KR100462383B1 - 액정표시소자및액정배향방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 러빙공정없이 원편광된 광을 이용한 액정의 광배향방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고분자 박막으로 극성이 없는 물질을 이용하여 높은 액정의 프리틸트각을 얻을 수 있는 액정표시소자 및 액정배향방법에 관한 것이다.

본 발명은 상부 및 하부기판; 상기 상부기판 하부에 형성된 폴리이미드 배향막; 상기 상부 및 하부기판 사이에 주입된 액정; 및 상기 하부기판 상부에 메틸오렌지를 함유한 폴리스틸렌을 포함하며, 편극이 작은 고분자물질로 이루어지는 고분자 배향막을 포함한다.

Description

액정표시소자 및 액정배향방법

본 발명은 본 발명은 러빙공정없이 액정을 광배향시키는 방법에 관한 것으로서, 특히 고분자 박막으로 극성이 없는 폴리스틸렌을 이용하여 액정의 프리틸트각을 조절할 수 있는 원편광된 광을 이용한 액정배향방법에 관한 것이다.

평판표시장치는 미래에 크기가 작은 텔레비젼이나, 대화면의 스크린 텔레비젼 그리고 포터블 단말기 등에 있어서, 정보를 취급하는 중요한 장치가 될 것이다. 특히 평판표시장치중 액정표시소자는 낮은 구동전압과 전류, 높은 콘트라스트비, 저렴한 가격, 태양 광에서의 신뢰도 그리고 집적회로와의 인터페이스 등으로 인하여 정보 표시기로서 넓게 사용되고 있다.

균일한 밝기와 높은 콘트라스트를 갖는 액정표시소자를 제조하기 위해서는 상, 하기판사이에 주입된 액정분자들을 일정한 방향으로 균일하게 배열시켜 주어야 한다. 일반적인 액정표시소자는 상, 하기판의 대향면에 각각 액정 배향막이 형성되어 액정분자들을 일정방향으로 배향시켰었다.

종래의 액정 배향막을 형성하여 액정을 배향하는 방법으로는 표면처리방법으로서 러빙법이 사용되고 있다. 러빙법은 현재 가장 널리 사용되고 있는 방법으로서, 일정한 방향으로 배향막에 형성된 직선 홈을 따라 액정을 배향시키는 방법이다.

그러나, 이 러빙법은 칼라필터 또는 TFT 어레이가 배열된 유리기판상에 폴리이미드를 형성한 후 러빙을 실시하기 때문에, 러빙시 폴리이미드 하부에 배열된 TFT 어레이에 전기적 그리고 역학적 손상을 입히는 문제점이 있었다. 그리고, 러빙법에 의해 제조된 액정표시소자는 시야각(viewing angle)이 작은 단점이 있다. 또한, 상기 배향법은 시야각을 크게 하는 다중 도메인(multi-domain) LCD를 제작하기가 어려운 문제점이 있었다.

또한, 액정표시소자에 있어서, 액정의 반응시간과 콘트라스트비 등의 중요한 변수로 작용하는 프리틸트각(pretilt angle)을 조절하여 경사배향시키는 것이 중요하다. 최근에 러빙하지 않고 프리틸트각을 조절하는 방법이 최근에 활발히 연구되고 있다. 그리고, 높은 프리틸트각이 STN-LCD 등에서 빠른 응답시간과 화질의 안정을 위해 요구되고 있다.

본 발명은 러빙공정없이 고분자 배향막으로 메틸 오렌지를 함유한 폴리스틸렌을 이용하여 높은 프리틸트각을 갖도록 액정을 배향시키는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 고분자 배향막으로 극성이 없는 메틸 오렌지를 함유한 폴리스틸렌을 이용하여 높은 프리틸트각을 얻을 수 있는 액정표시소자를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 재현성이 우수하고 균일한 배향막을 얻을 수 있는 액정표시소자 및 액정배향방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상부 및 하부기판; 상기 상부기판 하부에 형성된 폴리이미드 배향막; 상기 상부 및 하부기판 사이에 주입된 액정; 및 상기 하부기판 상부에 메틸오렌지를 함유한 폴리스틸렌을 포함하며, 편극이 작은 고분자물질로 이루어지는 고분자 배향막을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 편극이 작은 고분자 배향막은 1KHz 로 전기장을 걸어주었을 경우 유전율(ε)이 3x10^-4 F/m인 폴리스틸렌으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 메틸오렌지를 함유한 폴리스틸렌을 포함하는 고분자 배향막을 형성하는 액정 배향방법에 있어서, 상기 고분자 배향막은 편극이 낮은 고분자 박막으로 형성하는 단계; 및 상기 고분자 박막으로 원평광된 광을 입사시켜 액정을 소정의 프리틸트각을 갖도록 경사 배향시키는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 고분자 배향막을 형성하는 단계는 고분자 폴리스틸렌을 NMP(N-Methyl-2-Pyrrolidone)과 디메칠 설폭사이드(Dimethyl Sulfoxide)를 2:1의 비율로 혼합한 용액에 녹이는 단계; 상기 용액에 메틸 오렌지를 첨가하여 메틸 오렌지/폴리스틸렌 용액을 만드는 단계; 및 상기 메틸 오렌지/폴리스틸렌 용액을 스핀-코터(Spin-Coater)를 사용하여 1000rpm으로 1분 동안 코팅하여 하부기판 상부에 메틸 오렌지/폴리스틸렌 박막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 액정의 프리틸트각은 메틸 오렌지의 농도에 따라 변하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 원편광된 광을 이용하여 액정을 경사배향하는 것이 가능할 뿐만 아니라 고분자 배향막의 극성을 조절하여 액정의 프리틸트각을 조절하는 것이 가능하므로, 시야각을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 다중 도메인의 액정표시소자의 제작이 용이하다.

이하, 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 액정 배향 및 프리틸트각의 조절원리를 설명하기 위한 액정셀의 단면 구조도이다.

도 1을 참조하면, 액정셀(1)의 한쪽 기판 예를 들면, 상부기판으로서 폴리이미드가 배향막(11)으로 형성된 기판(10)이 제공되고, 다른 기판 예를 들면, 하부기판으로서 색소를 포함한 고분자 배향막(21)이 형성된 기판(20)이 제공된다.

색소를 함유한 고분자 배향막(21)으로서, 색소(dye)는 광이성질화 반응을 나타내는 메틸 오렌지가 사용되고, 본 발명에서는 매트릭스로 폴리스틸렌(PS)을 사용한다.

도 1의 액정셀(1)에서, 상, 하부기판의 합착에 의한 액정셀의 제작전에 상부기판(10)의 배향막(11)은 러빙법에 의해 이미 프리틸트각을 갖도록 배향된 것이며, 하부기판(20)의 배향막(21)은 셀 제작전 편광된 광에 의해 펌프되어 소정의 프리틸트 각을 갖도록 배향된 것이다.

상기와 같은 액정 셀(1)의 프리틸트각을 결정회전법으로 측정하면, 셀 전체의 프리틸트각(α)은 하기의 식(1)으로 표현되어진다.

여기서, α _P.I. 와 α _LC 는 각각 기준면인 폴리이미드 배향막(11) 근처와 고분자 배향막(21)근처에서의 액정의 프리틸트 각이고, θ _x 는 투과도 곡선의 대칭각이며, n_e 와 n_o 는 액정의 정상(ordinary) 굴절율과 이상(extraordinary) 굴절율을 각각 나타낸다.

상기의 식으로부터 고분자 배향막(21)의 편광된 광에 의해 배향된 액정의 프리틸트 각(α _LC )을 구할 수 있다.

도 1의 액정셀(1)에 있어서, 기판(20) 표면에 대하여 아조색소 분자가 빛을 받아 광반응을 하여 발생하는 펌프파를 경사지게 입사시키면, 고분자 배향막(20)에 함유된 메틸 오렌지(MO) 분자들은 빛의 진행방향에 대하여 나란하게 배열하여 기판표면에 대하여 경사지게 배열된다. 이에 따라 상, 하기판(10, 20)사이에 주입된 액정분자는 메틸 오렌지(MO) 분자들을 따라 경사배향된다. 여기에서, 아조색소는 벤젠고리-N=N-벤젠고리의 구조를 갖는 분자이다.

이와같이 메틸 오렌지를 함유한 MO/PVA 의 고분자 배향막(21)에 원편광된 광을 입사시키면 메틸 오렌지(MO)분자들을 따라 상, 하기판(10, 20)사이에 주입된 액정이 소정의 프리틸트각을 가지고 경사배향되는 기술은 국내 특허출원 제96-42514호에 개재되어 있다.

상기와 같이 원편광된 광을 이용하여 액정을 경사배향시킬 때, 고분자 배향막의 편극(polarity)는 MO 분자들이 배열되어 액정과 상호작용을 할 때 영향을 미치게 된다.

따라서, 본 발명은 메틸 오렌지를 함유한 고분자 배향막을 원편광된 광을 이용하여 경사배향시키고, 이에 따라 액정을 경사시키는 광배향방법으로서, 고분자 배향막의 편극에 의한 영향을 감소시키시 위하여 고분자 배향막으로서 편극(polarity)이 거의 없는 메틸 오렌지를 함유한 폴리스틸렌을 이용한다.

본 발명에서는 편극이 거의 없는 폴리스틸렌(PS, PolyStyrene)을 매트릭스로 사용한 MO/PS 고분자 배향막을 사용하는데, MO/PS 고분자 배향막을 형성하는 방법은 고분자 PS를 NMP(N-Methyl-2-Pyrrolidone)과 Dimethyl Sulfoxide를 2:1 로 섞은 용액에 녹이고, 이용액에 적당량의 MO를 첨가하여 MO/PS 용액을 만든다.

MO/PS 용액을 스핀-코터(spin-coater)를 이용하여 1000rpm 으로 1분동안 코팅하여 MO/PS 박막(21)을 유리기판(20)상에 제작한다.

도 3은 고분자 배향막으로 메틸 오렌지를 함유한 폴리비닐 알코올을 사용한 경우의 원편광된 펌프하의 입사각도에 대한 투과도를 도시한 것이다.

고분자 배향막으로 MO/PVA 고분자 배향막을 사용한 경우에는 도 3과 같은 투과도 곡선을 얻게 되어 대칭각(θ_X)이 10°정도를 측정된다. 따라서, 액정의 프리틸트각(α_LC)으로 3.1°를 얻을 수 있었다. 이때. 원편광된 펌프파의 입사각도는 60°이고 셀의 두께는 24μm 이고, 고분자 배향막에 포함된 메틸오렌지의 농도는 15wt.% 이다.

한편, 고분자 배향막으로 MO/PVA를 사용한 경우, 다른 조건은 상기의 경우와 동일하고 MO 분자의 농도가 1wt.% 인 경우에는 액정셀(1)에서 액정이 거의 배향되지 않았다.

이는 MO/PVA 배향막에 있어서, 매트릭스로 사용되는 폴리비닐 알코올(PVA)은 편극(polarity)가 아주 커서, MO 분자가 입사되는 원편광된 펌프파에 의해 배열될 MO 분자의 배열에 영향을 미치게 되기 때문이다.

즉, 매트릭스인 고분자 PVA 의 편극이 크기 때문에, 원편광된 펌프파에 의해 배열된 MO 분자의 이방성을 PVA 의 편극이 스크린하여 MO 분자와 액정분자간의 상호작용을 감소시키게 된다. 이로 인하여 PVA 고분자에 함유된 MO 농도가 낮은 경우에는 MO 분자를 따라 액정이 거의 배향되지 않았으며, MO 농도가 높은 경우에는 액정이 경사 배향은 되지만, 작은 프리틸트각을 얻을 수 있었다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 고분자 배향막으로 편극이 거의 없는 MO/PS를 사용한 경우, 결정회전법으로 측정한 입사각도에 따른 투과도곡선을 도시한 것이다. 도 2a 는 MO 농도가 1wt.%인 MO/PS 고분자 배향막의 입사각도에 따른 투과도곡선이고, 도 2b 는 MO 농도가 10wt.% 인 MO/PS 고분자 배향막의 입사각도에 따른 투과도 곡선이다.

도 2a 와 도 2b에서 보는 바와같이, 곡선의 대칭각은 배향막으로 MO/PVA를 사용한 경우보다 큼을 알 수 있다. 펌프파의 입사각도는 60°이고, 그외 펌프조건도 MO/PVA를 고분자 배향막으로 사용한 경우와 동일하다.

MO 농도가 1wt.% 인 MO/PS 고분자 박막을 배향막으로 제작한 액정셀은 배향이 잘되었고, 도 2a에서 보는 바와같이 대칭각이 24°이므로 상기 식으로부터 액정의 프리틸트각은 14°로 계산된다. 동일한 농도로 MO 분자를 함유한 MO/PVA 고분자 배향막에 비하여 커다란 프리틸트각을 얻을 수 있었다. 이때,α_P.I. = 1°이었다.

또한, 도 2b에서 보는 바와같이, MO 농도가 10wt.% 의 MO/PS 고분자 배향막의 경우에는 액정의 프리틸트각이 결정회전법으로 측정할 수 있는 범위를 벗어나는 36°이상으로 아주 큰 값을 얻을 수 있다. 이때, 투과도 곡선을 보면, 대칭각(θ_X)은 60°이상이 된다.

상기의 결과로부터, 메틸 오렌지를 함유한 고분자 박막을 배향막으로 사용하는 경우, 극성이 거의 없는 폴리스틸렌을 매트릭스로 사용하게 되면 극성이 큰 물질을 사용하는 경우보다 상대적으로 커다란 프리틸트각을 얻을 수 있게 됨을 알 수 있다. 또한, 고분자 박막에 포함된 메틸 오렌지의 농도가 증가함에 따라 프리틸트각이 증가하게 됨을 알 수 있다.

이때, 폴리스틸렌과 폴리비닐 알코올의 편극을 살펴보면, 편극(polarity, P)는 하기의 식(2)으로 표현된다.

상기 식(2)에서 보는 바와같이, 동일한 전기장을 걸어주었을 경우 편극은 유전율 ε 에 비례하고, 이 유전율 ε은 물질에 따라 다르다. 폴리스틸렌은 1KHz 로 전기장을 걸어주었을 경우 유전율(ε)이 3x10^-4 F/m이고, 폴리비닐 알코올은 8 F/m 이다. 따라서, 폴리비닐 알코올에 비하여 폴리스틸렌의 편극은 상대적으로 아주 작음을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 액정을 배향시키는 공정으로서 러빙공정을 하지 않고 아조색소를 함유한 고분자 배향막을 배향막으로 하고, 원편광된 광을 이용하여 아조색소분자배열의 이방성을 유도하여, 액정을 배향시킨다. 이때, 액정을 MO 분자의 이방성에 의해 배향시키고, 매트릭스의 역할을 하는 고분자 박막의 극성에 의해 배향막에 포함된 아조색소의 분자배열의 이방성을 조절함으로써, 액정의 프리틸트각을 조절하는 것이 가능하다.

이상에서 자세히 설명된 바와 같이, 상기한 바와같은 본 발명에 따르면, 본 발명은 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 러빙방법을 사용하지 않으므로, 결점이 없는 균일한 배향막을 형성하는 것이 가능할 뿐만 아니라 우수한 재현성을 얻을 수 있다.

둘째, 고분자 배향막에 원편광된 광을 조사하여 액정분자를 경사배향시켜 프리틸트각을 얻을 수 있다. 또한, 극성이 거의 없는 MO/PS를 고분자 배향막으로 사용함으로써 액정의 프리틸트각을 조절시켜 주는 것이 가능하다. 따라서, 시야각을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 다중 도메인의 액정표시소자의 제작이 용이하다.

셋째, 본 발명의 액정배향방법을 이용하여 액정셀을 제작하는 경우, 러빙공정의 수행에 따른 TFT 의 손실이 방지되어 생산수율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광배향 원리를 설명하기 위한 액정셀의 단면도,

도 2a와 도 2b는 본 발명의 메틸오렌지/폴리스틸렌(MO/PS)의 고분자 배향막의 입사각도에 따른 투과도 곡선을 도시한 도면으로서,

도 2a는 MO 농도가 1wt.% 인 MO/PS 고분자 배향막인 경우,

도 2b는 MO 농도가 10wt.% 인 MO/PS 고분자 배향막인 경우,

도 3은 메틸오렌지/폴리비닐 알코올(MO/PVA)의 고분자 배향막에 대한 광의 입사각도에 따른 투과도 곡선을 도시한 도면,

(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)

10, 20 : 기판 11 : 폴리이미드 배향막

21 : 색소를 함유한 고분자 배향막(폴리스틸렌)

30 : 액정 1 : 액정셀

Claims (5)

1. 상부 및 하부기판;

   상기 상부기판 하부에 형성된 폴리이미드 배향막;

   상기 상부 및 하부기판 사이에 주입된 액정; 및

   상기 하부기판 상부에 메틸오렌지를 함유한 폴리스틸렌을 포함하며, 편극이 작은 고분자물질로 이루어지는 고분자 배향막을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 편극이 작은 고분자 배향막은 1KHz 로 전기장을 걸어주었을 경우 유전율(ε)이 3x10^-4 F/m인 폴리스틸렌으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
3. 메틸오렌지를 함유한 폴리스틸렌을 포함하는 고분자 배향막을 형성하는 액정 배향방법에 있어서,

   상기 고분자 배향막은 편극이 낮은 고분자 박막으로 형성하는 단계; 및

   상기 고분자 박막으로 원편광된 광을 입사시켜 액정을 소정의 프리틸트각을 갖도록 경사 배향시키는 것을 특징으로 하는 액정배향방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 고분자 배향막을 형성하는 단계는

   고분자 폴리스틸렌을 NMP(N-Methyl-2-Pyrrolidone)과 디메칠 설폭사이드(Dimethyl Sulfoxide)를 2:1의 비율로 혼합한 용액에 녹이는 단계;

   상기 용액에 메틸 오렌지를 첨가하여 메틸 오렌지/폴리스틸렌 용액을 만드는 단계; 및

   상기 메틸 오렌지/폴리스틸렌 용액을 스핀-코터(Spin-Coater)를 사용하여 1000rpm으로 1분 동안 코팅하여 하부기판 상부에 메틸 오렌지/폴리스틸렌 박막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정배향방법.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 액정의 프리틸트각은 메틸 오렌지의 농도에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 액정배향방법.