KR100832770B1 - 고분자 벽을 이용한 수직 배향 액정 표시 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고분자 벽을 이용한 수직 배향(Vertically- aligned : 이하 VA)모드의 시야각 특성을 향상시킨 액정 표시 소자(Liquid crystal display : 이하 LCD)에 관한 것으로 고분자 벽 안에 갇혀 기판에 수직으로 배향된 액정들을 눕게 하기 위한 전계 형성시 한정된 부피 안에서 기판과 평행하게 누움으로써 발생하는 충돌을 최소화하고, 보다 안정적인 구동을 할 수 있도록, 각 화소 상·하부 기판의 일부 전극을 제거해 전압 인가시 상부 기판에서 하부 기판으로 경사 전계를 형성시킴으로써, 액정 방향자들의 초기 눕는 방향을 각 화소의 중앙 쪽으로 결정시켜 구동 안정성을 향상시킬 수 있다.

고분자 벽, 전극 패턴, 응답 시간, 경사 전계

Description

고분자 벽을 이용한 수직 배향 액정 표시 소자 {Vertically Alignment Liquid Crystal Device using Polymer Wall}

도 1은 고분자 벽을 이용한 수직 배향 액정 표시 소자의 사시도

도 2a는 도 1의 2개 화소 제조 예를 나타내는 공정 순서도

도 2b는 도 1의 고분자 벽 제조를 위해 사용된 마스크의 평면도.

도 3은 실시예 1에 따른 노말리 블랙(NB) 모드의 액정 표시 소자 대표도

도 4a는 도 3의 상부기판 2개 화소 제조 예를 나타내는 공정 순서도

도 4b는 도 3의 상부기판 제조를 위해 사용된 마스크의 평면도

도 5a는 도 3의 17-18 연결선을 따라 액정 분자 초기 상태를 나타낸 한 화소의 단면도

도 5b는 도 3의 17-18 연결선을 따라 전계 형성시 액정 분자 움직임을 나타낸 한 화소의 단면도.

본 발명은 고분자 벽을 이용한 VA-LCD에 관한 것으로, 특히 구동하는 각 화소 상·하부 기판의 일부 전극을 제거하여 구동시 상부 기판에서 하부 기판으로 경사 전계를 형성시킴으로써 방향자의 초기 눕는 방향을 각 화소의 중앙으로 결정시켜 구동 안정성을 향상시킨 VA-LCD에 관한 것이다. 기존의 고분자 벽을 이용한 VA-LCD에서는 고분자 벽 안에 갇혀진 상태로 초기 기판과 수직인 액정들이 전계가 형성되면서, 화소의 중심 부분을 향해 소용돌이 모양을 이루면서 눕기 때문에, 결과적으로 광시야각 특성을 나타냈다. 또한, 모드의 구조적 특성(고분자 벽에 의한 액정의 유동 차단)으로 인해 기존의 LCD가 가질 수 있는 중력 무라의 문제점, VHR(Voltage Holding Ratio)저하 문제점이 해결되었으며, 러빙 공정이 제외됨으로써 러빙 공정 단계에서 동반되는 문제점 등이 개선되었다. 게다가 기존의 단위 화소보다 9배 이상 작은 크기의 단위 화소 제작이 가능하기 때문에 대면적뿐만 아니라, 고해상도를 구현하는 소형 모듈 응용에도 적절한 형태를 띠고 있다. 그러나, 구조적 특징에 기인하여, 초기 기판에 수직 배향되어 있는 방향자들이 구동시 발생하는 전계에 의해 기판과 평행하게 됨으로써, 방향자의 충돌이 불가피하며, 이러한 방향자의 충돌은 응답시간과 균일한 계조 표시를 저하시킨다. 따라서, 충돌을 최소화시킬 수 있는 구조의 장치가 필요하다.

상기에 소개된 LCD의 구조는 도 1에서 나타낸 것과 같으며, 세부적인 구조는 다음과 같다. 액정 방향자의 초기 상태를 결정짓기 위해 투명전극(3-a, 3-b)이 형성되어 대향된 상· 하부 기판에 수직 배향막(4-a, 4-b)이 코팅되어있고, 그 사이 에 고분자 벽(5)이 형성되어 있으며, 고분자 벽 안쪽으로는 유전율 이방성이 음인 액정(6)이 채워져 있다. 상기 소자의 구동을 간단하게 설명하면, 전압을 인가하지 않았을 때, 하부기판의 편광판(1-b)을 통과한 자연광은 투과축으로 선편광 된 빛만을 투과시키고, 투과된 빛은 액정 방향자들이 기판과 수직으로 배향되어있기 때문에 액정 층에서 아무런 위상지연 없이 처음 들어온 선편광 방향 그대로 액정층을 투과하게 되고, 하부기판의 편광판(1-b) 투과 축과 수직하게 부착된 상부기판 바깥쪽의 검광판(1-a)에 의해 차단됨으로써 다크 상태를 띄게 된다. 상·하부기판에 코팅된 투명전극(3-a, 3-b)에 전압을 서로 다르게 인가하여 전계를 형성하게 되면 유전율이 음인 액정들 초기 수직 상태에서 수평 상태로 눕게 된다. 이때, 가운데 층의 액정들은 화소의 중심 부분을 향한 소용돌이 모양으로 눕게 되고, 각각의 층들에 존재하는 액정들은 첨가된 도펀트에 의해서 가운데 층을 중심으로 TN(Twisted nematic)과 같은 꼬임 구조를 갖는다. 이로 인해 편광판을 통해 선편광된 빛은 액정층을 통과하면서 꼬인 액정들에 의해 위상지연이 발생하게 되고, 검광판을 투과하기 직전에는 처음 들어온 빛에 수직된 선편광이 되어 있다. 따라서 화소는 화이트 상태를 띄게 된다. 이 때, 각 층에서의 대칭구조를 갖는 방향자들은 자기 보상 효과를 나타내며, 어느 시야각(상·하, 좌·우)에서 보더라도 위상지연 값이 같아 휘도 균일도 특성이 우수한 광시야각 특성을 보이게 된다. 각각의 화소에 주입된 액정(6)은 고분자 벽으로 갇혀져 있기 때문에 서로의 구동에 영향을 주지 않고 격리되어 있으며 흘러내리거나 다른 화소로 이동하는 무라와 같은 부차적인 문제점도 발생하지 않아 안정된 구동을 보여줄 수 있다. 뿐만 아니라, 형성된 고분자 벽(5) 은 상·하 기판(2-a, 2-b)의 간격을 균일하게 유지시켜주기 때문에 셀 내부에 스페이서나 기둥을 두는 공정 역시 필요치 않다. 상기에 설명된 고분자 벽(5)이 형성된 빈 셀을 형성하기 위하여 사각형 부분(9)은 UV(7)가 통과하지 못하고, 그 외 부분(8)은 UV가 통과될 수 있도록 디자인된 마스크(도 2b)를 사용한다. 고분자 벽의 높이는 네거티브 PR(negative photo resistor)(13 : 하부 기판 표면에 고착되기 전의 PR을 13이라 칭하고, 고착되어 벽이 형성된 후의 PR을 5라 칭함.)의 코팅 두께에 의해 임의로 결정해 줄 수 있다. 상기 마스크를 이용해 UV(7)를 조사하면 마스크의 투명한 부분(8)을 통해 조사된 UV(7)만 네거티브 PR(13)에 영향을 주어 그대로 남아 있고, 나머지 부분은 사각형 모양으로 현상액(developer)에 의해 제거된다. 액정(6)은 ODF(One drop filling) 방식에 의해 남아있는 고분자 벽(5) 안에 주입된다. 위와 같은 공정을 통해 만들어진 액정 셀은 서두에 기술한 특성이 있다.

하지만, 기존에 고안된 LCD는 한정된 부피 안에서 전계가 적용될 때 수직으로 있던 액정 방향자가 수평 상태로 전환되면서, 액정이 눕는 방향이 정해지지 않아 구동 초기에 일시적인 방향자의 충돌이 발생하게 되고, 어느 정도 누움이 진행된 후에는 화소의 중앙을 향하여 360도로 소용돌이 형태로 밀려나면서 눕게 된다. 이로 인해 방향자의 불안정성이 야기되고, 결과적으로 계조 간 투과 특성 불균일과 액정의 응답시간이 지연되는 문제점이 초래됐다. 따라서 상·하부 기판의 일부 전극을 제거한 구조 설계로써 제시된 문제점을 개선하는데 본 발명의 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 적용된 LCD의 구성 특징은 상·하부 기판의 전극 일부를 제거하는 것이며, 이를 통해 경사 전계를 형성시켜 액정 방향자가 눕는 방향을 셀의 중심부로 향하게 함으로써 기존의 방식보다 안정적인 방향자 유동을 보여주는 방법을 제안하였다.

- 실시예 1 -

실시예 1은 도 3에서와 같이 투명전극(3-b)이 코팅된 하부 기판에 고분자 벽(5)이 형성되어 있고, 고분자 벽 위에는 액정 방향자의 초기 배향을 결정시키는 수직 배향막(4-b)이 코팅되어 있다. 상부기판은 하부기판과 대면 되는 쪽으로 전극이 일부 제거된 투명전극(3-a)이 있고 마찬가지로 그 위에 배향막(4-a)이 코팅되어져 있다. 하부 기판의 고분자 벽으로 둘러싸인 빈 화소 부분에 액정의 꼬임을 일정한 방향으로 유도시켜주는 일정량의 도펀트를 첨가한 유전율 이방성이 음인 액정(6)이 원 드랍 필링(ODF:One drop filling) 방식으로 주입되어 있고, 하부기판과 상부기판의 뒷면에는 빛을 선편광 시키는 편광판(1-a, 1-b)이 각각의 서로의 투과축이 수직되게 부착되어 있다.

고분자 벽을 형성하는 마스크는 도 2b와 같이 UV가 투과되는 부분(8)과 UV가 투과하지 않는 부분(9)으로 이루어져 있고, 마스크의 사용은 투명전극이 코팅된 하 부 기판(2-b)에 네거티브 PR(13)을 원하는 높이만큼 코팅하고, 그 위에 제작한 마스크를 두고 UV(7)를 조사한다. UV(7)를 조사받은 부분은 광 중합이 일어나고 UV(7)를 조사받지 못한 부분은 아무런 화학반응이 일어나지 않아 현상액에 의해 제거된다. 결과적으로 중합이 일어난 부분은 현상 후 고분자 벽을 형성하고 높이는 네거티브 PR(13)을 코팅한 두께로 결정된다. 현상액에 의해 제거된 빈 공간은 액정이 차후 공정을 통해 액정이 주입되는 공간이 된다. 하부기판의 제작 방법은 도 2a에서 간략하게 도시하였다.

위에서 명시한 상부기판 제작은 투명전극이 코팅된 상부기판에 포지티브 PR(positive photo resistor)(14)을 코팅하고, 그 위에 도 2b와 같이 제작한 마스크를 두고 UV(7)를 조사한다. UV를 조사받은 부분은 광 분해가 일어나 현상액에 의해 제거된다. 전극 위에 패턴을 형성한 포지티브 PR(14)을 hot-plate에서 고온으로 고착시킨 후, 식각액을 통해 포지티브 PR(14)이 없는 부분(10)의 투명전극을 제거하고, 스트립퍼 용액을 통해 고착된 포지티브 PR을 제거하고 나면, 위에서 제시한 셀 상부기판(2-a)의 투명전극 중심 부분에 마스크를 통해 원형으로 전극을 제거한 부분(10)이 제작된다. 제거된 전극에 의해 향상된 방향자의 안정성을 위해서는 상판의 전극이 제거된 부분의 최소 반경이 1um이상 되어야하며, 제거된 부분의 반경이 커질수록 상판에서 하판에 이르는 경사 전계의 기울기가 커지기 때문에 액정 방향자에게 전계 형성시 셀의 중심을 향하도록 하는 방향성을 강하게 줄 수 있다. 상부기판의 제작 방법은 도 4a에서 간략하게 도시하였다.

도 5a는 실시예 1을 통해 제작된 LCD의 초기 노말리 블랙(Normally black : NB)모드상태에서 도 3의 17-18 연결선을 따라 액정 방향자의 배열을 나타낸 단위 셀의 단면도이다. 도 5a의 1-a, 1-b는 상·하부 기판 바깥쪽에 투과축이 서로 수직하게 부착된 편광판, 2-a, 2-b는 각각 상·하부 기판, 3-a는 상부 기판 안쪽으로 코팅된 투명전극으로 중심부분의 전극이 일부 제거되어 있고, 3-b는 하부 기판 안쪽으로 전면에 코팅된 투명전극, 4-a와 4-b는 상·하부 기판의 안쪽으로 투명전극 위에 코팅된 수직 배향막, 5는 고분자 벽의 단면, 6은 한 셀의 단면에서 나타나는 액정 방향자의 배열, 10은 상부 기판의 전극 3-a 중 전극이 제거된 부분이다.

도 5b는 실시예 1을 통해 제작된 LCD의 전압 인가시 형성되는 경사 전계와 액정의 구동이 시작되는 부분(15)을 도 3의 17-18 연결선을 따라 나타낸 단위 셀의 측면 단면도이다. 도 5b의 1-a, 1-b는 상·하부 기판 바깥쪽에 투과축이 서로 수직하게 부착된 편광판, 2-a, 2-b는 각각 상·하부 기판, 3-a는 상부 기판 안쪽으로 코팅된 투명전극으로 중심부분의 전극이 일부 제거되어 있고, 3-b는 하부 기판 안쪽으로 전면에 코팅된 투명전극, 4-a와 4-b는 상·하부 기판의 안쪽으로 투명전극 위에 코팅된 수직 배향막, 5는 고분자 벽의 단면, 6은 한 셀의 단면에서 나타나는 액정 방향자의 배열, 10은 상부 기판의 전극 3-a 중 전극이 제거된 부분, 15는 구동시 한 셀의 단면에서 전계에 반응하여 나타나는 액정 방향자의 움직임이 시작되는 부분이다.

- 실시예 2 -

실시예 2는 도 6에서와 같이 하부 기판에 코팅된 투명전극(3-b)의 일부가 제거되어 있고, 그 위로 초기 액정의 배향을 기판에 수직하게 하기 위한 배향막이 코팅되어 있으며, 그 위로 포지티브 PR을 이용하여 고분자 벽(5)이 형성시킨다. 상부기판은 하부기판과 대면 되는 쪽으로 전극이 일부 제거된 투명전극(3-a)이 있고 마찬가지로 배향막(4-a)이 코팅되어 있다. 하부 기판의 고분자 벽으로 둘러싸인 빈 화소 부분에 액정의 꼬임을 일정한 방향으로 유도시켜주는 일정량의 도펀트를 첨가한 유전율 이방성이 음인 액정(6)이 원 드랍 필링(ODF:One drop filling) 방식으로 주입되어 있고, 하부기판과 상부기판의 뒷면에는 빛을 선편광 시키는 편광판(1-a, 1-b)이 각각의 서로의 투과축이 수직되게 부착되어 있다.

고분자 벽을 제작 방법은 실시예 1의 고분자 벽 형성 방법과 동일하다. 단, 실시예 2에서는 하부 기판에 수직 배향막을 코팅한 후 그 위에 고분자 벽을 형성시킨다. 실시예 2의 경우 벽 면에 수직 배향막이 없고, 상·하부 기판에만 수직 배향막이 존재하기 때문에 전압을 인가하지 않았을 때, 벽 면에서의 빛 샘을 완전히 차단할 수 있다.

실시예 2의 상부 기판의 제작 방법은 실시예 1의 상부 기판 제작 방법과 동일하다.

실시예 2의 투명전극이 적용된 하부 기판에 포지티브 PR을 코팅한 후, 전극이 필요 없는 부분만 UV를 조사할 수 있는 마스크를 사용하여, 실시예 1의 상부 기판 전극 제작과 같은 방식의 공정으로 전극의 일부를 제거한다.

도 7a는 실시예 2를 통해 제작된 LCD의 초기 노말리 블랙(Normally black : NB)모드상태에서 도 6의 17-18 연결선을 따라 액정 방향자의 배열을 나타낸 단위 셀의 단면도이다. 도 7a의 1-a, 1-b는 상·하부 기판 바깥쪽에 투과축이 서로 수직하게 부착된 편광판, 2-a, 2-b는 각각 상·하부 기판, 3-a는 상부 기판 안쪽으로 코팅된 투명전극으로 중심부분의 전극이 일부 제거되어 있고, 3-b는 하부 기판 안쪽으로 코팅된 전극의 일부가 제거된 투명전극, 4-a와 4-b는 상·하부 기판의 안쪽으로 투명전극 위에 코팅된 수직 배향막, 5는 고분자 벽의 단면, 6은 한 셀의 단면에서 나타나는 액정 방향자의 배열, 10은 상부 기판의 전극 3-a 중 전극이 제거된 부분, 16은 하부 기판의 전극 3-b 중 전극이 제거된 부분이다.

도 7b는 실시예 2를 통해 제작된 LCD의 전압 인가시 형성되는 경사 전계와 액정의 구동이 시작되는 부분(15)을 도 6의 17-18 연결선을 따라 나타낸 단위 셀의 측면 단면도이다. 도 7b의 1-a, 1-b는 상·하부 기판 바깥쪽에 투과축이 서로 수직하게 부착된 편광판, 2-a, 2-b는 각각 상·하부 기판, 3-a는 상부 기판 안쪽으로 코팅된 투명전극으로 중심부분의 전극이 일부 제거되어 있고, 3-b는 하부 기판 안쪽으로 코팅된 전극의 일부가 제거된 투명전극, 4-a와 4-b는 상·하부 기판의 안쪽으로 투명전극 위에 코팅된 수직 배향막, 5는 고분자 벽의 단면, 6은 한 셀의 단면에서 나타나는 액정 방향자의 배열, 10은 상부 기판의 전극 3-a 중 전극이 제거된 부분, 15는 구동시 한 셀의 단면에서 전계에 반응하여 나타나는 액정 방향자의 움직임이 시작되는 부분, 16은 하부 기판의 전극 3-b 중 전극이 제거된 부분이다.

따라서, 고분자 벽을 사용하는 VA-LCD에서 상·하부 기판의 전극패턴을 통해서 구동하는 셀 상부 기판에서 하부 기판으로 경사 전계를 형성시켜 구동시 방향자의 눕는 방향을 셀의 중심으로 유도함으로써 스타팅 포인트(Starting point : 액정이 눕기 시작하는 부분)를 중심부분과 벽(15)에 설정함으로써, 본 발명을 적용한 LCD의 구동 시 액정 방향자의 초기 안정성을 향상시켜 저 계조 및 중간 계조 투과 특성 불균일 해소하고, 응답시간 단축에도 기여할 것으로 기대된다.

Claims (2)

1. 상부 편광판(1-a)과;

   상기 상부 편광판(1-a)의 하부에 위치한 상부 기판(2-a)과;

   상기 상부 기판(2-a)의 하부에 위치하며, 전압 인가시 화소 중앙부분에서 경사 전계를 유발시키는 직경 1um 이상의 전극이 제거된 투명 전극인 공통 전극(3-a)과;

   상기 상부 기판(2-a)의 하부에 코팅되어 액정의 초기 방향 배열을 기판에 수직으로 형성시켜주는 수직 배향막(4-a)과;

   상기 상부 기판(2-a)과의 셀 두께를 유지시켜주며, 액정을 가두어 주고, 액정의 초기 눕는 방향을 결정시켜주는 하부기판(2-b)에 형성된 고분자 벽(5)과;

   상기 고분자 벽(5)과 하부기판(2-b) 표면에 초기 액정 방향 배열을 기판에 수직으로 형성시켜주는 수직 배향막(4-b)과;

   상기의 고분자 벽 하부에 위치하는 투명 전극인 화소 전극(3-b)과;

   상기 고분자 벽과 수직 배향막과 화소 전극의 기판이 되는 하부 기판(2-b);

   구동 회로 하부에 위치하고 상부 편광판(1-a)과 투과축이 직교되게 부착된 하부 편광판(1-b)을 포함하는 수직 배향을 이용한 노말리 블랙 모드 액정 표시 소자.
2. 상부 편광판(1-a)과;

   상기 상부 편광판(1-a)의 하부에 위치한 상부 기판(2-a)과;

   상기 상부 기판(2-a)의 하부에 위치하며, 전압 인가시 화소 중앙부분에서 경사 전계를 유발시키는 직경 1um 이상의 전극이 제거된 투명 전극인 공통 전극(3-a)과;

   상기 상부 기판(2-a)의 하부에 코팅되어 액정의 초기 방향 배열을 기판에 수직으로 형성시켜주는 수직 배향막(4-a)과;

   상기 상부 기판(2-a)과의 셀 두께를 유지시켜주며, 액정을 가두어 주고, 액정의 초기 눕는 방향을 결정시켜주는 하부기판(2-b)에 형성된 고분자 벽(5)과;

   상기 고분자 벽(5)과 하부기판(2-b) 표면에 초기 액정 방향 배열을 기판에 수직으로 형성시켜주는 수직 배향막(4-b)과;

   상기 수직 배향막(4-b) 하부에 위치하며, 벽에서부터 셀 중심쪽으로 1um이상 제거된 투명 전극인 화소 전극(3-b)과;

   상기 고분자 벽과 수직 배향막과 화소 전극의 기판이 되는 하부 기판(2-b);

   구동 회로 하부에 위치하고 상부 편광판(1-a)과 투과축이 직교되게 부착된 하부 편광판(1-b)을 포함하는 수직 배향을 이용한 노말리 블랙 모드 액정 표시 소자.

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