향에 전계를 가하면 2θ 회전되어 기판에 평행한 또 다른 배향을 취해야 한다. 즉, 강유전성 액정은 얇은 판넬내에서 두개의 쌍안정이 있어야 하며, 이때 액정분자는 액정의 층마다 각 분자들이 외부에서 가해지는 전장에 따라 한 안정화된 위치에서 또다른 안정화된 위치로 순식간에 이동한다. 제2도(a)에서 처럼 +전압 인가시 전압방향에서 (b)에서 처럼 -전압 인가시회전 회전각 2θ의 반대위치로 빠르게 이동한다. 이 때 이위치에서 전압을 제거하여도 분자는 곧 릴렉스(relax)되지 않고 그 위치를 유지하는 기억효과가 있다.

이를 실현하기 위하여 생각해 볼 수 있는 배향법은 ① 상하 2매의 기판표면을 서로 다른 재질의 배향막으로 코팅한다. ② 그중 한쪽은 러빙 처리하고 다른쪽은 무처리 한다. ①,②중 어느쪽 또는 둘다를 병행해서 사용하면 상호기판에 차이가 발생하여 분자를 3차원적으로 균일하게 배향시킬 수 있게되며 또한 쌍안정성 동작을 방해받지 않을 정도까지 기판표면에 의한 분자 규제력을 약화시켜 전장의 변화에 의해 액정의 움직임이 자유롭도록 배향을 택할 수 있다.

표면안정화 강유전성 액정의 양호한 셀 내부를 형성하기 위해서 고려해야할 사항으로는 양호한 층구조를 형성하기 위한 액정재료 선정 이 액정재료와 표면과의 상호관계를 잘 유지시켜 좋은 배향을 형성하는 배향막의 선정 그리고 층내의 분자배향 제어방법등이 고려되어야 한다.

본 발명에서 배향막으로 사용하는 강유전성 고분자 액정은 프리틸트각(강유전성 액정이 갖는 고유회전각)(pretilt angle)이 큰(15도 이상) 단독물질 또는 몇가지 혼합물을 사용할 수 있으며 또한 사용된 강유전성 액정과의 상호관계를 고려하여 표면 에너지가 강유전성 액정의 표면장력 보다 작아서 약한 수직배향성을 갖는 재료이어야 한다. 예를 들면,

등의 화합물은 모두 프리틸트각이 20도 이상이어서 이상적이며 이들의 분자량은 n=2,3인 올리고머(oligomer)를 포함해서 n=10정도까지의 것이 무방하다. 또한 이들 고분자는 상기 물질만 국한하는 것은 아니고 프리틸트각이 15도 이상인 강유전성 고분자 액정이면 모두 바람직하다.

본 발명에서 사용된 수평배향능을 갖는 고분자는 방향족 폴리이미드(PI)나 폴리비닐알콜(PVA)등을 사용하면 좋다. 이는 일반 TN 액정등에 많이 사용되는 배향제로써 특별히 PI나 PVA에 국한하지는 아니하나 수평배향능을 갖춘것이어야 한다.

전체적으로 강유전성 액정은 기판에 수평으로 배향되어 있으면서 전장의 방향에 대하여 자유롭게 회전하기 위한 약한 규제와 상하 규제력을 다르게하며 3차원 배향을 위하여 2배의 기판의 서로 다른 재질 또는 도메인(domain)을 형성하도록 해주어야 한다.

이를 위하여 상기한 강유전성 고분자 액정(I),(II) 또는 이들의 혼합물을 FPI (Ferroelectric Polymer 1)이라하고 수평배향고분자 재료를 HP2(Homogen eous Orientation Polymer 2)라하면 FP1 과 HP2를 적당한 비율로 혼합한다. 다만 이들의 혼합비율을 달리하여 ①의 요구조건을 만족시켜야하며 또한 전체적으로 수평배향을 취하도록 HP2의 양을 최소 55중량%에서 99중량%까지 사용하여 상하 기판에 도포되는 혼합비율을 달리한다. 이때 두물질 FP1과 HP2는 균일하게 섞여있어도 좋고 또는 적은량의 FP1이 HP2를 매트릭스(matrix)로 하여 서로 상분리가 되어있는 경우는 수 마이크론 이하로 도메인 싸이즈(size)를 조절해 주어야한다(제3도(a) 및 (b)). 또한 ② 의 조건으로 러빙처리는 양쪽 다 행하거나 한쪽만을 행할 수 있으며 한쪽만 행할시는 반드시 HP2 성분이 다른쪽 보다 많은 쪽을 러빙처리하는 것이 좋다. 이때 두물질 FP1과 HP2을 혼합하는 방법으로는 다이메칠 아세트아미이드(dimethylacetamide)나 다이클로로메탄(dichloromethane) 용매에 녹여 스핀코팅 이나 롤코팅에 의해 기판위에 도포하여 투명전극위에 배향막을 형성시킨다. 이때 막의 두께는 100Å∼1,000Å 정도가 좋으며 콘벡션 오븐(convection oven)에서 150℃∼300℃정도의 온도에서 큐어링(curing)한다. 형성된 배향막은 다시 러빙처리하는 경우 나이론이나 비단포를 사용하여 한쪽 방향으로 문질러서 배향처리한다. 러빙처리는 양방향 또는 한쪽만 실시해도 좋으나 양 방향 모두 처리하는 경우에는 cell 형성시에 러빙방향이 일치하도록 두 기판을 조합한다.

본 발명은 상술한 바와 같이 상하 유리기판에 이질의 배향막, 특히 강유전성 고분자 배향막과 수평 유기 배향막의 조성비가 다른 배향막을 사용하여 배향처리함으로써 액정과 이 배향막과의 계면에서의 상호작용에 의해 셀내의 배향난립이 없는 유니폼 배향과 쌍안정성이 시간에 따른 파괴가 매우 작다. 또한 본 발명으로 배향결합을 극복하여 유니폼 배향을 이루어 콘트래스트비가 대폭 향상된 강유전성 액정판넬을 제공할 수 있게 된다.

이하에 실시예를 들어 본 발명을 더욱 자세히 설명한다.

[실시예 1]

투명도전막 인디움틴옥사이드(ITO)가 코팅된 1.2mm 두께의 유리기판 2매에 배향막을 만들었다. 배향막의 구성은 양기판에 코팅되는 배향물질의 조성을 달리하기 위하여 식(I)과 (II)의 성분을 각각 50중량%로 섞은 FP1 물질 5중량%와 HP2 95중량%의 혼합물(A)와 FP1 20중량%와 HP2 80중량%로 된 혼합물(B)를 준비하여 다이메칠아세트아마이드에 용해시켜 전체적으로 5중량%용액을 만든다. 이 용액을 스핀코터를 이용하여 회전수 약 3,000rpm으로 건조시 두께 1,000Å가 되도록 코팅두께를 조절하고 210℃ 콘벡션오븐에서 1시간 정도 열처리한다. 그후 러빙처리를 위하여 (A)가 코팅된 면은 반드시 러빙처리를 행하고 (B)가 코팅된 면도 러빙처리한다. 러빙하는 방법은 양면을 나이론이 감겨있는 롤러(roller)로 러빙처리를 행하여 각각 러빙처리면을 내측으로 해서 이 러빙방향이 동일한 방향이 되도록 2개의 유리기판을 조합하여 셀두께를 2㎛로 조절하였다. 이때 사용된 강유전성 액정은 머크사(Merk)의 ZLI series중 4655-100을 사용하였으며 ZLI 3654와 Roche에서 공급되는 액정도 일부 사용하였다(FLC-6980, FLC-7112). 이때 액정 주입온도는 100℃에서 주입하여 분당 3℃로 실온까지 서서히 냉각하였다. 또한 표면 안정화를 위하여 ±20V의 전압으로 주파수 30㎐∼60㎐ 범위로 수분간 가하여 본 발명을 완성하였다.

[실시예 2]

실시예 1에서 실시한 것중에서 (B)가 코팅된 면을 러빙처리하지 않았다.

[비교예 1]

실시예 1에서 사용된 공정중에서 상하기판에 고정된 배향막을 상하기판 모두 방향족 폴리이미드(히타치화성제 PI)를 사용하여 다이메칠아세트아마이드 용매를 사용 5중량%의 용액을 만들었다. 이와 같이 얻은 배향액을 투명전극이 입혀진 유기판위에 400A두께가 되도록 스핀코팅하고 다시 150℃에서 2시간 가열해서 배향막을 얻었다. 이를 다시 나이론천으로 러빙처리하고 ±20V의 교류전압하에서 안정화를 실시하였다. 상기 실시예 및 비교예에서 준비한 샘플에 대해서 전압인가 단계별 콘트래스트 측정결과를 하기표 1 에 정리하였다.

상기 표 1 에서 보여주듯이 상하 혼합비가 다른 코팅막을 사용할 경우가 기존의 상하 동일재료인 폴리이미드를 배향막으로 사용할 경우보다 콘트라스트비가 높게 나타났고 실시예 2 보다 양면을 러빙처리하여 보다 균일한 배향을 이루는 실시예 1이 더욱 큰값의 콘트라스트비를 보였다.

이상과 같이 상하 다른재질의 배향막을 사용하여 러빙하는 것이 상하 기판차이에 의해 액정분자 배향이 보다 균일한 3차원 배향을 가짐을 보여주며, 또한 콘트라스트비가 40.0이상의 메모리성 지속시간도 매우 길게 나타나 온, 오프시의 구별이 확실한 정도의 크기로 장시간 지속되었다.

Claims (2)

1. 투명전극이 코팅된 한 쌍의 유리기판내에 강유전성 액정을 채워서 만들어진 강유전성 액정소자에 있어서, 배향막으로 프리틸트각이 15도 이상인 하기(1) 및 (2)의 화합물을 단독 또는 혼합한 강유전성 액정 고분자와 수평배향능을 갖는 고분자를 혼합하되 수평배향능을 갖는 고분자가 55 내지 99중량%인 범위내에서 각각 다르게 혼합하여 상하 기판에 구성하는 것을 특징으로 하는 강유전성 액정소자.
2. 강유전성 액정고분자의 표면에너지는 강유전성 액정의 표면장력보다 약한 수직배향을 갖는 재료임을 특징으로 하는 강유전성 액정소자.