KR100321254B1 - 고분자분산형액정표시판넬 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 투명전극층을 갖는 2 매의 기판 사이에 액정과 광경화성수지 혼합물로 구성된 고분자액정 복합체가 적층되는 고분자분산형 액정표시 판넬에 있어서, 일방의 기판 하부에 박막트랜지스터와 축전캐패시터로 구성되는 능등회로부, 칼라필터, 칼라필터 보호층이 적층되고 상기 박막트랜지스터의 하층에 블랙 마스크 및 ITO 화소전극이 형성되며 타방의 기판에는 ITO 공통전극만이 포함된 것을 특징으로 하는 고분자분산형 액정표시 판넬을 제공하는 것으로, 본 발명에 의해 제조되어진 액정표시소자는 액정고분자수지복합체의 상분리 정도가 균일하고 안정하여 판넬의 장기 사용성들의 신뢰성 및 콘트라스트가 현저하게 향상된 이점을 갖는다.

Description

고분자분산형 액정표시 판넬
본 발명은 고분자분산형 액정표시 판넬에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 박막트랜지스터 소자의 구조를 일부 개량함으로써 두매의 기판 사이의 고분자액정 복합체를 완전히 경화시켜 휘도특성 및 콘트라스트비를 향상시킨 고분자분산형 액정표시 판넬에 관계한다.
본 발명에 의해 제조되는 고분자분산형 액정표시 판넬은 빌딩의 창 또는 쇼우윈도우에서의 시야차단용 스크린 또는 조광용 커텐으로 유용하고, 전기적인 조작에 의해 광의 투과 및 차단을 조절하는 조광기능 및 장기 사용에 따른 신뢰성이 매우 우수하여 문자, 도형 및 동적화면이 표시되고 빠른 응답시간내에 전기적으로 변화될 수 있는 광고판, 안내판, 장식전시판등과 같은 각종 디스플레이로 유용하다.
액정을 전자 탁상시계에 응용하면서 시작된 액정제품사업은 활발한 연구개발에 힘입어 급속도로 발전되어, 급기야는 1970년대 말에 액정이 디스플레이에까지 응용되게 되었으며 TN(트위스티드 네마틱), STN(수퍼트위스티드 네마틱)등 단순 매트릭스 구동방식에서 점차 발달하여 고정세 화면을 제공하고자 최근에 활발히 개발되어지고 있는 TFT(박막트랜지스터) 구동소자를 이용한 액티브 매트릭스 구동방식이 각광을 받고 있다.
현재 디스플레이 분야에서 주류를 이루고 있는 TN형(Twisted Nematic Liquid Crystal Display)이나 STN(Super Twisted Nematic Liquid Crystal Display)형의 액정표시소자는 저소비전력 및 저구동 전압등의 장점을 지니고 있어 전기전자 분야에서 표시소자로서 광범위하게 이용되고 있으나, 편광판을 사용함에 따라 광의 이용 효율이 적어 콘트라스트가 나쁘고, 표면배향이 필요하여 화소밀도가 높아지면 TFT(Thin Film Transistor)소자 주위의 배향처리가 어려워지게되며, 시야각이 20°내외로 좁다. 따라서 편광을 이용하지 않고 광의 투과산란 모드를 이용하여 디스플레이에 이용하려는 많은 노력들이 시도되어 왔다. 즉, 최근 고분자에 액정을 분산시킨 광산란 모드의 고분자분산형 액정표시소자(PDLCD : Polymer Dispersed Liquid Crystal Display)나 고분자망형 액정표시소자(PNLCD : Polymer Network Liquid Crystal Display)의 액정표시가 등장하게 되었다.
이러한 고분자분산형 액정표시소자(PDLCD : Polymer Dispersed Liquid Crystal Display)는 전압 인가시와 전압 비인가시의 액정과 고분자의 굴절율의 차이를 이용하는 원리로서, 보다 상세하게는 투명고분자수지의 굴절율을 np, 액정의 상광굴절율을 no. 이상광굴절율을 ne라고 할 때, 전계를 인가하지 않는 경우 액정분자는 무질서하게 되어 ne와 np의 굴절율이 다르게 되어 입사광이 산란되므로 셀(Cell)은 불투명하게 나타나고, 전계를 인가하면 액정은 전계 방향으로 배열되므로 no와 np가 일치하게 되어 입사광이 투과되므로 셀(Cell)은 투명하게 나타난다. 이와 같이 PDLCD는 광의 산란 및 투과를 이용하는 원리에 의해 편광판을 사용하지 않기 때문에 종전의 액정표시소자보다 광의 이용효율이 높아 고휘도의 화상을 표현할 수 있고, 시야각이 우수하여 조광표시가 가능해진다.
이러한 고분자분산형 액정표시소자[PDLCD : Polymer Dispersed Liquid Crystal Display) 기술로서 가장 먼저 발표된 것은 액정구적을 마이크로 캡슐화하여 투명 고분자수지 사이에 기계적이고 물리적인 방법으로 분산시킨 NCAP(Nematic Curveliner Aligned Phase )(미국특허 4,435,047 호)이다. 이 방식은 젤라틴이나 아라비아 고무, 또는 폴리비닐알코올 수용액 중에서 액정을 고르게 분산시킨 후, 투명도전성 지지체상에 5-20㎛ 두께로 균일하게 코팅한 뒤, 물을 증발시켜 또 다른투명도전성 지지체를 접착시켜 고분자엑정복합체를 제조하는 것이다. 이 밖에도 제이도안등이 에폭시 수지등의 고분자 수지연속상에 액정을 분산시켜 경화시킨 방식(일본 특개소 61-502128호)이 잘 알려져 있다.
한편 쿠마이 등은 일본 특개명 3-107819 호에서 모노머, 올리고머계의 자외선경화 고분자 구성요소를 사용하여 액정과의 혼합물로부터 스피노달 상분리 방법에 의한 정밀한 모폴로지 조절에 의해 고분자수지상에 액정이 균일하게 분산되어 있는 액정고분자수지복합막 제조방법을 소개하고 있다. 이와는 달리 타카쪼 등(유럽특허 제 313,053 호)은 액정이 연속상을 이루며 자외선 경화수지로부터 형성된 고분자수지가 3차원 상의 그물상 구조를 갖는 구동전압이 낮고 응답속도가 빠른 액정소자를 제안하고 있다. 이와 같이 고분자액정복합체의 수준이 높아짐에 따라 액티브 매트릭스 표시소자 방식의 구동이 가능하게 되어 이를 상업화하기 위한 시도가 활발하게 이루어지고 있다. 또한 현재 고분자분산형 액정표시 판별 분야에서는 화소부의 액정고분자 복합막을 완전히 경화시켜 확실한 투과 및 산란상태를 발현하도록 함으로써 콘트라스트비를 극대화하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
종래의 고분자분산형 액정표시 판넬은 제 1도에 표시된 바와 같이, 일방의 기판(1)에 백라이트(back light)에 의해 TFT 소자(3)의 오프전류(off current)가 종가되어 PDLCD의 콘트라스트가 저하되는 것을 방지하기 위해 화소간 차폐층을 이루는 블랙마스크(2)를 설장하고 칼라화를 위해 각 화소에 대응하는 위치에 칼라필터(6) 및 칼라필터 보호층을 설치하고 전면에 ITO 공통전극을 형성한 후, 블랙마스크(2)에 대향하는 타방의 기판(1') 내면에 TFT소자층 및 축전캐패시터층으로 구성된 능동회로부(5)와 ITO 화소전극(8)을 설계한 후, 양 기판(1, 1') 사이에 액정고분자수지 복합체(4)를 주입하여 자외선(UV)에 의해 경화함으로써 제조되었다.
상술한 고분자분산형 액정표시 판넬을 판넬에 수직인 방향으로 자외선(UV)를 조사하는 기존의 자외선조사 방식에 의해 제조할 경우 칼라필터(6)축에서는 자외선 투과율이 적어 경화가 불가능하므로 능동회로부기판 방향에서 자외선을 조사해야 하는데, 이 경우에 TFT소자층(3) 및 블랙 마스크(2) 하부의 화소부분에는 자외선(UV)이 도달하지 않으므로 미경화 영역(10)이 발생하는 단점이 있다. 미경화된 부분의 액정, 자외선 경화수지 조성물은 시간의 경과에 따라 인근의 경화된 액정고분자수지복합체에 침투하여 전체적인 특성을 변화시킨다. 또한 미경화 영역(10)이 존재하는 경우 전압 미인가 상태에서도 빛이 누출되어 콘트라스트비의 상당한 저하를 초래한다.
이에 따라 블랙 마스크 하부의 조성물을 경화시키는 방법들이 개발되었는바, 이러한 방법으로는 블랙 마스크 중간에 작은 구멍을 만드는 방법(일본 특개평 4-251220 호), 자외선 입사면에 석영을 배치하여 자외선을 경사진 방향으로 입사시키는 방법(요시다 의, '93 EURODISPLAY 자료집, FRANCE, 1993)등이 알려져 있다, 그러나, 전자의 방법에 의한 경우는 미경화 개선 효과가 그다지 크지 않으며, 후자의 방법에 의한 경우는 광의 입사경로의 반대편에 여전히 미경화되는 부분이 잔존하여 콘트라스트비를 저하시키는 문제점이 있다.
전기 방법에 의해서 고분자분산형 액정표시 판넬을 제조하면 자외선이 많이 닿는 부분에는 액정구적이 작게 형성되어 광산란이 크나 자외선의 양이 상대적으로부족한 화소의 가장자리에는 액정구적이 크게(약 7~10mm 이상) 형성되어 빛의 산란이 급격히 감소된다. 이에 따라 구동시 콘트라스트의 국부적 차이와 불균일성이 초래되어 화질이 현격하게 저하되며 장시간 사용시 미경화부분의 잔류물에 의해 순도가 저하되어 물성이 열화되는 문제점이 발생한다.
본 발명의 목적은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래의 블랙마스크 및 칼라필터를 ITO 공통전극 쪽의 기판에 형성하던 것을 능동회로부 기판 쪽에 형성하여 능동회로부에 의해 자외선이 차단되지 않도록 하여 미경화를 해소함으로써 액정/고분자 복합막의 상분리 정도가 균일하고 콘트라스트가 향상된 고분자분산형 액정표시 판넬을 제공하는 것이다.
즉, 본 발명은 투명전극층을 갖는 2 매의 기판 사이에 액정과 광경화성수지 혼합물로 구성된 고분자액정 복합체가 적층되는 고분자분산형 액정표시 판넬에 있어서, 일방의 기판 하부에 박막트랜지스터와 축전캐패시터로 구성되는 능동회로부, 칼라필터, 칼라필터 보호층이 적층되고 상기 박막트랜지스터의 하층에 블랙 마스크 및 ITO 화소전극이 형성되며 타방의 기판에는 ITO 공통전극만이 포함된 것을 특징으로 하는 고분자분산형 액정표시 판넬을 제공하는 것이다.
이하 본 발명을 제 2 도의 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 고분자분산형 액정표시 판넬의 제조시에는 일방의 기판(1)에 ITO 공통전극(3)만을 형성시키고, 타방의 기판(1') 하부에 박막트랜지스터 및 축전캐패시터로 구성되는 능동회로부(5)를 형성한 다음 ITO 화소전극이 형성될 위치에 먼저칼라필터(6)를 형성시킨다. 이어서, 칼라필터(6)가 고온의 ITO 박막공정에 견딜 수 있도록 하기 위해 칼라필터 보호층(7)을 제작한다음 박막트랜지스터의 오프전류(off current)의 증가에 따른 콘트라스트의 저하를 방지하기 위해 블랙 마스크(2)를 박막트랜지스터 상층에 형성한 후 각 화소에 대응하는 위치에 ITO 화소전극(8)를 형성시킨다. 이어서 5-50㎛정도의 직경을 갖는 스폐이서(제 2도에서는 그 도시를 생략함)를 이용하여 2 매의 기판간의 간격을 조절하여 액정고분자수지 복합체를 도입시킨 후 자외선을 조사하여 경화시킴으로써 제 2도에 도시된 바와 같은 고분자분산형 액정표시 판넬을 제조한다. 상술한 방법에 따라 액정과 자외선 경화수지의 혼합용액이 주입되어진 액정 표시소자용 판넬 내부에 자외선(UV)을 조사하면 자외선(UV)이 균일하게 조사되어 액정구적(droplet)의 상분리 정도가 매우 균일하고 장시간 사용에 따른 경시 변화에 안정한 액정고분자수지 복합체의 고분자분산형 액정표시 판넬을 수득하게 된다.
본 발명에 사용되어지는 액정에는 네마틱 액정, 스메틱 액정, 강유전성 액정, 콜레스테릭 액정등이 있고 단독 또는 혼합상태로 사용 될수 있다. 특이 네마틱 액정중에 콜레스테릭 액정, 강유전성 액정/콜레스테릭 액정등의 혼합 액정이 도판트(dopant)로서 첨가되어 비틀림력(twisting power)이 작용되어 포칼코닉 구조등 콜레스테틱 액정상으로 유도될 경우 액정 고분자수지 복합체의 산란성이 강해질 수 있다. 액정 신정 시에는 정(+)의 유전이방성을 갖는 것이 좋으며 동작온도범위, 동작전압등 각종의 요구 특성을 충족하는 조성물을 쓸 필요가 있다.
본 발명에 사용되는 광경화성수지로서는 미경화 상태에서 액정 조성물과 상용성이 좋아 잘 혼합되고 경화후에는 액정과 상용성이 없어 액정고분자의 2성분으로 완전히 상분리되는 광경화성수지가 이용된다. 이러한 광경화성수지로서는 그 자신이 광반응성을 지니거나, 광조사에 의해 생성된 물질에 의해 경화가 야기되는 일반적인 광경화성수지가 이용될 수 있으며 그 중 광경화성 비닐계 수지가 적합하다.
광경화성수지가 액정과의 혼합물 상태에서 광중합되어 적절한 형태의 상분리 구조 및 접착성들의 안정성을 갖기 위해서는 고분자 성분은 광경화성 비닐기를 갖는 단량체와 올리고머 화합물의 복수의 혼합물로서 이용하는 것이 좋다.
고분자 조성물 중의 광경화성 비닐기를 갖는 단량체로서는 N-비닐피롤리돈, 스타이렌 및 그 유도체등의 비닐 벤젠계 화합물, 비닐클로라이드등의 비닐 할로겐 화합물, 단일관능기(mono functional) 아크릴레이트 화합물 및 다관능기 아크릴레이트 화합물등이 이용된다. 이 때 아크릴 레이트 화합물은 불소등의 할로겐족 화합물, 하이드록시기, 지방족기 또는 방향족기등의 치환기를 갖는 탄화수소 화합물의 아크릴 혹은 메타아크릴레이트 화합물을 말한다. 이들 단량체 화합물들을 일반적으로 고점도인 올리고머 화합물의 점도를 저하시켜주는 희석제 및 액정과의 상용성을 향상시켜 주는 역할을 하며 액정의 종류 및 조성비에 따라 적절한 상용성을 나타내는 단량체 화합물을 단독으로 혹은 이성분계 이상의 혼합 상태로 사용할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 올리고머 화합물로서는 폴리에스테르아크릴레이트, 우레탄아크릴레이트, 에폭시아크릴레이트, 폴리올아크릴레이트, 실리콘아크릴레이트들의 화합물이 이용되며 이관능기 이상의 다관능기화합물들이다.
광경화 수지를 중합시키기 위한 광경화 개시제는 벤조인에테르계, 벤조페논계, 아세토페논계들이 이용될 수 있으며 그 사용량은 중합체 성분의 0.01~5중량% 정도인 것이 바람직하다. 상기 광경화 개시제 함량이 많을 경우 광조사 전에 광경화수지가 중합되어 버리므로 좋지 않다.
본 발명에서 액정 재료는 전체 조광층 구성 재료의 10중량% 이상, 99중량% 이하의 비율, 바람직하기로는 30중량%~90중량% 이하의 조성비를 갖는 것이 액정고분자수지복합체의 제조에 유리하다. 액정재료의 배율이 너무 적으면 액정과 고분자수지의 연속상을 형성하기 곤란한 경향이 있다.
상기와 같은 조건으로 조성된 액정고분자수지복합체를 In2O3-SnO2(ITO), SnO2등의 투명전극이 처리된 기판 사이에 도입시켜 액정표시소자를 구성하게 한다. 사용되는 기판의 재질은 유리나 투명한 폴리에스테르 필름과 같은 플라스틱 등이 이용될 수 있다. 두 매의 기판중의 편면 또는 양면에 폴리이미드등의 액정배향막이 코팅될 수도 있다. 이 때 기판간의 간격은 5~50㎛정도의 직경을 갖는 스페이서(제 2 도에서는 그 도시를 생략함)에 의해 조정되어 지며 전압인가, 비인가시의 콘트라스트를 고려하면 7~15㎛로 조절하는 것이 적당하다.
자외선 경화시에는 기판의 표면을 일정한 세기를 갖는 자외선으로 균일하게 조사하는 것이 바람직하고, 자외선 조사는 1회로 실시하거나 여러차례로 나누어 실시할 수도 있다.
본 발명의 고분자분산형 액정표시 판넬의 구동특성은 다음과 같다. 전압을 인가하지 않은 노멀 산란 모드(normally scattering mode)의 경우에는 고분자액정복합막은 입사광을 산란시켜 빛이 투과하지 못하게 하고, 전압 인가 상태에서는 입사광을 산란시키지 않고 그대로 투과시키므로 전압에 의한 빛의 투과 및 차단효과를 나타낸다.
고분자액정복합막의 콘트라스트비를 항상시키기 위해서는 광산란에 의한 차단상태를 개선하는 것이 가장 중요한데, 본 발명의 고분자분산형 액정표시 판넬의 경우에는 자외선 경화공정에서 장애가 될 블랙마스크 및 칼라필터를 능동회로부가 위치하는 기판으로 옮김으로써 자외선 조사를 ITO 공통전극 쪽으로 할 수 있기 때문에 화소부에 해당하는 영역이 완전히 경화되어 박막트랜지스터를 구동할 때 재료적인 특성 한도내에서 완벽한 투과 및 차단상태를 실현할 수 있게 된다.
결국 기존의 액정고분자수지복합체의 액정표시 판넬은 제조시 자외선을 조사해도 TFT소자부분 및 블랙 마스크 사이 부분의 광경화수지가 미경화된 채로 날아 전압의 인가에 관계없이 빛이 누출되어 콘트라스트 비의 저하 및 장기 사용에 따른 액정고분자수지복합체의 물성변화등의 문제가 있었으나, 본 발명에 의해 제조되는 액정표시 판넬은 액정고분자 수지복합체의 상분리 정도가 균일하고 안정하여 판넬의 장기 사용성등의 신뢰성 및 콘트라스트가 향상된 이점을 갖는다. 제 3도에 종래의 고분자분산형 액정표시 판넬의 전압 대 광투과율 곡선 및 본 발명의 고분자 분산형 액정표시 판넬의 전압 대 광투과율 곡선을 비교도시하였다.
제 1도는 종래의 고분자분산형 액정표시 판넬의 단면구조도,
제 2도는 본 발명의 고분자분산형 액정표시 판넬의 단면구조도,
제 3도는 본 발명의 고분자분산형 액정표시 판넬의 상대투과곡선 그래프도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1,1' : 기판 2 : 블랙 마스크
3 : 공통전극 4 : 액정고분자수지 복합막
5 : 능동회로부 6 : 칼라필터
7 : 칼라필터 보호층 8 : 화소전극
10 : 미경화 영역

Claims (1)

  1. 투명전극층을 갖는 2 매의 기판 사이에 액정과 광경화성수지 혼합물로 구성된 고분자액정 복합체가 적층되는 고분자분산형 액정표시 판넬에 있어서, 일방의 기판 하부에 박막트랜지스터와 축전캐패시터로 구성되는 능동회로부, 칼라필터, 칼라필터 보호층이 적층되고 상기 박막트랜지스터의 하층에 블랙 마스크 및 ITO 화소전극이 형성되며 타방의 기판에는 ITO 공통전극만이 포함된 것을 특징으로 하는 고분자단산형 액정표시 판넬.
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