KR100222355B1 - 액정셀의 프리틸트 제어방법 - Google Patents

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Abstract

액정셀의 프리틸트는 PVCN-F(polyvinylfluoro cinnamate)나 폴리실록산물질로 이루어진 배향막을 일정온도에서 일정시간 동안 어닐링한 후, 자외선을 조사하여 제어한다. 배향막의 프리틸트각은 흡수되는 열에너지가 증가함에 따라 광조사에너지가 감소하기 때문에, 일정한 조사에너지를 갖는 자외선이 배향막에 조사될 때 어닐링시간을 작게 하거나, 어닐링온도를 낮추어서 배향막에 흡수되는 열에너지를 감소시키면, 자외선의 조사에너지에 따른 프리틸트각의 크기가 천천히 변하게 되어 원하는 크기의 프리틸트각을 정확하게 얻을 수 있게 된다.

Description

액정셀의 프리틸트 제어방법{A METHOD FOR CONTROLLING PRETILT DIRECTION IN A CRYSTAL CELL}
본 발명은 액정셀에 관한 것으로, 특히 광배향층을 열처리함으로써 원하는 크기의 프리틸트각을 얻을 수 있는 액정셀의 프리틸트 제어방법에 관한 것이다.
액정표시장치(LCD)에서 균일한 밝기와 높은 콘트라스트비(contrast ratio)를 얻기 위해서는 액정분자를 일정한 방향으로 배열시키는 배향이 필요하게 되는데, 액정을 배향시키기 위한 방법으로 현재 가장 많이 사용되고 있는 것이 러빙(rubbing)에 의한 배향방법이다. 이 러빙에 의한 배향방법은, 배향막으로 주로 폴리이미드(polyimide)를 기판에 도포하고 러빙을 실행하여, 상기한 배향막 표면에 규칙적인 미세홈(micro groove)을 형성시킨다. 배향막 표면에서 액정분자는 탄성변형에너지(elastic deformation energy)가 최소화되도록 상기한 미세홈과 평행으로 배열된다. 그러나, 러빙에 의한 배향방법에서는 배향막 표면에 생성되는 미세홈의 결함에 의해 위상왜곡(random phase distortion)과 광산란(light scattering)이 발생하게 되어 액정표시장치의 성능을 저하시키는 문제가 있었다. 또한, 러빙에 의해 배향막에 먼지 및 정전기가 발생하여 수율이 나빠지고 기판이 파손되는 일이 있었다.
상기한 문제를 해결하기 위해 제안된 배향방법이 도 1에 나타낸 바와 같이 자외선을 이용한 광배향방법이다(SID 95 DIGEST, 877페이지, 고바야시외). 상기한 방법에 의하면, 배향막으로 PVCN (polyvinylcinnamate)계 고분자의 광배향막을 사용하여 상기한 배향막에 자외선을 수직 및 경사조사하여 배향막 표면의 프리틸트방향을 결정한다. 즉, 도 1(a)에 나타낸 바와 같이, 배향막(10)에 편광방향이 y축과 평행한 자외선을 수직조사하면, 고분자의 y축 측쇄(side chain)가 이합반응(dimerization)하여 x-z평면의 측쇄만이 남게 된다. 이때, 도 1(a)의 정면도 및 측면도에서 점선의 화살표는 고분자의 이합반응의 방향을 나타내고 실선의화살표는 자외선조사시 남는 측쇄의 방향을 나타낸다. 도면에 나타낸 바와 같이, 상기한 자외선의 수직조사에 의해 x-z평면의 광학상수는 이방성을 나타내지만, y-z평면의 광학상수는 z축으로 방향지어진다. 그후, 도 1(b)에 나타낸 바와 같이, 편광방향이 x-z평면에 있는 자외선을 기판에 경사조사하면, 상기한 편광방향과 일치하는 방향의 측쇄가 이합반응하여 자외선의 입사방향과 평행한 측쇄만이 남게 된다. 이 남은 측쇄가 액정분자와 상호작용하여 액정분자에 배향방향이 부여된다. 이때, 배향막과 자외선의 조사각도를 변화시켜 배향막 표면의 프리틸트각을 결정한다. 그 예로서, 2번째 자외선의 조사에서 배향막 표면에 자외선이 조사되는 각도를 300, 450, 600로 변화시킬 때, 생성되는 프리틸트각은 약 0.150, 0.260, 0.300이다.
그러나, 고바야시가 제안한 프리틸트각 제어방법은 배향막에 자외선을 2번 조사해야 하므로, 공정이 복잡하고 프리틸트각의 크기도 매우 작게 되어 다양한 크기의 원하는 프리틸트각을 얻을 수 없는 문제가 있었다.
본 발명에서는 폴리실록산물질(polysiloxane based material)이나 PVCN-F(polyvinylfluorocinnamate)를 사용한다. 다음의 화학식은 각각 폴리실록산물질과 PVCN-F를 나타내는 것으로서, 화학식 1은 PVCN-F를 나타내며, 화학식 2 및 화학식 3은 폴리실록산물질의 예로서 폴리실록산 신나메이트I(polysiloxane cinnamate I)과 폴리실록산 신나메이트II를 나타낸다.
n = 300∼6000
Z = OH, CH3또는 OH 및 CH3혼합물,
m = 10∼100,
ℓ = 1∼11,
K = 0 또는 1,
L = 0 또는 1,
X, X1, X2, Y = H, F, Cl, CN, CF3, CnH2n+1또는OCnH2n+1(n = 1∼10)
상기한 폴리실록산물질이나 PVCN-F로 이루어진 배향막은, 도 1에 나타낸 바와 같이 자외선의 조사에너지에 따라 프리틸트각의 크기가 0∼90°로 달라지는 성질을 보유한다. 따라서, 자외선의 조사에너지, 즉 자외선의 조사시간을 제어함으로써, 원하는 크기의 프리틸트각을 얻을 수 있게 된다.
배향막에 형성되는 프리틸트각의 크기는 액정표시장치의 성능을 좌우하는 매우 중요한 요소이다. 액정분자가 배향막에 형성된 프리틸트방향을 따라 배향되기 때문에, 프리틸트각이 큰 경우에는 액정패널에 인가되는 전압에 액정분자가 매우 민감하게 반응하여 동화상의 전환이 빨라지지만, 작은 경우에는 반응속도가 작기 때문에 동화상의 전환이 늦어지게 되어 화면이 끊어지는 현상이 발생한다. 더욱이, 프리틸트각이 큰 경우에는 작은 구동전압에 의해서도 액정분자가 민감하게 반응하기 때문에 액정표시장치의 소비전력이 절감된다.
폴리실록산물질이나 PVCN-F와 같은 물질을 배향막으로서 사용하는 경우에는 도 1에 나타낸 바와 같이, 프리틸트각을 0∼90°로 제어할 수 있지만, Δx 영역에서 자외선의 조사에너지, 즉 자외선의 조사시간과 프리틸트각의 관계를 나타내는 특성곡선의 기울기가 너무 크기 때문에, 자외선의 조사시간에 따라 프리틸트각의 크기가 급격하게 변한다. 따라서, 이 영역에서의 프리틸트각을 정확히 제어하기란 거의 불가능한 실정이며, 실질적으로는 상기한 영역(Δx)을 제외한 영역(약 3∼5°)의 프리틸트각만을 제어할 수 있을 뿐이다.
상기한 바와 같이, 폴리실록산물질이나 PVCN-F로 이루어진 광배향막에 형성된 프리틸트각의 크기도 실질적으로는 고바야시의 방법에 의해 형성된 프리틸트각의 크기 보다 약간 클 뿐, 원하는 크기의 프리틸트각을 얻을 수 없는 문제가 있었다. 더욱이, 자외선의 조사에너지에 의해 프리틸트각의 크기가 급격하게 변하기 때문에 원하는 프리틸트각을 정확하게 제어할 수 없는 문제가 있었다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 광배향막에 흡수되는 열에너지를 제어함으로써 원하는 크기의 프리틸트각을 얻을 수 있는 액정셀의 프리틸트 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 일정 이상의 프리틸트각을 형성함으로써, 화질이 향상되고 소비전력을 절감할 수 있는 액정셀의 프리틸트 제어방법에 관한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 액정셀의 프리틸트방향 제어방법은 기판에 광배향물질을 도포하여 광배향막을 형성하는 단계와, 상기한 광배향막에 일정한 열에너지를 인가하여 어닐링하는 단계와, 상기한 광배향막에 자외선을 조사하는 단계로 구성된다.
폴리실록산물질이나 PVCN-F로 이루어진 배향막을 어닐링하는 동안 흡수되는 열에너지에 따라 프리틸트각의 크기가 달라진다. 자외선의 조사에너지가 일정할 경우, 일정한 어닐링온도에서 어닐링시간이 길어짐에 따라 프리틸트각의 크기가 작아지며, 일정한 어닐링시간에서는 어닐링온도가 높아짐에 따라 프리틸트각의 크기가 작아진다. 자외선 조사에너지를 변화시켜 프리틸트각을 결정할 때에는 배향막에 흡수되는 열에너지가 작을수록 조사에너지의 변화에 따른 프리틸트각의 기울기가 작아지기 때문에, 넓은 영역의 프리틸트각이 용이하게 결정된다.
또한, 일정 어닐링온도 및 자외선 조사시간에 대하여 배향막의 두께가 커질수록 프로틸트각의 크기가 커진다.
배향막에 프리틸트를 결정하기 위해서는 배향막을 어닐링한 후 편광된 자외선을 조사하여 편광방향과 수직의 배향방향을 결정한 후, 다시 편광된 자외선이나 비편광된 자외선을 조사하여 한쪽 배향방향을 선택한다. 또한, 자외선을 1회 조사한 후 액정을 주입하여 액정의 흐름효과에 의해 프리틸트를 결정할 수도 있고, 편광된 자외선을 1회 경사조사하여 프리틸트를 결정할 수도 있다.
도 1은 종래 광배향방법을 나타내는 도면.
도 2는, 종래 액정셀에서의 자외선 조사에너지와 프리틸트각의 관계를 나타내는 그래프.
도 3은, 본 발명에 따른 액정셀에서의 자외선 조사에너지와 프리틸트각의 관계를 나타내는 그래프.
도 4는, 본 발명에 따른 액정셀에서의 어닐링시간과 프리틸트각의 관계를 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 액정셀의 배향막의 두께에 따른 자외선의 조사 에너지와 프리틸트각의 관계를 나타내는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 광배향방법을 나타내는 도면.
이하, 본 발명에 따른 액정셀의 프리틸트방향 제어방법에 대하여 상세히 설명한다.
우선, 기판에 형성된 폴리실록산물질이나 PVCN-F로 이루어진 광배향막에 일정시간 동안 열을 가하여 상기한 배향막을 어닐링한 후, 기판에 편광된 자외선을 수직조사하여 프리틸트각의 크기를 결정한다. 도 2는, 이 자외선의 조사에 의해 배향막에 형성되는 프리틸트각의 크기를 나타내는 그래프이다.
도 3은, 자외선의 조사에너지(Euv)와 프리틸트각(θp)의 관계를 나타내는 도면이다. 특성곡선 a, b, c는 180∼220℃의 온도에서 각각 5시간, 4시간, 3시간 동안 어닐링했을 때의 특성곡선이며, Δax, Δbx, Δcx는 상기한 a, b, c의 특성곡선에서 일정 크기의 프리틸트각(θp)을 변화시키기 위해 필요한 자외선의 조사에너지(Euv)를 나타낸다. 도면에 나타낸 바와 같이, 배향막의 어닐링시간이 길어짐에 따라 일정 크기의 프리틸트각(θp)을 변화시키기 위한 자외선의 영역이 작아지기 때문에(Δax＜Δbx＜Δcx), 자외선의 조사시간을 제어함으로써 종래에 비해 크기가 훨씬 큰(상기한 범위내의) 프리틸트각(θp)을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 프리틸트각(θp)의 크기를 정확하게 제어할 수 있게 된다.
도 4는, 자외선 조사에너지(Euv)가 일정할 때의 어닐링시간(H)과 프리틸트의 관계를 나타내는 그래프로서, 각 곡선은 어닐링온도가 약 150℃, 200℃, 250℃ 일때의 특성곡선이다. 물론, 이 곡선은 배향막을 어닐링한 후, 자외선을 조사하여 프리틸트각의 크기를 측정한 후 완성된 것이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 특정한 에너지조사에 대해 일정한 어닐링온도에서는 어닐링시간이 길어짐에 따라 프리틸트각(θp)이 작아지며, 일정한 어닐링시간에서는 어닐링온도가 높아질수록 프리틸트각(θp)의 크기가 작아진다. 따라서, 배향막에 형성된 프리틸트각(θp)은 배향막에 흡수되는 열에너지가 커질수록 작아짐을 알 수 있다.
또한, 상기한 폴리실록산물질이나 PVCN-F로 이루어진 배향막은 도 5에 나타낸 바와 같이, 배향막의 두께가 커질수록 프리틸트각(θp)의 크기가 커진다. 도면에서 가로축은 자외선의 조사에너지(Euv)를 나타내고 세로축은 프리틸트각(θp)을 나타낸다. 특성곡선 a,b는 각각 일정시간 어닐링되었을 때 두께가 40Å 및 800Å인 배향막의 특성곡선을 나타낸다. 도면에 나타낸 바와 같이, 막두께가 커짐에 따라 생성되는 프리틸트각(θp)의 크기가 커질 뿐만 아니라, 일정 크기의 프리틸트각(θp)을 변화시키기 위한 자외선의 영역이 커지기 때문에 배향막의 배향막의 두께를 증가시킴으로써 프리틸트각(θp)의 크기를 정확하게 제어할 수 있게 된다.
상기한 바와 같이 일정시간, 일정온도에서 어닐링되어 열에너지를 흡수한 배향막에 편광된 자외선을 수직으로 조사하여 배향막의 법선에 대하여 서로 대칭된 2개의 프리틸트방향과 프리틸트각(θp)의 크기를 결정한 후, 다시 비편광된 자외선을 기판에 경사조사하여 상기한 프리틸트방향 중 한방향을 선택함으로써 액정셀의 프리틸트를 제어한다. 이때, 첫 번째 자외선의 조사에 의해 생성된 2개의 프리틸트방향 중에서 두 번째 자외서의 진행방향과 대략 평행한 프리틸트방향이 선택된다.
또한, 상기와 같이 배향막을 도포하고 비편광된 자외선을 기판에 대하여 경사조사한 후, 다시 편광된 자외선을 기판에 수직으로 조사하여 프리틸트를 제어하는 것도 가능하며, 어닐링된 배향막에 비편광된 자외선을 기판에 경사조사한 후, 다시 편광된 자외선을 기판에 경사조사하여 프리틸트방향을 제어하는 것도 가능한다. 이때, 편광된 자외선과 비편광된 자외선의 순서를 바꾸어서 비편광된 자외선을 경사조사한 후, 다시 편광된 자외선을 경사조사하여 액정셀의 프리틸트방향을 제어하는 것도 물론 가능하다.
상기한 바와 같이, 자외선을 2회 조사하여 프리틸트를 제어하는 방법 이외에 기판 사이로의 액정의 주입에 의한 액정의 흐름효과(flowing effect)를 이용한 방법도 있다. 우선, 상기한 방법들과 마찬가지로 배향막을 일정 온도에서 어닐링한 후, 편광된 자외선을 기판에 대하여 수직으로 조사하여 기판의 법선에 대하여 서로 대칭된 2개의 프리틸트방향을 결정한다. 그후, 기판 사이로 액정을 주입하면, 액정의 흐름에 의해 대칭된 2개의 프리틸트방향중 액정의 흐름방향쪽의 프리틸트방향이 선택된다. 이 때에도, 배향막에는 열에너지 및 자외선의 조사에너지에 따라 프리틸트각(θp)의 크기가 결정된다.
또한, 편광된 자외선을 기판에 1회 경사조사하여 배향방향을 결정할 수도 있다. 즉, 도 6에 나타낸 바와 같이 편광된 자외선을 배향막(10)에 경사조사할 때, 3차원에서의 실제의 편광방향은 도면에서 점선으로 나타낸 바와 같다. 자외선이 조사됨에 따라 자외선의 편광방향과 평행한 고분자의 측쇄가 이합반응(점선의 화살표)하여 자외선의 진행방향과 대략 평행한 측쇄(실선의 화살표)만이 남게 된다. 따라서, 상기한 고분자의 측쇄와 액정분자가 반응하여 액정분자가 일정한 방향, 즉 자외선의 진행방향으로 배열된다. 이때, θ는 배향막(10)의 표면에 대한 측쇄의 프리틸트각으로, 배향막(10)이 액정분자와 반응할 때 액정분자와 배향막(10) 사이의 틸트각(tilt angle)이 된다.
본 발명은, 상기한 바와 같이 배향막에 흡수되는 열에너지를 제어하여 프리틸트각의 크기를 제어함으로써, 광배향시 원하는 크기의 프리틸트각을 정확하게 결정할 수 있기 때문에 화질이 향상된다. 또한, 상기한 열에너지 및 배향막의 두께에 따라 프리틸트각의 크기를 크게 할 수가 있으므로, 액정의 구동시 소비전력을 대폭 절감할 수 있게 된다.

Claims (28)

  1. 기판에 도포된 배향막에 열에너지를 인가하는 단계와;
    상기한 배향막에 첫번째 광을 조사하는 단계와;
    상기한 배향막에 두번째 광을 조사하는 단계로 구성된 액정셀의 프리틸트 제어방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기한 광이 자외선인 것을 특징으로 하는 액정셀의 프리틸트 제어방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기한 배향막이 폴리실록산물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 액정셀의 프리틸트 제어방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기한 배향막이 PVCN-F(polyvinylfluoro cinnamate)인 것을 특징으로 하는 액정셀의 프리틸트 제어방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기한 배향막의 프리틸트각의 크기가 인가되는 열에너지의 크기에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 액정셀의 프리틸트 제어방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기한 배향막의 프리틸트각의 크기가 광의 조사에너지에따라 변하는 것을 특징으로 하는 액정셀의 프리틸트 제어방법.
  7. 제1항에 있어서, 배향막에 열에너지를 인가하는 단계가 일정온도에서 일정시간 동안 상기한 배향막을 어닐링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정셀의 프리틸트 제어방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기한 첫번째 광을 조사하는 단계 및 두번째 광을 조사하는 단계가,
    편광된 광을 배향막에 수직으로 조사하는 단계와;
    비편광된 광을 배향막에 경사조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정셀의 프리틸트 제어방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기한 첫번째 광을 조사하는 단계 및 두번째 광을 조사하는 단계가,
    비편광된 광을 배향막에 수직으로 조사하는 단계와;
    편광된 광을 배향막에 경사조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정셀의 프리틸트 제어방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기한 첫번째 광을 조사하는 단계 및 두번째 광을 조사하는 단계가,
    편광된 광을 배향막에 경사조사하는 단계와;
    비편광된 광을 배향막에 수직으로 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정셀의 프리틸트 제어방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기한 첫번째 광을 조사하는 단계 및 두번째 광을 조사하는 단계가,
    비편광된 광을 배향막에 경사조사하는 단계와;
    편광된 광을 배향막에 수직으로 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정셀의 프리틸트 제어방법.
  12. 기판에 도포된 배향막에 열에너지를 인가하는 단계와;
    상기한 배향막에 광을 조사하는 단계와;
    상기한 배향막이 도포된 기판 사이로 액정을 주입하는 단계로 구성된 액정셀의 프리틸트 제어방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기한 광이 자외선인 것을 특징으로 하는 액정셀의 프리틸트 제어방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기한 배향막이 폴리실록산물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 액정셀의 프리틸트 제어방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기한 배향막이 PVCN-F(polyvinylfluoro cinnamate)인 것을 특징으로 하는 액정셀의 프리틸트 제어방법.
  16. 제12항에 있어서, 상기한 배향막의 프리틸트각의 크기가 인가되는 열에너지의 크기에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 액정셀의 프리틸트 제어방법.
  17. 제12항에 있어서, 상기한 배향막의 프리틸트각의 크기가 광의 조사에너지에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 액정셀의 프리틸트 제어방법.
  18. 제12항에 있어서, 배향막에 열에너지를 인가하는 단계가 일정온도에서 일정시간 동안 상기한 배향막을 어닐링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정셀의 프리틸트 제어방법.
  19. 제12항에 있어서, 상기한 광을 조사하는 단계가 편광된 광을 배향막에 수직으로 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정셀의 프리틸트 제어방법.
  20. 기판에 도포된 배향막에 열에너지를 인가하여 프리틸트각의 크기를 결정하는 액정셀의 프리틸트각 제어방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기한 배향막이 폴리실록산물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 액정셀의 프리틸트 제어방법.
  22. 제20항에 있어서, 상기한 배향막이 PVCN-F(polyvinylfluoro cinnamate)인 것을 특징으로 하는 액정셀의 프리틸트 제어방법.
  23. 제20항에 있어서, 상기한 배향막의 프리틸트각의 크기가 인가되는 열에너지의 크기에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 액정셀의 프리틸트 제어방법.
  24. 제1항에 있어서, 상기한 배향막의 프리틸트각의 크기가 배향막의 두께에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 액정셀의 프리틸트 제어방법.
  25. 제12항에 있어서, 상기한 배향막의 프리틸트각의 크기가 배향막의 두께에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 액정셀의 프리틸트 제어방법.
  26. 기판에 도포된 배향막에 열에너지를 인가하는 단계와;
    상기한 배향막에 광을 경사조사하는 단계로 구성된 액정셀의 프리틸트 제어방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기한 광이 자외선인 것을 특징으로 하는 액정셀의 프리틸트 제어방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기한 자외선이 편광된 자외선인 것을 특징으로 하는 액정셀의 프리틸트 제어방법.
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