KR100213182B1 - 마이크로 칼라 렌즈를 채용한 액정표시소자 - Google Patents

마이크로 칼라 렌즈를 채용한 액정표시소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 칼라필터의 기능을 겸할 수 있는 볼록렌즈 형태의 마이크로칼라렌즈를 채용한 액정표시소자에 관한 것이다. 본 발명에 따른 마이크로칼라렌즈를 부착한 액정표시소자는 전압 비인가시의 액정/고분자 복합막의 우수한 산란 특성으로 인하여 종래의 액정표시소자에 비해서 콘트라스트비가 높을 뿐 아니라, 미경화부가 발생하지 않으므로 경시 변화에 대하여 안정적인 특성을 나타낸다. 또한, 제조공정의 간소하고 수율이 우수하다.

Description

마이크로 칼라 렌즈를 채용한 액정표시소자
제1도는 종래의 칼라 PDLCD의 단면도이다.
제2도는 본 발명에 따른 칼라 PDLCD의 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
101, 201 : 제1기판 102, 202 : 박막트랜지스터
103, 203 : 화소 전극 104, 204 : 제2기판
105, 205 : 공통 전극 106, 206 : 블랙매트릭스
107, 207 : 액정/고분자 복합막 108 : 칼라 필터
208 : 마이크로 칼라 필터
본 발명은 마이크로칼라렌즈를 채용한 액정표시소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 칼라 필터의 기능을 가지고 있는 볼록 렌즈 형태의 마이크로칼라렌즈를 구비하여 광의 이용효율을 향상시킴으로써 콘트라스트 특성 및 휘도가 개선된 액정표시소자에 관한 것이다.
일반적으로 액정(Liquid Crystal)이란 액체의 유동성과 결정의 광학적 성질을 겸비한 액체와 고체의 중간적 성질을 갖는 물질로서, 전계 또는 열에 의해 그 광학적 이방성이 변화될 수 있다. 이러한 성질을 이용한 것이 액정표시소자로서 플라즈마 디스플레이나 발광장치와 더불어 평판 표시장치의 대표적인 것으로 알려져 있다.
현재 주로 사용되고 있는 액정표시소자로서는 TN(Twisted Nematic)-LCD 또는 STN(Super Twisted Nematic)-LCD가 있다. 이들은 모두 패널의 양쪽에 편광판을 사용하는데 이 편광판은 광투과도를 떨어뜨려 스크린의 휘도를 저하시킬 뿐 아니라 시야각이 좁으며, 특히, 칼라필터가 구비되는 경우에는 투과광이 입사광의 10%에도 미치지 못하기 때문에 광의 이용효율이 적고 콘트라스트 특성이 떨어진다는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 최근 연구되고 있는 것이 액정이 고분자에 분산되어 있는 복합막(이하, 액정/고분자 복합막(polymer dispersed liquid crystal complex film)이라 한다)을 가지고 있는 액정표시소자(Polymer Dispersed Liquid Crystal Device : PDLCD)이다.
PDLCD는 전계가 인가되지 않는 경우, 액정과 고분자의 굴절율이 일치하지 않기 때문에 입사광이 산란되고, 전계가 인가되면 액정이 전계 방향으로 배열되어 입사광이 투과되는 원리를 이용하는 것이다. 이와 같이 PDLCD는 광의 산란과 투과 원리를 이용하므로 편광판을 사용하지 않아도 되고, 따라서 기존의 액정표시소자보다 광의 이용효율이 높아 휘도가 우수하다는 특성이 있다.
이러한 PDLCD는 고분자 액정 모노머의 용해도 차이를 이용하는 상분리 방법을 통하여 제조되는 것이 일반적이다(미국특허 제4,688,900호 및 제4,685,771호). 즉, 투명 고분자 수지의 모노머 또는 올리고머에 액정 모노머를 용해시킨후, 자외선이나 열을 통하여 고분자 수지의 모노머 또는 올리고머를 중합시킴에 따라, 액정 모노머가 드로플렛 형태로 석출되는 원리를 이용하여 제조된다.
PDLCD에 대한 연구가 거듭되면서 액티브 매트릭스 표시소자 방식에 의한 칼라 디스플레이의 구현이 가능하게 되었다.
제1도는 종래의 칼라 PDLCD패널을 개략적으로 나타내고 있다.
종래의 칼라 PDLCD는 천연색을 표시하기 위하여 기존의 TN-LCD, STN-LCD와 마찬가지로 별도의 칼라필터를 사용하거나 각각 적, 녹. 청(Red, Green, Blue; RGB)의 색상을 갖는 3매의 액정 패널을 조합하여 사용하였는데, 이러한 방법은 공정이 복잡하고 제조비용이 많이 든다는 단점이 있다.
또한, 칼라필터를 구비하고 있는 경우에는 빛을 흡수 및 차단하는 칼라필터의 특성 때문에 광의 투과율이 떨어져서 자외선 조사량이 불충분한 부분에서 고분자가 미경화되는 현상이 나타난다. 이와 같은 미경화의 문제는 박막트랜지스터(TFT) 구동 회로배선, 블랙매트릭스 등에 의해서도 야기되는데, 미경화된 자외선 경화성 고분자 조성물은 시간이 경과함에 따라 인근의 경화된 액정/고분자 복합체에 침투하여 전체적인 특성을 변화시키므로 콘트라스트 및 수율이 저하된다.
제1도는 칼라필터를 가지고 있는 종래의 칼라 PDLCD 패널을 개략적으로 도시한 것이다. 제1도에 보여지는 바와 같이, 통상적인 칼라 PDLCD 패널은 화소 전극(103)을 가지고 있는 제1기판(101), 공통 전극(105)을 가지고 있는 제2기판(104) 및 상기 두 기판(101, 104)사이에 개재된 액정/고분자 복합막(107)으로 이루어져 있다. 상기 제1기판(101)에는 박막트랜지스터(102)를 포함하는 능동회로부가 구비되어 있으며, 상기 제2기판(104)에는 블랙매트릭스(106)와 천연색 표시를 위한 칼라필터(108)가 구비되어 있다.
전술한 바와 같이, 편광판 및 칼라필터를 구비하는 경우, 광투과율 저하, 자외선 경화성 고분자 조성물의 미경화 현상, 및 이에 따른 콘트라스트 및 수율저하 등의 문제점이 발생하는데, 이를 해결하기 위하여 계속한 결과 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명의 목적은 칼라필터의 기능도 겸할 수 있는 볼록렌즈 형태의 마이크로칼라렌즈를 채용한 액정표시소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 박막트랜지스터, 및 상기 박막트랜지스터와 일부분이 중복되어 상기 박막트랜지스터와 화나의 화소를 이루도록 형성된 화소전극을 포함하는 제1투명기판; 상기 박막트랜지스터 및 화소전극과 마주보는 면 상에 상기 박막트랜지스터와 대응하는 위치에 형성된 블랙매트릭스, 및 상기 블랙매트릭스가 형성된 면의 블랙매트릭스 이외의 영역에 형성되며 상기 블랙매트릭스와 하나의 화소를 형성하는 공통전극을 포함하는 제2투명기판; 제2투명기판중 블랙매트릭스와 공통전극이 형성된 면의 이면에 형성되며 각각 적색, 녹색 또는 청색에 해당하는 파장의 빛을 투과시킬 수 있을 볼록렌즈 형태의 마이크로칼라렌즈; 및 상기 제1 투명기판과 제2투명기판 사이에 개재된 액정/고분자 복합막을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자가 제공된다.
상기 본 발명의 마이크로칼라렌즈에 있어서, 투명 기판으로서 아크릴 기판을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 마이크로칼라렌즈는 각각 적색광, 녹색광 및 청색광을 투과시킬 수 있도록 제조된 볼록렌즈로서 일반적인 칼라 필터의 제조방법에서와 유사한 방법, 예를 들면 인쇄법, 전착법, 안료 분산법 등에 의해 제조될 수 있다.
바람직한 마이크로칼라렌즈의 제조방법을 개략적으로 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 적색계 이색성 염료, 광경화성 수지 및 광개시제를 포함하는 적색광 통과용 패턴 형성용 조성물을 균일한 두께가 되도록 투명기판 상에 스핀 코팅 또는 롤코팅한 다음, 예비 열처리를 실시하여 패턴을 형성한다. 형성된 패턴을 자외선에 노광하고 현상액으로 세정하여 표면이 볼록렌즈의 형상을 가지는 적색광 통과용 블록렌즈 패턴을 형성한다. 이어서, 상기 결과물 상에 중간 보호층을 코팅한 다음, 녹색광 통과용 패턴 형성용 조성물을 사용하여 전술한 바와 동일한 공정으로 녹색광 통과용 볼록 렌즈 패턴을 형성하고, 다시 그 위에 중간 보호층을 코팅한다. 다음으로, 청색광 통과용 패턴 형성용 조성물을 사용하여 동일한 공정을 반복하여 청색광 통과용 패턴을 형성함으로써 마이크로칼라렌즈를 제조한다.
본 발명에 따른 액정표시소자에서 적색광, 녹색광 및 청색광 각각을 통과시킬 수 있는 볼록 렌즈 패턴들은 블랙매트릭스와 공통전극을 포함하는 투명 기판중 상기 블랙매트릭스와 공통전극이 형성된 면의 이면에 형성되며, 그의 형성위치는 화소 전극과 대응하는 위치이다.
이렇게 제조된 본 발명의 액정표시소자에서 상기 두매의 투명기판간에 형성된 갭의 두께는 5 내지 50㎛인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 전압의 인가 또는 비인가 여부에 따른 콘트라스트를 고려하여 7 내지 15㎛범위로 조절한다.
또한, 상기 두매의 투명기판 사이에 개지된 액정/고분자 복합막은 액정 모노머와 광경화성 고분자 전구체를 포함한느 액정/고분자 복합막 형성용 조성물로부터 형성되며, 상기 액정 모노머의 함량은 상기 조성물의 총중량에 대하여 30 내지 90중량%인 것이 바람직하다.
이때, 상기 액정 모노머로는 네마틱 액정, 스멕틱 액정, 강유전성 액정, 클레스테릭 액정 등을 단독으로 또는 혼합 상태로 사용할 수 있다. 특히, 네마틱 액정/콜레스테릭 액정, 강유전성 액정/콜레스테릭 액정 등의 혼합 액정이 도판트로서 첨가되어 비틀림 파워(twisting power)를 제공함으로써 포칼코닉 구조 등 콜레스테릭 액정상으로 유도될 경우 액정/고분자 복합막의 산란성이 강해질 수 있다.
또한, 액정 모노머는 정(+)의 유전 이방성을 갖는 것이 바람직하며, 동작온도범위, 동작전압 등 각종의 요구특성을 충족시킬 수 있어야 한다.
이와 같은 액정 모노머의 함량은 전술한 바와 같이, 액정/고분자 복합막 형성용 조성물 총중량의 10중량% 내지 99중량%, 바람직하게는 30중량% 내지 90중량%이다. 액정 모노머의 조성비가 상기 범위내에 있는 경우 액정 연속상의 고분자 다공질 막 구조를 갖는 액정/고분자 복합막의 제조에 유리하다. 그러나, 액정 모노머의 조성비가 30중량%이하인 경우에는 구동특성이 불량해지므로 바람직하지 않다.
한편, 상기 광경화성 고분자 전구체로는 미경화 상태에서 액정 모노머와 상용성이 좋아 잘 혼합되고 경화후에는 액정 모노머와 상용성이 없어 액정과 고분자 수지의 두가지 성분으로 완전히 상분리되어 고분자 수지를 형성할 수 있는 것이어야 한다. 이러한 광경화성 고분자 전구체로서는 그 자신이 광반응성을 지니거나, 광조사에 의해 생성된 물질에 의해 경화가 유지되는 것이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 액정표시소자를 제조함에 있어서, 마이크로칼라렌즈의 부착시 제2기판의 소재(예를 들면, 석영) 및 공통전극과 유사한 굴절율(η은 약 1.5)을 갖는 투명 아크릴 접착제를 사용하는 것이 바람직하다.
이렇게 제조된 본 발명의 액정표시소자는 종래의 방법에 따라 제조된 칼라필터를 채용한 액정표시소자에 비해 전체적인 제조공정이 간단할 뿐 아니라 콘트라스트가 우수하며 기존의 액정표시소자에 비해 2배 이상의 밝은 화상을 나타낸다.
제2도는 본 발명에 따른 액정표시소자의 개략적인 구조를 나타내는 도면이다.
제2도로부터 알 수 있듯이, 천연색 표시를 위해 통상적으로 사용되어 오던 칼라필터(제1도의 108) 대신에 마이크로칼라렌즈(208)를 별도로 제작하여 제2기판(204)의 하부측에 부착하였다.
즉, 종래에는 제2기판에 칼라필터를 형성함으로써 액정표시소자를 제조하였는데, 이때 칼라필터의 차광특성으로 인하여 미경화부가 발생된다. 이러한 미경화부는 전압인가 상태에서 완전한 광 차단 특성을 나타내지 못하기 때문에 콘트라스트비 저하의 원인이 된다.
이에 반하여 본 발명에서는 기판 사이의 갭에 액정/고분자 복합막 형성용 조성물을 주입한 후, 제2기판 아래쪽에 거울과 같은 반사판을 설치하여 제1기판쪽으로부터 투과되는 빛을 반사시키거나, 제1기판 및 제2기판 양측으로부터 광을 투과시켜서 광경화성 고분자 전구체를 경화시킨 다음, 상기 제2기판에 본 발명의 마이크로 칼라필터를 부착하여 액정표시소자 패널을 완성시킨다.
즉, 칼라필터를 구비하고 있는 종래의 액정표시소자가 광경화성 고분자 전구체를 완전 경화시키는데 한계가 있는 반면에, 본 발명의 액정표시소자는 칼라필터를 사용하지 않고 제2기판 하부 아래측에 반사판을 설치하여 반사광을 이용하거나 제1 및 제2기판 양측으로부터 광을 투과시킬 수 있으므로 광효율을 증가시킬 수 있으며 블랙매트릭스 아래 부분까지 고분자를 완전히 경화시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 마이크로칼라렌즈를 부착한 액정표시소자는 전압 비인가시의 액정/고분자 복합막의 우수한 산란 특성으로 인하여 종래의 액정표시소자에 비해서 콘트라스트비가 높을 뿐 아니라, 미경화부가 발생하지 않으므로 경시 변화에 대하여 안정적인 특성을 나타낸다. 또한, 제조공정의 간소하고 수율이 우수하다.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명하겠으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
마이크로칼라렌즈의 제조방법
(1) 패턴 형성용 조성물의 제조
-적색광 투과용 패턴 형성용 조성물
적색계 이색성 아조염료 : 0.05g
광경화성 아크릴 수지 : 1.0g
광개시제(Darocure-1173) : 0.02g
-녹색광 투과용 패턴 형성용 조성물
녹색계 이색성 아조염료 : 0.05g
광경화성 아크릴 수지 : 1.0g
광개시제(Darocure-1173) : 0.02g
-청색광 투과용 패턴 형성용 조성물
청색계 이색성 아조염료 : 0.05g
광경화성 아크릴 수지 : 1.0g
광개시제(Darocure-1173) : 0.02g
(2) 마이크로칼라렌즈의 형성
1) 착색 조성물의 코팅 : 아크릴 기판을 준비하고 이 기판상에 상기의 적색광 투과용 패턴 형성용 조성물을 10㎛의 두께로 균일하게 스핀코팅하였다.
2) 프리베이킹(prebaking) : 패턴 형성용 조성물이 코팅된 상기의 아크릴 기판을 90℃에서 1분간 열처리하였다.
3) 패턴 노광 : 소정의 포토마스크를 밀착시켜 자외선 노광을 실시하였다. 이때, 노광에너지를 200mj/㎠로 하였다.
4) 현상 및 에칭 : 비노광 부분을 현상액으로 세정해 내어 표면이 블록렌즈 형상을 갖도록 하였다.
5) 중간 보호층을 코팅하였다.
6) 녹색광 투과용 패턴 형성용 조성물을 이용하여 상기 1) 내지 5)의 공정을 반복하여 녹색광 투과용 블록 렌즈 패턴을 형성하였다.
7) 청색광 투과용 패턴용 착색 조성물을 이용하여 상기 1) 내지 4)의 공정을 반복하여 청색광 투과용 볼록 렌즈 패턴을 형성하였다.
마이크로칼라렌즈 제작시, 각각의 볼록 렌즈 패턴은 적색광 투과용 패턴, 녹색광 투과용 패턴 및 청색광 투과용 패턴의 순서로 형성되었다.
칼라 PDLCD의 제조
박막트랜지스터를 포함하는 능동회로부와 화소 전극을 구비하고 있는 제1기판 및 공통 전극과 블랙매트릭스를 구비하고 있는 제2기판을 준비하고 평균입경이 12㎛인 스페이서 (마이크로퍼얼, 미쓰이도아쓰 제품)를 상기 두 기판 사이에 산포시켜서 두께가 균일한 갭을 형성하였다. 이어서, 액정 모노머로서 불소계 액정인 TL-205(머크사 제품) 80중량%과, 모노머인 2-에틸헥실아크릴레이트, 우레탄아크릴레이트 올리고머인 CN-972(사토머사 제품)과 다관능기 단량체인 트레미틸올프로판트리아크릴레이트(TMPTA)를 7/2/1의 비율로 함유하는 액정/고분자 복합막 형성용 조성물을 제조하였다. 다음으로, 상기 기판 사이에 형성된 일정한 두께의 갭에 상기 제조된 액정/고분자 복합막 형성용 조성물을 상온에서 등방성 액체 상태로 주입하였다. 주입후 제2기판 아래쪽에 빈사판을 설치하고 자외선 램프를 사용하여 제1기판쪽으로부터 365nm의 자외선을 3분간 조사하였다. 이와 같이 형성된 액정/고분자 복합막을 편광 현미경을 사용하여 관찰한 결과, 개구부 중간의 액정/고분자 복합막의 상분리된 정도 및 박막트랜지스터와 블랙매트릭스 사이의 상분리된 정도가 거의 차이가 없이 균일하게 형성되었음을 알 수 있었다.
이어서, 제2기판 외부에 상기에서 제조된 바와 같은 마이크로칼라렌즈를 부착하여 칼라 PDLCD 패널을 형성하였다. 상기 마이크로칼라렌즈 접착시 접착면인 제2기판의 소재로 사용된 석영 및 공통 전극과 유사한 굴절율(약 1.5)을 갖는 투명 아크릴 접착제를 사용하였다.
이와 같이 제조된 PDLCD 패널을 150W의 메탈 할로겐 램프를 이용하여 50 스크린에 투사시켰을 때, 콘트라스트비가 50 : 1 이상, 스크린 휘도가 150Cd/㎡인 밝은 화상을 얻을 수 있었다.
[비교예]
상기 실시예 중에서 마이크로칼라렌즈를 제2기판의 외부에 부착하는 대신에 종전과 마찬가지로 제2기판에 칼라필터를 형성시키는 것을 제외하고는 상기 실시예의 (2)의 과정을 반복하여 칼라 PDLCD패널을 제조하였다.
이와 같이 제조된 PDLCD패널을 실시예에서와 마찬가지로 시험한 결과, 50 스크린에서 콘트라스트비가 약 40 : 1, 스크린 휘도가 약 120Cd/㎡였다.
상기 실시예 및 비교예의 결과로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 칼라 PDLCD패널은 종래의 액정표시소자 패널에 비하여 콘트라스트비와 스크린 휘도가 우수하여 밝은 화상을 얻을 수 있을 뿐 아니라 고휘도의 칼라 화상을 구현할 수 있다.

Claims (3)

  1. 박막트랜지스터 및 상기 박막트랜지스터와 일부분이 중복되어 상기 박막 트랜지스터와 화나의 화소를 이루도록 형성된 화소전극을 포함하는 제1투명기판; 상기 박막트랜지스터 및 화소전극과 마주보는 면 상에 상기 박막트랜지스터와 대응하는 위치에 형성된 블랙매트릭스, 및 상기 블랙매트릭스가 형성된 면의 블랙매트릭스 이외의 영역에 형성되며 상기 블랙매트릭스와 하나의 화소를 형성하는 공통전극을 포함하는 제2투명기판; 제2투명기판중 블랙매트릭스와 공통전극이 형성된 면의 이면에 형성되며 각각 적색, 녹색 또는 청색에 해당하는 파장의 빛을 투과시킬 수 있는 볼록렌즈 형태의 마이크로칼라렌즈; 및 상기 제1투명기판과 제2투명기판 사이에 개재된 액정/고분자 복합막을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 투명 기판이 아크릴 기판인 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 액정/고분자 복합막이 액정 모노머와 광경화성 고분자 전구체를 포함하는 액정/고분자 복합막 형성용 조성물로부터 형성되며, 상기 액정 모노머의 함량이 상기 조성물의 총중량에 대하여 30 내지 90중량%인 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
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