KR100220756B1 - 반강유전성 액정을 포함하는 액정판넬 및 그의 제조방법 - Google Patents

반강유전성 액정을 포함하는 액정판넬 및 그의 제조방법 Download PDF

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후지다 히로미찌
도판 인사츠 가부시키가이샤
사또 아끼오
미쓰이 가가쿠 가부시키가이샤
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Abstract

상하 기판들(2,3)상에 각기 띠형전극들(4,5)를 형성한 후 상기 기판들(2,3)간에 상호 평행 관계로 직사각단면을 갖는 복수의 밀봉된 선형틈들 R이 형성되도록 복수의 구획부재들(8)이 띠형상으로 형성되며, 상부측 러빙방향 A1은 하부측 러빙방향A2과 소정 교차각도로 교차하며, 구획부재(8)의 연장방향 K는 상기 교차각도내이며, 반강유전성액정은 상기 선형틈내에 주입된 후 선형틈들 R의 일단으로부터 타단으로 액정판넬을 냉각시키며, 반강유전성 액정용 액정판넬구조는 우수한 충격방지성 및 내충격성을 제공하며, 상하 기판간에서 불규칙해지는 액정분자층의 층법선방향이 교차 러빙방법의 사용에 의해 방지되며 그에 의해 액정내의 결함 발생을 피할 수 있고 또한 지그재그결함의 발생은 반강유전성액정의 주입을 제어하고 또한 냉각을 제어함으로서 방지된다.

Description

반강유전성 액정을 포함하는 액정판넬 및 그의 제조방법
제1도는 반강유전성 액정의 키랄 스멕틱상을 가질 수 있는 층구조를 개략적으로 나타내는 설명도로서, 제1(a)도는 이상적인 책선반구조를 나타내며, 제1(b)도-제1(d)도는 상이한 전압값과 상이한 극성을 인가한 때의 액정분자의 상태 변동을 나타내는 도면.
제2도는 반강유전성 액정의 명암상태를 표시하기 위한 광학 배열도.
제3도는 한쌍의 상하 기판상에서 행한 러빙방향(rubbing direction)과 액정분자층의 층법선방향간의 관계를 나타내는 개략도.
제4도는 러빙방향이 액정분자층의 층법선방향과 일치하는 상태를 나타내는 개략도.
제5도는 러빙방향이 액정분자층의 층법선방향과 일치하지 않는 상태를 나타내는 개략도.
제6도는 키랄 스멕틱상 특히 쉐브론구조의 액정구조를 나타내는 개략도.
제7도는 키랄 스멕틱상 특히 경사 책선반구조의 액정구조를 나타내는 개략도.
제8도는 러빙방향의 여러 가지 조합에 의해 얻은 액정 분자의 응집 상태를 나타내는 개략도로서, 제8(a)도는 평행러빙에 의해 얻은 C1 상태도, 제8(b)도는 평행러빙에 의해 얻은 C2 상태도, 제8(c)도는 비평행러빙에 의해 얻은 C1/C2 혼합 상태도, 제8(d)도는 일측러빙에 의해 얻은 C2 상태도, 제8(e)도는 일측러빙에 의해 얻은 C1 상태도.
제9도는 비평행러빙에 의해 얻은 고 사전경사각을 갖는 경사 책선반구조를 나타내는 개략도로서, 제9(f)도는 응집의 C1 상태도, 제9(g)도는 응집의 C2 상태도.
제10도는 액정내에 지그재그결함과 유사선형결함의 발생상태를 나타내는 개략사시도.
제11도는 액정의 냉각시에 액정분자층이 만곡되는 상태를 나타내는 개략도로서, 제11(a)도는 온도구배없이 균일한 냉각을 행할 때의 상태도, 제11(b)도는 러빙개시방향으로부터 냉각을 행할 때의 상태도, 제11(c)도는 러빙종료방향으로부터 냉각을 행할 때의 상태도.
제12도는 본 발명에 의한 액정 패널의 한 형태의 단면 구조를 나타내는 사시도.
제13도는 제12도의 액정판넬의 평단면도로서, 띠형상으로 배치된 구획부재를 나타내는 도면.
제14도는 구획부재로부터 상하기판상에서 행해지는 러빙방향의 상대편차각을 결정하는 방법의 설명도.
본 발명은 산업용, 사무자동화용 및 가정용 액정표시 장치의 기본 구성부재로서의 액정판넬에 관한 것으로 특히, 반강유전성 액정이 밀봉내장된 액정판넬에 관한 것이다. 좀더 구체적으로 본 발명은 반강유전성 액정의 정렬(배향)을 제어하는 방법에 관한 것이다.
최근에 액정표시장치가 컴퓨터 및 다양한 장비용 표시장치로서 널리 사용되고 있다. 액정표시장치의 기본 구성부재는 한 쌍의 유리 기판으로 구성되는 액정판넬 프레임과 프레임내에 액정을 주입하여 형성된 액정판넬이다.
각 유리기판상에 예를 들어 띠형 투명전극을 형성한 다음, 필요에 따라 상기 투명기판에 절연피막과 폴리이미드, 폴리비닐 알콜 등의 유기박막 또는 산화실리콘 등의 무기박막을 나열순으로 적층한다.
칼라 표시장치에서는 투명전극 아래에 또는 경우에 따라 그 위에 칼라필터를 형성한다. 상기 유기박막은 액정에 대하여 일축배향 정렬특성을 갖도록 일축배향 정렬처리, 예를 들어 러빙처리한다. 상기 산화실리콘은 일축배향 정렬특성을 갖도록 증착한다.
액정판넬 프레임에 대해서는 상기 띠형 투명전극쌍이 서로 직각으로 대향하도록 상기 유리기판쌍을 함께 접합한다. 프레임내의 기판간에는 간격부재로서 알려진 다수의 갭유지체가 개입되므로 기판간에 갭이 소정의 미소값으로 유지된다.
일반적으로 액정표시장치는 상기 액정판넬 프레임내에 액정을 밀봉시켜 액정판넬을 얻은 다음 정렬처리한 후, 판넬상에 편광판, 구동IC 및 후면 등과 같은 부품을 설치한 다음 캐비넷내에 넣어서 제조한다.
최근에 강유전성 액정 또는 반강유전성 액정을 사용하는 액정표시장치의 실용성이 연구되고 있다. 그러한 연구결과들은 다음과 같다.
(1)1990년에 코로나 출판사에 의해 간행된 후꾸다와 다께조에가 발표한 "강유전성 액정의 구조 및 그의 물성".
(2)1992년 CMC사에 의해 간행된 후꾸다가 감수한 "차세대 액정표시장치 및 액정재료".
이 연구들은 액정이 소위 메모리 효과와 고속응답특성을 갖도록 함으로서 박막트랜지스터(TFT)와 금속절연 금속다이오드(MIM)와 같은 능동소자를 사용하지 않는 간단한 매트릭스 드라이브에 의해 고품질의 고미세한 대용량 표시가 실행되도록 한다는 기대속에서 실행되었다. 상기 고속응답특성은 일반적으로 수십 마이크로초 이내의 응답 능력을 뜻한다.
액정이 액상 Iso(즉 등방성상)의 상태에 있는 고온으로부터 냉각됨으로써 상기 액정은 다양한 복합 상변동, 예를 들어, 키랄 네마틱(N*)상 ⇒ 스멕틱 A(SmA)상 ⇒ 키랄 스멕틱 C(SmC*)상 ⇒ 키랄 스멕틱 CA(SmCA*)상을 나타낸다. 이와 관련하여 상술한 모든 상들이 액정의 형태에 따라 항상 각각의 상변동으로 나타나지는 않는다. 예를 들어 정렬에 적합한 N*상이 반강유전성 액정에서는 발견되지 않았다.
키랄 스멕틱상은 네마틱상에 비해 저온측에 위치되며, 저대칭성을 가지며 또한 결정에 근사한 상태에 있다. 구체적으로 키랄 스멕틱상은 강유전성 액정의 경우에 키랄 스멕틱 C 상 (F, H, I 상 포함)이고, 반강유전성 액정의 경우에 키랄 스멕틱 CA상(Cα, Cβ, Cγ상과 같은 부상 포함)이다.
상기 키랄 스멕틱상은 제1도에 나타낸 바와 같은 층 구조를 갖는다. 구체적으로 제1(a)도는 층구조의 단면사시도이며, 제1(b)-(d)도는 정면도이다. 각층의 액정분자(302)는 우측 또는 좌측방향으로 경사질 수 있다. 모든 분자들이 좌측으로 경사진 상태는 F+(제1(b)도)로 나타나며, 모든 분자들이 우측으로 경사진 상태는 F-(제1(d)도)로 나타난다.
각각의 액정분자(302)는 분자축에 수직한 방향으로 자발분극을 가지며 시트면에 수직이다. F+상태에서 자발분극의 방향은 시트면으로부터 하향으로서 "×"로 나타내는 한편 F-상태에서 자발분극의 방향은 시트면으로부터 상향으로서 "○"로 나타낸다.
2상 즉 F+상태와 F-상태는 양극과 음극간의 직류(DC)전계의 극성을 마이크로초 정도의 속도로 변동시킴으로써 스위치될 수 있다. 또한 반강유전성 액정에서는 상기 F+상태와 F-상태 이외에 F+상태와 F-상태층이 서로 교호하는 반강유전성 상태(AF상태, 제1(c)도)가 있다. AF상태가 가장 안정하다.
그러므로, 반강유전성 액정이 표시장치에서 강유전성 액정보다 더 유리하다. 그 이유는 AF상태에서 액정분자의 방향 즉 자발분극의 방향이 매층마다 변경하여 전체적으로 자발분극 성분이 0이되어 안정상태를 주기 때문이다.
AF상태에 대해서는 모든 액정분자층의 자발분극방향이 직류전계의 극성을 제어함으로써 일치되어 F+상태 또는 F-상태로 유도된다. 또한 AF상태와 F+상태간, 그리고 AF상태와 F-상태간에는 직류전압의 한정된 임계값이 있다.
따라서 제2도의 광학배열에서 직류바이어스전압을 인가함으로서 F+상태와 F-상태가 각각 온(ON)(명)상태에 유지될 수 있는 한편, AF상태가 약한 직류전압의 인가에 의해 오프(OFF)(암)상태로서 사용되는 표시 기술이 개발되었다(예를 들어 1992년 CMC 출판사에 의해 간행된 후꾸다가 감수한 "차세대 액정표시장치와 액정재료" 제102면 참조).
그러므로 반강유전성 액정에서는 F+상태와 F-상태에서 메모리효과가 필요없으며 이를 위해 사용되는 재료가 제한되지 않는다.
상기 반강유전성 액정을 포함하는 표시장치는 다른 표시장치가 갖지 않는 넓은 가시각을 갖는 특징이 있다.
그러나, 일반적으로 반강유전성 액정에서는 직류전압인가에 의해 F+상태와 F-상태가 유도되나 그들을 유지할 수 없다. 따라서 제조 후 그의 유지관리를 보장하는 메모리효과가 불가결하다. 그러나 강유전성 액정에서는 자발분극과 정렬피복간의 상호작용 때문에 대부분의 재료에서 F+상태와 F-상태중 하나만 안정된다. 이것은 적합한 액정재료와 정렬피복재료의 범위가 제한되는 문제가 된다.
반강유전성 액정의 또다른 장점은 계조를 얻을 수 있는 능력이다. 즉 강유전성 액정에서는 직류전압을 인가함으로써 단 2상태만 실현될 수 있으므로 계조생성 가능성이 작다. 그러나 반강유전성 액정에서는 유사한 계조생성 가능성이 지적되었다. 이는 반강유전성 액정에 인가되는 에너지에 의해 F+상태와 F-상태의 비를 조절할 수 있기 때문이다.
강유전성 액정이 충격에 의해 파괴될 수 있는 층구조를 갖지만 반강유전성 액정은 비교적 높은 충격방지능력 및 내충격성을 보장하는 층구조를 가지며 또한 자체보수 능력을 갖는다는 것이 또다른 장점으로서 지적되었다.
한편 액정판넬의 전극들간에 개재된 키랄 스멕틱상은 결정 특유의 정렬결함이 없는 단결정상 즉 모노도메인상이어야 한다. 결함이 존재하면 화상품질이 열화하고 구동시에 새로운 결함 발생의 온상이 된다. 이러한 점에서, 종래의 정렬처리의 사용에 의해 정렬된 반강유전성 액정은 강유전성 액정에 비해 심각한 단점을 갖는다.
그 이유는 일축정렬처리를 한 접속된 단일내부공간을 갖는 액정판넬프레임내에 반강유전성 액정을 주입하는 단계와, 반강유전성 액정이 액상에 있는 고온으로부터 냉각시키는 단계를 포함하는 방법은 단지 강유전성 액정의 사용할 시에 당면하지 않는 다수의 다양한 결함들을 키랄 스멕틱상의 층에서 발생시킨다.
이 결함들은 액상으로부터 SmA상으로의 구역침전과 관련하여 발생한다. 예를 들어 SmA상 구역의 회합된 흔적인 실과 같은 결함, 복수의 구역이 충돌 후 생기는 구멍들의 충전에 의해 생성되는 부분인 다이아몬드형 결함 및 구역내부의 소멸 방향으로의 흐릿한 현상이 나타난다. 또한 키랄 스멕틱상으로의 전이 후 생기는 결함들이 있다. 그러므로 시각적으로 선형 및 다이아몬드형 결함들이 대량으로 나타난다. 이러한 결함들을 갖는 액정을 사용하여 표시장치를 제조할 때 전체 소멸방향이 일방향으로 고정되지 않으므로 대량의 광이 이들 결함을 통해 누설된다. 따라서 AF상태에서 광의 절대투과율이 높고 콘트라스트가 낮은 문제가 발생한다. 자연히 F+상태와 F-상태에서의 표시품질이 저하된다.
이러한 현상이 발생하는 한 이유는 반강 유전성 액정이 N* 상이 아니므로 랜던 액상으로 부터 층구조의 SmA상으로의 직접 상전이가 발생하여 스멕틱상의 층방향이 고정되기 어렵기 때문이다.
이와 관련하여 일본국 특개평6(1994)-3676호에는 상하정렬피복의 러빙방향이 평행이 아닌 일정각도로 교차하는 교차러빙을 채용하는 경우 다양한 결함이 감소하고 정렬이 개선됨이 기재되어 있다. 발명자들의 실험에서도 이 효과를 확인했다. 이 효과가 발생하는 이유는 반강유전성을 나타내는 액정에 있어서 SmA상의 층법선 방향이 종종 일축정렬 처리방향으로부터 광범위하게 벗어나 있기 때문이다.
예를 들어 제3도에 나타낸 바와 같이 액정분자층 E의 층법선 L1은 반강유전성 액정이 개재되는 상하기판(301a,301b)의 상부기판(301a)에서 러빙방향 A로부터 β1의 각도로 경사져 있는 한편, 법선 L2는 하부기판(301b)에서 반대방향으로부터 β2의 각도로 경사져 있다. 상하기판들의 정렬피복을 동일재료로 구성할 경우 일반적으로 β1=β2이다. 그러므로 액정분자층 E의 법선이 셀갭 G의 방향으로 트위스트되므로 층법선방향이 셀갭 G의 방향의 각지점들에서 다르게 된다. 따라서 액정이 충전된 액정판넬 프레임을 냉각하면 내부구조 및 배향이 다른 다양한 구역이 각 곳에 생기고, 이 구역들은 서로 충돌한다. 이때 충돌한 구역들간의 일치성이 불량할 경우 그의 회합부분들은 결함이 된다.
이러한 상태에서 상하기판(301a,301b)의 러빙방향이 교차되는 경우 즉 교차러빙이 제3도에 보인 바와 같이 실행되는 경우 교차각도를, 예를 들어 β1+β2로 조절하면 상부기판(301a)의 액정분자층의 층법선 L1은 하부기판(301b)의 액정분자층의 층법선 L2와 일치한다.
구역회합부들의 일치성은 각 구역내와 구역들간의 SmA상의 액정분자층의 층법선방향의 일치에 따라 향상된다.
그 결과 다양한 결함이 상대적으로 감소하므로 그에 의해 고품질의 SmA 및 키랄 스멕틱상을 얻는 것이 가능하다. 또한 β1+β2의 교차각내에 명확한 소멸방향이 존재하므로 고명암 콘트라스트를 얻을 수 있다.
그러나 다양한 결함들을 줄이기 위해 교차러빙각도를 채용할 때 즉 스멕틱상의 층구조를 완전하게 만들 때 이 층에 특유한 정렬결함인 유사선형결함 및 지그재그결함이 생긴다. 즉 교차러빙은 예를 들어 상하기판들간의 액정분자층의 층법선의 트위스트에 기인하는 다양한 결함과 상이한 종류의 결함들이 시각적으로 확인가능한 상태로 생성하는 환경을 만든다. 지그재그결함과 같은 정렬결함은 층구조가 완정상태의 강유전성 액정내에서 관측되는 비정상적인 정렬로서 알려져 있는 것으로 실용상 가장 큰 장애물이 되었었다.
본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위한 것으로 본 발명의 목적은 반강유전성 액정이 주입되는 한쌍의 기판들간에서 액정 분자층의 법선방향의 트위스트와 불규칙성을 방지 함으로써 액정내에 다양한 정렬 결함이 발생하지 않는 반강유전성 액정을 포함하는 액정판넬을 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 층법선방향에서 트위스트, 불규칙성 등에 기여하는 다양한 정렬결함이 없을 경우 반강유전성 액정의 충전방법과 냉각방법에서의 부적합성으로 인해 유사선형결함 및 지그재그결함이 생기지 않도록 구성된 액정판넬을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 상기 구조에 가장 적합한 액정판넬을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 우수한 충격방지성 및 내충격성을 갖도록 구성된 액정판넬을 제공하는 데 있다.
본 발명은 적어도 하나가 투명한 한쌍의 기판과, 상기 기판상에 서로 대향하도록 형성된 한쌍의 전극과, 상기 기판들간에 소정의 간격으로 평행하게 배열되는 복수의 선형 구획부재와, 상기 전극쌍상에 형성되어 일축정렬처리되는 정렬피복들을 포함하는 액정판넬을 제공한다. 상기 한쌍의 일축정렬처리는 소정의 각도로 교차하는 각방향으로 실행된다. 구획부재들 각각은 교차각내에 들어오는 방향으로 뻗어있다.
각각의 구획부재들은 서로 대향하는 상기 기판들에 접착되어 액정통과구멍 이외의 부분들에서 액정을 밀봉시키는 상태로 유지되는 선형틈을 형성한다. 반강유전성 액정은 각각의 선형틈들내에 밀봉된다.
상기 액정판넬은 액정판넬 프레임을 구획 부재들의 연장부의 방향에 상관하여 형성 및 유지되는 온도구배를 갖는 상태에서 내부에 밀봉된 반강유전성 액정을 갖는 선형틈의 일단으로부터 그의 타단으로 냉각시켜 반강유전성 액정이 액상 또는 스멕틱A상을 나타내는 온도로부터 반강유전성 액정이 키랄 스멕틱상을 나타내는 온도까지 반강유전성 액정을 냉각시킨다.
본 발명의 액정판넬은 적어도 하나가 투명한 한쌍의 기판과, 상기 기판상에 서로 대향하도록 형성되는 한쌍의 전극과, 상기 기판들간에 소정의 간격으로 평행하게 배열되는 복수의 선형 구획부재와, 상기 전극쌍상에 형성되어 일축정렬처리되는 정렬피복들을 포함하며, 상기 한쌍의 일축정렬처리는 소정의 각도로 교차하는 방향으로 실행되며,상기 구획부재들 각각은 상기 교차 각도내에 들어오는 방향으로 뻗어있으며, 각각의 구획부재들은 서로 대향하는 상기 기판들에 접속되어 액정통과구멍 이외의 부분들에서 액정을 밀봉시키는 상태로 유지되어 선형틈을 형성하며, 반강유전성 액정은 상기 각각의 선형틈들내에 밀봉된다.
상기 전극쌍은 소위 띠형전극 또는 평면전극으로 구성할 수도 있다. 용어 "띠형전극"은 소정의 간격으로 복수의 선형전극들을 배치하여 형성되는 전극을 뜻한다. 매트릭스 화소전극은 서로 직각으로 대향하도록 한쌍의 띠형전극을 배치함으로써 형성된다.
구획부재들 각각은 띠형전극과 동일한 간격 또는 복수의 간격들로 기판들중 하나위에 형성된 띠형전극의 전극들간에 선형으로 연장되도록 배치되는 것이 좋다. 띠형전극을 사용한 액정판넬은 소위 매트릭스구동 액정판넬이다. 상기 기판쌍간의 공간은 구획부재들의 높이가 상기 기판들간의 셀갭에 상응하도록 구획부재들에 의해 결정된다.
반강유전성 액정은 키랄 스멕틱CA, 키랄 스멕틱Cα, 키랄 스멕틱Cβ, 키랄 스멕틱Cγ상들로 구성되는 그룹으로부터 선택한 키랄 스멕틱상의 상태에 있도록 세트하는 것이 좋다.
상기 키랄 스멕틱상은 구획부재들의 연장방향에 평행한 또는 실질적으로 평행한 법선방향을 갖는 것이 좋다.
제4도를 참조하면, 액정분자층 E의 배치는 러빙같은 일축정렬처리에 의해 결정된다. 제4도는 러빙방향 A가 액정분자층의 층법선 L0와 일치하는 상태를 나타낸다. 한편 제5도는 러빙방향 A로부터 층법선 L0이 β0각도로 경사진 상태를 나타낸다.
층법선 L0가 러빙방향 A와 일치하는지 또는 경사져 있는지는 액정의 특성과, 액정과 정렬피복간의 상호작용에 의해 좌우된다. 일반적으로 러빙방향 A로부터 층법선 L0의 경사는 반강유전성 액정에 대해 발생하는 한편 강유전성 액정에 대해서는 층법선 L0과 러빙방향 A가 실질적으로 일치한다. 어느경우에도 층법선 L0의 결정된 방향은 구획부재들과 평해하거나 또는 실질적으로 평행하다. 여기서 용어 "실질적으로 평행"이라 함은 그들간에 형성된 각이 15°이하임을 뜻한다.
종래 키랄 스멕틱상층은 제1(a)도에 보인 바와 같이 책선반구조를 갖는 것으로 생각되었으나 사실상 액정분자층 E의 중간이 제6도에 보인 바와 같이 "<<"형상으로 만곡된 쉐브론 구조 또는 제7도에 보인 바와 같이 드물게 경사진 책선반구조를 갖는다.
"<<"의 형상을 가질 경우 키랄 스멕틱상의 층의 굽혀지는 방향은 스멕틱A상으로부터 최초의 침전된 키랄 스멕틱상의 층과 동일 또는 실질적으로 동일한 굽혀지는 방향을 갖는 것이 좋다.
경사진 책선반구조를 가질 경우 키랄 스멕틱상은 스멕틱A상으로부터 최초로 침전된 키랄 스멕틱상의 층과 동일 또는 실질적으로 동일한 경사방향을 갖는 것이 좋다.
이제 지그재그결함의 정지구조를 간략히 설명한다. 약 1~3㎛ 두께의 박층에서는 키랄 스멕틱상층이 현재 믿고 있는 것과는 반대로 제1도에 보인 바와 같이 책선반구조를 갖지 않고, 액정분자층 E의 중간이 제7도에 보인 바와 같이 드물게 경사진 책선반구조를 갖거나 또는 제6도에 보인 바와 같이 "<<"의 형상으로 굽혀진 쉐브론 구조를 갖는다.
쉐브론 구조에서는 2방향 즉"<<" 방향과 ">>" 방향으로 만곡될 수 있다.
경사진 책선반구조(제7도에 도시됨)에서는 2 방향 즉"/ / "방향과 "＼＼"방향으로 경사질 수 있다.
제8도를 참조하면 기판부근에 존재하는 액정분자(302)(굵은선으로 나타냄)는 기판으로부터 소정의 각도로 그의 일단에서 부상한 상태를 갖는다. 이 각도를 사전경사 각 α로서 나타낼 때 α가 0이 아닐 때 액정분자층 E내부의 액정분자(302)의 응접상태는 액정분자층 E의 굽혀진 방향에 따라 다르다.
다음에 기판들간의 액정을 소정의 방향으로 배열하기 위해 사용되는 일축배향 정렬처리에 대해서 설명한다. 하기 설명에서 적당한 천으로 기판을 일방향으로 문질러주는 러빙처리를 일축배향 정렬처리라 한다. 그러나 이러한 설명은 또다른 일축배향 정렬처리 예를 들어 비스듬한 중착처리에도 자연히 적용된다.
본 발명에서와 같이 상하 러빙방향쌍이 서로 동일 또는 실질적으로 동일 할 때 뿐만 아니라, 상하 러빙방향이 서로 교차하는 소위 교차러빙일 때 스멕틱상(제1도)의 층법선(102)(제1도)은 실질적으로 일방향을 갖는다.
이 경우에 쉐브론 구조에서는 상하 러빙방향을 액정분자층의 굽힘방향이 제8도에 보인 바와 같이 스멕틱상층들에서 구별될 수 있는 5가지 액정분자의 응집모드가 잇다. 경사진 책선반구조에서는 제9(f)도 및 제9(g)도에 나타낸 바와 같이 2가지 액정 분자의 응집모드가 있다. 제8도 및 제9도에서 문자 δ는 액정 분자층 E의 굽힘각 또는 경사각을 나타낸다.
구체적으로 그 각도의 범위는 약 수~20도이다. 도면에서 화살표 A는 러빙진행방향을 나타낸다. 본 발명에서와 같은 교차러빙에서 상하러빙방향은 제3도에 보인 바와 같이 예를 들어 30°이하의 적당한 각도로 서로 경사진다.
제8도에 보인 5가지 정렬모드에 관해서 제8(a)도 및 제8(b)도의 배열은 각각 C1상태와 C2상태라 한다.(J. Kanbe 등의 "강유전성" 114, 3 (1991)). 이들은 러빙진행방향이 소정의 교차각도로 그러나 동일방향이 되도록 상하기판을 서로 대향하도록 배치한 러빙세트에 의해 얻은 액정분자의 응집상태들이다. 상기 교차각이 0인 경우 평행러빙이라 한다.
C1상태에서는 액정분자(302)가 애정분자층 E의 경사방향과 동일한 방향으로 사전경사져 있다. C2상태에서는 액정분자(302)가 액정분자층 E의 경사방향과 반대방향으로 사전경사져 있다. 제8(c), (d) 및 (e)도의 배열은 특정한 명칭이 없다. 여기서 이들은 제각기 C1/C2혼합상태, 일측C2상태, 일측C1상태라 한다.
제8(c)도의 상태는 상하러빙 진행방향이 서로 반대 즉 비평행러빙이 되도록 상하기판을 함께 조립한 러빙세트에 의해 얻은 액정분자의 응집상태이다. 이 경우에 상하러빙 진행방향은 소정의 각도로 서로 교차하도록 세트된다. C1/C2상태는 절반이 C1상태, 절반이 C2상태로 구성된다. 이 경우에 반대의 굽힘방향들은 서로 구별할 수 없다.
제8(d)도 및 제8(e)도의 상태들에서는 한쪽 기판상에는 러빙처리를 하지 않았다. 이 응집상태들에서 실제의 층구조는 도면들에 보인 상태들로부터 약간 변형되어 있다. 왜냐하면 예를 들어 상하정렬 피복재료들의 변동 및 정렬피복의 제조조건의 변동에 기인된다. 각층에 수용된 액정분자의 모드에 제8도에 보인 바와 같이 단순한 균질상태가 아니고 액정분자가 상하기판들간에 연속으로 꼬인 트위스트상태일 수도 있다.
지그재그결함들은 제10도에 보인 바와 같이 액정분자층 E의 굽힘방향이 서로 다른 2구역이 함께 결합하는 부분들에서 발생한다. 서로 다른 굽힘방향을 갖는 구역들간의 경계(203)는 지그재그결함으로서 나타난다.
유사선형결함(204)의 발생이유는 아직 완전히 규명되지 않았다. 그러나 동일한 굽힘방향의 구역들이 함께 성장하여 연합할 때 그들의 경계가 사라지지 않고 남아 있는 부분들로서 생각할 수도 있다. 경사진 책선반구조에서는 경사방향들이 서로 다른 구역들의 경계에서 지그재그결함들이 발생한다.
상기 정렬결함들은 액정판넬의 전체를 온도구배없이 균일하게 냉각시키는 냉각방법으로서 정의되는 단순한 냉각에서 발생할 가능성이 있다. 이를 고려하여 일축정렬처리의 단순한 냉각과의 조합을 사용할 경우 예를 들어 제5도 및 제8도에 보인 여러 응집상태로부터 의도적으로 하나만 선택하기 어렵다. 즉 스멕틱상층의 층법선방향(102)은 일축정렬처리에 의해 결정되지만 층굽힘 또는 경사방향이 그에 의해 무조건적으로 결정되지는 않는다. 만일 간단한 구조의 C1상태 또는 C2상태를 선택 및 형성할 경우 지그재그결함의 발생을 피할 수 있다.
그러나 그 수단은 여전히 알지못하고 있다. 또한 복수의 구역들이 아무런 결함없이 공존하게 하는 기술조차 여전히 모르고 있다. 그럼에도 불구하고, C1상태에 대해 한 제안이 있었다(제이. 칸베등의 "강유전성"114, 3 (1991)). 이 문헌에는 사전경사각 α가 층굽힘각만큼 클 경우 C2상태의 발생이 간단한 기하학상의 고려에 의해 억제할 수 있다고 언급되어 있다. 그러나 그 내에 언급된 내용은 C2상태가 기하학적으로 허용가능하지 않지만 C1상태 자체가 또다른 허용가능하지 않은 구조를 통해 형성된다는 모순을 갖고 있다.
이러한 의견이 정당하더라도 사전경사각 α이 약 20°(》δ)로 조정할 필요가 있으므로 실용상 어렵다. 또한 적합한 재료의 범위가 제한된다. 또한 액정의 후술하는 체적수축은 고려되지 않으므로 C1상태가 항상 안정되게 형성될 수 있다는 보장이 없다.
가장 바람직한 것은 어느 응집상태라도 선택할 수 있고 또한 결함생성 없이 그러한 응집상태들(제8도 참조)의 공존을 허용하는 액정판넬의 제조방법을 제공하는 것이다.
이제 지그재그결함과 유사선형결함의 발생원인을 설명한다. 지그재그결함은 액정이 SmA상에서 키랄 스멕틱상으로의 제1상전이 직후 발생하여 전달되는 것으로 현미경 관찰에 의해 밝혀졌다. 상하 러빙방향이 서로 평행하거나 또는 실질적으로 평행한 평행러빙에서 제일 먼저 나타나는 응집상태는 C1상태이다. C1상태는 대략 2~6℃정도로 낮은 온도에서 C2상태로 변환된다. 결함은 고온측의 C1상태에서 저온측의 C2상태로의 전이발생에 의해 원인이 된다.
일반적으로 SmA상에서 C1상으로의 전이에서는 새로운 결함이 생기지 않는다. 지그재그결함은 제11(a)도에 나타낸 바와 같이 모든 층들에서 C1상태에서 C2상태로의 상전이가 되지 않기 때문에 발생한다.
즉 C2상태로의 상전이 완료즉시 C2상태와 잔존 C1상태간의 경계가 지그재그 결함들로 된다. 또한 상술한 전이가 모든 영역에 걸쳐 완료된 것처럼 보이더라도 종종 유사선형결함으로 칭하는 결함들이 발생한다.
이것을 C1상태의 구역 내부에 발생하는 복수의 C2상태의 구역이 성장하여 그들이 서로 연합할 때의 회합부분이 사라지지 않고 남아있는 부분이다.
C1상태에서 C2상태로의 변동은 불가피하게 발생하는 현상으로서, 이하 이에 대해 정성적으로 설명한다. 액정분자층이 굽혀지는 이유는 액정냉각에 따라 액정 패널의 셀갭을 따라 액정분자층이 연장되기 때문이다.
액정분자층이 연장되는 이유는 셀갭내에서 액정의 체적이 항상 실질적으로 일정한 조건하에서 층법선 방향으로부터 액정분자의 경사에 기여하는 층간격이 줄어들기 때문이다. 즉 층은 층간격의 감소만큼 셀갭을 따라 연장한다.
제1의 연장은 C1상태로의 굽힘에 의해 흡수된다. 그러나 차기연장의 흡수는 에너지학적으로 어렵다. C1상태에서의 굽힘은 대량의 에너지를 필요로 하므로 층굽힘 즉 층연장에 의해 에너지 증가가 작은 응집상태로의 변동이 불가피하다. 구체적으로 비록 이웃하는 액정분자가 SmA상의 구조를 그대로 반영함에 의해 C1상태에서 평행관계로 위치되더라도, 서로 인접한 액정분자들이 코아부에서 반발력을 증가시키므로 액정분자가 분자축을 따라 슬라이드하거나 또는 슬라이딩이 용이한 상호정렬, 즉,C2상태로 변동한다.
여기서 중요한 것은 C1상태에서 C2상태로의 변동은 층이 전체적으로 역방향으로 슬라이드에 의해 굽혀지는 것이 아니라는 것이다. 제11(b)도를 참조하면 실선으로 나타낸 C1상태는 점선으로 나타낸 C2상태인 것으로 생각할 수 있다. 즉 C1상태는 이웃하는 액정분자를 약간 변위시킴으로써 C2상태로 변환할 수 있다.
그러나 C1상태에서는 C2상태로의 액정응집상태의 변동은 항상 결함들을 발생시킨다(제11(a)도), 특히 구역회합의 흔적인 유사선형결함은 C2상태에 남아 있다. 만일 C1상태에서 변동이 연속되지 않을 경우 유사선형결함이 발생하지 않는다.
또 다른 수단으로서 액정을 밀봉하는 공간을 미세하게 구획하여 회합을 피하는 것이다. 그러나 그러한 미세구획은 한계가 있으므로 실용화할 수 없다. 일반적으로 C2상태에 지그재그결함(203)(제10도 참조)이 없지만 유사선형결함(204)은 존재한다. C1/C2상태에서는 유사선형결함은 없지만 지그재그결함발생은 피할 수 없다.
따라서 액정분자측의 굽힘방향을 변경시키는 어떤 구조변경이 있는 한 결함발생을 피할 수 없다는 결론을 얻었다.
반강유전성 액정은 2형의 전이방식 즉 SmA상에서 SmC*상을 통한 반강유전성상태로의 전이와 SmA상에서 SmCA*상으로의 직접전이가 있다. 그러므로 하기와 같은 변경의 경우에 불가피하게 결함이 발생한다.
(1)SmA상→C1상→C2상→SmCA*상
(2)SmA상→CA1상→CA2상
(3)SmA상→C1상→CA2상
(4)SmA상→SmC*상→CA1상→CA2상
여기서 CA1상과 CA2상은 각각 SmCA*상의 SmC상과 유사한 굽힘 상태를 나타낸다.
그러므로 키랄 스멕틱상의 층들내의 결함들의 발생을 피할 수 있는 것으로는 하기와 같은 방법들이 있다.
(1)고온측의 SmC*상(C1상태)으로부터 저온측의 SmC*상(C2상태)으로의 변경을 억제하면서 C1상태를 저온까지 연장하는 방법.
(1')고온측의 SmCA*상(CA1상태)으로부터 저온측의 SmCA*상(CA2상태)으로의 변경을 억제하면서 CA1상태를 저온까지 연장하는 방법.
(2)SmA상에서 직접 저온측의 C2 또는 CA2상태로 변경시키는 방법.
상술한 바와 같이 (1)과 (1')의 방법의 경우에는 C1상태→C2상태(CA2상태)의 상태변경이 생기거나, 이 상태변경은 재료 또는 특수 고안을 선택함으로써 피할 수 있다. 상기 (2)의 상태변경은 언제나 실현될 수 있다.
액정분자층의 반대방향으로의 구조변경은 비평행 러빙에 의해 형성되는 C1/C2혼합상태에서 당면하는 문제점을 야기한다는 또다른 예를 제안한다. 이 경우에 상하 러빙처리의 조건이 동일할 경우 서로 반대하는 액정분자층 굽힘 방향을 갖는 2 응집상태들(제8(c)도)은 서로 완전 동일하므로 C1상태와 C2상태간에 확인된 차이가 없다 .
즉, C1상태와 C2상태는 서로 대향하는 액정분자층 굽힙방향을 갖는 2 응집상태중 하나에서 동일한 확률로 발생할 가능성이 있다. 그러므로 비록 지그재그결함이 발생하더라도 굽힘방향의 변경이 발생하지 않으므로 유사선형결함이 발견되지 않았다. 이는 C1상태→C2상태와 같은 구조변경의 발생을 나타내지 않는다.
요약하면 결함을 피하는 조건은 키랄 스멕틱상의 상태에서 액정분자층의 굽힘방향을 변경시키는 것과 같은 그러한 구조변경을 일으키지 않는 것이다. 이 구조변경은 평행러빙에 대해 C1상태에서 C2상태로의 변경 또는 SmA상에서 C2상태로의 직접전이를 억제함으로써 방지될 수 있다.
비평행러빙에 대해 상기 구조변경은 액정분자층의 굽힘 방향을 고정시킴으로써 방지될 수 있다.
이와 관련하여 간략하게 SmA상에서 최초로 침전된 키랄 스멕틱상은 단층굽힘방향을 가지며, 이 방향을 실온까지 유지시켜 주면 액정분자층의 굽힘방향이 고정된다. 이는 청구범위 제6항 및 제7항에 해당한다.
다음에 특정한 구조변경을 억제 또는 피하기 위해 효과적인 구성을 갖는 액정판넬과 그러한 액정판넬의 제조방법을 설명하겠다. 이미 지적한 바와 같이 한쌍의 일축정렬처리는 액정분자층의 층법선 방향을 결정하지만 층굽힘 방향을 절대적으로 결정하지 못한다. 본 발명자는 층굽힘 방향을 지배하는 또다른 결정요소가 있는지에 대해 알기 위해 상세히 분석하였다. 그 결과 냉각에 의한 체적수축방향 즉 액정이동이 층굽힘 방향에 대해 결정적인 영향을 갖는다는 것을 밝혀냈다.
구체적으로는 층굽힘 방향은 액정판넬 내부의 액정이동을 통해 액정분자층의 변형을 유발함으로서 제어할 수 있음을 밝혀냈다. 또한 이동 자체는 정렬 상태를 개선할 가능성이 있고 또한 액정의 이동은 액정을 유지하는 공간의 형상과 액정을 냉각시키는 방법에 의해 제어할 수 있음을 밝혀냈다.
상기 공간의 형태는 좁거나 가느다란 것이 좋다. 또한 액정분자층의 형성시에 액정분자층의 형성시에 액정분자층의 층법선 방향과 액정밀봉용 공간의 연장방향 모두에서 온도구배가 있을 때 액정은 온도가 사전에 강하된 부위를 향해 이동하므로 결과적으로 액정분자층이 그 방향으로 굽혀진다는 것을 경험적으로 밝혀냈다.
이 규칙을 일예로서 평행러빙을 사용하는 제11도를 참조하여 설명한다. 판넬 프레임에 상관하는 액정의 체적수축은 절대적으로 액정의 냉각에 의해 원인이 된다. 정렬피복부근의 액정부분은 비교적 낮은 이동도를 가지므로 수축력은 층의 중심을 냉각점을 향해 유도하는 힘으로서 작용한다. 그 결과 온도가 사전에 낮춰진 지점을 향해 층구조를 유지시키면서 층의 중심이 이동한다. 따라서 SmA상의 상태에 있을 때 층은 냉각지점을 향해 이미 굽혀져 있다(제11(b) 및 제11(c)도). 결과적으로 C2상태의 방향으로부터의 냉각은 C1상태를 거치지 않고 C2상태로의 직접전이를 유도한다(제11(c)도).
왜냐하면 SmA상 자체는 C2상태와 동일구조를 갖기 때문이다. 이는 또한 C1상태의 방향으로부터 냉각을 행할 때에도 적용된다(제11(b)도).
상술한 층법선에 따른 온도구배의 형성은 모든 액정분자층이 동일방향으로 굽혀지도록 하므로 결함발생의 여지가 없다. 사실상 C2상태의 방향으로부터 냉각을 행할 때에 유사선형결함을 포함하여 정렬결함이 생기지 않는다.
이미 지적한 바와 같이 C1상태의 방향으로부터 냉각을 행할 때에 액정에 따라 지그재그결함이 발생하고 경우에 따라서는 C2상태의 구역 내부에만 유사선형결합이 나타난다. 이에 의해 C1상태 구역내의 후방으로 굽은 C2상태 구역이 발생한다(제11(b)도).
일반적으로 상전이는 SmA상 또는 C1상태 굽힘변경의 정도를 조절함으로써 C1상태에서 종료될 수 있다. 이들은 평행러빙 및 비평행러빙, 정렬피복의 재료, 액정 등의 조건에 의존하지 않는 범용적인 효과이다.
온도구배가 절대적으로 필요한 이유는 그의 회합에 의해 추종되는 액정판넬 내부의 각 부분들에서 액상으로부터 석출되는 SmA상 구역의 랜덤발생을 방지하는 데 있다. SmA상 구역들은 온도구배의 방향에 대해 횡방향으로만 존재하므로 구역의 회합이 온도구배방향으로 전혀 발생하지 않는다.
비록 구역회합의 발생은 온도구배방향에 대해 횡방향으로 생각할 수 있지만 그러한 구역회합의 수는 구획부재의 존재에 의해 최소화될 수 있다. 구역들간의 일치성이 우수하더라도 구역회합의 수가 작을수록 장점이 더 많다.
구역 회합의 수는 복수의 구획부재에 의해 밀봉되는 선형틈들을 형성한 후 반강유전성 액정을 그 선형틈에 넣은 본 발명의 구조에 의해 최소화 할 수 있다.
본 발명의 액절판넬은 액정분자층의 층법선 방향에서의 온도구배하에서 액정에 작용하는 수축력의 집중화의 관점에서 양호한 구조를 갖는다.
제12도는 그러한 액정판넬의 일예를 나타낸다. 액정판넬(1)에서는 각각 셀갭 G에 상응하는 두께 갖는 선형 구획부재(8)가 한쌍의 유리기판들중 하나(3) 위에 형성되어 이웃하는 띠형 투명전극들(5)간에 형성된다. 다른 유리기판(2)은 적당한 수단에 의해 구획부재들(8)에 접착하므로 그에 의해 기판쌍이 함께 완전히 결합된다. 또한 정밀하게 특정된 셀갭 G를 갖는 액정 밀봉용 액정판넬 프레임을 구성한다. 표시번호 7,9는 예를 들어 폴리이미드로 구성되는 정렬피복을 나타낸다. 참조번호 4는 상기 투명전극(5)과 대향하여 배치되며 투명전극(5)에 직각으로 띠형상으로 연장되는 상대투명전극을 나타낸다.
참조번호 6은 절연피복을 나타낸다. 절연피복으로서 약 100㎚(1000Å)의 두께를 갖는 알루미나 또는 실리카 박막을 사용할 수 있다. 칼라필터는 투명전극의 어느 하나의 상하측상에 설비할 수 있다. 상기 구조는 이웃하는 구획부재(8)간에 형성되는 선형틈들 R을 제공한다. 반강유전성 액정은 이들 선형틈들 R내에 밀봉되며 그에 의해 액정판넬(1)을 얻을 수 있다.
제13도는 액정판넬(1)의 정면도이다. 띠형전극(5)상에 제공된 선형틈들 R은 구획부재(8)에 의해 서로 분리되며 각각은 전방 가장자리부(22)와 후방 가장자리부(23)의 구멍들을 제외하고 완전폐쇄공간을 만든다.
즉 선형틈들 R은 그 구멍들 이외의 부분에서 액정을 통과시키지 않는다. 각각의 선형틈들 R의 단면형상은 제12도에 나타낸 바와 같이 평평한 4변형, 즉 직사각형이다. 이 경우에 최소폭으로서 직사각형의 긴 쪽 L은 예를 들어 띠형전극(5)의 길이와 거의 동일한 약 50~500μm로 자동세트되며, 짧은쪽 S은 셀갭 G와 거의 동일한 예를 들어 1~3㎛로 세트된다. 선형틈들 R의 단면형상은 일반적으로 완전 4변형이 아니다.
왜냐하면, 투명전극(5)의 두께, 4 구석의 둥근 정도 등에 기인하기 때문이다. 선형틈들 R을 나누기 위한 구획으로서 각 구획부재(8)의 폭 W은 이웃하는 투명전극(5)들간의 거리, 예를 들어 10~100㎛로 세트된다. 각 선형틈들 R의 길이(제13도)는 액정표시장치의 표시부 D로서 노출된 전극의 길이인 예를 들어 10~40㎛이상으로 세트한다. 이 세팅은 각각의 선형틈들 R의 액정입구와 출구에서 관측된 길이로 약 5~10㎜의 정렬 비정상성 Q를 고려한 것이다.
제12도를 참조하면 각 구획부재(8)의 연장방향 K은 일측의 투명전극(5)과 평행하다. 각 구획부재(8)가 연장방향 K으로부터 상하 러빙방향 A1과 A2의 각도는 제각기 β1과 β2이다. 이들 각들은 러빙에 의해 결정되는 액정분자층의 층법선 방향이 각 구획부재(8)의 연장방향 K과 평행하거나 실질적으로 평행하게 되도록 결정한다. 각 구획부재(8)의 연장방향 K은 당연히 교차각 β(=β1+β2)내에 포함된다.
일반적으로 각 구획부재(8)의 연장방향 K으로부터 액정분자층의 층법선 방향의 편차가 클수록 액정의 수축이 더욱 자연스럽게 진행하지 못한다. 따라서 결함발생의 확률이 증가한다. β1 또는 β2가 각 구획부재(8)의 연장방향 K으로부터 ±15°이내에 들어오는 것이 결함을 방지하는 관점에서 양호한 것으로 실험에 의해 밝혀졌다.
제12도에 보인 액정판넬(1)에서 선형 구획부재(8)는 띠형전극(5)의 이웃하는 잔극들간에 예외없이 구비되며 상하기판들(2,3)은 구획부재(8)에 의해 함께 접착된다. 액정은 각각의 선형으로 구획된 좁은 틈들 R내에서 구불구불하지 않게 직진으로 이동하므로 액정이 구부러져 축적되지 않으며 공극이 형성되지 않는다.
이러한 구조 덕분에 구역 회합들의 수는 SmA상의 성장중일지라도 감소된다. 또한 액정 냉각에 의한 액정의 수축은 틈 R의 연장 방향 K으로 제한 되므로 선형틈들 R간의 간섭을 피할 수 있다.
선형틈을 포함하는 상기구조는 평면전극을 사용하는 액정판넬 내에서도 사용할 수 있다. 이러한 형태의 전극은 레이저(어드레싱)표시에 사용된다.
이 구조에서 구획부재 간격은 만족스러운 압축, 전단 및 기타의 힘에 대한 내성, 기판상의 만족스러운 결합강도, 필요한 이동거리, 액정분자층의 필요한 변형도, 액정침투율 등을 고려하여 결정된다.
실험에 의해 간격을 2㎜이하로 세트하는 것이 안전한 것으로 밝혀졌다.
종래의 액정판넬에서는 통상적으로 기판쌍간의 셀갭이 알맹이 또는 기타 간격부재에 의해 확보된다. 그러나 기판들은 함께 접착되지는 않는다. 이러한 종래의 액정판넬은 하기와 같은 문제점을 갖는다.
(1)온도구배의 존재하에서 액정과 기판간에 열수축을 동기시킬 수 없으므로 적합한 정렬층을 얻을 수 없다.
(2)액정판넬이 충격방지성과 내충격성을 갖지 못하므로 표시장치 제조공정중 또는 사용할 때에 파괴되기 쉽다.
(3)액정이 액정판넬의 깊은 곳까지 선형으로 균일하게 침투하지 못하므로 액정내에 기포가 생길 우려가 있어 꾸불꾸불해져 결함이 생기기 쉽다.
반강유전성 액정의 층구조는 고내충격성을 가지며, 또한 자체보수 능력을 갖는다. 그러나 실용에 있어서, 액정판넬을 가볍게 눌러서 반강유전성 액정의 층구조가 일단 파괴되면 층구조가 초기상태로 복원될 수 없다.
본 발명의 구조에서는 충격시에 결함이 발생하더라도 단시간에 결함이 사라지므로 층구조를 초기상태로 복원할 수 있다.
약 25~40인치의 대각선 길이를 갖는 직시형의 반강유전성 액정 표시장치에 관해서 기판쌍이 종래와 같이 함께 접착하지 않을 때 액정판넬을 수직으로 세우면 기판 자체와 액정의 중량에 기인하여 기판의 저부가 확대되어 상기 중량에 의해 바닥에 존재하는 액정을 손상시킨다. 이와 대조적으로 기판쌍이 본 발명에 의한 띠형 구획부재들에 의해 직접 또는 간접으로 함께 강하게 접착된 액정판넬은 액정의 손상을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 액정판넬의 모든 표면에 걸쳐 셀갭을 균일하게 유지할 수 있다.
구획부재는 여러 가지 중합성 포토레지스트들 중에서 적당히 선택할 수 있다. 중합성 화합물은 각각의 유리 전이온도 이상의 온도로 유지하면 연화하여 점착성을 나타낸다. 접착을 완료하여 냉각시키면 기판쌍은 유연하고도 강하게 함께 접착할 수 있다.
상술한 바와 같이 온도구배를 주면서 액정판넬을 냉각시키는 것은 액정판넬을 고온분위기에서 저온분위기로 적당한 속도로 이동시키는 것이다.
상술한 고온분위기와 저온분위기를 실현하기위한 항온 분위기는 예로 들면 (1)오븐내 등의 가스, (2)뜨거운 선반, 펠티에르소자 등의 고체, (3)물, 실리콘유, 오일 등의 액체 및 (4)적외선과 같은 복사선 등에서 하나를 선택할 수 있다. 온도안정성과 생산성의 관점에서 좋은 냉각방법들로는 액체, 특히 고온수로부터 액정판넬을 들어올리는 것과 터널가마에 액정판넬을 적당한 속도로 통과시키는 것 등이 있다.
항온 고온부와 항온 저온부간에 열누설을 방지할 수 있는 단열재를 배치해야 좋다. 그렇게 함으로서 액정판넬상에 제공되는 온도구배를 일정하고도 안정되게 만들 수 있다. 액정판넬을 구획부재와 실질적으로 평행하게 이동시키는 것에 대해서는 액정판넬의 전방 가장자리부를 후방 가장자리부와 바꿔줌으로써 2개의 상방된 방향의 이동모드를 실현할 수 있다.
액정판넬의 실제상의 냉각시에 상기 냉각 방법들중 원하는 것을 선택할 수 있다. 고온상태에 대해서는 비록 액정이 액상을 나타내는 온도를 사용하는 것이 좋지만 온도범위가 넓을 경우 SmA상에 상응하는 온도범위의 고온부에 들어가는 온도를 사용하는 것이 좋다. 액정판넬의 이동 속도는 5㎝/min이하, 바람직하기로는 10~20㎜/min이 좋다.
액정판넬에서 반강유전성 액정에 대한 일축정렬처리는 교차러빙방법에 따라 행한다. 그렇게 하면 기판쌍간에 개재되는 반강유전성 액정의 스멕틱 상층내에서의 꼬임, 불규칙성 등의 발생이 방지되므로 지그재그결함과 유사선형결함 및 다른 여러 결함의 발생을 방지할 수 있으므로 스멕틱상의 이상적인 층구조를 형성할 수 있다.
일반적으로 지그재그결함과 유사선형결함과 같은 결함들은 종래의 액정판넬 프레임, 예를 들어 (1)상호접착 없이 기판쌍간에 개입된 알맹이들과 같은 간격분리재와 서로 대향하도록 배열된 기판상을 갖는 형의 액정판넬 프레임내에 반강유전성 액정을 주입할 때와, (2)예를 들어 액정판넬의 모든 표면을 온도구배 없이 균일하게 냉각시키는 종래의 냉각법에 의해 반강유전성 액정에 대한 정렬처리를 행할 때 액정내에서 발생한다.
상기 다양한 결함이 반강유전성 액정내에 존재할 경우, 지그재그 결함과 같은 결함은 그에 의해 감춰지므로 결함의 존재가 시각적으로 확인될 수 없다. 그럼에도 불구하고, 반강유전성 액정의 스멕틱상층 구조를 본 발명에 의한 교차러빙에 의해 완성하면 지그재그결함과 같은 숨겨진 결함들이 가시화된다.
그러나 본 발명에 따라 구획부재에 의해 밀폐상태로 구획된 선형틈을 따라서 반강유전성 액정을 주입하면 반강유전성 액정을 액정판넬 프레임의 깊은 곳까지 균일하게 선형으로 완전히 충전할 수 있다. 그 결과로서 공극발생이 확실하게 방지될수 있다. 그에 의해 결함이 없어져 후면광으로부터 광누설이 방지될 수 있으므로 반강유전성 액정을 포함하는 액정표시장치에는 암상태로서 이상적인 정렬상태를 얻을 수 있다.
또한 본 발명에서는 기판쌍을 복수의 띠형 구획부재에 의해 함께 접착하였으므로 기판쌍의 상호접착 없이 알맹이와 같은 간격부재에 의해 셀갭을 간단히 고정한 종래의 액정판넬보다 충격방지성과 내충격성이 우수한 액정판넬 구조를 얻을 수 있었다.
본 발명에 의하면 적어도 25인치 이상. 특히 약 40인치 정도의 대각선 크기를 갖는 초대형 액정판넬을 만족스러운 충격방지성과 내충격성을 갖도록 제공할 수 있다.
본 발명의 액정판넬은 반강유전성 액정의 액정분자층내에서의 꼬임, 불규칙성 등의 발생을 방지하여 액정내에 다양한 결함의 발생을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 구획부재의 연장방향에 평행하게 액정분자층의 층법선 방향의 세팅에 의해 수축이 원활하지 못함에 의한 유사선형결함과 같은 결함들의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 액정판넬은 모든 액정판넬에 걸쳐 액정분자층의 층구조를 더욱 균일하게 만들 수 있으므로, 지그재그결함과 유사선형결함의 발생을 더 확실하게 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 액정판넬의 제조방법은 청구범위 제1항에 청구한 바와 같은 액정판넬에서 결함이 없는 형으로 정렬된 반강유전성 액정을 얻기에 가장 적합한 냉각방법을 제공한다. 좀더 구체적으로 액정이 주입된 좁은 기밀밀봉된 선형틈들을 따라 온도구배를 형성하고, 그 온도구배를 점진적으로 선형틈들을 따라 이동시킴으로써 액정을 순차적으로 냉각시킨다. 결국, 액정분자층의 굽힘 또는 경사방향이 강제로 일정 각도로 향하도록 되므로 지그재그결함과 같은 결함의 발생이 확실히 방지될 수 있다.
본 발명을 실시예들을 참조하여 설명한다. 그러나 본 발명이 이들 실시예들로 제한되지는 않는다.
[실시예]
[실시예 1]
제12도를 참조하면 기판으로서 A4사이즈(297㎜×210㎜)의 유리판(3)의 표면상에 300㎛의 간격으로 270㎛의 선폭과 150㎚의 두께를 갖는 띠형 투명전극(5) 즉, 복수의 투명전극(5)들을 세로방향으로 평행하게 형성했다. 폴리이미드 수지농도가 2%인 "HL1110"(히다찌 케미칼사제) 정렬피복용액을 유리기판(3)상에 형성된 띠형 투명전극(5)상에 1000rpm의 스핀코팅으로 20초동안 도포 후 1시간동안 180℃에서 소성하여 두께 100㎚의 폴리이미드 정렬피복(9)을 형성한다.
그 다음 폴리이미드 정렬피복(9)상에 투명전극(5)의 세로방향으로부터 β2의 각도(후술함)를 갖는 방향으로 일축정렬처리로서 러빙을 행했다. 정렬피복(9)위에 동일한 포지티브형 "MP-S1400"(쉬프리파리스트사제)의 포토레지스트로 1.7㎛의 두께로 더 스핀코팅한 후 90℃에서 건조했다.
포토레지스트는 제13도에 보인 구획부재(8)의 띠형 패턴을 갖는 마스크를 사용하여 노광 후 알칼리 현상제에 의해 현상한 다음, 60분 동안 150℃에서 포스트백(post-back)하여 각각의 폭이 30㎛인 복수의 구획부재를 형성했다(생성 조립체는 "기판(3)의 조립체"라 함).
이들 구획부재(8)는 투명전극(5)에서와 동일 간격으로 각각의 이웃하는 투명전극(5)들간에 균일하게 위치시켰다. 표시부 D는 대각선 길이로 12인치의 4각형이었다. 제12도 및 제13도의 참조번호 21은 액정주입구(10)이외의 주변을 둘러싸는 약 2㎜폭의 밀봉재를 나타내며, 구획부재(8)과 동시에 형성하였다.
동일 방식으로 띠형 투명전극(4)을 다른 유리기판(2)상에 형성한 후 그 위에 절연피복(6)과 폴리이미드 정렬피복(7)을 순서대로 더 형성한 후 러빙처리했다(생성 조립체는 "기판(2)의 조립체"라 함). 절연피복(6)은 상하전극간에 회로단락을 방지하기 위해 구비된 것으로 100㎚의 두께로 산화실리콘으로 형성했다. 칼라표시장치를 제조하기 위해 한쪽 투명전극의 위 또는 아래에 칼라필터를 설치할 수 있다.
기판(2)상의 폴리이미드 정렬피복(7)에 대해 투명전극(4)의 길이방향에 직각인 방향부터 β1각도(후술함)의 방향으로 러빙처리했다. 또한 포지티브형의 포토레지스트를 전 표면위에 피복건조한 후 박리제거했다. 이 처리는 유리기판(2,3)상에 정렬피복들(7,9)의 특성을 서로 동일하게 만들기 위해 수행했다.
그렇게 제조된 기판(2)와 (3)의 조립체를 각각의 러빙방향이 βc각도(후술함)로 서로 교차하여 비평행러빙 관계가 되도록 띠형 투명전극들(4,5)이 서로 직각으로 교차하도록 또한 구획부재(8)가 띠형 투명전극들(4,5)간에 개재되어 위치관계를 유지하면서 서로 겹쳐지도록 위치시킨 후 기판들(2,3)간의 공간을 감압시켜 밀착시켰다. 이 단계에서 통상적으로 기판들(2,3)을 소정의 기구로 클램프한다.
그러나, 클램프 기구는 도시를 생략했다. 클램프된 조립체를 170℃까지 가열하여 1시간 동안 그 온도로 유지시킨 후 밀착된 상태로 냉각시켰다. 이와 같이 하여 표시부 D(제13도 참조)의 영역이 완전 접착된 1.5㎛의 셀갭을 갖는 액정판넬 프레임을 얻었다.
상기 러빙방향쌍의 교차각은 제14(a)도에 나타낸 바와 같다. 도면에서 관측자 P에 의해 관측된 상부에 위치된 기판(2)상의 러빙방향 A₁은 실선으로 나타내는 한편, 하부기판(3)상의 러빙방향은 A₂는 점선으로 나타낸다. 구획부재(8)로부터의 상하러빙 방향의 각도는 각기 β1과 β2로 나타낸다. 이 각도 β1과 β2의 값은 일반적으로 서로 동일하지만 정렬피복 등의 재료에 따라 서로 다를 수도 있다.
접착하기 전에 상부기판(2)으로부터 볼 때 하부기판(3)이 회전되는 방향에 따라 제14(b),(c),(d) 및 (e)도에 나타낸 4가지 조합이 만들어 질 수 있다. 이들 조합은 각각 β₃>0, β₃<0, 180°-β₃>0, β₃-180°<0으로서 구별된다. 여기서 β₃는 상부기판(2)상의 러빙방향 A₁과 하부전극(3)상의 러빙방향 A₂의 교차각을 나타낸다. 본 발명에서 평행러빙과 비평행러빙은 각기 하기 관계식을 만족한다.
│β₃│≤ 90° , │β₃│>90°
상기식중 │β₃│은 상기 교차각의 절대값이다.
제3도와 관련하여 설명한 바와같이, 액정분자층의 러빙방향 A과 층법선 L₁,L₂는 특히 반강유전성 액정에 대해 서로 일치하지 않고 서로 편차를 갖는다. 상하 러빙방향쌍의 상기 상호교차는 러빙방향과 액정분자층의 층법선이 서로 어긋나더라도 상하층법선 방향쌍이 서로 교차하지 않도록, 즉 서로 평행관계로 일치하도록 행한다.
그렇게 하여 얻은 상하층법선 방향쌍이 상호 일치하면, 예를 들어 2 기판간의 액정분자층들의 꼬임 및 불규칙성의 발생이 방지될 수 있으므로 지그재그결함과 유사 선형결함 및 다른 다양한 결함의 발생을 방지할 수 있다.
상기 다양한 결함을 방지할 수 있는 러빙방향의 교차각을 산출하기는 어렵다. 따라서 일측면 기판상에만 러빙처리한 액정판넬을 제조한 다음 액정분자층들의 층법선의 편차각 β를 먼저 산출한다. 그 다음 각도 β의 약 2배에 가까운 교차각을 갖는 복수의 액정판넬들을 제조하여 결함 발생을 검사했다. 이 실험에서 하기와 같은 5가지형의 반강유전성 액정을 사용했다.
(1)하기식으로 표시되는 단일액정
(2)하기식으로 표시되는 단일액정
(3)하기식으로 표시되는 단일액정
(4)미쓰이세끼유 가가꾸사제 혼합 액정 "MLC0049"
(5)미쓰이세끼유 가가꾸사제 혼합 액정 "MLC0057"
이들 반강유전성 액정 각각의 상전이순서와 전이온도는 표 1에 나타낸다.
모든 액정들은 실온을 포함한 저온에서 반강유전성 SmC*상을 갖는다. 그러나 액정(1)에서 SmA상으로부터 제일 먼저 침전되는 키랄 스멕틱상은 SmC*상이고, 다른 액정들에서는 SmC*상이다. 액정(3)과(4)는 쉐브론구조를 갖고 있음이 X-선 회절법에 의해 확인되었으며, 모든 액정들에서 SmC*상 굽힘각 δ(제8도 참조)은 20°였다.
상기 반강유전성 액정들 각각을 통상의 방법에 따라 액정이 액상(Iso)을 나타내도록 온도를 세트한 진공가마내의 액정판넬 프레임내에 주입 후 점차 냉각시킨 다음 액정판넬 프레임내의 SmC*상의 정렬상태를 검사했다. 표 2에는 다양한 결함을 제거하기에 적합한 교차각 βc와 일측면상에만 러빙처리한 때의 러빙방향에 대한 층법선 방향의 평균 편차각도 β를 기재한다.
이 실험에서 액정을 오븐속에서 냉각시키는 한 조건변동과 무관하게 동일 결과를 얻었다. 표 2의 최적 교차각도에서 크고 작은 지그재그결함을 관측했다.
이 결과들은 동일한 교차각도의 평행러빙에 대한 일축정렬처리의 리세팅과 무관하게 변동되지 않는다. 그 이유는 반강유전성 액정의 단위가 층법선 방향을 따라 서로 조합된 2 분자들을 갖는 형의 디머(dimer)로 구성되었기 때문으로 생각된다. 그러나 평행러빙에서는 지그재그결함 이외에 약간의 유사선형결함이 관측됐다.
표 2로부터 명백히 알 수 있는 바와 같이 지그재그결함을 가시화하는 교차각도 βc는 액정의 형에 따라 크게 다르지만 대충 20°를 넘지 않았다. βc와 β는 모두 정렬피복의 재료에 따라 다르다. 그러나 정렬피복을 니싼산화학공업사제 sp610으로 할 때 ±2° 이내에서 서로 일치했다. βc는 β의 2배와 달랐으며, 그들간의 관계가 뚜렷하게 밝혀지지 않았다.
AF상태(제1(c)도 참조)에서 그의 소멸방향, 즉 층법선 방향이 명확했고, βc의 중심부근에 존재했다. 현미경 관측에 의해 액정 분자층의 굽힘 방향의 변동, 다시말해 지그재그결함의 발생은 액정(1)의 사용시에는 SmC*상에서 발견되었으며, 또한 다른 액정사용시에는 SmC*상에서 발견되었다.
이 실시예에서는 액정판넬을 냉각하고, 온도구배를 부여하는 고온유지장치로서 터널가마를 사용했으며, 저온측은 실온공기를 사용했다. 이 터널 가마에서는 한쌍의 평면히터를 약 6㎜의 공간을 두고 서로 대향하도록 배치하고, 액정판넬의 출입구로서 사용하는 좁은 구멍을 제외한 주변을 단열재로 피복했다.
이 터널가마는 가마온도를 제어하기 위한 온도제어소자와 액정판넬의 이동속도를 제어하기 위한 속도제어 소자를 구비하고 있다. 액정판넬을 가마의 구멍을 통해 삽입한 다음 액정이 액상출현 온도까지 가열될 때까지 가마속에 두었다. 그 다음 액정판넬을 구획부재와 평행한 방향으로 약 2㎜/min의 속도로 공기중으로 들어올렸다. 그 결과 액정분자층의 굽힘방향이 액정판넬의 상승방향과 일치되어 지그재그결함이 전혀 없는 C1/C2상태의 정렬을 얻었다. 이 C1/C2 상태정렬은 액정판넬을 상하를 거꾸로 상승시킴으로써 얻었다. 이 정렬상태는 상승속도가 5㎝/min이하일 경우 얻을 수 있었다.
액정주입전에 액정판넬 프레임의 크로스 니콜스(Cross Nicols)하에서의 절대 투과율을 1로 할 경우, 종래에서와 같이 아무런 온도구배 없이 오븐내에서 냉각을 행하여 얻은 절대투과율과, 본 발명에 의한 온도구배하에서 냉각하여 얻은 절대 투과율은 표3에 기재한 바와 같다.
표 3에서 절대투과율의 차이는 주로 지그재그결함의 유무에 따라 좌우된다. 그럼에도 불구하고 온도구배가 있을 경우 전체적으로 정렬이 우수한 것도, 그 차이에 기여한다.
[실시예 2]
실시예 1과 동일 방식으로 액정판넬 프레임을 제조했으며, 또한 하기식으로 표시되는 단일액정 즉, 액정(2)을 액정판넬 프레임내에 주입했다.
[화학식 2]
평행러빙, 즉 상하 러빙 방향이 서로 동일하고, 또한 서로 평행한 러빙을 일축정렬처리로서 행했으며, 특히 상하 러빙방향의 교차각은 약 -5°이었다. 이 액정판넬을 구획부재와 평행한 방향으로 상승시켰다. 그 결과 지그재그 결함이 없는 C1 정렬상태가 얻어졌다. 또한 결함이 없는 C2 정렬상태가 액정판넬의 상하단부를 교환하고, 또한 반대방향으로 상승시킴으로써 얻을 수 있었다.
[비교예 1]
구획부재의 연장방향을 상하러빙 방향의 교차각의 중심으로부터 ε의 각도만큼 어긋나도록 세트한 것을 제외하고, 실시예 1에서와 동일 방식으로 액정판넬을 제조했다. 따라서 β₁=-15+ε과 β₂=-ε이다. ε으로서 약 8°, 약 6°, 약 3°의 3종류의 액정판넬 프레임들을 제조했다. 하기식으로 표시되는 단일액정 즉, 액정(1)을 상기 액정판넬 프레임들내에 주입했다.
[화학식 1]
액정판넬들을 실시예 1에서와 동일 방식으로 온도구배를 부여한 상태로 냉각시켰다.
그렇게 얻은 구조들에서는 액정분자층들의 층법선 방향이 상하러빙 방향의 교차각의 거의 중심에 있었다. 그러나 결함과 다른 줄들이 거의 층법선을 따라 주행하므로 정렬형상은 실시예의 것과 명확히 다르다. ε=약 8°인 경우에 수가 작지만, 약 10㎛의 크기를 갖는 초점의 원뿔들이 구획부재 부근에서 볼 수 있는 부분도 있었다. 그러므로 액정 분자층의 층법선 방향이 구획부재로부터 10°이상 어긋나는 것은 좋지 않다.

Claims (7)

  1. 적어도 하나가 투명한 한쌍의 기판과, 상기 기판상에 서로 대향하도록 각각 형성되는 한쌍의 전극과, 상기 기판들간에 개재되며 소정의 간격으로 평행하게 배열되는 복수의 선형 구획부재와, 상기 전극쌍상에 각각 형성되어 일축정렬처리되는 정렬피복들을 포함하며, 상기 일축정렬처리는 소정의 각도로 교차하는 각각의 방향으로 행해지며, 상기 각 구획부재들은 상기 교차각도 이내에 있는 방향으로 연장되고, 또한 서로 대향하는 기판들에 접착되어 액정의 통과구멍 이외의 부분에서 액정에 대하여 밀봉되는 상태로 유지되는 선형틈들을 형성하며, 반강유전성 액정이 상기 각 선형틈내에 밀봉되고, 또한 상기 반강유전성 액정은 상기 구획부재들의 연장방향에 평행 또는 실질적으로 평행한 층법선 방향을 갖는 키랄 스멕틱상의 상태인 것을 특징으로 하는 액정판넬.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전극쌍은 서로 대향하는 한상의 띠형전극으로 구성되고, 각각의 전극은 복수의 전극들을 소정의 간격으로 배치함으로써 형성되며, 상기 띠형전극들은 서로 직각으로 교차하며, 상기 각 구획부재들은 상기 띠형전극과 동일한 간격 또는 복수의 간격들로 기판들중 하나에 형성된 띠형전극들간에 선형으로 연장되는 것을 특징으로 하는 액정판넬.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전극쌍은 평면전극들로 구성되는 것을 특징으로 하는 액정판넬.
  4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 키랄 스멕틱상은 키랄 스멕틱 CA상, 키랄 스멕틱 Cα상, 키랄 스멕틱 Cβ상, 키랄 스멕틱 Cγ상으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 액정판넬.
  5. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 키랄 스멕틱상은 스멕틱A상으로부터 최초로 침전된 키랄 스멕틱상과 동일 또는 실질적으로 동일한 층굽힘방향을 갖는 것을 특징으로 하는 액정판넬.
  6. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 키랄 스멕틱상은 스멕틱A상으로부터 최초로 침전된 키랄 스멕틱상과 동일 또는 실질적으로 동일한 층경사방향을 갖는 것을 특징으로 하는 액정판넬.
  7. 반강유전성 액정이 밀봉된 선형틈들의 일단으로부터 선형틈들의 타단으로 진행시키면서, 구획부재들의 연장 방향과 상관하여 온도구배를 형성 및 유지시킨 상태에서 액정판넬 프레임을 냉각시킴으로써, 반강유전성 액정이 액체 또는 스멕틱A상을 나타내는 온도로부터 키랄 스멕틱상을 나타내는 온도로 상기 반강유전성 액정을 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제1항 기재의 액정판넬의 제조방법.
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