KR100660263B1 - 액정 표시 소자 - Google Patents

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나카오겐지
핫토리가츠지
우에무라츠요시
고바야시준이치
츠다게이스케
와케모토히로후미
다쿠보요네하루
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마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 액정 표시 소자는 적어도 1개의 기판, 및 액정층을 포함하고 있으며, 한 영역의 배향 방향과 배향 방향이 국부적으로 다른 배향 방향이 다른 영역이 존재하는 특징이 있다.
액정 표시 소자, 액정, 액정층, 기판, 벤드 배향, 정렬 처리, 액정 표시 소자용 기판, 스터릭 장애물, 칼럼 스페이서, 픽셀 전극, 축전 전극

Description

액정 표시 소자{Liquid crystal display element}
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태의 제 1 실시예에 따른 테스트 셀의 구성을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 2는 도 1의 테스트 셀을 제조하는 공정을 도시하는 단면도이다.
도 3은 도 1의 테스트 셀을 제조하는 공정을 도시하는 단면도이다.
도 4는 포토마스크를 도시하는 평면도이다.
도 5는 도 1의 기판의 마찰 방향을 도시한다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시형태의 제 2 실시예에 따른 테스트 셀의 구성을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 7은 포토마스크를 도시하는 평면도이다.
도 8은 본 발명의 제 1 실시형태의 제 3 실시예에 따른 테스트 셀의 구성을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 9는 도 8의 테스트 셀을 제조하는 공정을 도시하는 단면도이다.
도 10은 마스크를 도시하는 평면도이다.
도 11은 본 발명의 제 1 실시형태의 제 4 실시예에 따른 액정 표시 소자의 구성을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 12는 도 11의 액정 표시 소자의 각 광학 소자의 배치 방향을 도시하는 평면도이다.
도 13은 도 11의 액정 표시 소자의 앞쪽면의 인가 전압-투과율 특성을 도시하는 그래프이다.
도 14는 종래 OCB 모드 액정 표시 소자의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 15는 도 1의 테스트 셀의 하부 기판의 돌출부의 배치를 도시하는 평면도이다.
도 16은 도 6의 테스트 셀의 하부 기판에 형성된 홈의 배치를 도시하는 평면도이다.
도 17은 도 8의 테스트 셀의 하부 기판의 정렬 처리 상태를 도시하는 평면도이다.
도 18은 본 발명의 제 1 실시형태의 제 6 실시예에 따른 액정 표시 소자의 각 광학 소자의 배치 방향을 도시하는 평면도이다.
도 19는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 액정 표시 소자의 구성을 도시하는 평면도이다.
도 20은 도 19의 화살표 XX-XX의 방향으로의 단면도이다.
도 21은 도 19의 복합 칼럼 스페이서(complex column spacer)의 구성을 도시 하는 평면도이다.
도 22는 도 21의 복합 칼럼 스페이서에 의해 형성되는 정렬 처리 상태를 도시하는 개념도이다.
도 23은 복합 칼럼 스페이서를 형성하기 위해서 TFT 기판에 형성된 요철부를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 24a 내지 도 24d는 트위스트(twist) 배향의 액정 분자에 인접해 있는 액정 분자의 거동(behavior)을 개략적으로 도시하는 도면으로; 도 24a는 전압이 인가되지 않은 상태를 도시하는 단면도이고, 도 24b는 전압이 인가되지 않은 상태를 도시하는 평면도이며, 도 24c는 소정의 전압이 인가된 상태를 도시하는 단면도이고, 도 24d는 전압이 인가된 상태를 도시하는 평면도이다.
도 25는 도 19의 액정 표시 소자의 전이에 사용되는 전이 전압의 파형을 도시한다.
도 26은 전이 전압에 대한 전이 핵의 발생율의 변화를 도시한다.
도 27a 내지 도 27i은 복합 칼럼 스페이서의 변형을 도시하는 평면도이다.
도 28은 복합 칼럼 스페이서가 픽셀(pixel) 전극에 형성되는 변형을 개략적으로 도시하는 평면도이다.
도 29는 복합 칼럼 스페이서가 칼러 필터의 스텝(step)을 이용함으로써 칼러 필터 기판에 형성되는 변형을 도시하는 단면도이다.
도 30은 복합 칼럼 스페이서가 칼러 필터 기판과 인접해 있는 것을 방지하도록 칼러 필터 기판에 오목부가 형성되는 변형을 도시하는 단면도이다.
도 31은 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 액정 표시 소자의 구성을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 32는 본 발명의 제 6 실시형태에 따른 액정 표시장치의 구성을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 33은 본 발명의 제 7 실시형태에 따른 액정 표시장치의 구성을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 34a 및 도 34b는 액정 표시 소자의 액정의 안정성 조건을 도시하는 개념도로서; 도 34a는 액정의 기본적인 안정성 조건을 도시하고, 도 34b는 평행 배향 및 트위스트 배향에서의 액정의 안정성 조건을 도시한다.
도 35a 내지 도 35d는 트위스트 배향 영역이 국부적으로 형성된 액정 표시 소자의 스프레이에서 벤드로의 전이의 공정을 개략적으로 도시하는 개념도로; 도 35a는 2개의 트위스트 배향 영역이 반대 방향으로 서로 접촉해 있는 경우를 도시하고, 도 35b는 2개의 트위스트 배향 영역 중의 한 영역의 트위스트 각이 90。가 되는 경우를 도시하며, 도 35c는 2개의 트위스트 배향 영역 중의 한 영역의 트위스트 각이 90。 이상이 되는 경우를 도시하고, 도 35d는 2개의 트위스트 배향 영역이 동일한 방향으로 서로 접촉해 있는 경우를 도시한다.
도 36a 및 도 36b는 본 발명의 제 8 실시형태에 따른 액정 표시 소자의 한 기판의 정렬 처리를 개략적으로 도시하는 평면도로서, 도 36a는 첫 번째 마찰 후의 상태를 도시하며, 도 36b는 두 번째 마찰 후의 상태를 도시한다.
도 37은 본 발명의 제 9 실시형태에 따른 액정 표시 소자의 한 기판의 정렬 처리를 개략적으로 도시하는 평면도이다.
도 38은 본 발명의 제 10 실시형태에 따른 액정 표시 소자의 한 기판의 정렬 처리를 개략적으로 도시하는 평면도이다.
도 39는 본 발명의 제 12 실시형태에 따른 액정 표시 소자의 활성 매트릭스 기판의 구성을 개략적으로 도시하는 평면도이다.
도 40은 본 발명의 제 14 실시형태에 따른 액정 표시 소자의 한 기판의 정렬 처리를 개략적으로 도시하는 평면도이다.
도 41은 본 발명의 제 15 실시형태에 따른 액정 표시 소자의 구성을 개략적으로 도시하는 평면도이다.
도 42a 및 도 42b는 각각 본 발명의 제 16 실시형태에 따른 액정 표시 소자의 구성을 개략적으로 도시하는 단면도 및 평면도이다.
도 43은 도 42의 액정 표시 소자에 구동 전압이 인가된 파형을 도시하는 그래프이다.
도 44a 및 도 44b는 각각 본 발명의 제 17 실시형태에 따른 액정 표시 소자의 구성을 개략적으로 도시하는 단면도 및 평면도이다.
도 45는 도 44의 액정 표시 소자에 구동 전압이 인가된 파형을 도시하는 그래프이다.
도 46은 본 발명의 제 18 실시형태에 따른 액정 표시 소자의 제조 방법을 도시한다.
도 47은 본 발명의 제 18 실시형태에 따른 액정 표시 소자의 한 기판의 정렬 처리를 개략적으로 도시하는 평면도이다.
도 48은 본 발명의 제 19 실시형태에 따른 액정 표시 소자의 구성을 개략적으로 도시하는 평면도이다.
도 49는 도 48의 화살표 XXXXIX-XXXXIX의 방향으로의 단면도이다.
도 50은 본 발명의 제 20 실시형태에 따른 액정 표시 소자의 구성을 개략적으로 도시하는 평면도이다.
도 51은 도 50의 화살표 XXXXXI-XXXXXI의 방향으로의 단면도이다.
도 52는 본 발명의 제 20 실시형태의 제 7 실시예에 따른 액정 표시 소자의 하부 기판의 구성을 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 53은 도 50의 액정 표시 소자에 인가된 전이 전압의 파형을 도시한다.
도 54a 및 도 54b는 액정의 스프레이에서 벤드로의 전이를 도시하는 도면으로; 도 54a는 스프레이 배향을 도시하는 액정 표시 소자의 단면도이고, 도 54b는 벤드 배향을 도시하는 액정 표시 소자의 단면도이다.
도 55는 액정의 180。의 트위스트 배향을 도시하는 단면도이다.
도 56은 불완전한 서라운딩 보디(surrounding body)의 외주면이 경사져 있는 구성을 도시하는 하부 기판의 사시도이다.
도 57은 본 발명의 제 20 실시형태의 제 8 실시예에 따른 액정 표시 소자의 하부 기판의 구성을 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 58은 본 발명의 제 20 실시형태의 제 9 실시예에 따른 액정 표시 소자의 하부 기판의 구성을 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 59a 내지 도 59c는 본 발명의 제 20 실시형태의 제 10 실시예에 따른 액정 표시 소자의 하부 기판의 구성을 개략적으로 도시하는 사시도로; 도 59a는 비드 스페이서가 부분적으로 개구된 고리 모양의 형상으로 모으는 구성을 도시하는 평면도이고, 도 59b는 비드 스페이서가 인접한 2개의 스페이서들 사이에서 틈새(clearance)를 가지고 있는 실질적인 반원 형상으로 배열되는 구성을 도시하는 평면도이고, 도 59c는 비드 스페이서가 닫혀진 고리 모양의 형상으로 모으는 구성을 도시하는 평면도이다.
도 60a 내지 도 60c는 본 발명의 제 20 실시형태의 제 11 실시예에 따른 액정 표시 소자의 하부 기판의 구성을 개략적으로 도시하는 도면으로; 도 60a는 부족 부분으로서 관통홀을 가지고 있는 불완전한 서라운딩 보디가 형성되는 구성을 도시하는 사시도이고, 도 60b는 부족 부분으로서 상부가 개방된 노치부를 가지고 있는 불완전한 서라운딩 보디가 형성되는 구성을 도시하는 사시도이며, 도 60c는 부족 부분으로서 하부가 개방된 노치부를 가지고 있는 불완전한 서라운딩 보디가 형성되는 구성을 도시하는 사시도이다.
도 61은 본 발명의 제 23 실시형태의 제 12 실시예에 따른 액정 표시 소자의 구성을 개략적으로 도시하는 각 픽셀의 단면도이다.
도 62는 본 발명의 제 23 실시형태의 제 12 실시예에 따른 액정 표시 소자의 구성을 개략적으로 도시하는 각 픽셀의 평면도이다.
도 63은 본 발명의 제 23 실시형태의 제 13 실시예에 따른 액정 표시 소자의 구성을 개략적으로 도시하는 각 픽셀의 평면도이다.
도 64는 본 발명의 제 23 실시형태의 제 14 실시예에 따른 액정 표시 소자의 구성을 개략적으로 도시하는 각 픽셀의 평면도이다.
도 65는 본 발명의 제 24 실시형태의 제 16 실시예에 따른 액정 표시 소자의 기본적인 구성을 도시하는 단면도이다.
도 66은 도 65의 액정 표시 소자의 하부 기판의 정렬 처리를 개략적으로 도시하는 평면도이다.
도 67은 마찰 천의 누름 깊이(pushing depth)를 설명하는 도면이다.
도 68은 본 발명의 제 24 실시형태의 제 17 실시예에 따른 액정 표시 소자의 하부 기판의 정렬 처리를 개략적으로 도시하는 각 픽셀의 평면도이다.
도 69는 본 발명의 제 24 실시형태의 제 18 실시예에 따른 액정 표시 소자의 제조에 사용되는 마찰 롤러의 구성을 도시한다.
도 70은 본 발명의 제 24 실시형태의 제 19 실시예에 따른 액정 표시 소자의 하부 기판의 무마찰 영역(no rubbing area)에서 액정의 배향을 개략적으로 도시하는 평면도이다.
도 71은 본 발명의 제 24 실시형태의 제 20 실시예에 따른 액정 표시 소자의 액정의 배향 상태를 개략적으로 도시하는 평면도이다.
도 72a 및 도 72b는 본 발명의 제 25 실시예에 따른 액정 표시 소자의 하부 기판의 액정의 배향을 개략적으로 도시하는 개념도로; 도 72a는 평면도이고, 도 72b는 도 72a의 화살표 XXXXXXXIIb-XXXXXXXIIb의 방향으로의 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>
2, 7 ... 투명 전극 3 ... 정렬층
4, 6 ... 액정층 5 ... 비드 형상 스페이서
1, 8 ... 유리 기판 61 ... 게이트 라인
62 ... 소스 라인 64 ... 픽셀 전극
77 .. 절연층 101 ... 상부 기판
102 ... 하부 기판 103 .. 돌출부
203 ... 복합 칼럼 스페이서 803 ... 스터릭 장애물
본 발명은 고속 응답과 광범위한 시야 각도(viewing angle)를 표시하는 것이 가능한 액정 표시 소자, 액정 표시 소자용 기판, 액정 표시기, 액정 표시 소자의 제조 방법 및 액정 표시 소자의 구동 방법에 관한 것이다. 보다 상세히하면, 본 발명은 광학 자기-보정 비어프린건스 모드 셀 타입(optically self-compensated birefringence mode cell type)으로 스프레이 배향(spray orientation)에서 벤드 배향(bend orientation)으로의 전이가 용이한 액정 표시 소자, 액정 표시 소자용 기판, 액정 표시기, 액정 표시 소자의 제조 방법, 및 액정 표시 소자의 구동 방법에 관한 것이다.
다중매체 기술의 발달로, 화상 정보가 다중 매체의 영역을 대폭 점유하고 있다. 최근에, 고 대비(contrast)와 광범위한 시야 각도를 가지고 있는 액정 표시기 가 액정 기술의 발달로 인해 개발되어 실용화되고 있다. 지금, 액정 표시기는 성능에서는 CRT(Cathode Ray Tube) 표시기와 동등하다.
그러나, 현재 일반적인 액정 표시기에서는, 이동 화상을 표시할 때에 낮은 응답 속도때문에, 화상 잔류에 의해 화상이 흐려진다. 이에 대해서, 현재 액정 표시기는 CRT 표시기에 비해 떨어진다.
과거에는, 고속 응답의 액정 표시기를 제공하기 위해서 수많은 시도를 행하였다. 고속 응답의 다양한 액정 표시 시스템은 Wu et al.(C.S. Wu and S.T. Wu, SPIE, 1665, 250(1992))에 의해 정리되었고, 여기에는 이동 화상을 표시하는데에 필요한 응답 특성을 실현하는 시스템 및 방법이 제한되어 있다.
상세히하면, 현행 NTSC(National Television Standard Committee) 시스템에서는, 액정이 1 프레임(frame) (16.7msec)에서 비디오 신호를 따르는 것이 필요하다. 현행 액정 표시기는 화이트 값(white value)과 블랙 값(black value) 사이에서는 만족할만한 고속 응답을 가지고 있지만, 다수의 그레이 스케일(gray scale) 표시기에서는 그레이 스케일들 사이의 응답시에 100msec 이상의 낮은 응답성을 가지고 있다. 특히, 구동 전압이 낮은 영역에서 그레이 스케일들 사이의 응답은 현저하게 느리다.
현재, 이동 화상의 표시에 적합한 고속 응답성을 가지고 있는 포텐셜 (potential) 액정 표시기로서, OCB(Optically Compensated Birefringence) 모드 액정 표시 소자, 강유전성 액정 표시 소자 및 반강유전성 액정 표시 소자가 있다.
그러나, 정확하게, 층 구조를 가지고 있는 강유전성 액정 표시 소자 및 반강 유전성 액정 표시 소자는 실질적인 용도와 관련하여 낮은 내충격(shock resistance), 가용 온도의 제한 범위, 고온 의존성 등의 많은 문제점들을 가지고 있다. 그러므로, 네마틱(nematic) 액정을 사용하는 OCB 모드 액정 표시 소자가 이동 화상의 표시에 적합한 액정 표시 소자로서 유망한 것으로 고려되고 있다.
OCB 모드 액정 표시 소자는 J.P. Bos(1983)에 의해 논의되었던 응답성에 관한 표시 시스템이다. 그 후에는, OCB 모드 액정 표시 소자와 지연막(retardation film)과의 조합이 광범위한 시야 각도와 고속 응답성을 표시한다는 것이 논의되었고, OCB 모드 액정 표시 소자가 활발하게 연구되고 개발되고 있다.
도 14를 참조하면, OCB 모드 액정 표시 소자는 투명 전극 2가 형성되는 유리 기판 1, 투명 전극 7이 형성되는 유리 기판 8, 기판 1과 기판 8 사이에 배치되는 액정층 4를 포함하고 있다. 투명 전극 2, 7에는 배향막 3, 6이 형성되고, 배향막 3, 6에는 액정 분자들을 동일한 방향으로 서로 평행하게 배향하는 정렬 처리가 시행된다. 기판 1, 8의 각 외부에는 편광기 13, 16이 크로스 니콜(cross nicol)로 설치되어 있다. 지연막 17은 편광기 13과 기판 1과의 사이에 삽입되어 있고, 지연막 18은 편광기 16과 기판 8과의 사이에 삽입되어 있다.
이렇게 구성된 액정 셀(cell)은, 벤드 배향 또는 트위스트 배향(twist orientation)을 포함하고 있는 벤드 배향이 전압의 인가에 의해 셀의 중앙부에 유도되고, 지연막 17, 18은 낮은 전압을 구동시키고 시야 각도를 확대시키기 위해서 설치된다는 특징이 있다. 이 셀은 매체 그레이 스케일 표시 영역에서 고속 응답 및 광범위한 시야 각도 특성의 능력을 가지고 있다.
정규 상태에서, OCB 모드 액정 표시 소자는 액정 패널(panel) 내의 액정이 벤드 배향을 유지하는 전압에서 작동된다. 주어진 전압하에서는 굴곡 배향 상태보다 스프레이 배향 상태가 보다 안정하므로, 스프레이 배향으로의 전이가 발생한다. 이 전위는 비가역적이다. 스프레이 배향의 픽셀(pixel)은 그 후에도 정규 표시 작동을 방해하는 표시 결함(발광 스폿(luminescent spot))으로서 액정 표시 소자에 남아 있다.
OCB 모드에서, 전압 인가에 의해 초기 스프레이 배향 상태 4a로부터 벤드 배향 상태 4b로의 전이를 위한 초기 공정은 필수적이다.
그러나, 대략 수 볼트의 전압 인가가 때때로 초기 공정에 필요하며, 이것은 OCB 모드에서의 문제점들 중의 하나가 된다. 따라서, 수 볼트의 전압 인가에 의해 벤드 배향이 용이하게 형성되는 높은 전이 속도의 액정 표시 소자가 필요하다.
일본특허 출원 공개공보 11-7018호에는 OCB 액정 표시 모드에서 스프레이 배향으로부터 벤드 배향으로의 고속 전이(이하에서는, "스프레이 배향에서 벤드 배향으로의 전이"라고 한다)에 대한 기술이 개시되어 있다. 이 기술은 액정에 키랄제(chiral agent)를 첨가하는 기술, 액정 패널의 전면에 걸쳐서 180。의 각도로 트위스트를 일정하게 형성하는 기술, 및 액정 패널의 전면에 걸쳐서 10。의 각도로 트위스트를 일정하게 형성하는 기술이다. 그러나, 이 기술들은 고속 스프레이에서 벤드로의 전이를 달성하는데에 유용하지 않다. 스프레이에서 벤드로의 전이가 신뢰성없게 발생하고, 이에 의해 스프레이 배향의 영역이 국부적으로 남아있을 때에, 이 영역은 발광 스폿이 되고, 이것은 스폿 결함같아 보인다.
본 발명은 상술한 문제점들을 해결하며, 본 발명의 목적은 스프레이 배향에서 벤드 배향으로의 전이가 고속으로 그리고 신뢰성있게 실행될 수 있는 액정 표시 소자, 액정 표시 소자용 기판, 액정 표시기, 액정 표시 소자의 제조 방법 및 액정 표시 소자의 구동 방법을 제공하는 것이다.
상술한 문제점들을 해결하기 위해서, 본 발명자들은 스프레이에서 벤드로의 전이의 거동(behavior)을 관찰하였다. 관찰 결과는 벤드 배향의 핵이 특정 부분으로부터 발생되어 성장한다는 것이다. 심층적인 연구 후에, 본 발명자들은 국부적으로 형성된 트위스트 배향이 벤드 전이의 발생으로부터 핵이 된다는 것을 발견하였다.
본 발명의 제 1 특징은 상기 지식을 토대로 한다. 본 발명의 제 1 특징에 따르면, 본 발명은 적어도 1개의 기판 및 액정층을 포함하고 있는 액정 표시 소자를 제공하며, 상기 액정층에는 한 영역의 배향 방향과 배향 방향이 국부적으로 다른 배향 방향이 다른 영역이 존재하는 특징이 있다. 보다 상세히하면, 액정 표시 소자는 한 쌍의 기판 및 액정층을 포함하고 있으며, 상기 한 쌍의 기판에는 실질적으로 평행한 정렬 처리가 실시되며, 상기 액정층에는 한 영역의 배향 방향과 배향 방향이 국부적으로 다른 배향 방향이 존재한다.
이러한 구성으로, 벤드 배향의 핵이 네마틱 액정을 이용함으로써 배향 방향이 다른 영역으로부터 발생하여 성장하므로, 스프레이 배향에서 벤드 배향으로의 전이가 발생하고, 스프레이 배향에서 벤드 배향으로의 전이를 고속으로 신뢰성있게 실행하는 것이 가능하다. 본 명세서에서 정의하는 기판은 구성된 액정 표시 소자 내에서 액정층과 접촉하는 내면을 가지고 있으며, 상부 기판, 하부 기판, 칼러 필터 기판, TFT 기판 등을 포함하고 있는 판 형상의 부재를 말한다.
배향 방향이 다른 영역은 정지될 수도 있고, 이동될 수도 있다. 배향 방향이 다른 비정지 영역은 측면 전계(lateral electric field)에 의해 형성된 전이 배향 상태 또는 배향 상태를 가지고 있는 영역을 포함하고 있다.
배향 방향이 다른 정지 영역은 액정 분자에 대해서 액정과 접촉하는 부재의 배향 능력에 의해 형성된다. 배향 능력은 액정과 접촉하는 부재에서 수행되는 정렬 처리 및 액정 분자에 대한 부재의 배향 능력에 의해 실현된다.
액정과 접촉하는 부재에서 수행되는 정렬 처리로서, 마찰, 포토-정렬 처리, 부재의 표면 상의 형성 및 기판의 표면 상의 스크래치(scratch)의 형성을 이용할 수 있다.
액체 분자에 대해서 액정과 접촉하는 부재의 배향 능력으로서, 부재를 구성하는 재료의 발수성(water-repellency) 및 친수성(hydrophilicity)과 부재의 형상을 이용하여도 된다.
마찰은 각종 다양한 방법으로 실시된다.
본 발명의 제 2 특징은 마찰 처리로 이루어진다. 본 발명의 제 2 특징에 따른 액정 표시 소자에서, 적어도 1개의 기판에는 정렬 처리가 실시되어, 액정층에는 영역의 배향 방향이 국부적으로 다른 배향 방향이 다른 영역이 존재하고 정렬 처리 는 마찰 처리가 된다.
마찰에 의해 배향 방향이 다른 영역을 형성하기 위해서, 기판의 내면에는 스터릭 장애물(steric obstacle)이 형성되고, 스터릭 장애물을 가지고 있는 기판에 마찰이 실시된다. 이에 의해, 마찰은 스터릭 장애물에 의해 제어되고, 이에 의해 기판의 내면 상의 스터릭 장애물 주위의 다른 영역으로부터 다른 정렬 처리가 실시된 영역을 형성한다. 이 영역에 위치된 액정의 부분은 배향 방향이 다른 영역이 된다.
이 스터릭 장애물은 마찰을 제어하도록 칼럼 형상의 몸체, 플러밋(plummet) 형상의 몸체 또는 볼록한 형상의 몸체를 포함하고 있는 형상을 가지고 있다.
이 스터릭 장애물은 서로 접촉하게 형성된 복수개의 스터릭 장애물에 의해 구성된 복합체가 되어도 된다. 이러한 구성으로, 배향 방향이 다른 영역들이 서로 접촉하는 부분이 생성되고 전이 핵으로서의 기능이 있다. 그 결과, 스프레이에서 벤드로의 전이를 보다 고속으로 그리고 보다 신뢰성있게 달성한다.
스터릭 장애물은 칼럼 스페이서로서 작동한다. 이러한 구성으로, 칼럼 스페이서를 절약할 수 있다.
다음으로, 본 발명은 하기 지식을 발견하였다. 액정의 벤드 배향으로의 전이 직후에 인가 전압을 0V로 설정할 때에, 액정은 180。의 트위스트 배향으로 변형된다. 180。의 트위스트 배향이 남아 있으면서 전압을 다시 인가할 때에, 액정의 벤드 배향으로의 전이는 매우 짧은 시간 안에 극히 낮은 전압에서 이루어진다.
본 발명의 제 3 특징은 상기 지식을 토대로 한다. 본 발명의 제 3 특징에 따 르면, 본 발명은 전압이 인가되지 않은 조건하에서의 첫 번째 배향 상태 및 표시 전압하에서의 두 번째 배향 상태가 되는 액정; 첫 번째 배향 상태와 두 번째 배향 상태 사이에서 에너지 장벽; 및 액정에 전압을 인가하는 전압 인가 수단을 포함하고 있는 액정 표시 소자를 제공한다. 액정은, 두 번째 배향 상태와 세 번째 배향 상태 사이에서 존재하는 에너지 장벽이 첫 번째 배향 상태와 두 번째 배향 상태 사이에서 존재하는 에너지 장벽보다 전압이 인가되지 않는 조건하에서 작은 세 번째 배향 상태 내에서 영역을 부분적으로 포함하고 있다. 이러한 구성으로 세 번째 배향 상태 내의 영역이 핵 전이가 되므로, 액정의 두 번째 배향 상태로의 전이가 보다 신속하게 그리고 낮은 전압에서 보다 신뢰성있게 이루어진다.
세 번째 배향 상태는 전압이 인가되지 않는 조건하에서 정지 상태가 되어도 된다. 이것은 상기 제 1 특징에 기술된 배향 방향이 다른 정지 영역의 배향 상태를 포함하고 있다.
본 발명의 제 3 특징의 목적은, 세 번째 배향 상태가 비정지 상태, 즉 첫 번째 배향 상태와 두 번째 배향 상태 사이에서 전이의 일시적 상태가 되는 것이다.
이 일시적 상태가 두 번째 배향 상태로부터 첫 번째 배향 상태까지의 일시적 상태일 때에는, 액정의 첫 번째 배향 상태로의 전이가 보다 더 신속하게 그리고 보다 낮은 전압에서 보다 더 신뢰성있게 이루어진다.
이 일시적 상태가 불완전한 서라운딩 보디(surrounding body)에 의해 보존될 때에, 일시적 상태를 적당하게 보존하는 것이 가능하다.
세 번째 배향 상태는 전압이 인가되지 않은 조건하에서 보존된 두 번째 배향 상태의 적어도 한 부분이 되어도 된다. 이러한 구성으로, 액정의 두 번째 배향 상태로의 전이가 보다 더 신속하게 그리고 보다 낮은 전압에서 보다 더 신뢰성있게 이루어진다.
두 번째 배향 상태의 적어도 한 부분이 액정에 존재하는 스터릭 물체 또는 액정에 존재하는 그물(net) 구조의 액정 분자 배향 능력에 의해 보존될 때에, 두 번째 배향 상태의 적어도 한 부분을 적당하게 보존하는 것이 가능하다.
본 발명의 제 4 특징은 측면 전계에 의해 배향 방향이 다른 영역을 형성하는 것이다. 즉, 본 발명의 제 4 특징은 비정지의 배향 영역이 다른 영역을 형성하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 제 4 특징에 따르면, 본 발명은 한 쌍의 대향하는 기판들 사이에 배치된 액정층을 포함하고 있는 액정 표시 소자를 제공하며, 한쪽 기판에는 소스 라인(source line), 게이트 라인(gate line) 및 픽셀 전극이 형성되어 있고, 다른쪽 기판에는 카운터 전극이 형성되어 있으며, 상기 픽셀 전극의 인접해 있는 가장자리 부분들과 상기 소스 라인과 상기 게이트 라인 중의 한 라인은 평면도로 알 수 있는 바와 같이 소정의 갭을 두고 서로 맞물려 있다. 이러한 구성으로, 소정의 전압 인가에 의해 맞물림 부분에 측면 전계가 발생하여 액정층에 배향 방향이 다른 영역을 형성하며, 이에 의해 전이가 용이해진다.
서로 맞물려 있는 부분들은 지그재그 형상이어도 된다. 이러한 구성으로, 서로 반대 방향으로 접촉해 있는 2개의 트위스트 배향 영역이 액정층에 지그재그 형상의 부분에 형성된 측면 전계에 의해 형성되고, 이에 의해 벤드 배향으로의 전이가 빠르고 신뢰성 있에 이루어진다.
서로 맞물려 있는 부분들은 볼록한 형상이어도 된다. 이러한 구성으로, 마찰 방향을 적당하게 선택함으로써, 큰 트위스트 각을 가지고 있는 트위스트 배향 영역이 액정층에 볼록한 부분에 형성된 측면 전계에 의해 형성되고, 이에 의해 벤드 배향으로의 전이가 빠르고 신뢰성 있에 이루어진다.
이 경우에, 볼록한 부분에 형성된 측면 전계는 한 쌍의 기판에 시행되는 평행 정렬 처리의 방향에 대해서 45。∼135。의 교각을 가지고 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 상기 목적, 그 외의 목적, 특징 및 이점은 당업자들에게는 첨부된 도면을 참조하여 하기에서 기술한 실시형태에 의해 명확해질 것이다.
이제, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명하겠다.
제 1 실시형태
본 발명의 제 1 실시형태는 한 영역의 배향 방향과 배향 방향이 다른 영역(이하, 배향 방향이 다른 영역이라 함) 또는 트위스트 배향 영역을 갖는 평행 배향 액정 표시 소자를 나타낸다.
〔테스트 셀〕
하기의 제 1 내지 제 3 실시예에 있어서, 테스트 셀로서 액정 표시 소자를 제작하고, 제작된 테스트 셀의 스프레이에서 벤드로의 전이 시간을 평가하였다. 스프레이에서 벤드로의 전이 시간을 평가하는데 지연막은 불필요하므로 제 1 내지 제 3 실시예에서 생략된다.
(제 1 실시예)
도 1은 본 실시형태의 제 1 실시예에 따른 테스트 셀의 구조를 나타낸 개략 단면도이다. 도 5는 도 1의 테스트 셀의 하부 기판의 돌출부의 배치를 나타낸 개략 평면도이다. 도 15는 도 1의 기판의 마찰 방향을 나타낸 도이다.
도 1 및 도 15를 참조하면, 한 쌍의 기판, 예를 들면 상부 기판 101 및 하부 기판 102가 비드형상 스페이서 5를 통하여 서로 대향하여 배치되어 있으며, 네마틱 액정을 포함하는 액정층 4가 상부 기판 101과 하부 기판 102 사이의 공간에 배치되어 있는 테스트 셀 A가 도시되어 있다.
상부 기판 101은 투명 전극 2 및 정렬층(alignment layer) 3이 차례로 유리 기판 1의 하면상에 적층되도록 구성된다. 하부 전극 102는 삼각주 형상 돌출부 10이 유리 기판 8의 상면에 형성되고, 투명 전극 7 및 정렬층 6이 차례로 돌출부 10를 갖는 유리 기판 8의 상면에 적층되도록 구성된다. 따라서, 돌출부(스터릭 장애물) 103이 하부 기판 102의 상면에 형성된다.
도 5를 참조하면, 돌출부 103은 삼각형 단면의 정점이 마찰 방향을 향하도록 형성된다. 이에 따라서, 돌출부 103 주위에 트위스트 배향 영역이 형성되는데, 이에 관해서는 제 2 실시형태에서 더욱 상세히 설명하겠다.
실제로, 다수의 스페이서 5가 기판 101 및 102 사이에 불규칙한 간격으로 개재되어 있는데, 도 1에서는 2개의 스페이서 5가 도시되어 있다.
이렇게 구성된 테스트 셀의 제작 방법을 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명하겠다. 도 2 및 도 3은 각각 도 1의 테스트 셀의 제작 공정을 나타낸 단면도이고, 도 4는 포토마스크를 나타낸 평면도이다.
먼저, 도 2a에 나타낸 바와 같이, JSR 코포레이션에 의해 제조된 PC계 레지스트 재료를 유리 기판 8상에 도포하여, 두께가 0.5㎛인 포토레지스트 박막 20을 형성한다. 그 후, 포토레지스트 박막 20에, 도 4에 나타낸 삼각형 패턴 개구 22를 갖는 포토마스크 21를 통하여 평행 자외선 23을 조사하여, 포토레지스트 박막 20을 노출시킨다. 노출된 포토레지스트 박막 20을 현상하고, 세정한다. 그 후, 박막 20을 90℃의 온도에서 미리 베이킹한다. 이에 따라서, 도 3에 나타낸 바와 같이, 삼각형 단면(도 15 참조)을 가지며, 포토레지스트 박막을 포함하는 칼럼 형상 돌출부 10이 유리 기판 8상에 형성된다.
이어서, ITO(Indium Tin Oxide)를 포함하는 두께 2000Å의 막을, 돌출부 10를 갖는 유리 기판 8상에 소정의 방법으로 형성함으로써, 투명 전극 7을 형성한다. 그 후, 닛산 케미컬 인더스트리에 의해 제조된 조성물 SE-7492를 코팅한 정렬층을, 투명 전극 7을 갖는 유리 기판 8에 스핀 코팅 방법에 의해 도포하고, 180℃의 서머스탯(thermostat)에서 1시간 동안 가열하고 경화하여, 정렬층 6을 형성함으로써, 상면에 돌출부 103을 갖는 하부 기판 102가 완성된다.
돌출부 10를 갖는 유리 기판 8과 마찬가지로, 유리 기판 1상에 투명 전극 2 및 정렬층 3을 형성함으로써, 상부 기판 101이 완성된다.
그 후, 상부 기판 101 및 하부 기판 102를, 레이온으로 이루어진 마찰천을 사용하여 도 5에 나타낸 방향으로 마찰 처리한다.
그 후, 세키스이 파인 케미컬 코포레이션(Sekisui Fine Chemical Corp.)에 의해 제조된 스페이서 5 및 스트럭트(struct) 본드 352A(미츠이 도아츠 케미컬 코포레이션(Mitsui Toatsu Chemical Corp.)에 의해 제조된 봉지 수지(seal resin)로 이루어진 본드)에 의하여, 상부 기판 101 및 하부 기판 102를 이들 사이의 간격이 6.5㎛가 되도록 접합하여, 액정 표시 셀 9를 제작한다. 액정 프리틸트(pretilt) 각도가 액정 셀 9의 정렬층의 경계면에서 약 5도가 되도록 마찰 처리를 실행한다.
액정 MJ96435(굴절율 이방성 △t=0.138)를 진공 충전 방법에 의해 액정 셀 9에 충전하고, 봉지함으로써, 테스트 셀 A가 완성된다.
이어서, 상술한 제작 방법에 의해 제작된 테스트 셀 A의 스프레이에서 벤드로의 전이의 평가를 설명하겠다.
편광 축이 정렬층의 마찰 방향에 대하여 45도의 각도가 되고, 서로 직교하도록, 테스트 셀 A의 상면 및 하면에 2개의 편광기를 접합한다. 그 후, 구형파(square wave) 전압 7V를 투명 전극 2 및 7에 인가한다. 이 상태에서, 스프레이에서 벤드 배향으로의 전이를 관찰한다. 관찰한 결과, 스프레이 배향이 약 5초내에 전극 2 및 7의 전체 표면에 걸쳐서 벤드 배향으로 전이된다.
구체적으로, 테스트 셀 A의 돌출부 103 근방의 영역에서, 액정의 배향 방향이 그 주위의 영역에서의 액정의 배향 방향과 다르다. 돌출부 103 근방의 영역에서, 액정층 4가 다소 트위스트 배향된다. 전압을 인가하면, 스프레이에서 벤드로의 전이가 이 영역에서 빠르게 진행되고, 벤드 배향이 이 영역으로부터 서라운딩 영역으로 확산된다. 이렇게 하여, 신뢰할 수 있는 고속의 스프레이에서 벤드로의 전이가 달성된다.
비교를 위하여, 돌출부 103을 갖지 않는 것을 제외하고 테스트 셀 A와 동일한 구조를 갖는 테스트 셀 R을, 테스트 셀 A과 동일한 공정으로 제작하고, 스프레이에서 벤드로의 전이 시간을 측정하였다. 구형파 전압을 테스트 셀 R에 7V로 인가하고, 전극의 전체 영역에 걸쳐서 스프레이 배향으로부터 벤드 배향으로의 전이에 필요한 시간을 측정하였다. 측정 결과는 약 42초이다. 이들 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 종래의 경우에 비하여 우수한 효과를 제공한다.
본 실시예에서는 기판 102상에만 돌출부 103이 형성되어 있으나, 돌출부 103은 기판 101 및 102 모두에 형성될 수 있는 것은 물론이다. 본 실시예에서는 삼각형 단면을 갖는 돌출부 103이 사용되었으나, 액정의 배향 방향이 그 서라운딩 영역의 것과 다른 영역이 마찰 처리에 의해 형성된다면, 다른 형상을 갖는 돌출부를 사용해도 된다. 예를 들면, 단면의 형상이 원형, 타원형, 마름모꼴, 삼각주, 볼록체 또는 원추형인 것이 바람직하다.
(제 2 실시예)
도 6은 본 실시형태의 제 2 실시예에 따른 테스트 셀의 구조를 나타낸 개략 단면도이고, 도 16은 도 6의 테스트 셀의 하부 기판에 형성된 홈의 배치를 나타낸 개략 평면도이다.
도 6 및 도 16을 참조하면, 테스트 셀 B는 홈 104가 하부 기판 102에 형성되어 있다는 점에서 제 1 실시예의 테스트 셀 A와 다르다. 더욱 상세하게는, 하부 기판 102는 홈 30이 유리 기판 8의 상면에 형성되고, 또한 투명 전극 7 및 정렬층 6이 차례로 적층되어, 홈 30을 갖는 유리 기판 8의 상면을 피복함으로써, 정렬층 6 의 상면에 홈 104를 형성하도록 구성된다. 복수의 홈 104(본 실시예에서는 20개)가 마찰 방향(전체 정렬 처리의 방향)에 대하여 30도의 각도로 경사지며, 마찰 방향에 직교하는 방향으로 500Å의 피치로 형성된다. 홈 104는 액정 배향 효과를 가질만한 폭을 갖는 마이크로홈으로 형성된다. 구체적으로, 홈 104는 액정층 4의 액정 분자를 내부에 끼워넣어 홈 104의 방향으로 배향할 수 있는 폭을 갖는데, 본 실시예에서는 100Å이다. 이에 따라서, 홈 104가 제공된 영역에 트위스트 배향 영역이 형성된다. 그 밖의 점은 제 1 실시예의 것과 동일하다. 도 6에 있어서, 홈 30 및 홈 104는 확대 도시되어 있다.
이어서, 이렇게 구성된 테스트 셀 B의 제작 방법을 도 6, 7 및 16을 참조하여 설명하겠다. 도 7은 포토마스크를 나타낸 평면도이다.
먼저, 두께가 0.5㎛인 포토레지스트 박막 20을 유리 기판 8상에 형성하고, 제 1 실시예에서와 동일한 포토마스크 21를 사용하여 포토레지트 박막 20상에 홈 30을 형성한다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 포토마스크 21에, 기준 방향에 대하여 30도의 각도로 경사지고 기준 방향에 직교하는 방향으로 500Å의 피치(pitch)로 제공되도록 20개의 슬릿 개구 22를 형성한다. 개구 22는 후속 단계에 의해 정렬층 6상에 최종적으로 형성되는 홈 104가 대략 100Å의 폭을 가질 수 있게 하는 폭을 갖는다. 기준 방향은 포토마스크 21를 사용하여 하부 기판 102상에 형성되는 홈 104가 마찰 처리되어질 방향이다.
이어서, 제 1 실시예와 같이 상면에 홈 30을 갖는 유리 기판 8상에 투명 전극 7 및 정렬층 6을 형성함으로써, 상면에 홈 104를 갖는 하부 기판 102가 완성된 다. 상부 기판 101은 제 1 실시예와 동일한 방법으로 제작된다.
그 후, 이렇게 제작된 상부 기판 101 및 하부 기판 102를 제 1 실시예와 같이 마찰 처리한다. 하부 기판 102의 마찰 방향은 도 16에 나타낸 바와 같다. 홈 104는 그들의 깊이(0.5㎛)가 그들의 폭보다 크기 때문에 마찰이 실시되지 않는다. 홈 104는 내부에 액정층 4의 액정 분자를 끼워넣어 홈 104의 방향으로 배향할 수 있도록 작은 폭을 가지며, 마찰 처리시에 마찰이 실시되지 않을 만한 깊이를 갖는다. 상부 기판 101의 마찰 방향은 상부 기판 및 하부 기판이 액정 셀을 구성하는 경우, 하부 기판 102의 마찰 방향에 평행하다.
그 후, 제 1 실시예와 같이, 액정 셀 9를 제작하고, 액정을 액정 셀 9내에 충전하고 봉지함으로써, 테스트 셀 B가 완성된다. 정렬층의 경계면에서의 액정 프리틸트 각도는 제 1 실시예와 같이 대략 5도이다.
이어서, 상기 방법에 의해 제작된 테스트 셀 B의 스프레이에서 벤드로의 전이 시간의 평가에 관해 설명하겠다.
편광 축이 정렬층의 마찰 방향에 대하여 45도의 각도가 되고 서로 직교하도록, 테스트 셀 B의 상면 및 하면에 2개의 편광기를 접합한다. 그 후, 구형파 전압 7V를 투명 전극 2 및 7에 인가한다. 이 상태에서, 스프레이에서 벤드 배향으로의 전이를 관찰한다. 관찰한 결과, 스프레이 배향이 약 7초내에 전극 2 및 7의 전체 표면에 걸쳐서 벤드 배향으로 전이된다.
홈 104가 제공되는 영역에서, 액정의 배향 방향이 그 서라운딩 영역에서의 액정의 배향 방향과 다르다. 상기 영역에서, 액정층 4가 다소 트위스트 배향된다. 제 1 실시예와 같이, 전압을 인가하면, 스프레이에서 벤드로의 전이가 이 트위스트 배향 영역에서 빠르게 진행되고, 얻어진 벤드 배향이 이 영역으로부터 그 서라운딩 영역으로 확산된다. 이렇게 하여, 신뢰할 수 있는 고속의 스프레이에서 벤드로의 전이가 달성된다. 본 실시예에서는, 액정 배향 효과를 갖는 홈 104가 표시 픽셀 영역에 부분적으로 제공되어, 트위스트 배향 영역을 부분적으로 형성함으로써, 신뢰할 수 있는 고속의 스프레이에서 벤드로의 전이가 촉진되며, 실용적인 가치가 매우 높다.
홈 30 및 104가 포토리소그래피 방법에 의해 형성되었으나, 스탬프 방법(예를 들면, E.S. Lee et. al., "Control of Liquid Crystal Alignment Using Stamped-Morphology Method", Jpn. J. Appl. Phys., Part 2, vol.32, pp.L1436-L1438, 1993) 등의 다른 방법에 의해 형성되어도 된다는 것은 물론이다.
홈 104가 마찰 방향에 대하여 30도의 각도로 경사져 있으나, 이 경사 각도는 90도 이하로 설정되며, 바람직하게는 60∼90도로 설정된다. 이와 같이 각도를 설정한 이유는 제 2 실시형태에서 더욱 상세히 설명하겠다. 복수의 홈 104는 마찰 방향에 대하여 서로 다른 각도를 가져도 되며, 일렬 대신에 임의의 형상으로 배치되어도 된다. 또한, 상기 복수의 홈은 불규칙적으로 배치되어도 된다.
(제 3 실시예)
도 8은 본 실시형태의 제 3 실시예에 따른 테스트 셀의 구조를 나타낸 개략 단면도이고, 도 17은 도 8의 테스트 셀의 하부 기판의 정렬 처리 상태를 나타낸 개략 평면도이다.
도 8 및 도 17을 참조하면, 제 3 실시예의 테스트 셀 C는 상부 기판 101 및 하부 기판 102가 포토 정렬에 의해 정렬 처리가 실시되어 있는 점에 있어서 제 1 실시예의 테스트 셀 A와 다르다. 상부 기판 101은 투명 전극 2 및 정렬층 3이 차례로 유리 기판 1상에 적층되도록 구성된다. 하부 기판 102는 전극 7 및 정렬층 6이 차례로 유리 기판 8상에 적층되도록 구성된다. 도 17에 나타낸 바와 같이, 하부 기판 102는 그 상면에 격자 패턴으로 형성된 다수의 단위 정렬 처리 영역(정렬 처리 방향이 다른 영역) 51를 갖는다. 단위 정렬 처리 영역 51에 있어서, 인접 영역, 예를 들면 영역 51A 및 51B는 정렬 처리가 실시되어, 배향 방향이 서로 90도의 각도록 구별된다. 상부 기판 101에 있어서, 하부 기판 102의 단위 정렬 처리 영역에 대응하는 각 단위 정렬 처리 영역은 정렬 처리가 실시되어, 하부 기판 102의 대응 영역과 동일한 배향 방향을 갖는다. 즉, 단위 정렬 처리 영역 51상의 액정층 4는 트위스트 배향보다는 평행 배향을 갖는다. 각 단위 정렬 처리 영역상의 액정층 4의 중심부에 있어서의 액정 분자의 배향 방향은 변동(편차)를 가질 수 있다. 정렬층 3 및 6은 각각 감광성을 갖는 정렬층에 의해 구성되며, 포토 배향(photo orientation)에 의해 정렬 처리가 실시된다. 그 밖의 점은 제 1 실시예와 동일하다.
이어서, 이렇게 구성된 테스트 셀 C의 제작 방법을 도 8, 9 및 10을 참조하여 설명하겠다. 도 9는 도 8의 테스트 셀의 제작 공정을 나타낸 단면도이고, 도 10은 마스크를 나타낸 평면도이다.
제 1 실시예와 같이, 먼저 유리 기판 8상에 투명 전극 7을 형성한다. 그 후, 투명 전극 7을 갖는 유리 기판 8에, 스핀 코팅 방법에 의해 폴리비닐신나메이트 2중량% 용액(모노클로로벤젠 및 디클로로메탄의 1:1 혼합 용액에 희석)을 도포하고, 온도 100℃의 서머스탯에서 1시간 동안 건조하여, 감광성을 갖는 정렬층 6을 형성함으로써, 하부 기판 102를 제작한다. 동일한 방법으로, 상부 기판 101를 제작한다.
그 후, 하부 기판 102의 정렬층 6을 편광 자외선 조사 장치(도시하지 않음)를 사용하여 후술하는 바와 같이 포토 배향에 의해 처리한다. 상기 정렬 처리에 있어서, 정렬층 6에는 파장 365㎚의 편광 자외선이 조사광 감도 1㎽/㎠로 조사된다. 더욱 상세하게는, 정렬층 6에는 마스크 21를 통하여 도 9의 참조 숫자 32로 나타낸 방향으로 연장되는 편광면을 갖는 편광 자외선이 조사된다(공정 A). 이 경우, 편광 자외선의 조사 각도 θ는 90도이다. 마스크 21은 도 17에 나타낸 바와 같이 영역 51A 및 51B가 격자 패턴으로 번갈아 배치된 단위 정렬 처리 영역 51의 단위 정렬 처리 영역 51A의 개구에 적합한 형상 및 위치를 갖는 개구 122를 갖는다.
그 후, 마스크 21이 하부 기판 102의 한 단위 정렬 처리 영역만큼 변위되고, 편광면이 90도 회전되며, 즉 편광면이 도 9의 화살표로 나타낸 방향으로 연장되며, 정렬층 6에는 30분간 편광 자외선이 조사된다(공정 B). 편광 자외선의 조사 각도 θ는 90도이다.
그 후, 공정 A 및 공정 B를 3분간 조사 각도 45도로 실행한다(공정 A', 공정 B'). 이에 따라서, 하부 기판 102의 포토 정렬 처리가 완성된다.
하부 기판 102과 같이, 공정 A, 공정 B, 공정 A' 및 공정 B'를 상부 기판 101상에서 실행하여, 상부 기판 101의 포토 정렬 처리가 완성된다.
그 후, 제 1 실시예와 마찬가지로, 액정 셀 9를 제작하고, 액정 셀 9내에 액정을 충전하고 봉지함으로써, 테스트 셀 C가 완성된다. 이 경우, 정렬층의 경계면에서의 액정 프리틸트 각도는 상부 기판 101 및 하부 기판 102의 공정 A' 및 공정 B'의 결과로 대략 3도가 된다.
이어서, 상기 제작 방법에 의해 제작된 테스트 셀 C의 스프레이에서 벤드로의 전이 시간의 평가에 관해 설명하겠다.
편광 축은 배향 방향이 서로 90도 다른 단위 배향 영역의 액정 분자의 평균 배향 방향에 대하여 45도의 각도가 되고, 또한 서로 직교하도록, 테스트 셀 C의 상면 및 하면에 2개의 편광기를 접합한다. 그 후, 구형파 전압 7V를 투명 전극 2 및 7에 인가한다. 이 상태에서, 스프레이에서 벤드 배향으로의 전이를 관찰하였다. 관찰 결과, 스프레이 배향이 약 4초내에 전극 2 및 7의 전체 표면에 걸쳐서 벤드 배향으로 전이된다.
구체적으로는, 전이 핵(transition nucleus)이 단위 정렬 처리 영역 51상의 영역, 즉 배향 방향이 다른 영역으로부터 발생하고, 성장하며, 스프레이에서 벤드로의 전이가 진행된다. 따라서, 고속 전이가 가능하다. 다수의 배향 방향이 다른 영역이 형성되므로, 신뢰할 수 있는 전이가 가능하다.
각 단위 정렬 처리 영역은 제 3 실시예에서 언급되어 있지 않지만, 픽셀에 대응할 수 있다.
[액정 표시 소자]
(제 4 실시예)
도 11은 본 실시형태의 제 4 실시예에 따른 액정 표시 소자의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 12는 도 11의 액정 표시 소자의 각 광학 소자의 배치 방향을 나타낸 평면도이다. 도 11에 있어서, 하부 기판 102의 돌출부(도 1 참조)가 생략되어 있다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 액정 표시 소자 D는 주 축이 혼성 배열된 음의 굴절율 이방성을 갖는 광학 매체를 포함하는 지연막 12, 음의 단축(uniaxial) 지연막 11, 양의(positive) 단축 지연막 19 및 편광기 13이 차례로 제 1 실시예의 테스트 셀 A의 상면에 배치되고, 주 축이 혼성 배열된 음의 굴절율 이방성을 갖는 광학 매체를 포함하는 지연막 15, 음의(negative) 단축 지연막 14, 및 편광기 16이 차례로 테스트 셀 A의 하면에 배치되도록 구성된다. 이들 지연막 12, 15, 11, 14 및 19 및 편광기 16은 테스트 셀 A의 마찰 방향에 대하여 도 12에 나타낸 방향으로 배치된다.
지연막 12, 15, 11, 14 및 19의 지연값은 파장 550㎚의 빛에 대하여 각각 26㎚, 26㎚, 350㎚, 350㎚ 및 150㎚이다.
이어서, 이렇게 구성된 액정 표시 소자 D의 성능 평가에 관해 설명하겠다.
도 13은 액정 표시 소자 D의 앞면에 있어서 25℃에서의 전압-투과율 특성을 나타낸다. 전압-투과율 특성은, 액정 표시 소자 D에 구형파 전압을 10V 인가함으로써 벤드 배향으로의 전이가 발생하였다는 것을 확인한 후에, 전압을 감소시키면서 투과율을 측정함으로써 얻어진다. 액정 표시 소자 D에 있어서 벤드에서 스프레이 배향으로의 전이가 2.2V에서 발생하므로, 실용상 2.2V 이상에서 표시하는 것이 필 요하다. 상기 전압-투과율 특성으로부터 알 수 있는 바와 같이, 투과율은 7.2V 근방에서 최소값을 갖는다. 따라서, 화이트 레벨 전압을 2.2V, 블랙 레벨 전압을 7.2V로 설정하여, 대조 비(contrast ratio)의 시야 각도 의존성을 측정하였다. 그 결과, 수직 방향으로 126도, 수평 방향으로 160도의 범위에서 대조 비 10:1이 달성되며, 액정 배향 방향이 그 서라운딩 영역의 액정 배향 방향과 다른 영역이 기판의 정렬층상에 부분적으로 형성된다면, 넓은 시야 각도 특성이 충분히 유지된다는 것이 입증되었다. 바람직하지 않은 배향 및 낮은 표시 품질은 관찰되지 않았다.
인가 전압이 3V에서 5V로 바뀌는 경우, 응답 시간을 측정한 결과, 상승 시간이 5밀리초이다. 인가 전압이 5V에서 3V로 바뀌는 경우, 응답 시간을 측정한 결과, 하강 시간이 6밀리초이다.
(제 5 실시예)
본 실시형태의 제 5 실시예에 따른 액정 표시 소자(도시하지 않음)에 있어서, 제 4 실시예의 액정 표시 소자 D의 테스트 셀 A는 제 2 실시예의 테스트 셀 B(도시하지 않음)로 대체된다. 이 구조에 따르면, 제 4 실시예에서 설명한 것과 동일한 효과가 얻어진다.
(제 6 실시예)
본 실시형태의 제 6 실시예에 따른 액정 표시 소자(도시하지 않음)에 있어서, 제 4 실시예의 액정 표시 소자 D의 테스트 셀 A가 제 3 실시예의 테스트 셀 C(도시하지 않음)로 대체된다. 광학 소자가 도 18에 나타낸 방향으로 배치된다는 것에 주목해야 한다.
이러한 구조에 따르면, 제 4 실시예에서 설명한 것과 동일한 효과가 얻어진다.
상기 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 제 1 실시형태의 액정 표시 소자는 종래의 OCB 모드의 넓은 시야 각도 특성 또는 응답 특성을 악화시키지 않고, 고속의 스프레이에서 벤드 배향으로의 전이를 달성할 수 있으며, 그 실용적인 가치가 매우 높다.
제 2 실시형태
본 발명의 제 2 실시형태는 마찰에 의해 정렬 처리를 조정하기 위한 돌출부(스터릭 장애물)의 바람직한 실시형태를 나타낸다.
도 19는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 액정 표시 소자의 구조를 나타낸 평면도이고, 도 20은 도 19의 화살표 XX-XX의 방향을 따른 단면도이다.
도 19 및 도 20을 참조하면, 제 2 실시형태의 OCB 모드 액정 표시 소자 E는 활성 매트릭스(active matrix) 타입의 액정 표시 소자이며, 네마틱 액정을 포함하는 액정층 4가 TFT 기판(어레이(array) 기판) 202와 이 TFT 기판 202에 대향하여 배치된 칼러 필터 기판 201 사이에 형성된 공간에 배치되도록 구성된다. 도 19 및 도 20에 있어서, 지연막 등의 광학 소자, 편광기 등이 생략되어 있다.
TFT 기판 202는 유리 기판 8을 포함한다. 픽셀 전극 64가 유리 기판 8의 상면에 형성되고, 절연층 68에 의해 피복된다. 게이트 라인 61 및 소스 라인 62가 절연층 68상에 매트릭스 형상으로 형성되며, 절연층 91에 의해 피복된다. 게이트 라인 61 및 소스 라인 62는 픽셀 전극 64가 이들 라인에 의해 구성되는 픽셀 63의 영 역에 위치하도록 형성된다. 축전 커패시터 전극 65는 게이트 라인 61 상부에 위치하도록 절연층 91상에 형성된다. 축전 커패시터 전극 65가 형성된 절연층 91의 표면은 절연층 77에 의해 피복된다. 포토레지스트를 포함하는 복합 칼럼 스페이서(complex column spacer) 203'는 축전 커패시터 전극 65 상부에 형성된다. 복합 칼럼 스페이서 203'는 전극 65상에 직접 형성된 칼럼 스페이서의 수 및 절연층 77을 개재하여 형성된 칼럼 스페이서의 수의 비율이 소스 라인 62가 연장되는 방향으로 2:1이 되도록 배치된다. 정렬층 6은 복합 칼럼 스페이서 203, 픽셀 전극 64, 절연층 68, 77 및 전극 65를 피복하도록 형성된다. 참조 숫자 203은 그 표면에 정렬층 6이 형성된 복합 칼럼 스페이서 203'를 나타내며, 참조 숫자 203A, 203B, 203C는 각각 그 표면에 정렬층 6이 형성된 칼럼 스페이서 203A', 203B', 203C'를 나타낸다. 절연층 77을 개재하여 전극 65상에 형성된 복합 칼럼 스페이서 203의 선단은 칼러 필터 기판 201의 하면에 맞닿는다. 전극 65상에 직접 형성된 복합 칼럼 스페이서 203의 선단과 칼러 필터 기판 201의 하면 사이에는 절연층 77의 두께에 상응하는 틈새가 형성된다. 도 19 및 도 20에 있어서, 복합 칼럼 스페이서 203이 확대되어 있다. 복합 칼럼 스페이서 203은 하기에서 더욱 상세히 설명할 것이다. 참조 숫자 66은 TFT(Thin Film Trsnsistor)를 나타낸다.
칼러 필터 기판 201은 블랙 매트릭스 67, 칼러 필터 76, 카운터 전극 79, 정렬층 3이 차례로 유리 기판 1의 하면에 적층되도록 구성된다. 블랙 매트릭스 67는 게이트 라인 61 및 소스 라인 62 상부에 배치된다. 칼러 필터 기판 201 및 복합 칼럼 스페이서 203을 포함하는 TFT 기판 202는 공지의 포토리소그래피 방법에 의해 제작되며, 여기에서는 별도로 언급하지 않겠다. 칼러 필터 기판 201 및 TFT 기판 202는 제 1 실시형태의 제 1 실시예와 동일한 방법에 의해 액정 표시 소자로 구성된다.
복합 칼럼 스페이서 203은 도 19 내지 도 22를 참조하여 상세히 설명하겠다. 도 21은 복합 칼럼 스페이서 203의 형상을 나타낸 평면도이고, 도 22는 도 21의 복합 칼럼 스페이서에 의해 형성된 정렬 처리 상태를 나타낸 개념도이다.
액정 표시 소자 E에 있어서, 기판 201 및 202 사이의 공간에 액정 4를 충전하고, 이들 기판을 봉지한다. 기판 201 및 202는 마찰에 의해 정렬 처리가 실시되는데, 이 경우 마찰 방향 69는 상부 기판(칼러 필터 기판) 201 및 하부 기판(TFT 기판) 202에 있어서 동일하다. 본 발명은 칼럼 스페이서(스터릭 장애물)가 포토레지스트에 의하여 상기 기판 중의 하나(본 실시형태에서는 하부 기판 202)에 형성되고, 특정의 형상을 갖는다는 점에 특징이 있다. 일반적으로, 종래의 액정 표시 소자에 있어서, 기판 사이의 공간에 분산된 수지 비드는 기판 사이의 공간을 유지하는 스페이서에 상응한다. 수지 비드 대신에, 스페이서로서 포토레지스트를 포함하는 칼럼 스페이서가 사용된다. 본 실시형태에서는 전극(전극 65)상에 칼럼 스페이서 203A, 203B, 203C가 형성되지만, 전극은 칼럼 스페이서 203A, 203B, 203C의 표면을 피복해도 된다. 이 경우, 칼럼 스페이서 203A, 203B, 203C에 맞닿는 대향 기판(칼러 필터 기판 201)의 전극(카운터 전극 79)의 일부를 제거할 필요가 있다. 그렇지 않으면, 전극들 사이에 단락 반응이 생길 수 있다.
본 발명의 칼럼 스페이서의 형상의 예로서, 도 21에 나타낸 바와 같이, 마찰 방향 69에 대하여 측면이 경사진 마름모꼴 단면을 갖는 칼럼 스페이서 203A, 203B, 203C가 형성된다. 이들 스페이서는 셋트(이하에서는 복합 칼럼 스페이서 203이라 함)로 취급되며, 각 픽셀 63에 대하여 규칙적으로 형성된다. 여기에서 정의하는 복합 칼럼 스페이서는 서로 근접하여 배치된 복수의 칼럼 스페이서에 의해 구성된 칼럼 스페이서 그룹을 말한다.
복합 칼럼 스페이서 203에 있어서, 칼럼 스페이서 203A, 203B, 203C는 마름모꼴 단면의 짧은 대각선이 마찰 방향 69에 평행하도록 형성된다. 칼럼 스페이서 203A, 203B, 203C의 단면(평면부)은 이방성을 갖는 것이 바람직하다. 본 실시형태의 목적은 마찰의 흐름을 조정하는데 있으므로, 상기 단면은 마찰이 용이하게 흐르도록 하는 것이 중요하다. 이러한 점들을 고려하여, 칼럼 스페이서 203A, 203B, 203C의 단면의 형상으로서 마름모 형상을 채택한다. 여기에서 정의하는 마찰 방향 69는 기판에 대한 마찰천의 상대적인 이동 방향, 즉 전체 정렬 처리의 방향을 말한다. 칼럼 스페이서 203A, 203B, 203C는 칼럼 스페이서 203A, 203B가 마찰 방향 69에 대하여 소정의 간격으로 측면 배열되고, 또한 칼럼 스페이서 203C가 스페이서 칼럼 스페이서 203A, 203B 뒤에 배치되고 스페이서 203A, 203B로부터 똑같이 이격되도록 배치된다. 뒤에 위치한 칼럼 스페이서(후방 칼럼 스페이서) 203C는 칼럼 스페이서 203A, 203B(전방 칼럼 스페이서)의 단면 영역보다 큰 단면 영역을 갖는다.
복합 칼럼 스페이서 203을 갖는 기판 202를 마찰 처리하는 경우, 정렬 처리 방향, 즉 마찰이 실제로 실행되는 방향이 복합 칼럼 스페이서 203의 형상에 따라서 국부적으로 조정된다. 정렬 처리 상태는 도 22에 나타낸 바와 같다.
도 22를 참조하면, 참조 숫자 69는 마찰 방향을 나타낸다. 실선 화살표는 마찰의 실제 흐름, 즉 정렬 처리 방향을 나타낸다. 화살표 81은 국부적인 정렬 처리 방향을 나타낸다. 중요한 것은 후방 칼럼 스페이서 203C이다. 스페이서 203C와 충돌하는 마찰천(도시하지 않음)의 화이버(fiber)는 우측 및 좌측으로 반발로 움직인다. 이에 따라서, 화살표 81a, 81b에 나타낸 바와 같이, 마찰이 우측 및 좌측으로 실행된다. 이렇게 우측 및 좌측으로 실행된 마찰을 넘어서(over) 정규 방향(마찰 방향 69)으로 마찰이 실행되는 것을 방지하기 위하여, 전방 칼럼 스페이서 203A, 203B가 형성된다. 그 결과, 도 22에 나타낸 바와 같이, 서라운딩 영역 71의 정렬 처리 방향과 다른 방향으로 정렬 처리가 실시된 국부적인 정렬 처리 방향이 다른 영역 70이, 복합 칼럼 스페이서 203 주위에 형성된다. 상부 기판 201은 서라운딩 영역 71과 동일한 방향으로 정렬 처리가 실시된다. 따라서, 하부 기판 202의 정렬 처리 방향이 다른 영역 70 상부에 위치하는 액정층 4가 트위스트 배향 상태에 있다. 액정층 4의 트위스트 배향 상태(이하에서는 트위스트 배향 영역이라 함)가 핵이 되고, 스프레이에서 벤드로의 전이가 진행된다. 특히 트위스트 배향 영역에 있어서, 스프레이에서 벤드로의 전이의 핵이 되는 부분은 도 22에 X로 표시되어 있으며, 이 영역에서 트위스트가 발생한다.
이제, 복합 칼럼 스페이서 203의 형상의 바람직한 조건을 설명하겠다. 전방 칼럼 스페이서 203A, 203B와 후방 칼럼 스페이서 203C간의 거리가 너무 크면, 칼럼 스페이서 203A, 203B의 쉐이딩 효과(shading effect)가 감소한다. 쉐이딩 효과를 효과적으로 나타내기 위하여, 정규 방향으로 마찰이 실시되지 않도록 칼럼 스페이 서 203C 근방에 있어서의 마찰 방향이 다른 영역을 쉐이딩하는 것이 필요하다. 복합 칼럼 스페이서 203의 높이와 쉐이딩 거리 간의 관계를 조사하였다. 이 조사에 따르면, 본 실시형태의 복합 칼럼 스페이서 203의 경우, 복합 칼럼 스페이서 203으로부터의 거리가 복합 칼럼 스페이서 203의 높이의 5배 이하인 영역이 쉐이딩 효과를 제공한다. 상기 거리가 3배 이하인 영역은 신뢰할 수 있는 쉐이딩 효과를 제공한다. 한편, 상기 거리가 5배 이상인 영역에 있어서, 쉐이딩 효과는 제공되지 않는다. 복합 칼럼 스페이서 203의 높이가 반으로 줄어드는 경우, 이에 대응하여 쉐이딩 거리도 반으로 감소한다. 즉, 쉐이딩 거리는 복합 칼럼 스페이서 203의 높이의 함수로서 표시된다.
전방에 위치한 칼럼 스페이서 203A, 203B간의 간격은 마찰천의 화이버 직경보다 클 것이 요구된다. 본 실시형태에서는, 상기 간격이 10㎛이상인 것이 바람직하다. 전방 칼럼 스페이서 203A, 203B 및 후방 칼럼 스페이서 203C 사이의 영역에 있어서, 전방 칼럼 스페이서 203A, 203B에 기인한 마찰의 쉐이딩이 발생하고, 이 쉐이딩 영역에 있어서, 마찰 방향이 서라운딩 영역 71의 마찰 방향과 다르다. 쉐이딩 영역에서 프리틸트 각도가 변한다는 것이 확인되었다. 효율적인 전이를 위하여, 상기 쉐이딩이 칼럼 스페이서 203C에 도달할 것이 요구된다. 본 실시형태에 있어서, 쉐이딩의 도달 거리가 복합 칼럼 스페이서 203의 5배 이하이며, 약 25㎛이하이다. 따라서, 전방 칼럼 스페이서 203A, 203B와 후방 칼럼 스페이서 203C간의 거리가 너무 큰 경우, 전이가 효율적으로 발생하지 않는다. 또한, 본 실시형태와 같이, 전방 칼럼 스페이서 203A, 203B의 단면 영역이 후방 칼럼 스페이서 203C의 단면 영 역보다 큰 경우, 쉐이딩의 효과가 현저하다. 이것은 전방 칼럼 스페이서 203A, 203B의 쉐이딩이 후방 칼럼 스페이서 203C에 의해 형성된 마찰(정렬 처리)과 접촉하기 때문인 것 같다.
각 스페이서 203A, 203B, 203C의 마름모꼴 단면의 짧은 대각선은 길이가 5㎛이상인 것이 바람직하다. 길이가 5㎛보다 작으면, 칼럼 스페이서가 떨어지기 쉽다. 칼럼 스페이서가 임의의 형상의 단면을 갖는 경우, 그 최소 직경은 5㎛이상인 것이 바람직하다. 여기서 정의되는 칼럼 스페이서(스터릭 장애물)의 직경은 칼럼 스페이서의 단면의 중심이 위치하는, 단면의 외주상의 2점 사이의 거리를 말한다.
스프레이에서 벤드로의 전이의 핵을 발생시키기 위하여, 트위스트 배향이 액정층 4내에 발생되는 것이 필수적이다. 전이는 배향 방향이 다른 상태가 서로 접촉하는 부분에서 발생하기 쉬우며, 트위스트 방향이 다른 트위스트 배향 영역 부분이 핵이 되기 쉽다. 이 부분은 상술한 바와 같이, 도 22에 X로 표시되며(더욱 구체적으로는, X로 표시된 부분의 액정), 이 부분에 있어서, 시계 방향 트위스트 영역 및 반시계 방향 트위스트 영역이 서로 접촉한다. 따라서, 칼럼 스페이서는 배향 방향이 다른 영역이 서로 접촉하는 부분을 형성하도록 형상화되는 것이 바람직하다. 칼럼 스페이서는 트위스트 방향이 반대인 영역이 서로 접촉하는 부분을 형성하도록 형상화되는 것이 바람직하다.
전이 핵은 제 2 실시형태의 칼럼 스페이서 203A, 203B, 203C 및 제 1 실시형태의 제 1 실시예의 돌출부 103(도 1 참조)을 포함하는, 기판상에 형성된 돌출부 근방에서 발생하기 쉽다. 그 이유는 다음과 같다. 마찰시에, 마찰의 쉐이딩이 돌출 부의 후방에서 발생하여, 낮은 마찰 강도를 갖는 부분을 형성시키는데, 프리틸트 각도는 마찰의 강도에 의존한다. 이 때문에, 돌출부의 전방에서 마찰 강도가 높고 프리틸트 각도가 작은 반면, 돌출부의 후방에서 마찰 강도가 낮고 프리틸트 각도가 비교적 크다. 즉, 돌출부의 전방 및 후방에서의 프리틸트 각도가 서로 달라서, 결함이 발생하기 쉽다. 결함이 발생하면, 이 결함이 핵이 되기 쉽다.
이 결함은 전이 전압이 인가되는 경우, 셀 두께 방향의 중심부에 있어서 액정 분자가 상측 또는 하측을 향하는 스프레이 상태와 다른 상태간의 경계를 구성하는 결함이다.
돌출부는 액정층 4의 두께(본 명세서에서는 셀 두께라 함)의 반보다 큰 높이를 갖는 경우 전이되기 쉽다. 이 돌출부를 확실하게 전이 핵이 되도록 하기 위해서는, 돌출부의 높이가 셀 두께와 동일하거나, 셀 두께보다 1㎛ 이하로 크거나 작은 것이 바람직하다.
본 실시형태에서는, 도 21에 나타낸 바와 같이, 트위스트 배향 영역의 트위스트 각도가 대략 60도이다. 트위스트 배향 영역은 트위스트 각도가 45도 이상인 경우 전이 핵이 되기 쉬우며, 트위스트 각도가 60도이면 더욱 효과적이다. 트위스트 각도가 90도인 트위스트 배향 영역에 있어서, 5V 이하의 낮은 전압에서도 전이가 상기 영역으로부터 발생한다. 이것은 시계 방향 트위스트 및 반시계 방향 트위스트가 이 영역에서 공존하기 때문이며, 이에 관해서는 제 8 실시형태에서 상세히 언급하겠다. 따라서, 트위스트 배향 영역의 트위스트 각도가 45∼90도로 설정되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 60∼90도로 설정하는 것이다. 본 실시형태에 있어서, 트위스트 배향 영역에서의 액정의 배향 방향의 분포가 균일할 필요는 없다. 상기 전이는 액정의 배향 방향이 편차를 가지는 경우 발생하기 쉬우며, 점차로 변한다는 것이 관찰되었다.
칼럼 스페이서 203A, 203B, 203C가 측면으로서 수직면을 가지지만, 이들이 테이퍼면(taper surface), 즉 상부가 내측으로 경사진 평면을 갖는 경우, 스프레이에서 벤드로의 전이의 신뢰성이 향상된다.
본 실시형태에 있어서, TFT 66을 갖는 TFT 기판 202이 사용된다. 블랙 표시중에 본 발명에서 특징적인 트위스트 배향 영역에서 빛이 새기 때문에, 이 영역을 차폐하여 높은 대조를 얻는 것이 중요하다. 일반적으로, 블랙 매트릭스가 픽셀 전극 주위에 형성된다. 따라서, 트위스트 배향 영역이 블랙 매트릭스에 의해 차폐된 영역에 형성되면, 개구 비율(aperture ratio)이 감소되지 않고 본 발명을 실현할 수 있다. 스프레이에서 벤드로의 전이를 발생시키기 위해서는, 전이 핵이 형성될 영역에 전압을 인가하는 것이 필요하다. 따라서, 본 실시형태에 있어서, 블랙 매트릭스 67 하부에 위치하는 전극 65상에 복합 칼럼 스페이서 203을 형성함으로써, 개구 비율을 감소시키지 않고 스프레이에서 벤드로의 전이 핵 영역을 확보할 수 있다.
본 실시형태에 있어서, 각 픽셀 63에 대하여 복합 칼럼 스페이서 203을 형성하여, 각 픽셀에 대하여 전이를 확실하게 발생시킴으로써, 픽셀 당 포인트 결함(point defect)의 발생을 방지한다. 이 때문에, 바람직스럽지 않게도, 본 실시형태의 칼럼 스페이서의 스페이서 밀도가 일반적인 칼럼 스페이서의 스페이서 밀도 보다 높다. 액정층 4는 저온에서 수축되기 때문에, 기판 201, 202는 스페이서 밀도가 높으면, 액정층 4의 수축을 따를 수 없다. 이 때문에, 액정 표시 소자 E가 장시간 저온에서 방치되면 버블(bubble)이 발생되기 쉽다. 본 실시형태에서, 복합 칼럼 스페이서 203은 각각 3개의 스페이서에 의해 구성되는 단위로 소스 라인 62이 연장되는 방향으로 분할되며, 각 단위에 속하는 3개의 복합 칼럼 스페이서 203이 형성되는 부분의 높이가 조절된다. 구체적으로는, 중앙 스페이서가 높은 부분에 형성되고, 나머지 2개의 스페이서가 낮은 부분에 형성되어, 중앙 스페이서만이 대향 기판(칼러 필터 기판) 201에 맞닿는다. 따라서, 중앙의 복합 칼럼 스페이서 203만이 스페이서로서 기능하며, 따라서 스페이서 밀도가 약 1/3로 감소한다. 이에 따라서, 저온에서의 버블의 발생을 피할 수 있다.
본 실시형태에서는, 복합 칼럼 스페이서 203이 형성될 부분의 높이가 전극 65상에 절연층 77이 형성되느냐 아니냐에 따라서 조절된다. 또는, 이것은 TFT 기판 202의 표면상에 본래 존재하는 요철부를 이용하여 실행될 수 있다. 또한 도 23에 나타낸 바와 같이, 요철부는 유리 기판 8상에 포토레지스트층 20을 형성하고, 포토레지스트층 20을 부분적으로 제거함으로써 형성되어도 된다. 도 23에 있어서, TFT기판의 픽셀 전극 등을 포함하는 배선층, TFT 기판의 칼러 필터 등을 포함하는 층, 및 칼러 필터 기판의 정렬층은 생략되어 있다.
일반적으로, 절연층 77은 전극 65상에 형성된다. 본 실시형태에 있어서, 높이 조정을 위하여 절연층 77이 제거된 부분이 존재한다. 이와 같이 절연층 77을 제거함으로써, 절연층 77에서의 전압 손실을 없앨 수 있으며, 액정층 4에의 전압의 인가를 촉진할 수 있다. 복합 칼럼 스페이서 203의 높이는 전극 65상에 있어서, 복합 칼럼 스페이서 203이 형성될 절연층 77 부분을 제거하기 위한 다른 방법에 의해 조정될 수 있다. 이에 따라서 절연층 77에서의 전압 손실을 더욱 감소시킬 수 있다.
이어서, 이렇게 구성된 액정 표시 소자 E의 동작을 도 19 내지 도 26을 참조하여 설명하겠다.
도 19 내지 도 22에 나타낸 바와 같이, 액정 표시 소자 E에 전이 전압이 인가되는 경우, 각 픽셀 63의 전극 65상의 복합 칼럼 스페이서 203 주위에 형성된 액정층 4의 트위스트 배향 영역에서 전이 핵이 발생한다. 벤드 배향이 전이 핵에서 서라운딩 영역으로 진행된다. 이 때문에, 스프레이에서 벤드로의 전이가 쉽게 발생한다. 그 결과, 스프레이에서 벤드로의 전이가 저 전압에서 발생한다. 전이 핵이 각 픽셀 63에 형성되므로, 전이가 각 픽셀 63에 대하여 확실하게 발생하며, 픽셀 당 포인트 결함의 발생을 피할 수 있다.
스프레이에서 벤드로의 전이가 쉽게 발생하는 이유를 이론적으로 살펴보자. 스프레이에서 벤드 배향으로의 전이가 발생할 경우, 에너지 장벽이 존재하기 때문에, 에너지 장벽을 능가하는데 사용되는 전이 전압이 필요하다. 전이 핵이 스프레이에서 벤드로의 전이를 위하여 필요하다.
도 24b에 나타낸 바와 같이, 액정 분자 4'가 트위스트 배향된 액정 분자 4"에 인접해있다고 가정하자. 또한, 액정 분자 4"의 트위스트 각도가 60도라고 가정하자. 전압이 인가되지 않는 경우 액정 분자 4"는 도 24a에 나타낸 바와 같이 스프 레이 배향되어 있다. 액정 분자 4'에 전압을 인가하면, 상기 전압에 의해 변형된다. 이 경우, 액정 분자 4'가 트위스트 배향된 액정 분자 4"에 인접해 있으므로, 액정 분자 4'는 셀 두께 방향 84로의 변형 외에, 트위스트 변형된다. 이 경우, 대략 2.1V까지의 전압에서, 액정 분자 4'는 트위스트 변형되기 보다는 셀 두께 방향 84로 쉽게 변형되는 반면, 2.1V보다 큰 전압에서, 분자 4'는 셀 두께 방향 84로 변형되기 보다는 쉽게 트위스트 변형된다. 따라서, 2.1V보다 큰 전압이 인가되는 경우, 액정 분자 4'는 도 24d에 나타낸 바와 같이 트위스트된다. 액정 분자 4'가 전압이 인가되지 않은 상태에서, 분자 4'의 회전 방향에 반대 방향으로 300도 트위스트된다. 트위스트 중간의 액정 분자 4', 예를 들면 180도 트위스트된 액정 분자 4'는 단면으로 보는 경우 도 24c에 나타낸 바와 같이 벤드 배향처럼 보인다. 따라서, 이 트위스트 상태가 벤드 배향으로 쉽게 전이된다고 생각된다.
액정 분자 4'가 셀 두께 방향 84로 변형되기 보다는 쉽게 트위스트 변형되는 전압은 스프레이에서 벤드 배향으로의 직접적인 전이를 위한 전압보다 낮다. 따라서, 액정 분자 4'는 낮은 전압에서 스프레이에서 벤드로의 전이를 발생시킨다. 전이된 액정 분자 4'는 핵이 되어, 스프레이에서 벤드로의 전이를 진행시킨다. 그 결과, 스프레이에서 벤드로의 전이가 용이하게 발생한다.
상술한 효과를 구체적으로 설명하겠다. 도 25는 액정 표시 소자 E를 전이하는데 사용되는 전이 전압의 파형을 나타낸 도이다. 전압 15V, 펄스 폭 0.5초의 1펄스 구형파 전압(도 25)이 액정 표시 소자 E에 인가되는 경우, 액정 표시 소자 E는 스프레이 배향에서 벤드 배향으로 전이된다. 본 발명자들의 연구에 따르면, 종래에 는 약 25V의 전압이 필요하다. 이것은 액정 표시 소자 E가 종래의 액정 표시 소자에 비하여 아주 낮은 전압에서 매우 단시간에 전이될 수 있음을 의미한다. 도 25의 구형 전압이 수회 인가될 수 있다. 구형 전압을 사용함으로써, 소자 E가 -10℃의 온도에서도 확실하게 전이될 수 있다.
도 26은 전이 전압에 대한 전이 핵의 발생율의 변화를 나타낸 도이다. 도 26에는, -1℃, 0℃, 25℃(실온) 및 50℃에 있어서, 전이 전압이 변화함에 따른 픽셀에서의 전이 핵의 발생율의 변화를 나타내고 있다. 도 26으로부터 알 수 있는 바와 같이, 전이 핵의 발생율은 온도에 관계없이 약 10V이상의 전이 전압에서 100%이다. 이것은 약 10V의 전이 전압을 인가함으로써, 전이가 확실하게 발생하며, 픽셀 당 포인트 결함의 발생을 피할 수 있다는 것을 보여준다. 또한, 전이 핵이 4V에서 발생하므로, 많은 시간이 걸린다면 전이가 4V에서 발생한다.
이어서, 본 실시형태에 따른 액정 표시 장치의 변형예를 설명하겠다.
상기 구조에 있어서 복합 칼럼 스페이서는 도 21에 나타낸 형상을 가지지만, 복합 칼럼 스페이서의 형상은 이것에 한정되지 않으며, 도 27에 나타낸 형상이 될 수 있다. 도 27a∼도 27f는 복합 칼럼 스페이서의 변형예를 나타낸 평면도이다. 도 27a, 27b에 나타낸 복합 칼럼 스페이서 203은 각각 단일 칼럼 스페이서에 의해 구성되며, 마찰 방향 69에 대하여 수직인 측면을 갖는 단면을 갖는다. 실제 마찰 방향(정렬 처리 방향)은 칼럼 스페이서 203의 마찰 방향 69에 대하여 수직인 측면 204 근방에서 측면으로 분할되므로, 전이 핵이 측면 204 근방에서 발생하여, 전이를 고속으로 발생시킨다. 도 27c의 복합 칼럼 스페이서 203은 각 칼럼 스페이서가 동일한 마름모꼴 단면을 갖는다는 점에서 도 22의 복합 칼럼 스페이서와 다르다. 도 27d의 복합 칼럼 스페이서 203은 삼각형 단면을 갖는 칼럼 스페이서에 의해 구성된다. 기본적으로는, 본 실시형태의 칼럼 스페이서는 정렬 처리 방향을 조정하기 위하여, 마찰 방향 69에 대하여 비스듬하거나 측면 경사를 갖는 단면을 가져야 한다. 도 27e의 복합 칼럼 스페이서는 도 27c의 복합 칼럼 스페이서가 래터럴하게(laterally) 반복되도록 구성된다. 이러한 구성에 따르면, 마찰이 우측 및 좌측에서 충돌하는 다수의 영역 205가 형성된다. 따라서, 이 영역 205에서 시계 방향 트위스트 영역 및 반시계 방향 트위스트 영역이 서로 접촉하는 부분이 효율적으로 형성됨으로써, 전이 핵의 발생을 촉진한다. 도 27f의 복합 칼럼 스페이서 203은 마름모꼴 단면을 갖는 4개의 칼럼 스페이서가 마찰 방향 69에 평행한 대각선을 갖는 가상의 마름모꼴의 각 정점에 적합하게 배치되도록 구성된다. 도 27g의 복합 칼럼 스페이서 203은 외관상 원형 형상 또는 환형상 다각형의 단면을 갖는 복수의 칼럼 스페이서에 의하여 구성된다. 도 27h의 복합 칼럼 스페이서 203에 있어서, 칼럼 스페이서의 형상 및 배치는 도 21의 복합 칼럼 스페이서 203의 것과 유사하다. 평면도로 보이는 칼럼 스페이서의 선형(linear) 측면이 마찰 방향 69에 대하여 경사져서 배열되기 위하여, 도 27i의 복합 칼럼 스페이서 203은 직사각형 단면을 갖는 복수(2개)의 칼럼 스페이서가 서로 평행하게 배치되고, 마찰 방향 69에 대하여 경사지도록 구성된다. 도 27g 내지 도 27i에 도시된 예들은 전형적인 치수를 갖는다. 복합 칼럼 스페이서 203이 상기와 같은 치수를 갖는 경우, 액정의 전이는 바람직하게 발생한다. 마찰 방향 69는 도 21, 및 도 27a∼27f에서 역전될 수 있다.
복합 칼럼 스페이서 203은 상술한 바와 같이 전극 65상에 형성되지만, 도 28에 나타낸 바와 같이 픽셀 전극 64상에 형성되어도 된다.
복합 칼럼 스페이서 203은 요철부를 이용하여 TFT 기판 202상에 형성되지만, 칼러 필터 76의 스텝(step)을 이용하여 칼러 필터 기판 201상에 형성될 수 있다. 칼러 필터 76의 스텝은 R, G 및 B의 칼러 필터를 형성하는 경우 각 칼러 필터층이 블랙 매트릭스 67상에 중첩되게 하거나, 중첩되지 않게 함으로써 형성될 수 있다.
도 30에 나타낸 바와 같이, 복합 칼럼 스페이서 203이 형성될 TFT 기판 202 부분은, 복합 칼럼 스페이서 203이 대향하는 기판 201에 맞닿지 않도록 하강하는데, 오목부 86은 복합 칼럼 스페이서 203이 칼러 필터 기판 201에 맞닿지 않도록, 복합 칼럼 스페이서 203의 선단에 대향하는 칼러 필터 기판 201의 내면의 일부에 형성될 수 있다. 오목부 86은 유리 기판 1상에 포토레지스트층 20을 형성하고, 포토레지스트층 20에 오목부 72를 형성한 후, 포토리소그래피 방법에 의해 카운터 전극 2 및 정렬층 3을 형성함으로써 형성될 수 있다. 본 실시형태에 있어서 복합 칼럼 스페이서 203이 픽셀 전극 64상에 형성되어 있으나, 오목부 86은 복합 칼럼 스페이서 203이 전극 65상에 형성되는 경우와 동일한 방법으로 형성할 수 있다. 복합 칼럼 스페이서 203이 칼러 필터 기판 201상에 형성되는 경우, 오목부는 복합 칼럼 스페이서 203의 선단에 대향하는 TFT 기판 202의 내면의 일부에 형성되어, 복합 칼럼 스페이서 203이 TFT 기판 202에 맞닿지 않는다. 또한, 이 경우, 오목부는 상술한 바와 같이 형성할 수 있다.
상기 구조에 있어서 액정 표시 소자 E가 활성 매트릭스 타입으로 되어 있지 만, 본 발명의 목적이 기판상에 마찰을 조정하기 위한 복합 칼럼 스페이서를 제공하는데 있기 때문에, 기판의 타입은 임의의 것이 될 수 있다. 본 발명은 패시브 매트릭스(passive matrix)) 매트릭스 타입 등의 다른 타입의 기판에도 적용가능하다.
제 3 실시형태
본 발명의 제 3 실시형태에 있어서, 액정 표시 소자는 대향하는 기판과 접촉하지 않는 칼럼 스페이서를 포함하도록 구성된다.
제 2 실시형태에 있어서, 액정 표시 소자는 대향 기판과 접촉하지 않는 복합 칼럼 스페이서 203을 포함한다. 이러한 칼럼 스페이서의 형성은 전이 핵이 형성된 경우에 한정되지 않는다. 즉 이 구성은 본 발명과 같이 다수의 전이 핵의 형성에는 필수적이며, 일반적으로 칼럼 스페이서가 복수의 픽셀에 대하여 형성되는 경우 효과적이다. 일반적으로, 스페이서 비드가 기판 사이의 공간에 분산되는 경우, 기판은 스페이서 비드의 입경 분포 때문에 효율적으로 탄성 변형된다. 그러나, 칼럼 스페이서는 일반적으로 균일한 높이로 형성된다. 이 때문에, 버블이 저온에서 발생되기 쉽다. 따라서, 칼럼 스페이서의 높이를 일정하게 하면서, 기판상에 요철부를 형성하면, 요철부에 의하여 칼럼 스페이서의 높이가 효율적으로 분포된다. 이에 따라서, 실질적으로 실온에서 기판과 접촉하는 칼럼 스페이서의 수가 감소되고, 저온에서의 버블과 관련된 문제를 해결할 수 있다. 본 실시형태의 목적은 실질적으로 실온에서 대향 기판과 접촉하지 않는 칼럼 스페이서가 존재하는데 있다.
제 4 실시형태
본 발명의 제 4 실시형태에 있어서, 제 2 실시형태와 달리, 복합 칼럼 스페 이서 203이 복수의 픽셀의 일부에 대해서만 형성된다. 도 31을 참조하면, 참조 숫자 73은 블랙 매트릭스, 칼러 필터, 카운터 전극 등으로 구성되는 층을 나타내며, 참조 숫자 75는 소스 라인, 게이트 라인, 픽셀 전극, 전극, 절연층 등으로 구성되는 배선층을 나타낸다. TFT 기판 202는 배선층 75의 표면을 피복하도록 아크릴계 레지스트 등의 수지로 이루어지는 평탄층(flattening layer) 74를 포함하며, 복합 칼럼 스페이서(도 31에는 하나의 스페이서가 도시됨)가 평탄층 74상에 형성된다. 복합 칼럼 스페이서 203은 픽셀 63에 대해서만 형성된다. 그 밖의 점은 제 2 실시형태의 것과 동일하다. 픽셀 63에 대해서만 복합 칼럼 스페이서 203을 형성하면, 복합 칼럼 스페이서 203 주위에서 발생하는 스프레이에서 벤드로의 전이가 픽셀 63 위에서 성장될 것이 요구된다. 이를 위하여, 기판 201, 202는 평탄면을 가져야 한다. 그러나, 정규 어레이 기판(TFT 기판) 202에 있어서, 최대 대략 1㎛의 요철부 75a가 배선층 75상에 나타난다. 따라서, 본 실시형태에 있어서, 평탄층 74가 수지에 의해 배선층 75의 표면상의 요철부 75a를 오프셋(offset)하도록 형성되어, 어레이 기판 202의 내면의 요철부를 감소시킨다. 그 결과, 스프레이에서 벤드로의 전이가 상기 픽셀 위에서 용이하게 진행된다.
제 5 실시형태
본 발명의 제 5 실시형태에 있어서, 서라운딩 영역의 정렬 처리 방향과 다른 방향으로 정렬 처리된 영역이 포토 배향에 의해 국부적으로 형성된다. 본 발명의 목적은 트위스트 배향 영역을 형성하는데 있으며, 정렬 처리 방법은 임의적이다. 따라서, 트위스트 배향 영역이 포토 배향에 의해 형성되는 경우, 동일한 효과가 얻 어진다. 예를 들면, 도 22에 나타낸 정렬 처리가 포토 배향에 의해 실행되는 경우, 제 2 실시형태와 동일한 효과가 얻어진다. 포토 정렬 처리가 실시될 기판의 정렬층은 포토 정렬층에 의해 구성되어야 한다는 것을 기억해야 한다. 그 밖의 점은 제 2 실시형태에서와 동일하다.
제 6 실시형태
본 발명의 제 6 실시형태에 있어서, 액정 표시 장치는 제 2 실시형태에 따른 액정 표시 소자를 사용하여 구성된다.
도 32에 나타낸 바와 같이, 제 6 실시형태에 따른 액정 표시 장치 301은 제 2 실시형태의 액정 표시 소자 E; 액정 표시 소자 E를 구동하기 위한 소스 드라이버 305 및 게이트 드라이버 304; 소스 드라이버 305에 기준 전압을 공급하기 위한 기준 전력 공급 회로 303; 및 소스 드라이버 305에 입출력 비디오 신호로서 비디오 신호 307을 수신하고, 기준 전력 공급 회로 303, 게이트 드라이버 304 및 소스 드라이버 305를 조정하는 콘트롤러(controller) 302;를 포함한다. 즉 전이만을 위한 전력 공급은 제공되지 않는다.
이어서, 이렇게 구성된 액정 표시 장치 301의 전이 작용에 관해 설명하겠다. 제 2 실시형태에서 설명한 바와 같이, 액정 표시 소자 E는 4V 미만의 전이 전압이 인가되는 경우 전이를 발생시킨다. 전이 시간은 전이 전압에 좌우된다는 것을 기억해야 한다. 본 실시형태의 액정 표시 장치 301의 구동 전압은 최대 6V이다. 이 구동 전압이 인가되는 경우, 액정 표시 소자 E가 확실하게 전이된다. 실제로, 액정 표시 장치 301를 켜는(ON) 경우, 액정 표시 소자 E는 구동 전압만이 인가되어도, 전이된다. 액정 표시 장치가 301을 켠(ON) 후에, 액정 표시 소자 E에 정규 비디오 신호가 계속하여 흐르고, 약 10초내에 전이가 거의 완료된다. 즉, 본 실시형태의 액정 표시 장치 301에 있어서, 도 25에 나타낸 특정의 파형 또는 구동 전압보다 높은 값을 갖는 전이 전압을 인가하지 않고, 정규 구동 파형 및 최대값 6V를 갖는 구동 전압을 계속하여 인가함으로써, 액정 표시 소자 E를 전이시키는 것이 가능하다. 그 결과, 전이만을 위한 전력 공급을 제공할 필요 없이 비용을 현저히 감소할 수 있다.
액정 표시 소자는 4V에서 전이하는 소자에 의해 구성되어 있으나, 액정 표시 장치의 액정 표시 소자의 구동 전압이 최대 약 10V이기 때문에 10V이하에서 전이하는 소자가 될 수 있다.
제 7 실시형태
본 발명의 제 7 실시형태에 있어서, 액정 표시 장치는 전이만을 위한 전력 공급을 포함한다. 도 33을 참조하면, 본 실시형태의 액정 표시 장치 308는 액정 표시 장치로서 제 4 실시형태의 액정 표시 소자 F를 포함한다는 점에서 제 6 실시형태와 다르다. 한 쌍의 전이 전압 인가 전극 310이 액정 표시 소자 F의 칼러 필터 기판 및 TFT 기판상에 제공된다. 도 31에 도시된 복합 칼럼 스페이서 203은 상기 한 쌍의 전이 전압 인가 전극 310중의 하나에 형성된다. 한 쌍의 전이 전압 인가 전극 310은 컨트롤러 302에 의해 조정되는 전이 전압 인가 회로 306에 연결된다. 그 밖의 점은 제 6 실시형태의 것과 동일하다.
액정 표시 장치 308에 있어서, 비디오의 표시에 앞서, 소정의 전이 전압이 컨트롤러 301의 조정하에서 한 쌍의 전극 310에 인가되어, 액정 표시 소자 F를 전이시킨다. 이 경우, 액정 표시 소자 F는 트위스트 배향 영역이 국부적으로 형성되어 있기 때문에, 종래의 소자에 비하여 낮은 전압에서 단시간에 전이한다.
제 8 실시형태
제 2 실시형태에 있어서, 스프레이에서 벤드로의 전이가 마찰 방향을 국부적으로 조정함으로써 확실하게 실행된다. 본 발명의 제 8 실시형태에 있어서, 이 전이 공정이 더욱 심도깊게 연구되어, 전이 핵이 확실하게 발생된다.
도 34a 및 도 34b는 액정 표시 소자의 액정의 안정성 조건을 나타낸 개념도이고, 도 34a는 액정의 기본적인 안정성 조건을 나타낸 도이고, 도 34b는 평행 배향 및 트위스트 배향에 있어서 액정의 안정성 조건을 나타낸 도이다. 도 35a∼도 35c는 트위스트 배향 영역이 국부적으로 형성된 액정 표시 소자의 스프레이에서 벤드로의 전이 공정을 나타낸 개략 개념도로서, 도 35a는 방향이 반대인 2개의 트위스트 배향 영역이 서로 접촉하는 경우를 나타낸 도이고, 도 35b는 2개의 트위스트 배향 영역중의 한 영역의 트위스트 각도가 90도인 경우를 나타낸 도이고, 도 35c는 2개의 트위스트 배향 영역중의 한 영역의 트위스트 각도가 90도 이상인 경우를 나타낸 도이고, 도 35d는 방향이 동일한 2개의 트위스트 배향 영역이 서로 접촉하는 경우를 나타낸 도이다.
도 34a에 나타낸 바와 같이, 액정은 기본적으로는 기판에 대한 경사 각도가 변하지 않는 정규 배열 상태 및 액정이 적게 트위스트 변형되는 상태인 것이 바람직하다. 이들 조건이 서로 반대인 상태의 전형적인 예가 평행 배향 상태이다. 트위 스트 각도가 90도 이하인 배향에 있어서, 액정의 안정성 조건은 기본적으로 평행 배향 상태와 동일하다.
도 34b에 나타낸 바와 같이, 평행 배향 상태에 있어서, 트위스트 각도가 0도인 스프레이 배향은 전압이 인가되지 않아도 매우 안정된다. 대략 2V 이상의 전압이 인가되는 경우, 트위스트 각도가 180도인 정규 배열 상태는 매우 안정된다. 180도의 트위스트는 전압을 인가하면 안정되고, 이 안정 상태가 계속하여 벤드 배향으로 전이된다는 것이 확인되었다. 따라서, 180도의 트위스트 상태를 일시적으로 형성할 필요가 있다. 그러나, 실제로, 액정이 180도의 트위스트 상태가 전압을 인가함으로써 매우 안정화되는 상태로 변화한다고 하더라도, 액정은 180도의 트위스트 상태로 용이하게 변형되지 않는다. 이것은 전이를 위한 핵이 큰 구조적 변화 때문에 필요해지기 때문이다. 본 발명의 목적은 전이를 위한 핵을 확실하게 형성하는데 있다. 트위스트 각도가 90도 이하인 스프레이 트위스트 배향의 경우, 대략 2V이상의 전압을 인가하여 매우 안정화되는 트위스트 각도는 180-θ(θ:트위스트 각도)이며, 그 밖의 점은 기본적으로 평행 배향의 것과 동일하다.
도 35a는 복합 칼럼 스페이서가 제 2 실시형태와 같이 형성되는 경우를 나타낸 도로서, 이 경우 전이가 다음의 공정을 통하여 발생한다.
도 35a에 나타낸 바와 같이, 시계 방향 트위스트 상태 영역 403(트위스트 각도 = -60도) 및 반시계 방향 트위스트 상태 영역 402(트위스트 각도 = 75도)가 형성되고, 서로 접촉한다고 가정하자. 참조 숫자 401은 병렬 배향 영역을 나타내며, 흑백의 화살표는 액정 분자의 방향 및 마찰 방향을 각각 나타낸다. 전압을 인가하 면, 초기 단계의 시계 방향 트위스트 영역 403은 트위스트 각도가 큰 반시계 방향 트위스트에 의해 안정화된다. 핵이 없이는, 이 상태로 전이되는 것은 불가능하다. 시계 방향 트위스트 영역 403은, 반시계 방향 트위스트 영역 402가 처음부터 이 영역과 접촉하는 경우, 핵으로 기능하는 영역 402에 의해 반시계 방향 트위스트로 전이되어, 정규 배열 트위스트 404를 발생시킨다. 따라서, 시계 방향 트위스트 영역 403 및 반시계 방향 트위스트 영역 402 사이에서 결함이 관찰되고, 이들 영역중의 한 영역을 향하여 결함이 이동하는 것이 관찰되었다.
또한, 영역 40의 외측에 있는 평행 배향 영역 401 및 트위스트 각도가 큰 정규 배열 트위스트 404가 서로 접촉하므로, 정규 배열 트위스트 404가 핵이 되어, 병렬 배향 영역 401에서 벤드 전이 405가 발생한다.
따라서, 시계 방향 트위스트 영역 403 및 반시계 방향 트위스트 영역 402가 서로 접촉하는 경우, 상기 영역 402가 핵이 되어, 전이를 발생시킨다는 것을 알았다. 트위스트 각도를 90도 이하로 함으로써, 전이 전압을 낮출 수 있다. 예를 들면, 트위스트 각도가 90도인 경우, 전이 전압은 5V인 반면, 트위스트 각도가 60도인 경우 전이 전압은 8V이다. 도 35d에 나타낸 바와 같이, 회전 방향이 동일한 2가지 타입의 스프레이 트위스트를 형성하면, 전이 핵이 형성되기 어렵다.
트위스트 각도를 크게 하여 관찰하였다. 도 35b에 나타낸 바와 같이, 2개의 트위스트 영역 402, 406이 서로 접촉하는 영역 406의 트위스트 각도가 90도인 경우, 방향이 다른 2개의 트위스트 상태가 초기 단계에서 있어서 영역 406에서 공존한다. 전압을 인가하면, 정규 배열 트위스트 404가 성장하고, 상기 영역 404의 외 측에 있는 병행 배향 영역 401과 접촉하며, 이 접촉 부분이 핵이 되어, 벤드 전이 405를 발생시킨다.
도 35c에 나타낸 바와 같이, 2개의 트위스트 영역 402, 407이 서로 접촉하는 영역 407의 트위스트 각도가 90도 이상이고(본 실시형태에서는 105도), 정규 배열 트위스트 404가 초기 단계에서 안정되며, 핵이 되어, 벤드 전이 405를 발생시킨다. 그 결과, 트위스트 각도가 90도 이상인 영역을 형성하는 경우, 2개의 트위스트 영역을 형성할 필요가 없다. 전이에 필요한 전압은 트위스트 각도가 90도인 경우, 5V이며, 트위스트 각도가 105도인 경우, 7V이다는 것에 주목해야 한다.
이어서, 상술한 트위스트 배향 영역의 형성 방법에 관하여 설명하겠다. 도 35a에 나타낸 바와 같이, 서로 접촉하는 시계 방향 트위스트 영역 및 반시계 방향 트위스트 영역은, 제 2 실시형태에서 설명한 바와 같이 기판상에 복합 칼럼 스페이서를 형성하고, 마찰을 실행함으로써, 평행 배향 영역에 국부적으로 형성된다.
도 35b 및 도 35c에 나타낸 바와 같이, 트위스트 각도가 90도 이상인 트위스트 배향 영역을, 상기 실시형태에서 설명한 한 정렬 처리에 의해 평행 배향 영역에 형성하는 것은 불가능하다. 따라서, 본 발명자들은 트위스트 배향 영역은 칼럼 스페이서를 갖는 기판상에서 마찰을 2회 실행함으로써 형성할 수 있다는 것을 발견하였다. 이것에 관해서는 도 36을 참조하여 설명하겠다.
도 36a 및 도 36b는 본 발명의 제 8 실시형태에 따른 액정 표시 소자의 기판의 정렬 처리를 나타낸 평면도로서, 도 36a는 제 1 마찰후의 상태를 나타낸 도이고, 도 36b는 제 2 마찰후의 상태를 나타낸 도이다. 도 36a에 나타낸 바와 같이, 제 1 마찰은 칼럼 스페이서 502를 갖는 기판 501상에서 기준 방향 69"에 대하여 90도 이상(본 실시형태의 경우 반시계 방향으로 대략 135도)의 각도로 경사진 방향 69'으로, 즉 액정이 개재된 한 쌍의 기판의 정렬 처리 방향으로 실행되고, 도 36b에 나타낸 바와 같이, 제 2 처리는 기준 방향 69"으로 실행된다. 제 2 마찰은 칼럼 스페이서 502의 쉐이딩 영역 503상에 실행되지 않으므로, 제 1 마찰에 의한 정렬 처리가 남아있다. 이에 따라서 트위스트 각도가 90도 이상인 트위스트 배향 영역 503을 병렬 배향 영역 504에 형성하는 것이 가능하다.
트위스트 각도가 90도 이상인 트위스트 배향 영역을 형성하는 경우, 액정에 약간의 키랄제를 첨가하는 것이 효과적이다. 일반적으로, 키랄제를 첨가하지 않고는, 90도 이상의 트위스트 배향 영역을 형성하는 것은 어렵다. 또한, 마찰 공정을 수회 실행하면 상기 90도 이상의 트위스트 배향 영역을 형성하는 것이 어렵다. 상술한 바와 같이, 90도 이상의 트위스트 배향 영역은 전이 핵이 된다. 키랄제를 첨가함으로써, 특정의 회전 방향의 배향 상태를 안정화할 수 있다. 예를 들면, 시계 방향 키랄제를 첨가함으로써, 시계 방향 트위스트 배향 영역이 안정되며, 심지어는 90도 이상의 트위스트 배향 영역이 안정화된다. 따라서, 키랄제는 90도 이상의 트위스트 배향 영역을 형성하는데 효과적이다.
제 2 실시형태에서 설명한 액정 표시 소자는 상기 방법에 의해 정렬 처리된 기판을 사용하여 제조되는 경우, 스프레이 배향에서 벤드 배향으로의 전이 핵이 확실하게 발생한다. 그 결과, 스프레이에서 벤드로의 전이를 촉진시키는 액정 표시 소자가 얻어진다.
제 9 실시형태
본 발명의 제 9 실시형태에서, 정렬층은 서로 접촉하는 배향 방향 영역의 다른 유형을 형성하기 위하여 스크래치된다.
도 37은 본 발명에서 제 9 실시형태에 따른 액정 표시 소자의 기판의 정렬 처리를 도식적으로 나타내는 평면도이다.
도 37에서, 제 9 실시형태의 액정 표시 소자의 기판 501은 상기 소자의 표면층 부분에 형성되는 정렬층(도시되지 않음)을 가지고, 스크래치 504는 마찰 방향 69에서 만곡되는 것처럼 액정층의 표면에 형성된다. 스크래치 504는 기판 501에 곧추 세워진 바늘(erected needle)에 의한 상기 도에서와 같은 스크래칭에 의하여 형성된다. 스크래치 504를 형성하는 방법은 상기 방법으로만 제한되지 않는다. 예를 들어, 기판 501의 표면은 정렬층의 부분을 제거하기 위해 펄스 레이저 빔(pulsed laser beam)으로 조사될 수도 있으며, 이에 의해 스크래치를 형성한다.
반대쪽의 기판이 상기와 같이 구성된 액정 표시 소자에서 평행-정렬 처리되는 경우에, 기판 501의 스크래치 504에 위치한 액정 분자는 도 37의 화살표에 의해 지시되는 방향으로 배향된다. 다시 말하면, 반시계 방향 트위스트 영역 506 및 시계 방향 트위스트 영역 505는, 상기 스크래치의 중앙 부분이 상기 영역들 506 및 505 사이의 경계가 되어, 스크래치 504에서 형성된다. 서로 접촉하여 반시계 방향 트위스트 영역 506 및 시계 방향 트위스트 영역 505의 형성은 전이 핵이 제 8 실시예에서 서술된 바와 같이 확실히 생성되도록 허용한다. 본 실시형태에서, 전이는 반시계 방향 트위스트 영역 506 및 시계 방향 트위스트 영역 505 사이의 경계로부 터 일어나고, 스프레이 배향에서 벤드 배향으로의 전이는 쉽게 발생한다. 여기서 스크래치는 정렬층이 부분적으로 부족함을 일컫는다. 스크래치를 형성하기 위하여, 정렬층은 포토레지스트를 사용하여 에칭함으로써 제거된다. 더욱이, 특정 용매에서 혼합 가능한 액체 및 혼합 불가능한 액체는 경화되도록 혼합되고 유화(emulsion)되고, 이어서 용매에 의해 액체들 중 하나를 제거하여도 된다.
제 10 실시형태
본 발명의 제 10 실시형태에서, 국부 정렬 처리는 90도 이상의 트위스트 각으로 트위스트-배향 영역을 형성하기 위한 포토-배향에 의하여 실행된다.
도 38은 본 실시형태에서 액정 표시 소자 기판의 정렬 처리를 도식적으로 나타내는 평면도이다.
도 38을 참조로 하여, 액정 표시 소자의 기판 501은 표면층 부분에 형성되는 정렬층(도시되지 않음)을 가지는데, 정렬층은 감광성 기(photosensitive group)를 가진다. 정렬층의 표면에서는, 90도 이상의 트위스트 각을 가지는 원형의 트위스트-배향 영역 508이 평행-배향 영역 541에서 분산된다. 트위스트-배향 영역 508의 트위스트 각은 본 실시형태에서 반시계 방향으로 약 135도이다. 원형의 트위스트-배향 영역 508은, 상기 원형의 트위스트-배향 영역이 블랙 매트릭스에 해당하는 것처럼 기판 501에 형성된다.
정렬 처리는 다음과 같다. 처음에, 감광성 기를 가지는 정렬층은 기판 501의 표면층 부분에 형성된다. 다음에, 정렬층의 전체 표면은 기준 방향 507로 정렬 처리되기 위해 편광 자외선으로 조사된다(제 8 실시형태의 도 36의 설명 참조). 블랙 매트릭스에 해당하는, 편광 자외선에 의해 상기와 같이 정렬-처리된 기판 501의 표면에서의 복수의 원형의 트위스트-배향 영역 508은 편광 레이저 빔에 의해 조사된다. 편광 레이저 빔의 조사는, 배향 방향 509가 기준 방향 507에 대해 반시계 방향으로 약 135도 경사져 있는 것과 같은 방식으로 실행된다. 이에 의해, 펄스 레이저 빔을 스캐닝하는 동안 국부 트위스트-배향 508은 조사에 의해 형성될 수도 있다. 또한, 기판 501의 표면이 상기 트위스트-배향 영역 508에 따르는 개구를 가지는 마스크로 덮이고, 편광 자외선의 조사가 상기 마스크를 통하여 주어지는 것과 같은 방법으로, 상기 트위스트-배향 영역 508이 형성된다.
평행 정렬 처리가 상기와 같이 구성된 액정 표시 소자에서의 반대쪽 기판에서 실행되는 경우에, 상기 소자는 90도 이상의 트위스트 각을 가진 트위스트-배향 영역을 가진다. 따라서, 제 8 실시형태에서 설명되어진 바와 같이 전이 핵을 확실히 생성하는 것이 가능하다. 결과적으로, 스프레이 배향에서 벤드 배향으로의 전이는 더욱 쉽게 발생한다.
제 11 실시형태
본 발명의 제 11 실시형태에서, 전이 핵의 바람직한 밀도가 설명된다.
본 발명의 목적은 전이 핵을 형성하는 것이다. 기판이 요철 부분을 가지는 경우에, 요철 부분에 기인하여 전이가 때때로 중단되는 것을 주지해야 한다. 전이를 확실하게 발생하기 위하여 다수의 전이 핵을 형성하는 것이 중요하다. 각 픽셀에 대해 전이 핵을 형성하는 것이 바람직하다.
실용성의 관점에서, 칼럼 스페이서가 전이 핵으로서 작용하는 것이 바람직하 다(정확한 의미로, 전이 핵이 될, 배향 방향이 다른 영역을 형성하기 위한 스터릭 장애물). 상기의 경우에, 각 픽셀에 대한 칼럼 스페이서를 포함하는 전이 핵의 형성이 과도한 칼럼 스페이서를 발생시킨다는 것이 문제이다. 반대쪽 기판에 접하는 칼럼 스페이서를 줄이기 위해 기판에 제공되는 요철 부분을 활용함으로써, 상기 문제가 해결되는데, 상기는 이미 제 2 실시형태에서 설명되었다. 상기 방법에 따라, 전이 핵은 문제없이 각 픽셀에 대해 형성되고, 이에 의해 전이 핵의 이상적인 밀도는 실현된다.
그러나, 전이 핵의 수량이 적어진다면, 제작 비용은 절감될 수 있다. 따라서, 심층적인 연구 후에, 전이 핵의 밀도에 따른 하기 내용이 설명된다.
첫 번째로, 본 발명의 효과를 얻기 위해서, 각 픽셀에 대해 전이 핵을 형성하는 것은 필요하지 않지만, 100픽셀에 대해 하나 이상의 전이 핵의 밀도로 전이 핵을 형성하는 것이 바람직하다.
두 번째로, 10픽셀에 대해 하나 이상의 전이 핵의 밀도로 전이 핵이 형성되는 경우에, 전체 패널을 확실히 전이시키는 것이 가능하다.
세 번째로, 본 실시형태를 포함하는 상기-설명된 실시형태에서 전이 핵이 기판에 주기적으로 형성되지만, 전이 핵을 주기적으로 형성하는 것은 필요하지 않다. 오히려, 기판에서의 전이 핵의 주기적 형성의 경우에, 전이 핵의 형성을 위한 패턴이 포토리소그라피법에 의한 패널의 제작에서 변경되는 경우에, 이미지는 완성된 액정 표시 소자의 표시 작동에서 물결 무늬(moire)로 보인다. 상기 문제는, 기판에서 전이 핵을 무작위로 형성하고 전이 핵의 형성에 대한 패턴을 무작위로 형성하는 것에 의하여 해결된다.
본 실시예의 액정 표시 소자는 첫 번째 내지 세 번째 조건을 만족한다.
제 12 실시형태
픽셀들에 대한 전이의 성장은 때때로 기판의 요철 부분에 기인하여 중단되며, 상기는 제 11 실시형태에서 설명되었다. 본 발명의 제 12 실시형태에서, 전이 핵은, 픽셀들에 대해 전이의 성장을 방해하지 않거나 촉진하기 위해, 소스 라인에 형성된다.
도 39는 본 발명의 제 12 실시형태에 따른 액정 표시 소자의 활성 매트릭스 기판의 구조를 나타내는 평면도이다.
도 39를 참조로 하여, 스터릭 장애물이 소스 라인 62를 타고 넘는 것처럼 소스 라인 62가 연장하는 방향으로 복수의 스터릭 장애물 510(본 실시형태에서는 3개)은 소정의 간격으로 활성 매트릭스 기판 202에 제공된다. 각각의 스터릭 장애물 510은, 각각의 상기 장애물 510의 반대쪽 단부가 평면도상에서 소스 라인 62가 사이에 끼여있는 두 전극들 64를 중첩하는 것처럼 형성된다. 각각의 스터릭 장애물 510은 활성 매트릭스 기판 202에 제공되는 직사각판 형상의 돌출에 의하여 각각 구성된다. 본 실시형태에서, 마찰 방향 69는, 화살표 69로 지시된 것처럼, 소스 라인 62가 연장하는 방향이다. 각각의 스터릭 장애물 510은 마찰의 쉐이드가 연속적으로 생성되기 위해 서로 가까이에 배치되고, 마찰의 용이한 흐름을 위해 마찰 방향 69에 대해 비스듬하게 배치된다. 다른 사항들은 제 4 실시형태의 것과 동일하다.
상기와 같이 구성된 액정 표시 소자에서, 결함, 즉, 스프레이-배향 상태의 두 유형 사이의 결함(한쪽 기판의 주변에서의 스프레이 배향의 중심을 가지는 영역 및 다른 쪽 기판의 주변에서의 스프레이 배향의 중심을 가지는 영역 사이의 경계)은 구속되고, 픽셀들에 대한 전이의 성장은 구속된 결함에서 시작하고, 촉진된다. 본 실시형태에서 중요한 것은 결함을 유지하기 위한 메커니즘이다.
제 4 실시형태에서 설명된 바와 같이, 픽셀들에 대한 전이의 성장을 촉진하기 위해서, 기판에서 요철 부분의 감소는 효과적이다. 기판의 요철 부분이 픽셀들에 대한 전이의 성장을 억제하기 때문에, 수지층을 포함하는 평탄층에 의해 감소되며, 이에 의해 픽셀들에 대한 전이의 성장을 더욱 촉진한다.
제 13 실시형태
본 발명의 제 13 실시형태에서, 마찰을 제어하기 위한 스터릭 장애물은 칼럼 스페이서의 사용없이 어레이 기판의 어레이 구조의 스텝을 활용함으로써, 형성된다.
본 실시형태에서, 최대 2㎛의 스텝은 어레이 기판의 어레이를 형성하기 위한 공정에서 형성된다. 어레이 기판이 정렬 처리를 받는 경우에, 마찰을 제어하기 위해 스텝이 활용되고, 이에 의해 전이 핵(배향 방향이 다른 영역)이 형성된다.
칼럼 스페이서를 사용하는 경우와 비교하여, 스프레이 배향에서 벤드 배향으로의 전이의 확률은 상기와 같이 제작된 어레이 기판을 사용한 액정 표시 소자에서 감소된다. 반면, 어레이 기판을 제작하기 위해 사용되는 어레이 공정의 사소한 변화가 본 발명의 전이 핵을 가지는 액정 표시 소자를 제공하므로, 전이 핵이 용이하게 형성될 수 있기 때문에 상기 방법은 이점이 있다. 더욱이, 본 실시형태에서의 정렬 처리 방법 및 제 8 실시형태에서 설명된 다른 배향 방향에서 두 번 마찰에 의한 정렬 처리를 결합함으로써, 벤드 배향으로의 전이의 신뢰성이 더욱 증진될 수 있다.
제 14 실시형태
본 발명의 제 14 실시형태에서, 칼럼 스페이서(스터릭 장애물)는 배향 방향이 다른 영역을 형성하기 위해 발수성을 가진다.
도 40은 본 발명의 제 14 실시형태에 따른 액정 표시 소자 기판의 정렬 처리의 상태를 나타내는 평면도이다.
도 40을 참조로 하여, 복합 칼럼 스페이서 203은 기판 202에서 형성되고, 각각 발수제 재료로 만들어지는 칼럼 스페이서들 203A, 203B, 203C에 의해 구성된다. 일반적으로, 상기 스페이서들 203A, 203B, 203C 주위의 영역, 특별히, 마찰 방향 69로 향하여 위치한 영역들은 마찰을 덜 받게 된다. 칼럼 스페이서들 203A, 203B, 203C가 발수성이 있는 경우에, 칼럼 스페이서들 203A, 203B, 203C 주위에 위치한 액정 분자들은 상기 도에서 보이는 바와 같이 칼럼 스페이서들 203A, 203B, 203C의 측면에 수직한 방향 511로 배향된다. 이에 따라서, 시계 방향 트위스트 영역 및 반시계 방향 트위스트 영역은 칼럼 스페이서들 203A, 203B, 203C 주위의 각각의 영역에서 서로 접촉하여 형성된다. 상기 접촉 부분은 전이의 핵으로서 작용한다. 따라서, 상기와 같이 정렬 처리된 기판 202를 사용한 액정 표시 소자에서, 전이 핵은 확실히 형성되고, 벤드 배향으로의 전이의 신뢰성은 더욱 개선된다.
기판 202에서 칼럼 스페이서들 203A, 203B, 203C를 형성하는 경우에, 발수제 재료로 만들어진 칼럼 스페이서들 203A, 203B, 203C는 처음에 형성되고, 정렬층은 상기 스페이서들을 가지는 기판의 표면을 덮기 위해 적용된다. 칼럼 스페이서들 203A, 203B, 203C의 표면에 적용되는 정렬층은 억제되고, 칼럼 스페이서들 203A, 203B, 203C의 발수성 있는 표면이 노출되며, 이에 의해 기판 202에서 발수성의 칼럼 스페이서들 203A, 203B, 203C를 형성한다.
본 실시형태에서 중요한 것은 마찰이 실시되지 않거나 최소로 실행되는 기판의 영역을 형성하는 것과 소정의 방향에서의 영역에 위치한 액정을 배향하기 위한 또 하나의 배향 수단을 포함하는 것이다. 본 실시형태에서, 상기 또 하나의 배향 수단은 칼럼 스페이서의 발수성이다.
제 15 실시형태
본 발명의 제 15 실시형태에서, 기판의 표시 영역 주위의 영역에서 형성된 칼럼 스페이서는 기판들 사이의 간격을 유지하는 스페이서로서의 기능을 한다.
본 발명의 목적은 전이 핵을 생성하는 것이고, 벤드 전이(벤드 배향으로의 전이)의 신뢰성을 얻는 것이다. 제 2 실시형태에서, 칼럼 스페이서는 전이 핵으로서 사용되고, 제 2 실시형태에서 전극에서 형성된다. 활성 매트릭스형 액정 표시 소자에서, TFT 기판의 부분은 어레이 구조에 의하여 TFT 기판의 픽셀 부분보다 약 1㎛정도 더 높다. 블랙 매트릭스가 컬러 필터 기판의 부분에 형성되기 때문에, 상기 부분은 또한 컬러 필터 기판의 픽셀 부분보다 더 높다. 상기의 이유로, 기판의 양쪽에 접촉되었기 때문에, 상기 부분에서 형성되는 칼럼 스페이서는 기판들 사이의 간격을 유지하는 스페이서로서의 기능을 한다. 반면, 활성 매트릭스의 스텝들이 상기 영역에서 형성되지 않기 때문에, 패널의 표시 영역의 외부 영역에서 형성되는 칼럼 스페이서는 기판들 사이의 간격을 유지하는 스페이서로서의 기능을 하지 않고, 따라서 셀 두께는 패널의 표시 영역의 외부에서 감소된다.
상기 문제의 해결로서, 활성 매트릭스의 스텝에 해당하는 스텝을 보충하기 위하여, 소정의 크기의 글라스 화이버 등으로 만들어진 스페이서가 TFT 기판의 표시 영역의 외부를 형성하는 밀봉 수지층(seal resin layer)의 내부 부분으로 혼합되는 것이 고려된다. 상기 내용이 가지는 문제는 스페이서가 신호 기록을 손상할 수도 있다는 것이다.
본 실시형태에서, 상기 문제를 해결하기 위하여, 다음의 구성이 적용된다.
도 41은 본 발명의 제 15 실시형태에 따른 액정 표시 소자의 구조를 나타내는 단면도이다. 도 41에서, 도 20에서의 참조 숫자와 동일한 참조 숫자는 동일하거나 대응하는 부분을 나타낸다. 간단하게 하기 위해서, 컬러 필터 기판 201 및 TFT 기판 202의 어떤 구성 성분은 도시되지 않았다.
도 41을 참조하여, 본 발명의 액정 표시 소자 G에서, 칼럼 스페이서 203은 표시 영역 542 및 TFT 기판 202의 표시 영역 542 주위의 영역에서 형성되고, 표시 영역 542 주위에 위치한 칼럼 스페이서 203은 표시 영역 542 주위의 영역에서 형성되는 더미(dummy) 패턴 512에서 형성된다. 더미 패턴 512는 칼럼 스페이서 203이 형성되는 표시 영역 542에서의 부분 543 만큼이나 높다. 참조 숫자 543은 칼럼 스페이서 203이 형성되고, 칼럼 스페이서의 높이가 활성 매트릭스의 스텝에 해당하는 부분을 나타낸다. 더미 패턴 512는 본 실시형태에서는 포토레지스트에 의하여 구성 되지만, 기록 재료(writing material) 또는 절연막에 의하여 구성될 수도 있다.
상기의 구성으로, 표시 영역 542 주위에 형성된 칼럼 스페이서 203'이 표시 영역 542에서 형성된 칼럼 스페이서 만큼이나 높기 때문에, 상기 칼럼 스페이서 203'은 기판 201, 202 사이의 간격을 유지하는 스페이서로서의 기능을 한다.
표시 영역 542주위에 형성된 칼럼 스페이서 203' 및 더미 패턴 512중 하나 또는 모두는 컬러 필터 기판 201에 제공될 수도 있다. 또한, 제 2 실시형태와 같이, 더미 패턴 512는 더 높게 또는 더 낮게 만들어 질 수도 있는데, 이에 의해 과도한 칼럼 스페이서를 방지한다. 더욱이, 표시 영역 542 주위의 칼럼 스페이서 203'의 밀도는 표시 영역 542의 칼럼 스페이서 203의 밀도보다 낮게 될 수도 있다.
제 16 실시형태
본 발명의 제 16 실시형태에서, 측면 방향에서(기판에 대해 수평방향)의 전계(측면 전계로서 언급된)은 배향방향이 다른 영역을 형성하기 위하여 인가된다.
도 42a 및 도 42b는 각각 본 발명의 제 16 실시형태에 따른 액정 표시 소자의 구조를 나타내는 단면도 및 평면도이다. 도 43은 도 42의 액정 표시 소자에 인가되는 구동 전압의 파형을 나타내는 그래프이다. 도 42 및 43에서, 도 20에서의 참조 숫자로서 동일한 참조 숫자는 동일하거나 해당하는 부분을 나타낸다.
제 2 실시형태에서, 마찰 방향은 배향방향이 다른 영역을 형성하기 위하여 제어된다. 본 실시형태에서, 제 2 실시형태에서와는 달리, 배향방향이 다른 영역은 전계에 의하여 형성된다. 배향방향이 다른 영역은 단지 전이 전압의 인가 동안에 형성된다.
도 42a 및 도 42b를 참고로 하여, 본 실시형태의 액정 표시 소자에서, 픽셀 전극 64 및 TFT 기판 202의 게이트 라인 61의 인접한 단부는 서로 맞물려 있는 것과 같이 지그재그 544에 형성된다. 픽셀 전극 64 및 TFT 기판 202의 게이트 라인 61의 인접한 단부는 마찰 방향 69에 직각 방향으로 연장하고, 지그재그 544를 형성하기 위하여 교대로 반대방향으로 경사져서 연장하는 두 경사 직선 544a, 544b는 마찰 방향 69에 대하여 약 ±45도의 각을 형성한다. 지그재그 544의 피치 P는 본 실시형태에서 100㎛이다. 피치 P는, 상기 피치가 30㎛ 이상이고 픽셀 전극64의 피치보다 바람직하게 더 작은 경우에, 후술할 효과를 제공한다. 인접한 단부들 사이의 간격의 폭은 본 실시형태에서 10㎛이다. 간격의 폭은 측면 전계는 세지기 때문에 바람직하게 작은데, 이 경우 에칭을 수행하기가 어렵다. 간격의 폭은, 상기 폭이 4㎛ 이상이고 바람직하게 20㎛ 이하인 경우에, 후술할 효과를 제공한다.
소정의 전압이 게이트 라인 61 및 픽셀 전극 64에 가로질러 인가되어 측면 전계 513을 생성한다. 다른 사항들은 제 2 실시형태의 사항들과 동일하다.
소정의 전압은 도 42 및 43에 따라 설명된다. 정규 구동 파형의 전압(게이트 전압) 516은 게이트 라인 61로 인가된다. 게이트 전압 516은 픽셀이 꺼지는(OFF) 동안 "+ 수 볼트"의 높은 레벨에서의 주기 및 -20볼트의 낮은 레벨에서의 주기를 가지는 구형파를 포함한다. 따라서, -20V의 전압은 대부분 전체 주기 동안 게이트 라인 61에 인가된다. 픽셀 전극 64의 전위(픽셀 전압), 즉, 소스 라인의 전위는 +3V로 유지된다. 전이 전압은 카운터 전압 515를 스윙(swing)함으로써 얻어진다. 카운터 전압 515의 파형은 +3V의 높은 레벨에서 주기 및 -25V의 낮은 레벨에서 주 기를 가지는 0.5Hz 주파수의 구형파이다. 23V의 전압은, 게이트 전압 516이 낮은 레벨에서의 주기 동안에, 픽셀 전극 64 및 게이트 라인 61에 가로질러 인가되어, 측면 전계 513으로 하여금 생성되게 한다. 측면 전계 513의 방향은 픽셀 전극 64로 부터 게이트 라인 61을 향한 방향이다. 카운터 전압 515가 낮은 레벨에서의 주기 동안에, 28V의 전압이 카운터 전극 및 픽셀 전극 64에 가로질러 인가되고, 5V의 전이 전압은 카운터 전극 및 게이트 라인 61에 가로질러 인가된다. 전이 전압 및 측면 전계 513은, 카운터 전압 515 및 게이트 전압 516이 낮은 레벨에서의 주기 545동안에, 동시에 인가된다.
다음에, 도시된 액정 표시 소자의 작동이 설명된다. 도 42 및 43을 다시 참고로 하여, 액정 표시 소자가 켜지고(ON) 게이트 전압 516이 낮은 레벨로 되는 경우에, 측면 전계 513은 픽셀 전극 64 및 게이트 61 사이에 생성되어, 측면 전계 513의 부분에 위치된 액정 분자의 배향 방향이 측면 전계 513의 방향으로 변환되게 한다. 측면 전계 513은 지그재그 544의 경사선 544a, 544b에 직각방향으로 생성된다. 인접한 단부 사이의 간격에서, 마찰 방향 69에 대해 시계 방향 및 반시계 방향으로 약 45도의 각으로 기울어진 측면 전계 영역들이 형성되고, 마찰 방향 69에 대해 시계 방향 및 반시계 방향으로 약 45도의 각으로 트위스트된 트위스트-배향(twist-oriented) 영역들의 두 유형은, 측면 전계에 따라, 교대로 서로 접하여 형성된다. 카운터 전압 515가 낮은 레벨이 되는 경우에, 28V의 전압은 카운터 전극 및 픽셀 전극 64에 가로질러 인가되고, 5V의 전이 전압은 카운터 전극 및 게이트 라인 61에 가로질러 인가되어; 전이 핵이 두 트위스트-배향 영역들 사이 에 접촉 부분에서 생성되도록 하고, 전이 핵이 벤드 전이를 생성하게 하도록 성장된다. 그러므로, 벤드 전이는 확실하게 발생한다. 두 트위스트-배향 영역의 접촉 부분은 지그재그 544의 정점에 해당하고, 전이는 실제로 상기 정점의 주변에서의 영역으로 부터 일어난다.
본 발명의 목적은 픽셀 전극 및 게이트 전극 사이에 발생되는 측면 전계에 의하여 서로 접하는 시계 방향으로 트위스트-배향된 영역 및 반시계 방향으로 트위스트-배향된 영역을 형성하는 것이다.
시계 방향 및 반시계 방향의 트위스트-배향 영역의 트위스트 각은 지그재그 544의 경사 직선 544a, 544b의 마찰 방향 69에 대해 각을 선택함에 의하여 바람직한 각; 또는 지그재그 544가 연장하는 방향 및 마찰 방향 69에 대해 상대적인 각으로 설정된다.
제 17 실시형태
도 44는 본 발명의 제 17 실시형태에 따른 액정 표시 소자의 구조를 도식적으로 나타내는 평면도이다. 도 45는 도 44의 액정 표시 소자에 인가되는 구동 전압의 파형을 나타내는 그래프이다. 도 44 및 45에서, 도 42 및 43에서의 참조 숫자로서 동일한 참조 숫자는 동일하거나 해당하는 부분을 나타낸다.
제 16 실시예에서 측면 전계가 게이트 라인 및 픽셀 전극 사이에 생성되는 반면, 본 실시형태에서, 측면 전계는 제 16 실시형태와는 다르게 소스 라인 및 픽셀 전극 사이에 발생된다.
도 44를 참고로 하여, 본 실시형태의 액정 표시 소자에서, TFT 기판 202의 픽셀 전극 64 및 소스 라인 62의 인접한 단부는 지그재그 544를 형성하기 위하여 서로 맞물려 있다. 특별히, 소스 라인 62는 지그재그 544에서 픽셀 전극들 64', 64"의 단부에 맞물리는 반대 단부를 가진다. 상기 지그재그 544, 544는 본 실시형태에서 동일하다. 픽셀 전극 64 및 소스 라인 62의 인접한 단부는 마찰 방향 69에 대해 평행하게 연장되고, 교대로 반대 방향으로 경사져서 연장하는 두 경사 직선 544a, 544b는 마찰 방향 69에 대해 약 135도 및 약 45도의 각을 각각 만든다. 다른 사항들은 제 16 실시형태의 사항들과 동일하다.
다음에, 구동 전압은 도 44 및 45에 따라 설명된다. 반대 부호로 역전된 극성을 가지는 전압은 각각(즉, 소스 라인들 중 하나가 사이에 끼여진 픽셀 전극 64', 64")에 대해 인접한 소스 라인에 인가된다. 더욱 특정적으로, +7V의 높은 레벨에서 주기 및 -8V의 낮은 레벨에서 주기를 가지는 소정의 주파수를 가진 구형파를 포함하는 전압(픽셀 전압 514')은 픽셀 전극 64'에 인가되고, 픽셀 전압 514'에 대해 역위상(antiphase)의 구형파를 포함하는 전압이 픽셀 전극 64"에 인가된다. 제 16 실시형태와 같이, 전이 전압은 카운터 전압 515를 스윙함으로써 얻어진다. 카운터 전압 515의 파형은 양의 볼트의 높은 레벨에서 주기 및 음의 볼트의 낮은 레벨에서 주기를 가지는 0.5Hz 주파수의 구형파이다. 그것에 의하여, 측면 전계 513을 생성하기 위해 15V의 전압이 도시된 소스 라인 62 및 소스 라인 62에 인접한 소스 라인에 접속된(도시되지 않음) 픽셀 전극 64"에 가로질러 인가된다. 측면 전계 513의 방향은 소스 라인 62로 부터 픽셀 전극 64"으로 향하는 방향이다. 카운터 전압 515가 낮은 레벨에서의 주기 동안에, 소정의 전압이 카운터 전극 및 픽셀 전 극 64에 가로질러 인가된다.
도시된 액정 표시 소자에서, 액정 표시 소자가 켜지고(ON) 게이트 전압 514"가 낮은 레벨로 되는 경우에, 측면 전계 513은 픽셀 전극 64" 및 소스 라인 62사이에 생성되어, 측면 전계 513의 부분에 위치된 액정 분자의 배향 방향이 측면 전계 513의 방향으로 변환되게 한다. 그것에 의하여, 제 16 실시형태에서 서술된 바와 같이, 두 트위스트-배향 영역은 서로 접촉하여 픽셀 전극 64" 및 소스 라인 62의 인접한 단부들 사이 간격에서 교대로 형성된다. 두 트위스트-배향 영역들은 본 실시형태에서 시계 방향으로 약 45도 및 약 135도의 각을 만든다. 카운터 전압 515가 낮은 레벨이 되는 경우에, 소정의 전이 전압이 카운터 전극 및 픽셀 전극 64에 가로질러 인가되어, 전이 핵이 두 트위스트-배향 영역 사이 접촉 부분에서 생성되게 하고, 전이 핵은 벤드 전이를 발생하기 위하여 성장된다. 결론적으로, 벤드 전이는 더욱 확실하게 일어난다.
상기에 서술된 바와 같이 트위스트 각이 약 45도 및 135도 이지만, 트위스트 각이 45도 이상인 경우 전이는 효율적으로 발생하고 트위스트 각이 60도 이상인 경우에는 전이가 더욱 효율적으로 일어난다.
전이 전압이 카운터 전압의 진폭에 부가되지만, 카운터 전압이 일정하게 유지되어 소스 전위의 진폭에 부가될 수도 있다.
제 18 실시형태
본 발명의 제 18 실시형태에서, 마찰 처리에서 바이어스 각은 배향방향이 다른 영역을 형성하기 위해 최적화된다.
도 46은 본 발명의 제 18 실시형태에 따른 액정 표시 소자를 제작하기 위한 방법을 나타내는 도이다. 도 47은 본 실시형태의 액정 표시 소자의 기판의 정렬 처리 상태를 나타내는 평면도이다.
도 46을 참고로 하여, 마찰을 위한 롤러 517은 마찰 천(버프 천; buff cloth, 도시되지 않음)이 둘려진 둥근 표면을 가진다. 정렬층(도시되지 않음)은 기판 202의 표면에 형성되고, 도 47의 복합 칼럼 스페이서 203은 상기 표면에 형성된다. 마찰 처리에서, 롤러 517은 처음에 회전하고, 기판 202가 롤러 517에 접촉되어 기판 202는 롤러 517 밑으로 지나간다. 롤러 517의 회전 방향은 화살표 518에 나타낸 방향이다. 그것에 의하여, 기판 202의 정렬층은 롤러 517의 마찰 천에 의하여 마찰이 행하여지게 된다. 상기의 경우에, 롤러 517에 대해 기판 202의 움직임 속도가 무시할 정도로 작기 때문에, 기판 202의 마찰 방향 69는 롤러 517의 회전 방향, 즉, 롤러 517의 회전축에 직각 방향이다. 마찰 방향 및 롤러 517에 대한 기판 20의 움직임 방향 591 사이에 형성된 각은 바이어스 각 Θ에 해당한다. 본 실시형태에서, 바이어스 각 Θ는 더 작게 형성된다. 롤러 517의 마찰 천의 화이버는 제 2 실시형태의 도 22의 마찰에 비하여 강(剛)하게 만들어진다.
도 47에서 보여지는 바와 같이, 마찰이 상기 조건으로 실시되는 경우에, 마찰 방향 69로 부터 보여지는 경우, 복합 칼럼 스페이서 203을 구성하는 칼럼 스페이서 203A, 203B, 203C 각각의 마찰 쉐이드 부분 519는 마찰이 우측으로 실시되는 영역 519a, 519c, 및 마찰이 좌측으로 실시되는 영역 519b, 519d를 가진다. 상기는, 화이버가 칼럼 스페이서 203A, 203B, 203C를 무시하고 지나치는 경우 또는 지 나쳐진 화이버가 기판 202에 도달하는 경우에, 마찰 천의 화이버가 측면으로 옮겨지기 때문에, 마찰 방향 69에 측면 성분이 생성되어, 마찰 방향 69에 대해 경사진 방향으로의 마찰을 일으키는 사실에 기인한다. 그것에 의하여, 시계 방향의 트위스트-배향 영역 519a, 519c 및 반시계 방향 트위스트-배향 영역 519b, 519d는 서로 접촉하여 형성되고, 전이는 접촉 부분 520으로부터 발생한다. 따라서, 벤드 전이의 신뢰성은 더욱 개선된다.
바이어스 각 Θ가 커지는 경우에, 우측의 마찰 영역 및 좌측의 마찰 영역은 균형이 맞지 않는다. 따라서 바이어스 각이 작아지는 것이 바람직하다. 바이어스 각 Θ가 30도 이하인 경우에 전이의 발생의 바람직한 결과가 얻어진다.
본 실시형태의 마찰 처리의 결과는 2번째의 것과 다르다. 본 실시형태에서, 마찰 전이 칼럼 스페이서를 무시하고 지나치는 방식이 우세하다. 마찰은 마찰 전이 상대적으로 강성의 화이버를 가지는 경우에 상기 방식으로 실행된다. 반대로, 제 2 실시형태에서는, 마찰 전이 칼럼 스페이서들 사이에 흐르는 방식이 우세하다. 마찰은 마찰 천이 상대적으로 유연한 화이버인 경우에 실행된다.
제 19 실시형태
칼럼 스페이서는 제 2 실시형태에서 전극에 형성된다. 그러나, 축전 전극 및 픽셀 전극 사이에 전극이 없는 간격이 있다. 상기의 이유로, 벤드 전이의 진행이 지체된다. 따라서, 제 19 실시형태에서, 다음의 구성이 적용된다.
도 48은 본 발명의 제 19 실시형태에 따른 액정 표시 소자의 구조를 나타내는 평면도이다. 도 49는 도 48의 화살표 XXXXIX-XXXXIX 방향으로의 단면도이다. 도 48 및 49에서, 도 19 및 20에서와 같은 참조 숫자는 동일하거나 해당하는 부분을 나타낸다.
도 48 및 49를 참고하여, 본 실시형태의 액정 표시 소자 H에서, 픽셀 전극 64는 제 2 실시형태와는 달리 절연층 77을 통하여 전극 65를 중첩한다. 다른 사항들은 제 2 실시형태의 것들과 동일하다.
상기의 구조를 가지고, 전계는 복합 칼럼 스페이서 주위에 발생하는 벤드 전이에 연속적으로 작용하고, 벤드 전이는 바람직하게 진행한다.
픽셀 전극 64가 최상부층으로서 위치하는 경우에, 픽셀 전극 64를 전극 65에 중첩하는 것이 상대적으로 쉽다.
더욱이, 벤드 전이의 진행을 수월하게 하기 위해서, 제 4 실시형태에서 서술된 평탄화(flattening) 공정이 실시될 수 있다.
제 20 실시형태
전압이 인가되지 않은 조건에서 첫 번째 배향 상태 및 표시 전압이 인가된 조건에서 두 번째 배향 상태이고, 첫 번째 및 두 번째 배향 상태 사이에 에너지 장벽을 가지는 액정을 사용하는 본 발명의 제 20 실시형태에 따른 액정 표시 소자는, 두 번째 배향 상태 및 세 번째 배향 상태 사이에 존재하는 에너지 장벽이 첫 번째 및 두 번째 배향 상태 사이에 존재하는 에너지 장벽보다 더 작게 되는 세 번째 배향 상태가 액정에서 부분적으로 유지되고, 유지된 일부분의 세 번째 배향 상태가 전체 액정에 걸쳐 두 번째 배향 상태로의 전이의 핵으로 사용된다는 점에서 특징을 나타내게 된다.
도 50은 본 발명의 제 20 실시형태에 따른 액정 표시 소자의 구조를 도식적으로 보여주는 평면도이다. 도 51은 도 50의 화살표 XXXXXI-XXXXXI 방향의 단면도이다. 도 50 및 51에서, 도 19 및 20에서와 같이 참조 숫자는 동일하거나 해당하는 부분을 나타낸다.
도 50 및 51을 참고로 하여, 본 실시형태의 액정 표시 소자 I에서, 제 2 실시형태의 마찰을 제어하기 위한 스터릭 장애물 203(도 19 참조)은 액정층 4의 전이 배향 상태를 유지하기 위해 사용되는 불완전 서라운딩 보디 601에 의하여 바뀌어진다. 불완전 서라운딩 보디 601은 본 실시형태에서 TFT 기판 202에 평행한 면에서 순환하고, 제 2 실시형태와 같이 칼럼 스페이서로서 사용되는 것과 같이 TFT 기판 202에 형성된다. 픽셀 전극 64는 절연층 77을 통하여 전극 65를 중첩한다. 다른 사항들은 제 2 실시형태의 것과 동일하다. 도 52에서 보여지는 바와 같이, 상기에 정의된 불완전 서라운딩 보디는, 평면에서 순환하고 3-차원 영역 603을 둘러싸지 않는 부족 부분(lack portion) 602를 부분적으로 가지는 것처럼 3-차원 영역을 전체적으로 둘러싸는 스터릭 구조체 601을 일컫는다.
다음에, 불완전 서라운딩 보디 601이 더욱 자세히 설명된다. 액정 표시 소자 I에서, 액정층 4는 기판 201, 202 사이에 끼여지고, 투명 전극 64, 79는 각각 기판 201, 202에 형성된다. 기판 202는 TFT 66 및 전극 65가 형성되는 활성 매트릭스 기판을 사용하고, 기판 201은 블랙 매트릭스 67이 픽셀 63 위로 형성되는 기판을 사용한다. 상기와 같은 활성 매트릭스 요소의 구조를 통하여, 전압이 액정층 4로 인가된다.
본 실시형태에서, 도 53에서 보여지는 스텝을 가지는 파형의 전이 전압이 액정 표시 소자 I에 인가되며, 이에 의해 도 54a의 스프레이 배향 4a에서 도 54b의 벤드 배향으로 전이한다.
종래의 액정 표시 소자에서, 스프레이에서 벤드 배향으로의 전이는 많은 시간, 예를 들어, 수초 내지 수십초가 요구된다. 도 53의 파형의 전이 전압의 인가 후에, 스프레이 배향은 변함없고, 이미지가 불규칙하게 표시된다.
발명자들은 전이 시간을 단축하고 상기에 관한 신뢰성을 얻기 위한 집중적인 연구 후에 다음의 현상을 발견하였다.
벤드 배향으로의 전이 후에 인가 전압이 잠시 0V로 설정되는 경우에, 도 55에서 보여지는 바와 같이 벤드 배향이 180도의 트위스트 배향 4c로 변화되는 것이 밝혀졌다. 180도의 트위스트 배향 4c는 불안정하고, 일반적으로 수초 내지 수십초후에 액정층에 대해 스프레이 배향으로 되돌아간다. 종래의 액정 표시 장치에서, 180도의 트위스트 배향 4c는 사라져 버린다.
180도의 트위스트 배향이 상기와 같이 사라져 버린 후에, 즉, 액정 패널의 전체 표면이 스프레이 배향되는 상태에서, 도 53의 전이 전압 파형은 다시 인가되어서, 스프레이 배향이 벤드 배향으로 전이가 일어난다. 스프레이 배향에서 벤드 배향으로의 전이에 걸리는 시간은 거의 이전 전이의 시간과 같다. 180도의 트위스트 배향 상태가 여전히 남아있어도 전이 전압이 다시 인가되는 경우에, 스프레이 배향(180도의 트위스트 배향) 영역은 즉시 매우 짧은 시간 및 극단적으로 낮은 전압에 벤드 배향으로 전이한다는 것이 주지되어야 한다.
발명자들은 만약 스프레이 배향(첫 번째 배향 상태)에서 벤드 배향(두 번째 배향 단계; 표시 배향 상태)으로의 일시적 배향에 따른 180도의 트위스트 배향이 세 번째 배향 상태로서 유지될 수 있다면, 다음에, 극단적으로 짧은 시간 및 극단적으로 낮은 온도에서 벤드 배향으로 전이할 수 있는 액정 표시 소자는 얻어질 수 있고, 액정층 4에서 일시적 배향 상태를 유지하기 위한 구조의 구성이 고려될 수 있다는 것을 연구하였다. 일시적 배향 상태를 유지하기 위해 하나의 고려될 만한 구조는 기판에 불완전 서라운딩 보디 601을 제공하는 것이다.
하기에, 일시적 배향을 유지하기 위한 불완전 서라운딩 보디의 실시예가 설명된다.
(제 7 실시예)
도 52는 본 실시형태의 제 7 실시예에 따른 액정 표시 소자의 하부 기판의 구조를 나타내는 사시도이다. 도 52를 참고로 하여, 액정 표시 소자에서, 결함(gap) 602를 가지는 주입구 형상의(inlet-shaped) 불완전 서라운딩 보디 601은 하부 기판 602에서 형성된다. 불완전 서라운딩 보디 601은 C-형상의 단면을 가지는 칼럼 형상의 보디이다. 불완전 서라운딩 보디 601에 의하여 둘러 싸여진 칼럼 형상의 영역(일시적 배향 유지 영역으로서 인용된) 603은 기판 202상의 액정층에서 형성되고, 일시적 배향 유지 영역 603은 그것의 높이 방향으로 불완전 서라운딩 보디 603의 전체 길이를 걸치는 컷아웃(cutout) 부분(부족 부분) 602에 의하여 액정층의 다른 영역에 연결된다. 불완전 서라운딩 보디 601은 포토리소그래피법에 의하여 형성될 수 있다.
다음에, 그렇게 구성된 액정 표시 소자의 전이 배향은 도 50 내지 53에 따라 설명된다.
처음에, 도 53의 파형의 전이 전압은 스프레이에서 벤드 배향으로 전이하기 위하여 액정 표시 소자 I에 인가된다. 다음에, 인가된 전압은 일시적으로 0V로 설정된다. 그것에 의하여, 벤드 배향은, 액정층 4의 거의 모든 영역에서 180도의 트위스트 배향을 경유하여 액정층 4의 대부분의 영역에서 스프레이 배향으로 전이된다. 그러나, 180도의 트위스트 배향이 불완전 서라운딩 보디 601의 일시적 배향 유지 영역(주입구) 603에 남아있다. 이 상태에서, 도 53의 파형의 전이 전압이 상기 소자 I를 스프레이 배향에서 벤드 배향으로 전이하기 위하여 인가된다. 결과로서, 액정 표시 소자 I를 스프레이 배향에서 벤드 배향으로의 전이하는데 필요한 시간은 이전의 전이를 위해 필요한 시간보다 훨씬 더 짧고, 이미지는 균일하게 표시된다.
스프레이에서 벤드 배향으로의 전이가 180도의 트위스트 배향 부분으로부터 발생되는것이 현미경을 통하여 관찰된다. 표시 배향(벤드 배향)이 이렇게 퍼져나가는 이 같은 배향된 부분은 여기서 배향 전이 핵으로 명명된다. 이 경우에, 180도의 트위스트 배향 부분은, 불완전 서라운딩 보디 601의 일시적 배향 유지 영역 603에서 형성되는 배향 전이 핵에 해당한다.
다음에, 180도의 트위스트 배향을 가지는 액정 표시 소자 I는 액정층 4가 등방성의 상(phase)을 가지도록 가열되고 다시 냉각된다. 다음에, 180도의 트위스트 배향은 사라진다.
그 후, 도 53의 Vt의 전이 전압 이상이 액정 표시 소자 I에 인가된다. 결과 로서, 전체 액정 패널 위에 벤드 배향으로 전이되는 시간은 이전의 전이에 필요한 시간과 거의 같다. 상기는 액정 표시 소자 I에서 180도의 트위스트 배향이 등방성의 상을 가지도록 액정층 4를 가열한 결과로서 사라진 사실에 기인한다.
이론적으로 상기에 서술된 현상을 고려한다. 180도의 트위스트 배향으로부터 벤드 배향으로의 전이에는 에너지 장벽이 없고, 전이가 계속적으로 진행되는 것에 반하여, 에너지 장벽이 스프레이에서 벤드 배향으로의 전이에서는 존재한다. 따라서, 180도의 트위스트 배향은 스프레이 전이 보다 더욱 부드럽게 벤드 배향으로 변화될 수 있다.
일반적으로, 스프레이에서 벤드 배향으로의 전이를 위해서, 소정의 파형을 가지는 상대적으로 높은 전압의 인가로써 에너지 장벽을 뛰어 넘는 것이 필요하다. 반대로, 트위스트 배향 상태가 국부적으로 형성되는 경우에는, 에너지 장벽은 존재하지 않고, 벤드 배향으로의 전이가 용이하게 발생한다.
트위스트-배향 영역은 전압 인가 없이도 상대적으로 안정하다. 본 실시예에서, 상기 영역은 24시간이상 유지된다. 따라서, 고속 벤드 천이의 효과는 24시간이상 유지된다. 트위스트 배향은, 불완전 서라운딩 보디 601의 노치(notch) 부분 602의 간격이 더 작을 경우에, 더욱 효율적으로 유지되고; 노치 부분 602의 간격이 셀 두께 이하인 경우에 1개월 이상 유지된다.
불완전 서라운딩 보디 601은 외부 영역과 연결된 배향 전이 핵의 외면을 둘러싸는 형상이다. 특정적으로, 트위스트 배향을 유지하기 위하여, 적어도 트위스트-배향 영역의 세 방향은, 평면도에서 볼 때, 불완전 서라운딩 보디에 의하 여 둘러싸이게 되는 것이 필요하다. 배향 전이 핵 영역에서 전체 액정 패널로 퍼지기 위한 벤드 배향을 허용하기 위하여, 배향 전이 핵 영역은 그것의 서라운딩 영역에 연결되는 것이 필요하다.
상기 연구로부터 확실하게 , 불완전 서라운딩 보디는 가능한 한 큰 높이를 가지는 것이 바람직하다. 불완전 서라운딩 보디가 더 높게 만들어지는 경우에, 180도의 트위스트 배향이 남아있을 확률이 대응하여 커진다. 불완전 서라운딩 보디의 높이가 셀 두께의 절반보다 더 큰 경우에, 상기 확률은 약 5%이다. 불완전 서라운딩 보디의 높이가 셀 두께와 충분히 같을 경우에, 180도의 트위스트 배향을 남기는 효과는 가장 크고, 180도의 트위스트 배향이 남아있을 확률은 10% 이상이다.
배향 전이 핵 영역(일시적 배향 유지 영역) 603이 너무 커지는 경우에는, 트위스트 배향은 남아있지 않게 된다. 배향 전이 핵 영역이 25㎛ 이상의 직경을 가지는 경우에, 180도의 트위스트 배향은 좀처럼 남아있지 않는다. 핵 영역이 작아짐에 따라, 180도의 트위스트 배향이 남아있을 확률은 점점 높아진다. 상기 직경이 약 5㎛인 경우에, 180도의 트위스트 배향이 남아있을 확률은 최대, 즉, 약 10%가 된다. 이것은, 배향 전이 핵 영역이 셀 두께와 같은 경우에, 불완전 서라운딩 보디의 서라운딩 벽(wall)이 상부 및 하부 기판에 비하여 더욱 영향력이 있고, 이에 의해 180도의 트위스트 배향이 남아있기 쉽기 때문이다.
배향 전이 핵 영역이 너무 작은 경우에, 여러 문제점들이 발생한다: "마찰이 배향 전이 핵 영역에 실행될 수 없는 문제", "배향 전이 핵 영역을 형성하기 위한 공정이 실행되기 어려운 문제" 등. 배향 전이 핵 영역, 즉, 마찰이 이상적으로 실 행되는 경우에, 일시적 배향 유지 영역 603은 평행한 배향을 가진다. 마찰이 실시되지 않았기 때문에 상기 영역 603이 평행한 배향을 가지지 않는다면, 180도의 트위스트 배향을 남게 하는 효과는 불리하게 작용된다. 상기 영역 603이 평행-배향되지 않으면 상기 영역은 표시 상에서 발광 스폿으로 된다.
본 발명의 효과는 불완전 서라운딩 보디 601의 외주면을 기울임으로써 더욱 강화될 수 있다. 도 56은 상기 구성의 실시예를 나타낸다. 본 실시예에서, 불완전 서라운딩 보디 601의 상부의 크기(직경)는 20㎛정도로 크며, 외주면 601a가 셀 두께 방향으로 기울어짐으로 인하여 불완전 서라운딩 보디 601의 하부의 크기(직경)는 상부의 크기보다 1~20㎛ 더 크게 된다. 상기와 같은 구성으로, 180도의 트위스트 배향이 남아있을 효과는 더욱 강화된다.
불완전 서라운딩 보디 601이, 불완전 서라운딩 보디 601의 외주면에 평행하게 액정을 배향하는 재료로 만들어진 경우에, 상기 보디 601이 불완전 서라운딩 보디 601의 외주면에 수직으로 액정을 배향하는 재료로 만들어진 경우에 비하여, 180도 트위스트 배향을 남게 하는 효과가 5배 이상 나타나게 된다. 불완전 서라운딩 보디 601의 외주면에 평행하게 액정을 배향하는 재료로서, 예를 들어, 친수재가 사용될 수 있다.
도 50, 51, 및 55를 참고로 하여, 상기 영역에 전압을 인가하지 않고서는 배향 전이 핵을 180도의 트위스트 배향에서 벤드 배향으로 전이하는 것은 불가능하다. 따라서, 도 55에서 180도의 트위스트 배향을 남기기 위한 불완전 서라운딩 보디 602는 전압이 인가되는 표시 픽셀 63, 전극 65, 및 소스 라인 62에서 형성된다. 픽셀 전극 64 또는 전극 65에 불완전 서라운딩 보디 601의 형성은 바람직한 벤드 배향으로의 천이를 가능하게 한다. 일반적으로, 절연막은 전극 위에 형성되지만, 도 51에 보여지는 바와 같이 삭제될 수도 있다. 상기 삭제는 전극 65에 인가되는 전압이 더욱 효율적으로 액정층 4에 인가되는 것을 허용한다.
불완전 서라운딩 보디 601이 또한 스터릭 구조를 가지기 때문에, 마찰은 그것의 서라운딩 부분에 정규적으로 형성되지 않아서, 벤드 배향의 무질서를 초래한다. 상기는 트위스트 배향 전이 핵으로서 작용하는 배향 영역 603, 즉, 블랙 매트릭스에 의하여 마스크된 전극 65 또는 소스 라인 62에 불완전 서라운딩 보디 601를 형성함으로써 해결된다. 본 실시형태에서, 상기 영역은 전극 65에 형성된다.
표시 픽셀 63에서 불완전 서라운딩 보디 601을 형성하는 경우에, 전압이 인가되는 영역은 유리하게 크지만, 무질서한 배향부분을 표시하지 않게 하기 위하여 액정층 4의 무질서한 배향 부분을 마스크하는 것이 필요하다. 불완전 서라운딩 보디 601자체는 그것이 투명한 경우에 빛을 투과하기 때문에, 불완전 서라운딩 보디 601을 검게 마스크하는 것이 필요하다.
상기 서술된 사항들을 고려하여, 전극 65에 불완전 서라운딩 보디 601의 형성은 전압이 인가될 수 있고, 표시되지 않기 위해 불완전 서라운딩 보디 601이 블랙 매트릭스로 마스크되는 점에서 유리하다.
(제 8 실시예)
도 57은 본 실시형태의 제 8 실시예에 따라 액정 표시 소자의 하부 기판의 구조를 나타내는 사시도이다. 도 57을 참고로 하여, U자 형상의 단면을 충분히 가 지는 칼럼-형상에 의하여 구성되는 불완전 서라운딩 보디 601은 하부 기판 202에 형성된다. 마찰은 U자 형상의 열린 부분 602에서 U자 형상의 내부까지 형성된다. 상기 구성은 일시적 배향 유지 영역 603이 마찰을 받기 때문에 벤드 배향은 덜 무질서해진다는 점에서 유리하다. 그러나, 충분하게 U자 형상의 불완전 서라운딩 보디 601은, 상기 불완전 서라운딩 보디가 제 7 실시예의 주입구-형상의 불완전 서라운딩 보디의 부족 부분보다 큰 부족 부분을 가지기 때문에, 180도의 트위스트 배향을 남기는 효과가 감소되는 점에서는 불리하다.
(제 9 실시예)
도 58은 본 실시형태의 제 9 실시예에 따른 액정 표시 소자의 하부 기판의 구조를 나타내는 사시도이다. 도 58을 참고로 하여, 본 실시예의 불완전 서라운딩 보디 601은 인접한 두 보디들 사이의 틈새 602를 가지고; 평면도에서 볼 때 가상의 직사각의 각 측면에 위치하는 하부 기판 202에 제공되는 네 직사각판 형상 보디들 611a, 611b, 611c, 611d로 구성된다.
상기의 경우, 직사각판 형상 보디들 611a, 611b, 611c, 611d에 의하여 둘러싸인 영역 603은 180도의 트위스트 배향이 남아있는 일시적 배향 유지 영역에 해당한다. 틈새 602는 불완전 서라운딩 보디 601의 부족 부분에 해당한다. 틈새 602를 통하여, 벤드 배향으로의 전이가 진행된다. 상기와 같은 구성으로, 180도의 트위스트 배향을 남기는 효과 및 벤드 배향으로의 전이의 효과가 증대된다. 그러나, 불리하게, 포토레지스트를 사용하여 불완전 서라운딩 보디 601에 의하여 구성되는 칼럼 스페이서를 형성하는 경우에 높은 분해능이 요구된다.
(제 10 실시예)
도 59a 내지 도 59c는 본 실시형태의 제 10 실시예에 따른 액정 표시 소자의 하부 기판을 나타내는 도이며, 여기서 도 59a는 비드 스페이서들이 부분적으로 열린 고리모양 구성에서 모이게 되는 구성을 보여 주는 평면도이고, 도 59b는 비드 스페이서들이 인접한 두 스페이서들 사이의 틈새를 가짐으로서 충분히 고리모양 구성에서 정렬되도록 모이게 되는 구성을 나타내는 평면도이며, 도 59c는 비드 스페이서들이 닫힌 고리모양 구조에서 모이게 되는 구성을 나타내는 평면도이다.
처음에, 비드 스페이서들이 부분적으로 열려진 고리모양 구성에서 모이게 되는 구성이 설명된다.
도 59a를 참고로 하여, 본 실시예에서, 불완전 서라운딩 보디 601은 평면도에 볼 때 U자 형상이 되도록 서로 가까이 근접하여 모이는 복수의(실시예 5에서) 비드 스페이서 612에 의하여 구성된다. 모여진 복수의 비드 스페이서 612는 기판들 사이의 간격을 유지하는 스페이서를 구성하고, 상부 및 하부 기판에 접촉하고 있다. 복수의 비드 스페이서 612에 의하여 둘러싸인 영역 603은 불완전 서라운딩 보디 601의 일시적 배향 유지 영역을 형성하며, 상기 영역에서 180도의 트위스트 배향이 남는다. 비드 스페이서가 없는 부분 602는 불완전 서라운딩 부분 601의 부족 부분을 형성하며, 상기 부분을 통하여 벤드 배향으로의 전이가 진행된다.
비드 스페이서 612는 분산시간을 길게 함으로써 모일 수 있다.
상기 구성으로, 비드 스페이서 612의 모임을 제어하기가 어렵기 때문에 액정 표시 소자를 제작하기가 쉽지 않지만, 180도의 트위스트 배향의 효과가 상당히 증 대된다.
다섯 비드 스페이서 612가 본 실시예에서 U자 형상의 구성을 가지기 위해 모이지만, 세개 이상의 비드 스페이서 612이면 충분하다.
도 59b에서 보여지는 바와 같이, 비드 스페이서 612는 두 인접한 스페이서 사이의 틈새를 가짐으로서 충분한 고리모양 구성에서 정렬되기 위해 모일 수도 있다.
선택적으로, 도 59c에서 보여지는 바와 같이, 비드 스페이서 612는 닫힌 고리모양 구성을 가지기 위해 모일 수도 있다. 도 59c에서 불완전 서라운딩 보디 601은 세 비드 스페이서 612를 서로 가까이 근접하여 모음으로써 형성된다. 상기 경우, 세 비드 스페이서 612의 중심 부분에서 형성된 틈새 603은 불완전 서라운딩 보디 601의 일시적 배향 유지 영역을 형성하고, 인접한 비드들 612 사이에 형성된 골(valley)은 불완전 서라운딩 보디 601의 부족 부분을 형성한다.
도 59b 및 도 59c의 실시예는 도 59a와 동일한 효과를 제공한다.
(제 11 실시예)
도 60a 내지 도 60c는 본 실시형태의 제 11 실시예에 따른 액정 표시 소자의 하부 기판을 나타내는 도이며, 여기서 도 60a는 부족 부분으로서 관통 구멍을 가지는 불완전 서라운딩 보디가 제공되는 구성을 나타내는 사시도이고, 도 60b는 부족 부분으로서 위로 열린 노치 부분을 가지는 불완전한 서라운딩 보디가 제공되는 구성을 나타내는 사시도이며, 도 60c는 부족 부분으로서 아래로 열린 노치 부분을 가지는 불완전한 서라운딩 보디가 제공되는 구성을 나타내는 사시도이다.
도 60a에서, 불완전한 서라운딩 보디 601은 상기 보디 주변의 벽에서 관통 구멍 602를 가지는 원통형 보디에 의하여 형성된다. 상기 경우에, 원통형 보디 601의 내부 공간 603은 불완전 서라운딩 보디 601의 일시적 배향 유지 영역을 형성하고, 관통 구멍 602는 불완전 서라운딩 보디 601의 부족 부분을 형성한다.
도 60b에서, 불완전 서라운딩 보디 601은 상기 보디 주변의 벽에서 위로 열린 노치 부분 602를 가지는 원통형 보디에 의하여 형성된다. 상기 경우에, 노치 부분 602는 불완전 서라운딩 보디 601의 부족 부분을 형성한다.
도 60c에서, 불완전 서라운딩 보디 601은 상기 보디 주변의 벽에서 아래로 열린 노치 부분 602를 가지는 원통형 보디에 의하여 형성된다. 상기 경우에, 노치 부분 602는 불완전 서라운딩 보디 601의 부족 부분을 형성한다
도 60a, 60b, 및 60c의 구성은 180도의 트위스트 배향을 남아있게 하는 효과를 제공하며, 또한 이에 의해 벤드 배향으로의 전이를 수월하게 한다. 상기 실시예들 중에서, 도 60a의 구성이 가장 효율적이고 바람직하다. 상기 실시예들에서 불완전 서라운딩 보디 601은 공정이 어느 정도 완성되도록 하는데, 포토리소그라피법에 의하여 형성될 수 있다.
제 21 실시형태
제 20 실시형태는 세 번째 배향 상태, 즉, 벤드 배향에서 스프레이 배향으로의 일시적 배향 유지 상태에 따른 180도의 트위스트 배향은 부분적으로 액정이 남아있게 되고, 에너지 장벽은 트위스트 배향에서 벤드 배향으로의 전이 동안 보다 더 작다는 사실을 활용한다. 본 발명은 여기에 제한되지 않는다. 예를 들면, 부분 적으로 남겨진 배향 상태는 두 번째 배향 상태로서 벤드 배향이 될 수도 있다.
도 54b에서 보여지는 바와 같이, 벤드 배향에서, 셀 두께 방향으로 중심 부분에 액정 분자가 수직으로 배향된다. 배향 전이 핵의 배향은 벤드 배향이 고속으로 일어나는 것을 허용하기 위해 벤드 배향으로 변환된다.
제 21 실시형태에서, 벤드 배향을 부분적으로 유지하기 위하여, 기판들 사이의 간격을 유지하는 스페이서는 특정 재료로 만들어지고, 액정 패널은 전압이 인가되는 동안 냉각된다.
처음에, 액정 패널은 등방성 상(phase)을 가지기 위하여 가열되고, 다음에 상대적으로 높은 전압, 즉, 액정층을 벤드 배향으로 전이하는데 충분한 전압을 인가하는 동안 점차적으로 냉각된다. 칼럼 스페이서 또는 비드 스페이서에 의해 구성되는 스페이서는 액정 분자들을 스페이서의 옆 표면에 평행하게 정렬하기 위한 재료로 만들어진다. 상기 재료로서, 친수성 재료가 사용될 수 있다.
다음에, 전압이 꺼진다(OFF). 이 상태에서, 벤드 배향 또는 수직 정렬의 배향 상태는 스페이서의 옆 표면의 주변에 남아있다. 다음에, 소정의 전압이 액정 패널에 인가된다. 따라서, 남아있는 벤드 배향 또는 수직 정렬의 배향은 배향 전이 핵이 되어서, 벤드 배향이 전체 액정 패널로 퍼지도록 한다.
결론적으로, 본 실시형태에 따라, 벤드 전이가 고속으로 일어난다.
제 22 실시형태
본 발명은 벤드 배향, 즉, 스터릭 구조 주위에, 부분적인 세 번째 배향 상태 또는 두 번째 배향 상태로 쉽게 전이되는 영역의 형성에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 제 22 실시형태는 액정에서 벤드 배향 또는 트위스트 배향을 유지하기 위한 구조로서 폴리머 네트워크(network)를 이용한다.
본 실시형태에서, 제작 공정에서, 기판들 사이에 액정이 끼워지는 경우에, 액정 표시 소자는 모노머(monomer)를 액정으로 첨가함으로써 제작된다. 다음에, 전이 전압은 상기와 같이 제작된 액정 표시 소자의 액정층에 인가되어서, 액정층이 벤드 배향으로 전이되도록 한다. 상기 경우에, 액정 패널은 자외선으로 조사된다. 이에 따라서, 액정에서의 액정 모노머는 액정에서 고분자 그물 구조를 형성하도록 중합된다.
네트 구조가 액정에서 상기와 같이 형성되는 액정 패널에서, 인가된 전이 전압이 꺼진 후에 트위스트 배향 상태에서 고정된 부분이 부분적으로 액정에 존재하고, 인가 전압 없이도 트위스트 배향이 남아있다.
전이 전압이 액정 패널에 다시 인가된 경우에, 벤드 배향은 남아있는 트위스트 배향의 부분으로부터 생성되고, 전체 액정 패널로 퍼진다. 본 실시예에서, 액정 모노머는 3%의 농도로 첨가된다.
다른 실시예에서, 10%의 농도로 액정 모노머를 첨가함으로써, 액정 표시 소자는 마찬가지로 제작된다. 인가된 전이 전압이 꺼짐으로, 벤드 배향에서 고정된 부분이 액정층에 존재하고, 인가 전압 없이도 벤드 배향이 남아있다. 따라서, 전이 전압은 다시 인가되고, 벤드 배향은 벤드 배향 부분으로부터 전체 액정 패널로 퍼지며, 결과적으로, 이미지가 균일하게 표시된다.
제 20 내지 제 22 실시형태에 따른 발명은 OCB 액정 표시 소자에 제한되는 것은 아니다. 본 발명은 전압 없는 조건에서의 첫 번째 배향 상태 및 표시 전압 조건에서의 두 번째 배향 상태인 액정, 및 표시하는 동안 첫 번째 및 두 번째 배향 상태 사이에 존재하는 에너지 장벽을 뛰어 넘는 충분한 전압 인가에 의한 액정의 두 번째 배향 상태로의 전이를 사용한 액정 표시 소자에 연관된 일반적인 문제들을 해결하였다. 따라서, 본 발명은 액정이 일반적으로 전이하는 방식에 적용된다.
제 23 실시형태
본 발명의 제 23 실시형태에서, 배향 방향이 다른 영역은 측면 전계에 의하여 형성된다. 특별히, 배향 방향이 다른 영역에서 트위스트 각의 절대값은 45~135도로 설정된다.
(제 12 실시예)
도 61은 본 실시형태의 제 12 실시예에 따른 액정 표시 소자의 구조를 나타내는 각 픽셀에 대한 단면도이고, 도 62는 도 61의 구조를 나타내는 평면도이다. 도 61 및 62에서, 참조 숫자 U 및 D는 각각 위로부터의 시야 방향 및 저면으로 부터의 시야 각을 나타낸다.
도 61 및 62를 참고로 하여, 본 실시예의 액정 표시 소자는 편광기(도시되지 않음)들 사이에 끼여진 활성 매트릭스 액정 표시 소자이고, 광학적 보정(compensation)을 위하여 상기 소자의 적어도 한 측면에 배치된 지연막 703을 포함한다. 액정 표시 소자에서, 컬러 필터 기판 701 및 어레이 기판(TFT 기판) 702는 서로 반대쪽에 배치된다. 카운터 전극 79가 유리 기판 1의 내부 표면에 형성되고, 정렬층 3이 카운터 전극 79에 형성되는 것과 같이, 컬러 필터 기판 701은 구성 된다. 컬러 필터 및 블랙 매트릭스(도시되지 않음)는 컬러 기판 701에 형성된다. 게이트 및 소스 라인 61, 62, 픽셀 전극 64, 및 스위칭 소자 66(여기서, 상기 각 요소는 다음과 같다: 매트릭스에 제공되는 게이트 및 소스 라인 61, 62, 게이트 및 소스 라인 61, 62에 의해 규정된 픽셀 63에 위치하는 픽셀 전극 64, 및 게이트 및 소스 라인 61, 62에 접속되는 TFT 등을 포함하는 스위칭 소자 66)이 유리 기판 8의 내부 표면에 형성되는 것처럼, 어레이 기판 702는 구성되고, 정렬층 6은 상기 구성 요소들을 가지는 유리 기판의 내부 표면을 덮는다. 카운터 전극 79 및 픽셀 전극 64는 ITO로 만들어지고, 정렬층들 3, 6은 폴리이미드-계(polyimide-based) 수지로 만들어진다.
비드 스페이서(도시되지 않음) 및 액정층 4는 마주보는 정렬층들 3, 6의 한 쌍 사이에 배치된다. 비드 스페이서는 약 5㎛의 직경을 가진다. 액정층 4는 양의 유전율을 가지는 이방성 액정 재료로 만들어진다.
마주보는 정렬층 3, 6의 한 쌍은 표면에서 반대의 양 및 음의 부호로 몇 도를 가지는 액정 분자의 프리틸트 각을 만드는 정렬 처리를 받고, 서로 충분히 평행이다. 상기 도에서 보여지는 바와 같이, 정렬 처리는 시야 방향 D로부터 시야 방향 U로 향하는 방향 704로 마찰에 의하여 실행된다. 이에 따라서, 액정층 4는 액정 분자가 셀 두께 방향에서 비스듬하게 퍼지는 스프레이 배향 상태 4a를 형성한다. 액정층 4는 픽셀 63에서의 스프레이 배향 상태 4a로부터 액정 분자가 기판 701, 702 사이에서 구부러지는 벤드 배향(도 54 참조)으로 표시 소자의 모든 픽셀에 대해 전이된다. 스프레이 배향 4a로부터 완전한 벤드 배향으로 전이된, 상기와 같이 상기 시야 방향들에서 정렬-처리된 액정 표시 소자는 오른쪽 및 왼쪽 시야 각도에서 극단적으로 넓은 시야 특성을 제공하고, "보기 쉬운" 표시 소자가 된다.
어레이 기판 702에서, 직사각형 게이트측 측면 전계(rectangular gate-side lateral electronic field) 전극부분 61a는, 상기 전극 부분이 픽셀 63에서 돌출된 것과 같이, 게이트 라인 61의 단부에 형성되고, 직사각형으로 리세스(recess)된 픽셀측 측면 전계 전극 부분 64a는 전극 부분 61a를 수용하는 게이트 라인 61을 마주보는 픽셀 64의 단부에 형성된다. 게이트 라인 61은 Al과 같은 금속 재료로 만들고, 전극 부분 61a는 게이트 라인 61 또는 ITO의 재료로 만들어진다.
도 62에서 보여지는 바와 같이, 정렬 처리 방향 704는 소스 라인 62와 평행하게 세트된다. 전극 부분 61a는 길이 50㎛ 및 폭 10㎛의 직사각형태로 형성되고, 소스 라인 62와 평행하게 연장된다. 전극 부분 61a 및 64a 사이의 간격 L은 약 4㎛이다. 간격 L에서 생성되는, 기판에 평행한 전계(본 실시형태에서 측면 전계로 인용된) E는 정렬 처리 방향 704에 대해 충분히 90도의 교차 각 θE를 가지도록 방향을 가진다.
다음에, 상기와 같이 구성된 액정 표시 소자의 작동이 설명된다. 액정 표시 소자의 통상의 액정 표시 작동에서, 단기간 펄스(short-term pulsed) 전압은, 게이트 라인 61이 수 십 볼트로 게이트 라인 61에 인가되고, 이에 의해 ON/OFF되기 위해 게이트 라인 61이 연속적으로 스캔된다. 비디오 교류 신호 전압은 픽셀 전극 64에 인가된다. 반면, 전이 작동에서는, 적어도 수십 볼트 또는 장기간 펄스 전압 의 직류 전압이 게이트 라인 61 및 전극 부분 61a에 인가되고, 픽셀 전극 64의 전압은 충분히 0V로 설정된다. 이에 따라서, 직류 또는 장기간 펄스의 강한 한 전계 E가 간격 L에 생성된다. 강한 측면 전계 E는 간격 L에 위치하는 액정층 4 부분의 스프레이 배향의 낮은 부분을 구성하는 액정 분자가 측면 전계 E로 향하여 측면으로 트위스트 되게 하며, 이에 의해 도 61의 참조 숫자 711에 의하여 지시된 것과 같이, 정렬 처리 방향 704에 대해 충분히 90도의 교차 각 θE를 만든다. 바꾸어 발하면, 간격 L에 위치한 액정층 4의 부분은 충분히 90도의 트위스트 각을 가지는 배향 방향이 다른 영역이 된다. 약 수 볼트에서 15볼트의 높은 전압이 카운터 전극 79 및 픽셀 전극 64에 가로질러 인가된다. 이에 따라서, 세로 방향의 전계가 액정층 4의 액정 분자에 인가되어서, 스프레이 배향의 액정 분자가 일어서도록 한다. 간격 L에 위치한 액정층 4에서, 스프레이 배향 액정 분자는 참조 숫자 711에 의해 지시된 바와 같이 트위스트 되는 동안 일어선다. 상기의 이유로, 전이 핵 712는 전극 부분 61a 및 64a상에 위치한 액정층 4의 부분으로부터 생성되기 쉽다. 전이 핵 712는 실제로 생성되고, 전체 픽셀 63을 벤드 배향으로 인도하는 강한 세로 방향의 전계에 의하여 빠르게 팽창하는 벤드 배향으로 발전된다. 결과적으로, 전이는 1초이내의 짧은 시간 안에 종료된다. 상기 방법에 따라, 전체 액정 표시 소자의 전이는 0℃ 이하의 낮은 온도 분위기에서 충분히 1초내에 종료된다.
반대로, 종래의 액정 표시 소자에서, 스프레이-배향 액정 분자가 트위스트 없이 일어서지는 경우에, 카운터 전극 79 및 픽셀 전극 64에 가로질러 상기 실시예 의 방법에서 사용되는 전압보다 훨씬 더 높은 전압, 즉 15~25볼트를 인가하는 것이 필요하다. 전이 핵이 언제나 생성되는 것은 아니기 때문에, 종래의 소자는 저속도 전이를 진행하면서 본 실시예의 상기 시간보다 수초 내지 수십초 더 길어진 전이 시간을 필요로 한다. 상기 사실로부터 확실하게, 본 실시예의 발명은 종래의 소자에 비하여 우수한 효과를 제공한다.
게이트측 측면 전계 부분 61a 및 픽셀측 측면 전계 부분 64a의 한 쌍이 제공되지만, 복수의 쌍을 제공함으로써 더욱 바람직한 결과를 얻을 수 있다.
(제 13 실시예)
도 63은 본 실시형태의 제 13 실시예에 따른 액정 표시 소자의 구조를 나타내는 각 픽셀에 대한 평면도이다.
본 실시예에서, 정렬 처리 방향 704는 평면도에서 볼 때 소스 라인 62에 대해 약간 경사져 있으며, 이에 의해 90도 보다 약간 작은, 전계 E의 정렬 처리 방향 704에 대한 교차 각 θE를 만든다. 다른 사항은 제 12 실시예의 것과 동일하다. 상기와 같은 구성에서, 전이 핵 712는 교차각 θE가 45°≤θE≤135°인 경우 생성될 수 있으며, 80°≤θE≤100°인 경우에는 더욱 바람직한 결과가 얻어진다.
교차 각 θE는 측면 전계 부분 61a 및 64a가 소스 라인 62에 대해 연장하는 방향을 기울임으로써 변경될 수도 있다.
(제 14 실시예)
도 64는 본 실시형태의 제 14 실시예에 따른 액정 표시 소자의 구조를 나타 내는 각 픽셀에 대한 평면도이다.
제 14 실시예는 직사각형태로 리세스된 게이트측 측면 전계 전극 부분 61b가 게이트 라인 61의 단부에 형성되고, 직사각형태의 픽셀측 측면 전계 전극 부분 64b는 전극 부분 61b에서 돌출되는 것과 같이 게이트 라인 61과 마주보는 픽셀 전극 64에서 형성된다는 것을 제외하고는 제 12 실시예와 동일하다. 상기의 구성에서, 제 12 실시예에 제공되는 동일한 효과가 얻어진다.
교차 각 θE가 본 실시예에서는 90도이지만, 45°≤θE≤135°의 교차각 θE는 만족할만하다. 더욱 바람직하게는, 80°≤θE≤100°이다. 가장 바람직한 교차각 θE는 90도이다.
게이트측 측면 전계 전극 부분 61b 및 픽셀측 측면 전기장 전극 64b 사이의 간격 L이 본 실시예에서는 4㎛이지만, 3㎛≤L≤15㎛의 범위는 공정 및 인가 전압의 견지에서 볼 때 실용적이다.
(제 15 실시예)
본 실시형태의 제 15 실시예는 도 61 및 62에 따라 설명된다. 전이 작용 동안에 게이트측 측면 전계 전극 부분 61a의 전압은 제 12 실시예의 전압보다 더 높게 만들어지고, 이에 의해 정렬 처리 방향 704에 대해 측면 방향으로 액정층 4의 낮은 부분에 위치하는 액정 분자 뿐만 아니라 셀 두께 방향에서 액정층 4의 중심 부분에 위치한 액정 분자에 대해 더 강한 측면 전계 E가 만들어지고, 액정 분자가 세로 방향의 전계에 의해 자연히 일어서도록 높은 전압은 카운터 전극 79 및 픽셀 전극 64에 가로질러 인가되며, 이에 의해 액정층 4의 벤드 배향으로의 전이가 이루어진다. 상기의 구성으로, 전이 핵 712는 픽셀 13에서 확실하게 생성되어서, 벤드 배향으로의 전이가 부드럽게 진행되도록 하고, 이에 의해 전이는 짧은 시간안에 종료된다.
게이트 및 픽셀 사이들에서 측면 전계 전극 부분의 형상이 직사각형태이지만, 상기 형상은 정사각형, 반원, 삼각형 등일 수도 있다.
제 24 실시형태
본 발명의 제 24 실시형태에서, 특정의 조건하에서 스터릭 장애물을 사용함으로써 마찰은 기판에 실행되며, 이에 의해 서로 접촉되어서 시계 방향 및 반시계 방향으로 두 트위스트 배향을 형성한다. 본 실시형태는 스터릭 장애물이 발수성이 있는 제 14 실시형태 및 서로 접촉되어서 스터릭 장애물에 기인하여 시계 방향 및 반시계 방향 트위스트 배향이 마찰의 쉐이드 부분에서 형성된다는 제 18 실시형태에 대해 더욱 심층적인 연구를 목적으로 하는 것이다.
처음에, 본 실시형태에 따른 발명의 원리가 설명된다. 발명자들의 실험에서, 상대적으로 높은 전압이 종래의 구성에서의 단순 셀에 인가되며, 이에 의해 스프레이 배향에서 벤드 배향으로 전이한다. 스프레이 배향에서 벤드 배향으로의 전이는 많은 시간, 예를 들어, 수초에서 수십초를 필요로 한다. 전이 전압의 인가 후에, 스프레이 배향은 남게된다.
발명자들은 전이 시간 단축 및 전이 신뢰성을 얻기 위하여 더욱 연구하였다. 종래의 구성을 가지는 액정 셀의 제작에서, 액정이 마찰 방향과 다른 방향으로 국 부적으로 배향되기 위하여 하나의 기판이 진행된다. 셀이 상기와 같이 제작되는 경우에, 마찰 방향과 다른 방향으로 배향되는 부분은 트위스트 배향을 가진다. 상기 셀에서, 상기 전압이 인가되고, 전이가 관찰된다. 전이는 항상 트위스트-배향 부분으로 부터 일어난다는 것이 알려져 있다. 전이 전압은 트위스트 각이 약 75도일 경우 약 7V이고, 전이 전압은 트위스트 각이 약 90도일 경우 약 5V이며, 전이 전압은 트위스트 각이 약 120도일 경우 약 3V이다. 트위스트 배향의 트위스트 각이 커질 수록, 전이 전압은 점점 낮아진다.
다음에, 다른 트위스트 각을 가지는 복수의 트위스트-배향 영역이 제공되는 셀이 제작된다. 상기 전압이 셀에 인가되고, 전이가 자세히 관찰된다. 다음의 현상이 알려진다.
전이가 항상 일어나는 부분은 반대 방향으로 트위스트된 트위스트 배향들 사이 경계의 디스클리네이션 라인(disclination line)의 부근이다. 전이는 종래의 액정 표시 소자에 비하여 낮은 전압 및 높은 신뢰성으로 일어난다. 예를 들어, 60도의 트위스트 배향 및 반대 방향으로 트위스트된 75도의 트위스트 배향이 서로 접촉되어 있는 경우에, 전이 전압은 약 3V이다.
벤드 전이의 원리는 제 8 실시형태에서 설명되어 여기서는 생략한다. 간단히 말하면, 벤드 전이의 원리를 소개함으로서 극단적으로 낮은 전압 및 가장 높은 신뢰성으로 전이 가능한 액정 표시 소자를 얻을 수 있지만, 종래의 구성에서 전이 전압은 약 10~30V이고, 미(未)전이 부분이 남는다. 중요한 것은 반대 방향으로 트위스트된 트위스트 배향이 서로 접촉하여서 평행-배향 영역에 국부적으로 형성된다.
그러나, 단지 액정 표시 소자 제작에 대한 종래의 정렬 처리의 적용에 의하여서 평행-배향 영역에서 반대방향으로 트위스트된 트위스트 배향을 국부적으로 형성하는 것은 불가능하다. 따라서, 발명자들은 미소한 스터릭 장애물을 기판에 제공하고, 마찰을 연구함으로써 이것을 실현하였다.
(제 16 실시예)
도 65는 본 발명의 제 24 실시형태의 제 16 실시예에 따른 액정 표시 소자의 기본 구조를 나타내는 단면도이다. 도 65를 참조로 하여, 상부 기판 801 및 하부 기판 802가 서로 마주보고 배치되고, 액정층 4는 상부 및 하부 기판 801, 802 사이에 배치되는 것과 같이 본 실시예의 액정 표시 소자 J가 구성된다. 투명 전극 2 및 정렬층 3이 상기 순서대로 유리 기판 1의 내부 표면에 적층되는 것과 같이 상부 기판 801이 구성된다. 투명 전극 7 및 정렬층 6이 상기 순서대로 유리 기판 8의 내부 표면에 적층되고, 스터릭 장애물 803이 투명 전극 7에 제공되는 것과 같이 하부 기판 802가 구성된다. 스터릭 장애물 803은 상부 기판 801과 접하는 선단부를 가지고, 상기 스터릭 장애물의 기판에 형성되는 정렬층을 가지고 있지는 않다. 스터릭 장애물 803은 마름모꼴의 단면을 가지고, 본 실시예에서 상기 스터릭장애물의 단부에서부터 기저부(base portion)에까지 증대된 경사진 측면을 가진 칼럼 형상이다. 스터릭 장애물 803은 제작 공정에서 배향제(orientation agent)를 반발하기 위하여 발수성이 있고, 따라서 상기 스터릭 장애물의 기판에 정렬층을 가지지 않는다.
다음에, 액정 표시 소자 J의 제작 공정에서의 마찰 처리가 자세히 설명된다.
도 66은 도 65에서의 액정 표시 소자의 하부 기판의 정렬 처리를 나타내는 평면도이다.
도 65 및 도 66을 참조로 하여, 스터릭 장애물의 마름모꼴 단면의 대각선이 마찰 방향 69와 충분히 평행한 것과 같이 스터릭 장애물 803이 하부 기판 802에 형성된다. 참조 숫자 69에 의해 지시된 것과 같이 마찰은 하부 기판 802에 실행된다. 다음에, 다음 정보가 얻어진다. 하부 기판 802에서 스터릭 장애물 803 주위의 부분에서, 스터릭 장애물 803에 기인한 마찰의 하향 마찰(제 18 실시형태에서 마찰 쉐이드 부분으로 인용된) 804가 형성된다. 마찰 쉐이드 부분 804에서, 무마찰 영역(no rubbing area) 805는 스터릭 장애물 803에 가까운 영역에서 형성되고, 표준 마찰 방향 69와는 다른 방향으로 마찰 진행된 마찰 방향이 다른 영역 806은 스터릭 장애물 803으로부터 약간 떨어진 부분에서 형성된다.
본 실시형태에서, 마찰 천(도시되지 않음)은 스터릭 장애물 803을 무시하고 지나쳐 버리기 때문에, 무마찰 영역 805에 따라, 마찰 천이 접촉하지 않는 기판 802의 영역이 생성된다. 또한, 마찰 천이 처리되지 않기 때문에, 마찰 방향이 다른 영역 806에 따라, 표준 마찰 방향 69와 다른 방향으로 마찰-처리된 영역이 생성된다. 마찰은 표준 마찰 방향 69로 상부 기판 801에서 실행된다.
도 66에서 보여지는 바와 같이, 상기와 같이 정렬 처리된 액정 표시 소자 J에서, 액정층 4는 마찰 방향이 다른 영역 806에서 정렬 처리에 따라 마찰 방향 69에 대해 각도를 가지도록 배향되고, 무마찰 영역 805에서 스터릭 장애물 803의 발수성 또는 친수성에 따라 배향된다. 액정층 4는 상기 영역과는 다른 액정 표시 소자 J의 영역에서 평행-배향된다. 즉, 마찰 방향 69에 대해 반대 방향으로 트위스트 된 트위스트 배향은 서로 접촉하여 마찰 방향이 다른 영역 806에서 형성되고, 평행-배향된 영역에서 국부적으로 존재한다. 종래 구성의 단순 셀과 비교하여, 벤드 배향으로 전이하는 부분은 매우 증가되고, 결과적으로 전이가 낮은 전이 전압 및 높은 신뢰성으로 발생한다. 더욱이, 마찰 방향 69에 대해 반대 방향으로 트위스트된 트위스트 배향이 서로 접촉하는 부분은 마찰에 의하여 효율적으로 형성될 수 있다.
마찰 방향 69에서 마찰 쉐이드 부분 804의 길이는 마찰 천의 누름 깊이(pushing depth) Dp에 따라 변한다(도 67 참조). 예를 들어, 누름 깊이 Dp=0.3mm인 경우, 상기 영역 804의 길이는 약 15~30㎛이고; Dp=0.7mm인 경우, 상기 영역 804의 길이는 약 10~20㎛이다. 즉, 마찰 쉐이드 부분 804의 길이는 누름 깊이 Dp의 변경에 의하여 제어될 수 있다.
스터릭 장애물 803의 측면이 상기 스터릭 장애물의 기저부로부터 선단부쪽으로 내부를 향하여 기울어진다. 상기와 같은 측면의 기울어짐은 스터릭 장애물 803이 발수성을 나타내게 한다. 스터릭 장애물 803의 발수성은 스터릭 장애물 측면의 경사각이 증가함에 따라 더 강해진다. 처음에 스터릭 장애물의 측면이 약 30도의 경사각을 가지는 경우에, 스터릭 장애물 803은 발수성을 가지고; 상기 각도가 약 90도가 될 때까지 발수성을 유지한다. 스터릭 장애물의 기저부가 선단부 보다 더 작게 되는 것처럼, 스터릭 장애물 803은 구성된다. 이에 따라서, 발수성을 얻게 도딘다. 스터릭 장애물 803의 발수 효과는 제 19 실시예에서 더욱 자세히 설명된다.
액정 표시 소자 J가 상기 서술된 바와 같이 기본 구조를 가지지만, 본 실시 예가 스터릭 장애물 및 상기 스터릭 장애물의 서라운딩 영역에 전압을 인가하기 위해 구성되는 액정 표시 소자에 적용 가능하기 때문에, 본 실시예는 활성 매트릭스 형 및 다른 형태의 액정 표시 소자에 적용 가능하다.
(제 17 실시예)
도 68은 제 24 실시형태의 제 17 실시예에 따른 액정 표시 소자의 하부 기판의 정렬 처리를 나타내는 정면도이다.
마찰 롤러에 대해 기판 802의 마찰 방향 69 및 이동 방향 591 사이에 만들어지는 각도, 즉, 바이어스 각 Θ가 제 17 실시예에서 충분히 0도로 설정되더라도, 바이어스 각 Θ는 변경되고, 스터릭 장애물 803에 기인한 마찰 쉐이드 부분 804에서의 정렬 처리는 도 68에서 보여지는 바와 같이 본 실시예에서 신중히 관찰된다. 결과로서, 바이어스 각 Θ가 상기 도에서 보여지는 바와 같이 각도보다 더 큰 경우에 마찰 방향이 다른 영역 806은 마찰 방향 69로부터 보이는 비대칭 방식으로 정렬-처리될 수 있다. 특정적으로, 바이어스 각 Θ가 0도부터 증가되는 경우에, 바이어스 각 Θ가 15도일 때 비대칭이 현저하게 되고, 바이어스 각Θ가 30~45도일 때 비대칭이 커진다. 마찰 방향이 다른 영역 806에서 정렬 처리의 비대칭이 상기와 같이 커지는 경우에, 복수의 스터릭 장애물이 각각의 마찰 쉐이드 부분 804는 서로를 중첩하며, 이에 의해, 제 20 실시예에서 자세하게 설명되어질 것으로, 반대 방향에서 트위스트된 트위스트 배향을 안정하게 형성한다.
(제 18 실시예)
도 69는 제 24 실시형태의 제 18 실시예에 따른 액정 표시 소자를 제작하기 위해 사용되는 마찰 롤러의 구조를 나타내는 도이다.
도 69를 참조로 하여, 마찰 롤러 517은, 롤러의 회전축에 경사지게 된 것처럼 마찰 천의 버프 헤어(화이버) 812가 이식된 텍스쳐 표면(texture surface) 811을 가진다. 상기의 버프 헤어 812가 기판에 따른 각도로 기판과 접촉하기 때문에, 쉐이드 부분의 정렬 처리의 비대칭이 커지게 된다.
따라서, 상기 실시예에 따라, 스터릭 장애물에 기인한 쉐이드 부분의 정렬 처리의 비대칭은 더 크게 만들어질 수 있다.
롤러의 회전축에 대해 경사져서 버프 헤어 812가 이식되고, 마찰이 기판의 런-오버 방향(run-over direction)에 대해 바이어스 각으로 실행되는 텍스쳐 표면 811을 가지는 롤러를 사용함으로써, 마찰 방향이 다른 영역에서 정렬 처리의 비대칭이 현저히 커진다.
(제 19 실시예)
도 70은 제 24 실시형태의 제 19 실시예에 따른 액정 표시 소자의 하부 기판의 무마찰 영역에서 액정의 배향을 나타내는 평면도이다.
도 70을 참조로 하여, 하부 기판 802에 형성되는 스터릭 장애물 803이 발수재로 만들어진 것을 제외하고는 제 19 실시예는 제 16 실시예와 동일하다.
상기의 구성으로, 액정 분자는 스터릭 장애물 803 주위의 무마찰 영역 805에서 마찰 방향 69와 다른 방향 88로 배향될 수 있다(도 66참조). 상기 원인은, 스터릭 장애물 803의 발수성에 의하여 액정 분자가 스터릭 장애물 803의 측면에 수직하게 배향되기 때문이다.
제 16 실시예에서 설명된 스터릭 장애물 803의 측면의 경사로부터 기인한 발수성은 본 실시예의 발수성의 동일한 효과를 제공한다. 본 실시예에서, 스터릭 장애물 803의 측면이 제 16 실시예와 같이 경사진다. 매우 강한 발수성은, 스터릭 장애물의 기저부에서부터 선단부쪽으로 내부를 향하여 경사져서 발수재로 만들어진 스터릭 장애물 803의 측면을 형성함으로써 얻어진다.
상기 서술된 바와 같이, 스터릭 장애물 803의 발수성 및 스터릭 장애물 주위에 무마찰 영역 805의 형성은, 액정 분자가 무마찰 영역 805에서 스터릭 장애물 803의 측면에 대해 수직으로 배향되는 것을 허용하며, 이에 의해 평면도에서 보는 것처럼 래디얼(radial) 배향을 형성한다. 따라서, 반대 방향으로 트위스트된 두 트위스트 배향의 형성 및 평행-배향 영역에서의 유효한 서로간의 접촉이 가능하다.
(제 20 실시예)
도 71은 본 발명의 제 24 실시형태의 제 20 실시예에 따른 액정 표시 소자의 액정의 배향 상태를 개략적으로 도시하는 평면도이다.
도 71를 참조하면, 본 실시예는 제 16 실시예와는 다르게, 복수개의(도 71에서는 2개) 스터릭 장애물 803이 하부 기판 802에 형성되어서, 마찰 세이딩부 804가 서로 중첩되며, 마찰은 런-오버 방향 591에 대해서 바이어스 각 Θ으로 하부 기판 802에 실시되며, 스터릭 장애물 각각은 발수재로 만들어진다.
이러한 구성으로, 복수개의 스터릭 장애물 803의 마찰 방향이 다른 영역 806과 서로 중첩하고, 바이어스 각 Θ을 가지고 있는 마찰이 마찰 방향이 다른 영역 806의 배향에 대해서 비대칭이므로, 1개의 스터릭 장애물이 개별적으로 형성되는 경우와 비교하여 반대 방향으로 트위스트되어 있는 트위스트 배향을 보다 안정하게 형성하는 것이 가능하다. 스터릭 장애물 803 사이의 거리가 10㎛∼30㎛ 일 때, 반대 방향으로 트위스트된 트위스트 배향을 안정하게 형성하는 효과는 대폭 강화된다. 또한, 본 실시예에서는 각 스터릭 장애물 803의 발수성때문에 상기 효과가 강화된다. 액정 표시 소자에 전이 전압을 인가할 때에, 전이가 발생하는 부분이 대폭 증가하고, 매우 낮은 전압에서의 전체 액정 패널은 종래 간단한 셀과 비교해서 대폭 감소한다.
(제 21 실시예)
제 16 내지 제 20 실시예에서의 스터릭 장애물은 마름모 단면을 가지고 있다. 본 실시예에서는, 스터릭 장애물이 원, 사각형 등을 포함하여 또 다른 형상의 단면(도시되지 않음)을 가지고 있다. 스터릭 장애물이 이들 형상의 단면을 가지고 있을 때에, 반대 방향으로 트위스트된 트위스트 배향의 형성 효과는 감소하지만, 스터릭 장애물의 형성은 마름모 형상의 단면을 가지고 있는 스터릭 장애물을 사용하는 경우와 비교해서는 보다 용이하다.
(제 22 실시예)
제 16 및 제 19 실시예의 스터릭 장애물은 발수성이 있다. 본 실시예에서는, 친수성(도시되지 않음)도 있다. 그 외의 구성은 제 16 실시예와 동일하다. 이러한 구성으로, 스터릭 장애물 근방의 무마찰 영역에서 액정의 배향 방향만이 변화하므로, 제 16 실시예와 유사하게 반대 방향으로 트위스트된 트위스트 배향을 효율적으로 형성하는 것이 가능하다. 아울러, 본 실시예에서는, 친수재의 영향의 저하로 인 한 배향제(orientation agent)의 반발로 인하여 정렬층이 스터릭 장애물의 표면에 형성되기 때문에, 스터릭 장애물 근방에 형성된 평행 배향 영역의 배향의 악화가 감소한다는 이점이 있다.
(제 23 실시예)
제 24 실시형태의 제 23 실시예에서, 스터릭 장애물은 기판들 사이의 간격을 유지하는 칼럼 스페이서에 의해 구성된다. 스터릭 장애물이 칼럼 스페이서에 의해 구성될 때에, 스터릭 장애물의 제공의 필요성없이 액정 표시 소자를 용이하게 제조하는 것이 가능하다. 칼럼 스페이서의 재료로서 발수성 및 친수성이 높은 발수재, 친수재 등을 포함하여 다양한 타입의 재료가 있고, 그러므로, 스터릭 장애물 근방의 액정의 배향을 제어하는 것이 비교적 용이하다.
(제 24 실시예)
제 24 실시형태의 제 24 실시예는 활성 매트릭스 타입의 액정 표시 소자를 사용하고, 어레이 기판의 어레이 구조의 스텝을 이용한다. 어레이 기판의 어레이를 형성하는 공정에서, 최대 2㎛의 스텝이 형성될 수 있다. 마찰은 전이 핵으로서 작용하는 마찰 방향이 다른 영역을 형성시키는 스텝(제 16 실시예 참조)을 이용함으로써 제어된다. 본 실시예에서는, 전이 핵이 발생될 가능성은 감소하지만, 스터릭 장애물이 어레이 기판의 제조에 일반적으로 사용되는 어레이 공정의 변화만으로 형성될 수 있기 때문에, 스터릭 장애물은 용이하게 형성될 수 있다.
(제 25 실시예)
제 16 및 제 19 실시예에서는 스터릭 장애물의 표면이 발수성으로서 수직 배 향을 가지고 있으며, 제 22 실시예에서는 스터릭 장애물의 표면이 친수성으로서 수평 배향을 가지고 있다.
제 25 실시예에서는, 칼럼 스페이서의 근방에서 정렬층이 테이퍼되어 배향 방향으로 제어된다.
도 72a 및 도 72b는 본 발명의 제 25 실시예에 따른 액정 표시 소자의 하부 기판의 액정의 배향을 개략적으로 도시하는 개념도이다. 도 72a는 평면도이고. 도 72b는 도 72a의 화살표 XXXXXXXIIb-XXXXXXXIIb의 방향으로의 단면도이다.
도 72a 및 도 72b를 참조하면, 하부 기판에는 복합 칼럼 스페이서를 구성하는 3개의 칼럼 스페이서 803이 형성된다. 이 하부 기판 802는 표면에 형성된 정렬층 824를 가지고 있지만, 각 칼럼 스페이서 803은 표면에 형성된 정렬층을 가지고 있지 않다. 정렬층 824는 칼럼 스페이서 803 근방에서 824a로 나타낸 바와 같이 테이퍼되어, 칼럼 스페이서로부터 떨어져서 감소된 두께를 가지고 있다. 하부 기판 802는 제 2 실시형태의 도 22에 도시된 바와 같이 마찰 처리된다.
결과적으로, 도 72a에 도시된 바와 같이, 칼럼 스페이서 803 근방의 영역 821에서의 액정 분자 821a는 칼럼 스페이서 803의 측면에 대해서 평행한 배향을 가지고 있다. 영역 821 외부의 영역 822에서 액정 분자 822a는 테이퍼의 방향으로 배향되고, 영역 822 외부의 영역 823에서 액정 분자 823a는 마찰 방향에 따라서 배향된다.
본 실시예에서는, 정렬층 824가 824a로 나타낸 바와 같이 테이퍼되어, 액정 분자가 제 19 실시예에서 기술한 바와 같이 칼럼 스페이서 803으로부터 용이하게 연장하는 배향이 가능하다. 이에 의해, 전이 핵이 액정의 스프레이로부터 벤드 배향으로의 전이 동안에 형성된다.
테이퍼 구조는 정렬층을 사용하는 형성으로만 한정되지 않는다. 예를 들어, 테이퍼는 수지 또는 포토레지스트를 사용하는 코팅에 의해 형성되어도 된다. 테이퍼 형성의 간단하고 용이한 방법은 정렬층을 사용함으로써 형성하는 것이다.
테이퍼 구조의 만족할만한 경사각은 0.2。 이상이고, 상당히 광범위한 범위에 있다.
칼럼 스페이서 803 근방의 경사 구조는 선형으로 경사져 있고, 곡선이어도 된다.
(제 26 실시예)
제 26 실시예에서, 배향 방향이 다른 영역은 수직 배향 영역이다.
벤드 배향은, 액정이 셀 두께 방향으로 패널의 중앙부에서 일어나고, 액정 분자가 일어나는 상태 또는 한쪽 기판에서 보다 높은 프리틸트 상태를 형성함으로써 전이가 바람직하게 발생하는 구성을 가지고 있다.
본 실시예에서는, 마찰을 쉐이딩하는 스터릭 장애물로서 칼럼 스페이서를 사용하고, 칼럼 스페이서를 가지고 있는 기판에 마찰을 실시하여 이에 의해 수직 배향을 가지고 있는 마찰 쉐이딩 영역을 형성한다.
정렬층으로서 수직 배향이 강한 막을 칼럼 스페이서를 가지고 있는 기판에 도포한 다음에 경화시킨다. 그래서, 마찰이 실시되지 않은 마찰 쉐이딩 영역은 칼럼 스페이서의 뒤쪽 부분에서 생성된다. 이 현상은 도 36b에 도시된 현상과 실질적 으로 동일하다. 본 실시예와 도 36b의 실시예 사이의 차이는 마찰 쉐이딩 부분이 수직 배향(기판 표면에서의 수직 배향)을 가지고 있다는 것이다. 액정의 스프레이로부터 벤드 배향으로의 전이에서, 전이는 핵으로서 수직으로 배향된 영역으로부터 발생한다.
수직 배향 영역은 스터릭 감지에서 수직 배향을 가지고 있을 필요가 없다. 20。 이상의 프리틸트 각을 부분적으로 가지고 있는 수직 배향 영역은 만족할만하다. 바람직하게, 프리틸트 각은 40。 이상이다. 40。 이상의 경사각으로, 수직 배향 영역은 전력 공급후에 벤드 배향을 유지한다.
수직 배향 영역은 한쪽 기판 또는 양쪽 기판에 형성되어도 된다
본 발명의 다양한 변형 및 대안 실시형태는 당업자들에게는 상기 기술로부터 명확해질 것이다. 따라서, 상기 실시형태들은 도면을 참조하여 기술되어 있고, 다양한 변형은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제공된다.

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  179. 한 쌍의 대향하는 기판들 및 상기 기판들 사이에 삽입된 액정을 포함하는 액정 표시 소자에 있어서,
    소스 라인들, 게이트 라인들, 스위칭 소자들, 및 픽셀 전극들이 상기 기판들 중 하나 위에 형성되고, 상기 스위칭 소자들은 상기 게이트 라인, 상기 소스 라인, 및 상기 픽셀 전극에 각각 연결되고,
    카운터 전극이 다른 기판 위에 형성되며,
    상기 액정은 전원이 꺼진 상태에서 초기 배향 상태를 가지고 표시 상태에서 표시 배향 상태를 가지며, 이미지가 표시되기 전에 상기 초기 배향 상태를 상기 표시 배향 상태로 변화시키기 위한 초기화를 요구하고,
    상기 픽셀 전극은 지그재그 형상 단부를 가지며,
    상기 초기화에서, 한 영역의 배향 방향과 국부적으로 다른 배향 방향의 다른 배향 영역이, 다른 극성들의 전압들을 인접한 소스 라인들에 각각 인가함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 액정 표시 소자.
  180. 제 179 항에 있어서, 상기 소스 라인은 상기 픽셀 전극의 지그재그 형상 단부와 맞물린 지그재그 형상 단부를 가지는 것을 특징으로 하는 액정 표시 소자.
  181. 제 180 항에 있어서, 상기 소스 라인의 상기 단부와 상기 픽셀 전극의 상기 단부 사이에 횡전계(transverse electric field)가 형성되는 것을 특징으로 하는 액정 표시 소자.
  182. 한 쌍의 대향하는 기판들 및 상기 기판들 사이에 삽입된 액정을 포함하는 액정 표시 소자에 있어서,
    소스 라인들, 게이트 라인들, 스위칭 소자들, 및 픽셀 전극들이 상기 기판들 중 하나 위에 형성되고, 상기 스위칭 소자들은 상기 게이트 라인, 상기 소스 라인, 및 상기 픽셀 전극에 각각 연결되고,
    카운터 전극이 다른 기판 위에 형성되며,
    상기 액정은 전원이 꺼진 상태에서 초기 배향 상태를 가지고 표시 상태에서 표시 배향 상태를 가지며, 이미지가 표시되기 전에 상기 초기 배향 상태를 상기 표시 배향 상태로 변화시키기 위한 초기화를 요구하고,
    상기 픽셀 전극 및 상기 게이트 라인은 각각 서로 맞물린 지그재그 형상 단부들을 가지며,
    상기 초기화에서, 한 영역의 배향 방향과 국부적으로 다른 배향 방향의 다른 배향 영역이, 상기 픽셀 전극의 상기 단부와 상기 게이트 라인의 상기 단부 사이의 횡전계를 생성함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 액정 표시 소자.
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