KR100433412B1 - 강유전성 액정 표시소자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

강유전성 액정 표시소자의 제조방법이 개시된다. 강유전성 액정표시소자의 제조방법은 기판, 전극층 및 배향막을 각각 갖는 하부구조체와 상부구조체 사이에 형성된 셀에 용융상태의 강유전성 액정을 주입하여 봉입하는 단계와, 강유전성 액정이 북셀프 구조에 대응되는 상전이가 얻어지도록 강온시키는 단계와, 상전이 온도 보다 높은 온도부터 상전이 온도 이하의 온도까지 전극층에 직류전위를 인가하는 단계와, 직류전위 인가를 중단하고 소정 온도 이하까지 강온시키는 단계와, 전극층에 역전압을 인가하면서 다시 강온시키는 단계를 포함한다. 이러한 제조방법에 의해 생성된 강유전성 액정표시소자는 북쉘프 구조의 모노 도메인을 갖는 액정층에 의해 깨끗한 흑백 상태를 표시할 수 있다.

Description

강유전성 액정 표시소자의 제조방법{Method of producing FLCD}

본 발명은 강유전성 액정표시소자의 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 강유전성 액정이 북셀프 구조로 결정화시 균일한 모노 도메인을 형성시켜 화질을 향상시킬 수 있는 강유전성 액정표시소자의 제조방법에 관한 것이다.

액정표시소자는 평판형 디스플레이로서, 휴대용 기기를 중심으로 널리 보급되어 사용되고 있고, 대형화 기술의 발달에 따라 대형 디스플레이 기기 분야에서도 종래의 브라운관 디스플레이(CRT)를 빠른 속도로 대체해 가고 있다.

액정표시소자에 적용되는 액정재료의 종류는 다양하다.

일반적으로 많이 이용되는 TN(twisted nematic)액정표시소자는 TN액정분자의 유전율 이방성(dielectric anisotropy)과 전기장 사이의 상호작용(interaction)을 이용하기 때문에 반응 시간이 수십 밀리초(ms)로 느려서 동영상을 표시하기가 어렵고, 시야각이 좁으며, 일정거리 이내에서는 픽셀사이의 크로스토크(cross-talk)가 발생하여 픽셀사이즈를 일정크기 이하로 줄이기 어려운 문제점들이 있다.

한편, 강유전성 액정 표시소자(FLCD; ferroelectric liquid crystal display)는 강유전성 액정의 자발분극과 전기장사이의 상호작용을 이용하며, 1 밀리초(ms) 이하의 빠른 응답특성을 제공한다. 이러한 강유전성 액정 표시소자는 동영상 표시에 어려움이 없고, 넓은 시야각을 제공하며, 분자 사이의 강한 상호작용에 의해 크로스토크가 발생되지 않는 픽셀 사이즈가 보다 줄어들어 높은 해상도를 구현할 수 있어 차세대 표시장치로서 연구가 활발히 진행되고 있다.

현재 널리 이용되는 강유전성 액정은 쌍안정특성을 갖고, 쉐브론(chevron) 구조를 갖는 키랄스메틱 C상(SmC*)의 액정재료가 있다.

이 액정재료를 이용하는 강유전성 액정표시소자는 제조공정상에서, 융점 이상으로 유지된 액정을 기판 사이의 셀내에 주입하고, 온도를 내리면 키랄네마틱(N*)상을 거쳐 러빙방향에 수직인 층구조를 갖는 스메틱 A상이 되고, 다시 키랄스메틱C상으로 변화한다. 이 과정에서 액정층내의 액정분자의 장축방향이 러빙방향에 대해 특정한 각도로 기울어지면서 스메틱 층간의 간격이 줄어들고, 그 결과 부피의 변화를 보상하기 위하여 액정층내에서의 스메틱층의 꺽임이 발생된다. 이와 같이 꺽여진 층구조를 쉐브론(chevron)구조라 하며 꺽임의 방향에 따라 액정의 장축의 방향이 서로 다른 도메인이 형성되고, 그 경계면에 지그재그 결함, 헤어핀 결함, 마운틴 결함등이 존재하는 균일하지 않는 배향이 얻어진다.

이러한 배향특성에 의해 액정 표시소자의 콘트라스트 비가 현저히 떨어지게되고, 이를 방지하기 위해 강제적으로 직류전압을 가하는 경우, 액정층 내의 이온들이 배향막 표면에 쌓이거나 흡착 되어 이전 표시상태에서 현재 표시상태로 전환될 때 이전의 표시패턴이 희미하게 표시되는 잔영 현상이 발생되는 문제점이 있다.

그 밖에, 문턱제약을 완화시킨 AFLC(Anti ferroelectric liquid crystal)모드를 제공하는 강유전성 액정소재가 활발히 연구되고 있으나, 자발분극이 100nC/cm2 이상으로 역분극 전계에 의한 이온의 이동에 의해 역시 잔상이 발생될 수 있다. 또한, 박막트랜지스터(TFT;thin film transistor)를 이용하여 각 화소마다 독립적으로 액정을 구동시키는 방식인 액티브 메트릭스 구동방식을 적용할 경우 큰 자발분극에 의해 누설전류(leakage current)가 발생할 수 있다. AFLC의 누설전류를 억제하기 위해서는 커패시터의 용량을 매우 크게 하여야 하는데, 이 경우 개구율(aperture ratio)이 감소하여 표시장치로 이용하기가 어려운 문제점을 안고 있다.

이러한 강유전성 액정의 단점을 개선시킬 수 있는 것으로서, 교류 구동이 가능하며 잔상이 억제되는 북쉘프 구조를 갖는 강유전성 액정소재가 꾸준히 개발되고 있다.

현재 각광받는 북쉘프 구조를 갖는 강유전성 액정소재로서 결정화 과정시 스메틱 A상을 거치치 않는 액정소재가 있다. 즉, 결정화 과정에서의 상변이가 융점 이상의 액체상태(Isotropic)로부터 강온시 키럴 네마틱(N*)-키럴 스메틱C(SmC*)상을 거쳐 결정화 된다. 키럴 네메틱에서 키럴 스메틱C상으로 상전이 하는 액정중 단안정(Mono stable) 특성을 갖는 하프-V형 액정이 있다.

하프-V형 액정은 도 1에 도시된 바와 같이 전위 비 인가시 액정의 광축이 배향막의 러빙방향에 나란한 방향으로 위치하고, 양전위(+) 인가시 인가 전위의 레벨에 대응되어 액정의 장축이 최대 45도까지 틸트된다. 도면에서 Vsat는 액정의 최대 틸트를 발생시키는 포화전압을 표시한 것이다.

그리고, 음전위 인가시에는 전위 비 인가시와 같은 방향으로 액정의 장축이 배열된다. 이러한 액정은 인가 전위에 대한 광투과율이 도 2에 도시된 바와 같은 관계 즉, 단안정(Mono stable) 특성을 갖는다. 이러한 특성을 갖는 액정에 대해 여러 이름으로 부르고 있고, 특히 인가 전위(V) 대 광투과율(T) 특성을 고려하여, 하프-V형 액정이라고 일반적으로 부른다.

특히, 이러한 액정은 교류구동이 가능하고, 아날로그상의 그레이 스케일 표시가 가능하여 풀 컬러(full color) 구현이 용이하고, 단안정 특성에 의해 펄스 구동이 가능하기 때문에 기존의 CRT 디스플레이에 가까운 표시성능을 제공하는 장점이 있다.

그런데, 종래의 강온에 의해 제조된 북쉘프 구조의 강유전성 액정 표시소자는 액정의 결정화 과정에서 키럴 네메틱에서 키럴 스메틱C상으로 상전이 할 때 액정분자의 틸트각이 증가하는 과정에서 층 수축(layer contraction)이 발생하게 되고, 이때 층 수축을 보상하기 위한 액정의 배열과정에서 표시상태에서 밝기 차이를 야기시키는 비균일한 도메인들이 형성되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 결정화시 균일한 모도 도메인이 형성되도록 하여 화질의 균일성이 향상된 표시특성을 갖는 강유전성 액정표시소자의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 북쉘프 구조를 갖는 하프-V형 강유전성 액정의 인가전압에 따라 틸트되는 현상을 보여주는 도면이고,

도 2는 도 1의 하프-V형 강유전성 액정의 인가전압과 광투과율과의 관계를 나타내 보인 그래프이고,

도 3은 본 발명에 따른 강유전성 액정 표시장치를 나타내 보인 도면이고,

도 4는 도 3의 액정표시소자의 기판에 액정주입용 셀을 형성시키는 과정의 일 예를 보여주는 사시도 이고,

도 5은 본 발명에 따른 강유전성 액정표시소자의 제조과정을 나타내보인 플로우도이고,

도 6은 키랄네마틱(N*)상에서 키랄스메틱C상으로 상전이 하는 강유전성 액정을 종래의 제조방식에 의해 강온 처리 후 생성된 액정표시소자의 전위 비 인가시의 표시상태를 나타내 보인 사진이고,

도 7은 도 6의 강유전성 액정의 결정화 과정을 설명하기 위해 액정을 도식적으로 나타내 보인 도면이고,

도 8은 본 발명에 따른 액정표시소자 제조과정을 거쳐 생성된 액정표시소자에 대해 전위 비 인가시의 표시상태를 나타내 보인 사진이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 강유전성 액정표시소자 11: 하부기판

12: 하부 전극층 13: 하부 배향막

14: 액정층 15: 상부 배향막

16: 상부 전극층 17: 상부기판

18: 실링부재 19: 스페이서

20: 구동부

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 강유전성 액정표시소자의 제조방법은 기판, 전극층, 배향막을 갖는 하부구조체 및 상부 구조체를 각각 형성하는 단계와; 상기 하부구조체와 상기 상부구조체 사이에 셀을 형성시키는 단계와; 상기 셀에 용융상태의 소정의 강유전성 액정을 주입하여 봉입하는 단계와; 상기 강유전성 액정이 북셀프 구조에 대응되는 상전이가 얻어지도록 강온시키는 단계와; 상기 상전이 온도 보다 높은 제1 온도부터 상기 상전이 온도 이하의 제2 온도까지 상기 전극층에 소정의 제1직류전위를 인가하는 단계와; 상기 제1직류전위 인가를 중단하고 상기 제2온도 보다 낮은 제3온도까지 강온시키는 단계와; 상기 전극층에 상기 제1직류전위와 극성이 반대인 제2직류전위를 상기 전극층에 인가하면서 상기 제3온도 보다 낮은 제4온도까지 강온시키는 단계;를 포함한다.

상기 강유전성 액정은 강온시 키럴네마틱상에서 키럴스메틱C상으로 상전이 하는 소재가 적용된다.

바람직하게는 상기 제1온도는 상기 강유전성 액정의 상기 상전이 온도 보다 적어도 2도 이상 높은 온도이고, 상기 제2온도는 상기 상전이 온도 보다 적어도 1도 이하가 적용된다.

또한, 상기 제3온도는 상기 제2온도 보다 적어도 1 내지 2도 이하이고, 상기 제4온도는 상기 제3온도 보다 적어도 10도 이하가 적용된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강유전성 액정표시소자의 제조방법을 보다 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 강유전성 액정 표시소자를 나타내 보인 단면도이다.

도면을 참조하면, 강유전성 액정표시소자(10)는 하부기판(11), 하부 전극층(12), 하부 배향막(13), 액정층(14), 상부 배향막(15), 상부 전극층(16), 상부 기판(17), 실링부재(18) 및 스페이서(19)를 구비한다. 하부 기판(11)의 저부와 상부 기판(17)의 상부에는 편광축이 소정 각도로 교차하도록 배치된 편광판(미도시)이 배치된다. 참조부호 20은 액정층(14)내에 주입된 강유전성 액정의 결정화 과정에서 극성을 가변하여 직류 전위를 인가하는 구동부이다.

하부 및 상부기판(11)(17)은 유리 또는 투명 합성수지와 같은 투명소재가 적용된다.

하부 및 상부 전극층(12)(16)은 알려진 투명 도전 소재 예컨대 ITO소재로 형성된다. 바람직하게는 하부전극층(12)과 상부전극층(16)은 상호 직교되는 방향을 따라 나란하게 형성된 다수의 전극을 구비한다.

하부 및 상부 배향막(13)(15)은 알려진 다양한 배향소재로 형성된다. 배향소재의 예로서는 폴리이미드, 폴리비닐알콜, 나일론, PVA계 등이 있다.

배향막(13)(15)은 천과 같은 러빙소재로 소정 각도로 러빙처리된다.

스페이서(19)는 액정층(14)의 갭을 일정하게 유지하기 위해 설치된 것이다.

액정층(14)은 본 발명에 따른 결정화 과정을 통해 생성된 북쉘프(bookshelf) 구조 및 단안정 특성을 갖는 강유전성 액정소재로 채워져있다.

북쉘프 구조 및 단안정 특성을 갖는 강유전성 액정층(14)은 결정화 과정을 거쳐 균일하게 형성된 모노 도메인상에 수직상으로 배열된 스메틱층 내에서의 액정분자가 꺽여지지 않고 나란하게 열을 짖는 구조를 갖는다. 이러한 북쉘프 구조의 균일한 모노 도메인을 갖는 강유전성 액정소자는 해당 액정을 용융 상태(isotropic state)에서 주입하고 온도를 내리면서 이하에서 설명하는 전위 인가방식에 의해 균일한 모노 도메인을 갖는 구조의 조직을 얻게된다.

북쉘프 구조를 갖는 액정소재 즉, 키랄네마틱(N*)상에서 키랄스메틱C(SmC*)상으로 상전이 하는 액정소재는 일본국 특개평 6-122875호, 일본국 특개평 6-25060호, 일본국 특개평 6-40985호, 일본국 특개평 6-228057호, 미국특허 제 4585575호, 국내 공개 특허 공보 1997-1332호등에서 다양하게 알려져 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 강유전성 액정표시소자의 제조과정을 도 3 및 도 5를 함께 참조하여 설명한다.

먼저, 상부 및 하부 구조체를 형성한다(단계110).

하부구조체는 하부기판(11), 하부 전극층(12), 하부 배향막(13)이 순차적으로 형성된 구조를 말하고, 상부 구조체는 상부기판(17), 상부 전극층(16), 상부 배향막(15)이 순차적으로 형성된 구조를 말한다. 하부 배향막(13) 및 상부 배향막(15) 각각은 설정된 방향으로 따라 천이 감긴 롤러와 같은 알려진 러빙소재로 러빙처리한다.

다음은, 러빙처리된 하부구조체와 상부구조체 사이에 액정 주입용 셀(18)을 형성한다(단계 120).

셀 형성과정의 일 예를 들면, 러빙처리된 하부구조체 및 상부구조체중 어느 하나의 구조체의 기판(11)(17)에 실란트와 같은 실링소재로 형성하고자 하는 패턴에 대응되는 셀(18)을 형성한다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이 실링소재(18a)로 하부기판(11)에 가장자리를 따라 주입구(18b)를 갖도록 셀(18)을 형성시킨다. 그리고, 셀 간극을 유지시키기 위한 스페이서(19)를 기판(11)(17) 사이에 설치한다. 이후, 하부구조체와 상부구조체를 접합시킨다.

셀 형성 이후에는, 실링소재(18a)에 의해 형성된 셀(18)의 주입구(18b)를 통해 결정화시 키랄네마틱(N*)상에서 키랄스메틱C(SmC*)상으로 상전이 하는 강유전성 액정을 이소트로픽(Isotropic) 상태인 용융상태에서 주입한 다음 셀(18)의 주입구(18b)를 봉합한다(단계130).

그리고 나서, 모노 도메인 및 북쉘프 구조를 갖는 키럴스메틱상을 얻기 위한 결정화 과정을 수행한다.

결정화 과정에서는, 먼저 융점 이상으로 가열되어 셀의 주입구(18b)를 통해 주입된 액정이 키랄네마틱(N*)상을 거쳐 키랄스메틱C(SmC*)상으로 직접 상전이 할 수 있도록 강온시키고, 하부 및 상부 전극층(12)(16)을 통해 제1직류 전위를 인가한다(단계 140).

제1직류 전위는 강온시부터 또는 키랄스메틱C(SmC*)상 전이 온도 보다 수 내지 수십도 높은 액정 온도에서 인가한다. 또한 제1직류전위는 상전이 온도 이하의 설정된 제2온도까지 지속적으로 인가한다. 바람직하게는 제1온도는 강유전성 액정의 상전이 온도 보다 적어도 2도 이상 높은 온도가 적용되고, 제2온도는 상전이 온도 보다 적어도 1도 이하로 적용된다.

제2온도에 도달하면, 강온과정은 계속 수행하되, 제1직류전위의 인가를 중단한다(단계 150). 즉, 전위 비인가상태로 제3온도까지 강온한다. 바람직하게는 제3온도는 제2온도 보다 적어도 1 내지 2도 이하가 적용된다.

마지막으로 제3온도에 도달하면 제4온도까지 제1직류전위의 극성과 반대 방향의 제2직류전압 즉, 역전압을 전극층(12)(16)에 인가한다(단계 160). 바람직하게는 제4온도는 제3온도 보다 적어도 10도 이하로 적용된다.

이러한 결정화 과정을 통해 제조된 액정표시소자는 북셀프 구조 및 균일한 모노 도메인을 갖는 액정층(14)이 생성된다.

이하에서는 본 발명에 따라 제조된 액정표시소자와 종래의 방식에 의해 제조된 액정표시소자를 실험예를 통해 비교하여 설명한다.

먼저, 키랄네마틱(N*)상을 거쳐 키랄스메틱C(SmC*)상으로 직접 상전이 하는 강유전성 액정재료를 종래 방식에 의해 강온 처리만 하여 결정화한 경우에 대해 살펴본다.

키랄네마틱(N*)상을 거쳐 키랄스메틱C(SmC*)상으로 직접 상전이 하는 강유전성 액정재료를 등온(Isotropic) 상태에서 강온율(cooling rate)을 분당 2도(2℃/min)씩 적용하여 키럴 스메틱C상(Sm*C)의 전이온도(예 72도)이하까지 냉각하여 생성 완료된 액정 표시소자에 대해 편광축이 직교되게 양 기판(11)(17) 외측에 배치된 두 개의 편광판을 통해 표시된 상태가 도 6에 도시되어 있다.

도시된 바와 같이, 표시화면은 블랙상태 표시모드임에도 불구하고 밝은 부분이 부분적으로 나타난다. 도면에서 동그랗게 표시된 부분은 스페이서들 이다. 이러한 결과는 액정의 결정화 과정에서 비균일한 도메인이 형성된 결과이다.

이러한 결과를 야기시키는 종래의 결정화 과정을 도 7을 참조하여 설명하면, 예를 들어 위치 A에 있는 액정분자(24a)는 강온되면서, 층 수축(layer contraction)을 보상하기 위해 왼쪽(L) 또는 오른쪽(R) 방향으로 움직이려 한다. 이때 왼쪽(L) 방향은 러빙방향과 가까워 대부분의 액정분자가 왼쪽(L)방향으로 움직일 것 같지만, 실제로는 위치 A에 있는 액정(24a)을 기준으로 왼쪽(L) 방향과 오른쪽(R) 방향과의 거리에 따른 에너지 차(ΔE)가 매우 적어 결정화 과정을 거치면, 액정분자(24a)는 왼쪽(L)방향과 오른쪽(R)방향을 따라 골고루 분포하고, 그 결과 비균일한 도메인들이 형성된다. 여기서 에너지 차(ΔE)는 γsin(2θ)로 표현할 수 있고, γ는 액정의 배향막과의 고착 에너지(Anchoring energy)이고, θ는 액정분자의 회동 콘상에서의 액정분자의 회동 각이다.

이러한 비균일한 도메인의 형성에 의해 액정분자의 회동 가능한 콘(cone)의 궤적은 서로 다른 방향으로 기울어진다.

한편, 결정화 과정에서 강온과 함께 정방향 직류전위 인가, 직류전위인가 중단, 역방향 직류전위 인가를 순차적으로 수행한 경우 균일한 모노 도메인을 갖는 액정표시소자가 제조되었다.

도 8은 본 발명의 제조과정을 거쳐 생성된 강유전성 액정표시소자를 블랙표시모드인 전위 비인가시 편광판을 통해 얻은 표시상태를 찍은 사진이다.

사진을 통해 알 수 있는 바와 같이 도 6에 도시된 바와 같은 밝기 차이가 나는 부분들이 사라짐을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따라 제조된 액정표시소자는 깨끗한 블랙의 모노-도메인을 갖게 구조로 형성되었음을 알 수 있다. 참고적으로 도 8의 사진의 액정표시소자는 키럴스메틱C상 전이 온도(72도) 보다 높은 74도부터 70도 까지 8V의 직류전압을 인가하고, 70도부터 68도까지는 전위 비인가상태에서 강온만 수행하고, 이후 68도부터 30도 까지 강온과 함께 역전압(-8V)를 인가하는 과정을 거쳐 생성되었다. 또한, 셀갭은 1.5마이크로 미터였다.

도 7을 참조하여 이렇게 균일한 모노 도메인을 갖는 북셀프 구조의 액정표시소자의 결정화 과정을 설명하면, 예를 들어 A위치에 있는 액정분자(24a)는 인가되는 직류 전위에 의해 강제적으로 위치 B로 이동되고, 강온시 콘각이 45도 정도로 유지됨으로써, 위치 B에 있는 액정분자(24b)을 기준으로 왼쪽(L') 방향과, 오른쪽(R') 방향 사이의 에너지 차(ΔE)가 매우 커져 대부분의 액정분자가 러빙방향에 가까운 오른쪽(R')방향으로 움직여 배향되고, 그 결과 모노 도메인이 형성된 것으로 판단할 수 있다.

여기서 액정층(14)에 걸어주는 직류전압의 크기는 액정층의 셀갭 및, 적용되는 액정분자의 전위에 대한 반응 특성에 따라 적절한 범위내에서 결정하는 것이 바람직하다.

지금까지 설명된 바와 같이, 본 발명의 제조방법에 따라 생성된 강유전성 액정표시소자는 북쉘프 구조의 모노 도메인을 갖는 액정층에 의해 깨끗한 흑백 상태를 표시할 수 있다.

Claims (5)

1. 기판, 전극층, 배향막을 갖는 하부구조체 및 상부 구조체를 각각 형성하는 단계와;

   상기 하부구조체와 상기 상부구조체 사이에 셀을 형성시키는 단계와;

   상기 셀에 용융상태의 소정의 강유전성 액정을 주입하여 봉입하는 단계와;

   상기 강유전성 액정이 북셀프 구조에 대응되는 상전이가 얻어지도록 강온시키는 단계와;

   상기 상전이 온도 보다 높은 제1 온도부터 상기 상전이 온도 이하의 제2 온도까지 상기 전극층에 소정의 제1직류전위를 인가하는 단계와;

   상기 제1직류전위 인가를 중단하고 상기 제2온도 보다 낮은 제3온도까지 강온시키는 단계와;

   상기 전극층에 상기 제1직류전위와 극성이 반대인 제2직류전위를 상기 전극층에 인가하면서 상기 제3온도 보다 낮은 제4온도까지 강온시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전성 액정표시소자의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 강유전성 액정은 강온시 키럴네마틱상에서 키럴스메틱C상으로 상전이 하는 소재인 것을 특징으로 하는 강유전성 액정표시소자의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1온도는 상기 강유전성 액정의 상기 상전이 온도 보다 적어도 2도 이상 높은 온도이고, 상기 제2온도는 상기 상전이 온도 보다 적어도 1도 이하인 것을 특징으로 하는 강유전성 액정표시소자의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 제3온도는 상기 제2온도 보다 적어도 1 내지 2도 이하인 것을 특징으로 하는 강유전성 액정표시소자의 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 제4온도는 상기 제3온도 보다 적어도 10도 이하인 것을 특징으로 하는 강유전성 액정표시소자의 제조방법.