KR100200390B1 - 프리틸트의 결정방법 및 이를 이용한 액정셀의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액정분자를 배열시키는 광배향법에서 광조사를 1회만 실시하여 배향방향과 프리틸트각 뿐 아니라, 하나의 프리틸트각 방향이 모두 결정이 되는 프리틸트 제어방법 및 이를 이용한 액정셀 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기한 목적을 이루기 위해서 제1기판과 제2기판에 배향막을 도포하는 단계; 배향막이 도포된 제1기판에 비편광된 광을 제1기판과 제1각도로 경사지게 조사하여 제1프리틸트를 결정하는 단계; 배향막이 도포된 제2기판에 비편광 광을 제2기판과 제2각도로 경사지게 조사하여 제2프리틸트를 결정하는 단계; 상기한 제1기판과 제2기판을 합착하는 단계; 및 상기한 제1기판과 제2기판 사이에 액정을 주입하는 단계로 이루어진다. 배향막은 폴리실록산계 물질을 포함한다

Description

프리틸트의 결정방법 및 이를 이용한 액정셀의 제조방법

본 발명은 액정표시소자의 프리틸트의 제어방법 및 이를 이용한 액정셀의 제조방법에 관한 것으로, 특히 액정분자의 배향을 결정하는 광배향법에 있어서, 한번의 광조사로 액정분자의 배향방향, 프리틸트각 방향 및 프리틸트각으로 이루어진 프리틸트를 제어할 수 있는 프리틸트 제어방법 및 이를 이용한 액정셀의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 액정표시장치는 2개의 기판과 상기한 두 기판 사이에 주입되는 액정으로 이루어진다. 액정표시장치의 균일한 밝기와 높은 콘트라스트 비(contrast ratio)를 얻기 위해서는 액정이 균일하게 배열되도록 하는 것이 필수적인 것이다. 액정이 균일하게 배열되도록 하기 위해서, 액정셀을 이루는 두 기판에 도포된 배향막에 배향처리를 하여 도 1의 직각 좌표계에서의 프리틸트각(θ), 및 배향방향과 프리틸트각 방향으로 이루어진 프리틸트 방향(φ)을 결정하는 것이다. 즉, 네마틱 액정의 방향자(n)는 다음과 같이 표현되므로 프리틸트각(θ)과 프리틸트방향(φ)을 결정하는 것으로 액정의 방향자를 제어하는 것이 가능하다.

상기한 액정을 배열하기 위한 배향처리방법 중에서 현재 가장 흔한 방법이 러빙법이다.

이 방법은 도 2에서 나타난 바와 같이, 기판(11)에 폴리이미드(polyimide)로 이루어진 배향막(12)을 도포한 후, 러빙포로 기계적인 마찰을 실시하여 상기한 배향막 표면에 균일한 미세홈(microgrooves)을 형성하는 것이다. 미세홈이 형성된 폴리이미드 배향막 표면과 액정분자 간의 상호작용으로 배향막 전표면에 걸쳐 원하는 방향으로 액정분자들을 일정하게 배향시키게 된다.

그러나, 상기한 러빙법은 러빙포의 마찰강도에 따라 배향막에 형성되는 미세홈의 형태가 달라지게 되어 이 미세홈에 의해 배열되는 액정분자의 배열이 일정하지 않으므로, 불규칙한 위상왜곡(random phase distortion)과 광산란(light scattering)이 발생하게 되어 액정디스플레이의 성능을 저하시킬 우려가 있다. 또한, 러빙처리시 먼지 및 정전기가 발생하여 수율이 나빠지고 기판에 영향을 미치는 일이 발생하고 있다.

상기한 문제를 해결하기 위해, 최근 제안되고 있는 방법 중의 하나가 광배향법이다. 이는 도 3에서 나타난 바와 같이, PVCN(polyvinyl cinnamate)과 같은 배향막(12)이 도포된 기판(11)에 자외선을 조사하여 자외선의 조사방향을 조절하여 배향막에 형성되는 프리틸트 방향과 크기를 제어하는 방법이다. 도 3(a)와 같이, 배향막(12)이 도포된 기판(11)을 준비하여, 도 3(b)에서 상기한 배향막(12)에 선형편광된 자외선을 조사하면, 자외선의 편광방향에 수직한 방향으로 광배향물질인 고분자 사이에서 크로스링킹(cross linking)이 발생되어, 상기한 배향막이 도 3(b)와 같은 방향성을 가지게 된다. 즉, 이 배향막은 선형편광된 자외선의 편광방향과 수직한 방향으로 배향되어 액정의 방향자의 방향을 제어하여 액정을 배향시킨다. 그러나 이때, 서로 마주하는 2개의 프리틸트각 방향이 형성되므로 이 중 하나의 프리틸트각 방향을 결정하고 프리틸트각의 크기를 결정하기 위해서는 도 3(c)와 같이 기판에 대해서 일정한 각도로 경사지게 다시 선형편광된 광을 조사하여 배향방향과 프리틸트각 및 프리틸트방향이 결정된 기판을 얻을 수가 있다.

이 광배향법은 러빙에 의한 배향법보다 여러 가지 잇점을 가지고 있다. 즉, 러빙법과는 달리 배향막 표면에서 전하나 먼지가 발생되지 않으므로 정전기에 의한 수율의 감소가 없고, 배향막 전표면에 원하는 배향축과 프리틸트 각의 크기를 제어하는 것이 가능하여 균일하게 액정분자를 배열시킴으로서 러빙법에 의해 발생되는 위상왜곡이나 광산란과 같은 결점을 방지할 수 있다.

그러나 상기한 바와 같이, 종래의 광배향법은 선형편광된 자외선을 수직으로 조사하므로서 기판에 조사된 자외선의 편광방향과 수직인 방향으로 배향막인 광고분자들이 크로스링킹되어 이 배향막의 방향을 따라 액정분자가 배열되는데, 이 때 2개의 프리틸트각 방향이 축퇴되어 형성된다. 따라서 이들 중 한 방향의 프리틸트각 방향을 결정해 주기 위해서 다시 선형편광된 자외선을 기판과 경사진 방향으로 조사하면, 원하는 한방향의 프리틸트를 얻는 것이 가능하게 된다. 그러나, 이 방법은 하나의 프리틸트를 결정하기 위해서 2번의 광조사를 반복하여 실시하여야 할 뿐아니라, 광을 편광시키기 위해서 광조사장치에 편광판을 추가하여 장치가 복잡할 뿐 아니라, 편광된 광을 사용하므로서 조사된 광이 기판에 도달되는 효율이 1/2로 저하되므로 공정시간이 길어지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 극복하기 위한 것으로, 액정분자를 배열시키는 광배향법에서 광조사를 한 번 실시하여서 배향방향과 프리틸트각 뿐 아니라, 하나의 프리틸트각 방향이 모두 결정이 되는 프리틸트 제어방법 및 이를 이용한 액정셀 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은, 비편광된 광을 사용하여 배향막이 도포된 기판에 수직에 가까운 큰 프리틸트각을 형성하고, 적은 광조사에너지로 짧은 조사시간에 배향처리를 완료하는 프리틸트 제어방법 및 액정셀 제조방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 이루기 위해서 본 발명은 한 번의 광조사, 즉 비편광된 광을 기판에 대해서 일정한 각도로 경사지게 조사하여 광이 입사되는 방향으로 배향막의 프리틸트를 결정하는 것이다.

이하, 본 발명은 첨부된 도면과 함께 자세히 설명되어진다.

도 1은, 액정방향자의 직각좌표계를 나타내는 도면.

도 2는, 종래의 러빙처리공정을 나타내는 도면.

도 3은, 종래의 광배향공정을 나타내는 도면.

도 4는, 광고분자가 광에 반응하는 과정을 나타내는 도면.

도 5는, 종래의 광배향 공정시 광고분자의 이방성의 변화를 나타내는 도면.

도 6은, 본 발명의 광배향 공정시 광고분자의 이방성의 변화를 나타내는 도면.

도 7은, 자외선 조사에너지량과 폴리실록산신나마이트의 프리틸트각과의 관계를 나타낸 도면.

도 8은, 전압의 인가에 따라 반응하는 인버스TN 액정셀의 단면도.

도 9는, 본 발명의 한 실시예에 따른 멀티도메인의 광배향공정을 나타내는 도면.

도 10은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티도메인의 광배향공정을 나타내는 도면.

이 과정은 특히, 도 4에서 나타낸 바와 같이, 일반적인 광고분자 물질인 PVCi(polyvinyl cinnamate)의 신나메이트기가 자외선 조사에 의해서 광학적 이합체(photo dimerization)을 형성하게 하는 과정에서 알 수 있다. 도 4(a)에서 배향막(11)을 이루는 광학적 이방성을 가진 광고분자들(12) 중에서 조사된 광의 편광방향 즉, 전기장의 방향과 평행한 광고분자의 사이드체인(side chain)의 분자들이 조사된 자외선의 에너지를 흡수하여 사이크로에디션(cyclo addition)이 발생한다. 그리하여 자외선의 편광방향, 즉, 전기장의 방향과 평행한 사이드 체인을 가지는 고분자는 도 4(b)의 구조를 가지는 등방적인 이합체(isotropic dimerization)를 형성하여 광학적 이방성이 사라지게 된다. 그러나, 자외선의 편광방향에 수직한 사이드 체인을 가지는 광고분자들은 조사된 광에 따라 반응하지 않으므로 전체 배향막의 광학적 이방성의 방향은 자외선의 편광방향에 수직한 사이드체인의 방향을 따라 결정되게 된다.

이때, 상기한 광고분자의 광반응을 이용한 광배향처리는 이중광조사(double exposure)로 하나의 프리틸트를 결정하는 것이다. 이 방법은 도 5에 도해되어 있다. 도 5(a)는 모든 방향에 대해서 광학적 이방성을 가지는 광고분자(12)에 1차 선형편광된 자외선을 조사하면, 조사된 광의 편광방향에 평행한 사이드체인을 가진 광고분자들 사이에 사이크로에디션이 발생되어 편광방향에 평행한 방향은 등방적인 상태가 되므로 이 방향의 이방성은 사라지게 된다. 그러므로, 편광방향과 수직한 방향이 광반응이 덜 일어나게 되므로 이 편광방향과 수직한 방향으로 이방성을 가지게 되고, 이 방향으로 서로 마주하는 2개의 프리틸트 방향을 가지게 된다. 도 5(c)는 도 5(b)의 두 방향중 한 방향을 선택하기 위해서 상기한 두 방향 중 한 방향으로 경사지게 2차선형편광된 자외선을 조사하여 하나의 프리틸트각 방향을 가진 프리틸트가 결정되는 것이다.

본 발명은 이중 광조사를 하지 않아도 도 6에 나타난 바와 같이, 광배향막이 도포된 기판에 1회의 광조사를 하므로서 하나의 프리틸트가 결정되는 것이다. 도 6(a)의 등방적인 상태의 광고분자(22)로 이루어진 배향막(21)에 도 6(b)와 같이, 입사되는 광의 진행방향만 제외하고, 모든 방향에 전기장을 가지는 비편광된 광을 상기한 배향막(21)과 일정한 각도(θ)로 경사지게 조사한다. 전기장에 평행한 모든 방향의 사이드체인을 가지는 광고분자(22)는 광반응에 의해 사이크로에디션을 형성하여 전기장에 평행한 방향의 이방성은 사라지게 되나, 조사되는 광의 입사방향으로는 전기장이 없으므로 광의 진행방향의 사이드체인을 가지는 광고분자(22)의 이방성은 남게 된다. 따라서, 이 광고분자의 이방성의 방향을 따라 액정분자가 배열하게 된다.

이 때, 본 발명은 폴리실록산계 물질(polysiloxane based materials)을 배향막으로 사용한다. 상기한 폴리실록산 물질은 다음과 같은 화학 구조식을 가지는 것으로, 그 예로서 폴리실록산 신나메이트의 화학구조식을 나타낸다.

폴리실록산신나메이트 Ⅰ:

폴리실록산신나메이트Ⅱ:

Z = OH, CH₃, 또는 OH 및 CH₃혼합물,

m = 10∼100,

l = 1∼11

L = 0 또는 1,

K = 0 또는 1,

X, X₁, X₂, Y = H, F, Cl, CN, CF₃, C_nH_2n+1,OC_nH_2n+1(n=1∼10) 또는 혼합물.

상기한 광배향물질은 도 7에 나타난 바와 같이 광조사를 하지 않았을때 배향막의 프리틸트각은 수직인 상태로 배향되어 있으나, 광조사 에너지에 반비례하여 프리틸트각이 감소하는 경향을 보인다. 본 발명은 상기한 물질의 프리틸트각 형성 특성을 이용하여 광조사시의 에너지 효율을 높이고, 콘트라스트비를 높이기 위해서 TN(twisted nematic) 대신 인버스TN(inversed twisted nematic) 모드를 도입하였다. 즉, 종래의 TN 액정셀에서는 전압을 인가하지 않은 경우, 10°이하의 프리틸트각을 가진 배향을 요구하므로 도 7의 Ⅰ의 영역의 자외선의 조사에너지를 배향막에 부여하여야 하고, 이를 위해서 장시간의 광조사가 필요하다.

그러나 도 8의 인버스 TN 액정셀은 전기장을 인가하지 않은 도 8(a)의 오프상태에서는 수직에 가까운 상태로 배향되어 높은 콘트라스트비를 얻을 수가 있고, 임계전압 이상인 도 8(b)의 온상태에서는 수평 비틀린(twisted planar: TP) 구조를 형성하여 종래의 TN의 장점을 가질 수가 있다.

상기한 인버스 TN모드를 배향하기 위해서, 본 발명에서는 폴리실록산계 물질의 특성을 사용하여 도 7의 Ⅱ영역에 해당하는 광조사 에너지만 부여하면 되므로 큰 프리틸트각을 짧은 시간의 광조사에 의해서 얻을 수가 있다.

상기한 방법으로 배향처리가 된 상하기판을 준비하고 그 사이로 액정이 주입하게 되는데, 이 액정은 음의 유전율 이방성의 특성을 가진 것을 사용한다. 상기한 액정은 피치(pitch)가 셀겝(d)/4이 되도록 카이랄 도판트(chiral dopant)를 첨가한 액정을 사용하는 것이 바람직하다. 음의 유전율 이방성 특성을 가진 액정을 사용하므로 전압이 인가되지 않은 경우에 수직으로 배열된 액정(23)이, 도 8(b)에서 보여지듯이, 전압이 인가되면 두 기판(22) 사이에서 수평 비틀린 구조를 가지게 되는 것이다.

본 발명의 액정셀의 제조공정은 도 9에 나타나 있다. 도 9(a)는 제1기판의 제2도메인(Ⅱ)에 마스크(23)로 블록킹을 한 후, 비편광된 광을 기판에 대해서 θ의 각도로 경사지게 조사하면, 제1도메인(Ⅰ)에 제1프리틸트가 결정된다. 도 9(b)에서 상기한 마스크(23)를 제거한 후, 제1프리틸트가 결정된 제1도메인(Ⅰ)에 다시 마스크(23)로 블로킹을 한 후, 비편광된 광을 -θ의 각도로 경사지게 조사하면 제2도메인(Ⅱ)에 제2프리틸트가 결정되게 되어 도 9(c)의 프리틸트가 다른 두 도메인의 기판을 얻을 수가 있다. 제2기판도 상기한 방법으로 배향을 하여 제1기판과 제2기판을 합착하여 형성된 액정셀의 프리틸트 방향은 도 8(d)에 나타나 있다. 실선은 제1기판의 프리틸트방향을 나타내는 것이고, 점선은 제2기판의 프리틸트방향을 나타내는 것이며, 점은 주시야각의 방향을 나타내는 것이다. 이 액정셀에 계조표시전압을 인가하면, 이 두개의 액정방향자가 서로 반대방향으로 경사지게 되어 평균 광투과율이 보상되어 시야각이 넓어지게 된다.

또한, 4도메인의 액정셀을 제조공정은 도 10에 나타난 바와 같이 기판에 4회의 광조사를 실시하여 4도메인 기판을 얻게 된다. 상기한 처리에 의해서 4도메인이 형성된 제1기판과 제2기판을 서로 마주 보도록 합착하여 액정을 주입하면 간단한 공정과 짧은 광조사 시간으로 시야각이 개선된 4도메인 액정셀을 얻는 것이 가능하다.

본 발명은 인버스 TN모드를 예로 들어서 설명하였지만, 광배향에 의하여 구현될 수 있는 모든 액정셀 모드에 적용되는 것도 가능하다.

상기한 방법에 의한 액정셀의 프리틸트 제어방법에 있어서, 한번의 광조사로 액정표시소자를 이루는 액정분자의 배열을 결정하는 배향방향, 프리틸트각 방향 및 프리틸트각으로 이루어진 프리틸트를 제어됨으로써 제조공정수를 종래의 공정수에 비해 최고 1/2로 단축할 뿐 아니라, 비편광 광을 사용하여 자외선 조사장치에서 편광판을 사용하지 않으므로 단순화가 가능하다. 또한 큰 프리틸트각을 얻는데 필요한 광조사시간이 현저하게 단축되었고, 이로 인해, 대량생산시 제조단가도 낮아지는 것이 가능하게 된다.

Claims (19)

1. 2개의 기판과 그 사이에 액정이 주입되어져서 이루어지는 액정셀에 있어서,

   기판에 배향막을 도포하는 단계, 및

   상기한 기판에 비편광된 광을 기판과 일정한 각도로 경사지게 조사하여 상기한 액정의 프리틸트를 결정하는 단계로 이루어지는 액정셀의 프리틸트 제어방법.
2. 제1항에 있어서, 상기한 배향막이 폴리실록산계 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정셀의 프리틸트 제어방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기한 배향막에 비편광된 광을 조사하여 형성된 프리틸트의 프리틸트각도가 기판의 법선에 대해서 10°미만이 되도록 자외선의 조사강도를 조정하는 것을 특징으로 하는 액정셀의 프리틸트 제어방법.
4. 제1항에 있어서, 상기한 광이 자외선인 것을 특징으로 하는 액정셀의 프리틸트 제어방법.
5. 제1기판과 제2기판에 배향막을 도포하는 단계;

   배향막이 도포된 제1기판에 비편광 광을 제1기판과 제1각도로 경사지게 조사하여 제1프리틸트를 결정하는 단계;

   배향막이 도포된 제2기판에 비편광 광을 제2기판과 제2각도로 경사지게 조사하여 제2프리틸트를 결정하는 단계; 및

   상기한 제1기판과 제2기판 사이에 액정을 주입하는 단계로 이루어진 액정셀 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 상기한 배향막이 폴리실록산계 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정셀 제조방법.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기한 배향막에 비편광된 광을 조사하여 형성된 프리틸트의 프리틸트각도가 기판의 법선에 대해서 10°미만이 되도록 자외선의 조사강도를 조정하는 것을 특징으로 하는 액정셀 제조방법.
8. 제5항에 있어서, 상기한 광이 자외선인 것을 특징으로 하는 액정셀 제조방법.
9. 제5항에 있어서, 상기한 액정이 음의 유전율 이방성을 가진 액정인 것을 특징으로 하는 액정셀 제조방법.
10. 제5항에 있어서, 상기한 액정이 카이랄도판트가 첨가된 액정인 것을 특징으로 하는 액정셀 제조방법.
11. 제5항에 있어서, 상기한 제1각도와 제2각도가 서로 다른 것을 특징으로 하는 액정셀 제조방법.
12. 제1기판과 제2기판에 배향막을 도포하는 단계;

    배향막이 도포된 제1기판의 일부영역에 비편광 광을 제1기판과 제1각도로 경사지게 조사하여 제1프리틸트를 형성하는 단계;

    배향막이 도포된 제1기판의 상기한 제1프리틸트가 형성된 일부영역 이외의 영역에 비편광 광을 제1기판과 제2각도로 경사지게 조사하여 제2프리틸트를 형성하는 단계;

    배향막이 도포된 제2기판의 일부영역에 비편광 광을 제2기판과 제3각도로 경사지게 조사하여 제3프리틸트를 형성하는 단계;

    배향막이 도포된 제2기판의 상기한 제3프리틸트가 형성된 일부영역 이외의 영역에 비편광 광을 제2기판과 제4각도로 경사지게 조사하여 제4프리틸트를 형성하는 단계; 및

    상기한 제1기판과 제2기판 사이에 액정을 주입하는 단계로 이루어진 액정셀 제조방법.
13. 제12항에 있어서, 상기한 배향막이 폴리실록산계 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정셀 제조방법.
14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기한 배향막에 비편광된 광을 조사하여 형성된 프리틸트의 프리틸트각도가 기판의 법선에 대해서 10°미만이 되도록 자외선의 조사강도를 조정하는 것을 특징으로 하는 액정셀 제조방법.
15. 제12항에 있어서, 상기한 광이 자외선인 것을 특징으로 하는 액정셀 제조방법.
16. 제12항에 있어서, 상기한 액정이 음의 유전율 이방성을 가진 액정인 것을 특징으로 하는 액정셀 제조방법.
17. 제12항에 있어서, 상기한 액정이 카이랄도판트가 첨가된 액정인 것을 특징으로 하는 액정셀 제조방법.
18. 제12항에 있어서, 상기한 제1각도, 제2각도, 제3각도, 및 제4각도가 서로 다른 것을 특징으로 하는 액정셀 제조방법.
19. 제12항에 있어서, 상기한 광조사 단계에서 일부영역으로 나누는 수단이 마스크인 것을 특징으로 하는 액정셀 제조방법.