KR100851630B1 - 다안정 네마틱 액정 표시 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 두 개의 기판에 배향막을 형성하되 어느 하나의 기판에 형성된 배향막을 이중광배향하여 멀티 도메인 내에서 방향에 따라 경쟁하는 배향력에 의해 네마틱 액정의 선택적 배향을 유도하여 다안정성을 구현할 수 있게 한 다안정 네마틱 액정 표시 장치에 관한 것이다.

이러한 본 발명에 따른 다안정 네마틱 액정표시장치는 배향막을 갖는 두 개의 기판 사이에 액정 물질을 채워 구성된 액정 표시장치에 있어서, 상기 두 개의 기판에 형성된 배향막 중 적어도 하나의 배향막을 이중광배향하여 구성하되, 상기 이중광배향된 배향막은 기판의 일측에 형성되고 광이성화 특성을 갖는 아조기가 포함된 배향막에 편광된 레이져를 이용하여 형성된 제1배향 패턴과, 기판의 90도회전시킨 후 편광된 레이져를 이용하여 형성되고 상기 제1배향 패턴과 수직을 이루고 형성된 제2배향 패턴을 포함한다.

이와 같이 이중광배향함으로서 방향에 따라 경쟁하는 배향력에 의해 네마틱 액정의 선택적 배향을 유도하여 다안정성을 구현할 수 있다.

다안정, 이중광배향, 멀티 영역

Description

다안정 네마틱 액정 표시 장치{Multi-stable nematic liquid-crystal display}

도 1은 본 발명에 따른 다안정 네마틱 액정 표시 장치의 배향막 위에서 멀티 도메인을 형성시키기 위한 과정과 이로 인해 나타나게 되는 배향막의 패턴 형상을 도시한 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 다안정 네마틱 액정 표시 장치의 배향막 위에서 멀티도메인의 제1배향 패턴과 제2배향 패턴이 겹치거나 배향이 이루어지지 않은 곳을 도시한 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 다안정 네마틱 액정 표시 장치의 다안정 상태의 액정 시편을 전계에 의하여 평면 스위칭 시키기 위한 전극의 구조를 도시한 사시도,

도 4는 본 발명에 따른 다안정 네마틱 액정 표시 장치에서 배향막 위에 네마틱 액정의 주입시 배향 효과에 의해 새롭게 형성되는 멀티도메인의 구조를 도시한 평면도,

도 5는 본 발명에 따른 다안정 네마틱 액정 표시 장치의 각 개별 도메인의 액정분자의 방향을 직각 좌표계에 표시한 그래프,

도 6은 본 발명에 따른 다안정 네마틱 액정 표시 장치에서 전계의 크기에 따른 배향막 위에서의 액정 분자들의 스위칭이 점진적으로 일어나는 것을 나타낸 사진,

도 7은 본 발명에 따른 다안정 네마틱 액정 표시 장치의 배향을 위한 빛의 간섭을 유도해내기 위한 모식도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>

1 : 제1배향 패턴

11, 12 : 배향 변화 영역

2 : 제2배향 패턴

21, 22 : 배향 고정 영역

본 발명은 액정 표시 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 두 개의 기판에 배향막을 형성하되 어느 하나의 기판에 형성된 배향막을 이중광배향하여 멀티 도메인 내에서 방향에 따라 경쟁하는 배향력에 의해 네마틱 액정의 선택적 배향을 유도하여 다안정성을 구현할 수 있게 한 다안정 네마틱 액정 표시 장치에 관한 것이다.

전기, 전자 기술의 발달에 따라 컴퓨터를 비롯한 전자 산업의 발전이 급속하게 진행되고 있다.

이러한 전자 산업의 발달과 더불어 최근 그 사용이 급증하는 것이 디스플레이(display) 장치이다.

디스플레이 장치에는 CRT(Cathode Ray Tube), VFD(Vacuum Fluorescent Display), LCD(Liquid Crystal Display), LED(Light Emitting Diode), PDP(Plasma Display Panel)등이 사용되고 있으나, 동작 전압이 낮아 소비 전력이 적고 휴대용으로 쓰일 수 있는 등의 장점 때문에 가장 많이 사용되고 있는 것은 LCD(액정표시장치 : 이하, 'LCD'라 칭한다.)이다.

이러한 LCD는 투명전극을 형성한 2장의 유리기판 사이에 액정을 주입한 것으로 외부로부터 전계를 가해 액정을 회전시켜 빛을 통과하게 하거나 통하지 않게 하는 방식으로 작동되는 것으로 전계를 인가하기 위한 전극을 구비하고 있다.

이러한 액정 표시 장치의 두 기판 사이에 저장되는 액정은 국소적으로 분자들 간의 위치 질서를 갖고 있으나, 거시적으로는 그 방향을 정의할 수 없기 때문에 일반적으로 디스플레이에 응용할 때는 배향(alignment)을 실시한다.

배향은 대개 수직 또는 수평으로 한 방향으로만 이루어지고 전기장(field)의 인가에 의하여 빛의 투과를 결정하게 되므로 임의의 상을 구현하기 위해서는 지속적인 전기장의 인가가 필요하게 된다. 따라서, 텔레비젼과 같이 동영상을 구현하는 디스플레이와는 달리 휴대용 단말기나 전자사전, 시계와 같이 특정한 이미지를 구현하고 다른 이미지로의 전환이 크게 없는 디스플레이의 경우, 하나의 상을 계속해서 구현하기 위하여 지속적인 전기장의 인가가 필요함에 따라 전력낭비를 초래하며, 이러한 디스플레이의 경우 메모리 특성을 갖는 다안정상태(multistability)의 디바이스(device)가 적합하다.

다안정상태의 디바이스 중에서 쌍안정 장치(bistable device)의 경우, 두 방향으로의 안정한 상태를 갖기 때문에 전기장의 인가에 의하여 스위칭(switching)이 일어나게 되고, 전기장을 오프시켜도 그 상태를 유지하게 됨으로써 전력의 손실을 줄일 수 있으므로 최근에 이런 다안정상태를 갖는 디바이스에 관한 연구가 많이 진행되고 있다.

이러한 다안정 액정 표시장치 중의 하나로는 AFM(atomic force microscope)를 이용하여 배향막에 두 방향으로 수직한 구조를 갖는 패턴을 형성시켜 쌍안정 상태를 구현하고 있으며, 이러한 방법은 처리과정이 매우 정밀하고 만들어진 패턴 위에서 강한 쌍안정 상태를 갖는다는 점에서 큰 이점이 있지만, 장시간의 처리과정, 고비용, 대면적화의 어려움 등으로 인하여 실용화의 문제가 제기되었다.

이러한 액정 표시 장치의 배향 방법에는 러빙법과 광배향법이 있다.

러빙법은 액정을 쉽게 배향처리 할 수 있고 강한 배향력(anchoring energy)을 가져 배향이 안정되며 대량생산이 용이하다는 이점이 있으나, 대면적화의 어려을 뿐만 아니라 러빙포가 직접 기판에 접촉됨으로 인한 배향도의 정밀한 조절이 어렵고, 표면에 상처가 나거나 이물질이 묻는 등의 문제가 있다. 따라서 이를 극복하기 위한 방법들 중 하나로 개발된 것이 광배향법으로 이는 편광된 빛으로 배향막의 구조를 비등방적으로 형성시켜 액정을 배향하는 방법으로서 빛의 에너지로 배향력을 조절할 수 있으며, 조사되는 빛의 크기를 렌즈로 조절함으로서 대면적화에도 적당할 뿐만 아니라 비 접촉방법이기에 먼지와 같은 불순물을 포함하지 않는 깨끗한 배향을 가능하게 한다.

또 하나의 광배향법 중의 하나는 배향막의 물질로 주로 폴리아미드(polyimide)를 사용하고, 선편광된 빛을 배향막이 입혀진 기판에 조사하여 배향 물질의 사슬(chain)을 비등방적으로 분해하여 이에 의해 생성된 구조적 비등방성을 이용하여 액정을 배향하는 방법으로서, 배향막으로 폴리이미드를 사용한다는 점에서 높은 열적 안정성을 가지고 있으나, 빛에너지를 크게 하여야 한다는 점에서 문제가 있다.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 발명된 것으로, 이중광배향(dual photo-alignment)으로 배향막을 균일하게 처리한 다안정 네마틱 액정 표시장치를 제공함을 목적으로 한다.

특히, 광배향을 적용하여 네마틱 액정의 다안정상태를 구현하되, 가간섭성의 두 빔을 광이성화 배향막에 조사하여 일차원적 선형 패턴을 만들어 낸 후, 기판을 90도 회전시켜 동일한 조건으로 한 번 더 광처리함으로서 막 표면위에 비등방적인 도메인들이 형성되고, 이렇게 처리된 기판을 조립하여 액정을 주입하면 배향 효과에 의하여 도메인들의 수축, 확장에 의하여 새로운 두 개의 멀티도메인들이 연속적으로 분포하게 되어 셀의 벌크에서는 표면에서의 작용에 의하여 액정은 쌍안정 상태를 유지할 수 있을 뿐만 아니라 표면에서 일어나는 배향 효과 현상 때문에 각 도메인 내에서의 액정 분자들의 배향력은 서로 다른 크기를 갖게 되어, 전기장의 인 가시 문턱전압의 크기가 영역 별로 달라서 전기장에 의한 스위칭이 배향력이 낮은 경계 부분에서부터 점진적으로 일어나게 되어 전체적으로 다안정상태를 유지할 수 있으며, 임의의 전기장에 의하여 빛의 투과를 제어할 수 있고, 전기장 오프에도 그 상태가 계속 유지됨으로써 메모리 특성의 저전력으로 구동될 수 있는 다안정 네마틱 액정 표시장치를 제공함을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다안정 네마틱 액정표시장치는

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삭제

배향막을 갖는 두 개의 기판 사이에 액정 물질을 채워 구성된 액정 표시장치에 있어서, 상기 두 개의 기판에 형성된 배향막 중 적어도 하나의 배향막을 이중광배향하여 구성하되, 상기 이중광배향된 배향막은 기판의 일측에 형성되고 광이성화 특성을 갖는 아조기가 포함된 배향막에 편광된 레이져를 이용하여 형성된 제1배향 패턴과, 기판의 90도회전시킨 후 편광된 레이져를 이용하여 형성되고 상기 제1배향 패턴과 수직을 이루고 형성된 제2배향 패턴을 포함하는 다안정 네마틱 액정표시장치에 관한 것이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 다안정 네마틱 액정 표시 장치의 배향막 위에서 멀티 도메인을 형성시키기 위한 과정과 이로 인해 나타나게 되는 배향막의 패턴 형상을 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 다안정 네마틱 액정 표시 장치의 배향막 위에서 멀티도메인의 제1배향 패턴과 제2배향 패턴이 겹치거나 배향이 이루어지지 않은 곳을 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 다안정 네마틱 액정 표시 장치의 다안정 상태의 액정 시편을 전계에 의하여 평면 스위칭 시키기 위한 전극의 구조를 도시한 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 다안정 네마틱 액정 표시 장치에서 배향막 위에 네마틱 액정의 주입시 배향 효과에 의해 새롭게 형성되는 멀티도메인의 구조를 도시한 평면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 다안정 네마틱 액정 표시 장치의 액정분자의 방향을 직각 좌표계에 표시한 그래프이고, 도 6은 본 발명에 따른 다안정 네마틱 액정 표시 장치에서 전계의 크기에 따른 배향막 위에서의 액정 분자들의 스위칭이 점진적으로 일어나는 것을 나타낸 사진이고, 도 7은 본 발명에 따른 다안정 네마틱 액정 표시 장치의 배향을 위한 빛의 간섭을 유도해내기 위한 모식도이다.

도시한 바와 같이 본 발명에 따른 액정 표시 장치는 두 기판 중 최소한 하나의 기판에 형성된 배향막이 이중광배향되어 있다.

상기 이중광배향된 배향막은 기판의 일측에 형성되고 광이성화 특성을 갖는 아조기가 포함된 배향막에 편광된 레이져를 이용하여 형성된 제1배향 패턴(1)과, 기판의 90도회전시킨 후 편광된 레이져를 이용하여 형성되고 상기 제1배향 패턴(1)과 수직을 이루고 형성된 제2배향 패턴(2)으로 이루어진다.

상기 각각의 배향 패턴(1, 2)은 도 7에 도시한 바와 같이 구성된 배향 장치에 의해 배향이 이루어진다.

즉, 광배향을 위한 배향 장치는 간섭을 적용하기 위하여 가간섭 거리가 긴 레이저를 포함하여 구성되며, 이러한 레이져는 488nm대의 파장을 갖는 아르곤(Ar⁺) 레이저를 사용하였고 가우시안 분포(Gaussian distribution)를 갖는 빔의 세기를 전체적으로 그 크기를 일정하게 유지하게 하기 위해 빔셔이퍼(beam shaper)를 사용하여 20%의 범위 내로 조절할 수 있다.

광배향 과정에서 레이져의 세기 측정은 포토다이오드(photo-diode)를 이용할 수 있다. 이러한 장치를 이용한 광배향은 렌즈를 이용하여 그 사이즈를 조절할 수 있으므로 러빙에 의한 배향의 경우 대면적화 할 때 전 영역에 걸쳐 같은 세기를 유 지시키기가 어려운 반면, 광배향의 경우 세기만 일정하게 유지시킨다면 렌즈를 이용하여 전 영역에 걸쳐 같은 세기로 일정한 배향을 유도할 수 있다는 장점이 있다.

배향 장치에 두 개의 렌즈를 구비하여 레이져의 직경을 확대시킬 수 있으며, 확대된 빔을 한 번 더 편광기를 이용하여 소광비를 증가시킬 수 있고, 편광기를 통과한 빔을 빔 빔셔이퍼를 통하여 같은 세기로 2등분하고 이렇게 이등분된 레이져를 거울로 반사시켜 배향막이 코팅된 기판에 같은 각으로 입사시킬 수 있게 하였다.

상기한 바와 같은 장치에 의해 광배향되는 배향막은 광이성화 특성을 갖는 아조기가 포함하고 있다.

상기 이중광배향막은 제1배향 패턴(1)과 제2배향 패턴(2)이 겹쳐지거나 배향이 이루어지지 않은 영역인 배향 변화 영역(11, 12)과 ; 제1배향패턴(1)이나 제2배향 패턴(2)만이 형성된 배향 고정 영역(21, 22)으로 구성된다.

즉, 도 1, 2 및 4에 도시한 바와 같이 제1배향 패턴(1)과 제2배향 패턴(2)이 겹쳐지는 영역(11)과, 패턴이 형성되지 않은 영역(12), 제1배향 패턴 영역(21) 및 제2배향 패턴 영역(22)으로 구분되며, 패턴 영역(11, 12)은 배형이 자유롭게 변화할 수 있고, 패턴 영역(21, 22)은 배향이 고정되게 되며, 이들의 비율 즉, 상기 배향 고정 영역(21, 22)은 배향 변화 영역(11, 12)의 30내지 70%가 되게 구성함이 바람직하다.

또한, 상기 각각의 배향 고정 영역(21, 22)과 배향 변화 영역(11, 12)의 크기는 0.5×0.5㎛ 내지 5×5㎛로 형성함이 바람직하다.

상기에서는 아조기(azo unit)를 포함한 주쇄타입(main-chain type)의 배향막 으로 광이성화법을 선택하여 설명하였으나, 다른 광배향법의 적용과 다른 배향막의 적용할 수도 있다.

참고로, 도 3의 본 발명에 따른 다안정 네마틱 액정 표시 장치의 다안정 상태의 액정 시편을 전계에 의하여 평면 스위칭 시키기 위한 전극의 구조를 도구에 도시하였다.

상기한 바와 같이 액정 표시 장치를 구성하는 두 개의 기판중 다른 하나의 기판 즉, 이중광배향되지 않은 기판은 폴리이미드를 유리기판에 코팅 후 러빙을 실시할 수 있고, 두 번의 광 조사시 각각의 편광방향에 45도 또는 두 편광방향 중 한 방향과 일치하게 러빙을 실시한다.

상기한 바와 같이 이중광배향된 배향막에는 하나의 픽셀에 총 4개의 영역이 형성되며, 두 개의 서로 수직한 방향을 선호하는 영역(21, 22)과, 빛이 조사되지 않은 한 영역(12), 두 번의 빛 조사 모두 실행된 한 영역(11)들이 존재하여, 이 후 액정을 주입하여 편광현미경으로 관찰한 결과 액정의 배향은 서로 수직한 두 방향의 강한 비등방적 배향력을 갖는 두 개의 영역(21, 22)과 상대적으로 매우 약한 배향력을 갖는 또 다른 두 영역(11, 12)의 상호작용에 의해 본래 4개의 영역을 갖는 구조에서 액정을 주입하면 도 4에 도시한 바와 같이 서로 수직한 방향의 두 개의 새로운 형태의 영역을 갖게 된다.

이러한 현상은 액정을 주입하게 되면 강한 배향력을 갖는 두 영역(11, 12)이 배향 효과(anchoring effect)에 의해 약한 도메인의 영역(21, 22)을 침범하게 되고 약한 배향력을 갖는 영역(21, 22)들의 경우 본래 가지고 있던 영역을 상실함으로써 일어나는 현상이다.

따라서 배향막 위의 표면에서는 서로 다른 두 수직한 방향을 선호하는 두 영역(21, 22)이 형성되고 이 위에서는 강한 배향력을 갖게 된다. 이로 인해 기판의 내부에서는 이 두 영역(11, 12)의 영향으로 액정분자들이 각각의 수직한 방향에 평균적인 방향인 0도 혹은 90도, 즉 에너지적으로 가장 안정한 상태를 선택하여 배향하게 된다.

액정은 두 방향 중 어느 방향을 선택해도 그 상태는 안정하기 때문에 액정의 쌍안정 장치를 구현할 수 있다.

상기에서 실시한 조건의 경우, 폴리이미드가 코팅된 기판의 러빙 방향과 액정의 쌍안정 방향 중 한 방향이 일치하게 되므로 이 후의 액정 표시 장치의 제작에서는 기판의 봉합 시 러빙 방향과 이중광배향 기판의 표면 위에서 선호하는 두 방향 중 한 방향과 일치시켜 시편 내부에서의 쌍안정한 방향과 서로 45도 크기를 갖게 하였다.

만들어진 쌍안정 액정 표시에 전계를 인가시 전기장의 방향은 거시적으로 액정분자들이 선호하는 방향인 0도와 90도로 하여 형성되었다.

전계를 인가하기 전의 셀 내에서는 액정들은 도 5의 직각좌표계를 기준으로 45도나 135도 줄 중 하나를 국소적으로 선택하여 배향하고 있으며, 임의로 한 방향을 선택하여 문턱전압이상의 큰 전압을 인계하면 액정은 전기장의 방향으로 모두 배향하게 된다.

본 발명의 경우에서는 간섭을 이용하였기 때문에 초기에 형성된 네 개의 도 메인 중 특정한 방향을 선호하는 두 영역 내에서도 빛이 조사된 크기가 다르며, 액정을 주입한 후에 확장과 수축에 의해 새로이 만들어진 영역에서도 배향력의 크기가 다르므로 서로 다른 문턱전압 값을 보유한다.

즉 본래 총 4개의 영역을 갖는 구조에서 확장된 두 영역을 갖는 구조로 전이되었기 때문에 원래 상대적으로 약한 배향력을 갖는 두 영역(11, 12)들은 주변에 둘러싸인 배향력이 큰 영역들에 의해 본래와는 다른 비등방적 에너지를 갖게 된다.

따라서 에너지가 큰 영역과 바로 인접한 부근에서는 상대적으로 중앙에서보다 큰 에너지를 갖게 된다. 그러므로 배향막 내에는 같은 방향을 선호하지만 서로 다른 크기의 배향력을 갖는 부분들이 상호 존재하며, 서로 다른 문턱전압 값을 갖게 되고 일정 전계를 인가해주면 선택적인 영역만이 스위칭을 하게 된다.

즉, 한 순간에 액정분자들이 다른 안정한 상태로 전이하는 것이 아니라 배향력이 약한 부분부터 점진적으로 스위칭이 일어나게 되므로 전체적인 밝기를 고려하면 마치 액정 분자들이 모든 방향으로 안정한 상태를 갖는 것처럼 행동하게 되고, 밝기가 점진적으로 변하는 그레이 스케일(gray-scale)을 구현할 수 있게 된다. 또한 이 후 전계를 끊어도 그 상태가 계속 유지되는 다안정 상태가 구현된다.

도 6는 전기장의 크기에 따라 부분적인 스위칭이 일어나 밝기가 변하는 형상을 20㎛ 범위에서 배향막 표면 위를 편광현미경으로 관찰한 결과로서 거시적으로 전체의 영역을 관찰하면 이미지의 깨짐 없이 밝기가 서서히 변하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양한 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 문언에 의해서만 제한 해석될 수 있다.

이상에서 상세히 기술한 바와 같이, 본 발명은 이중광배향으로 다수의 서로 다른 배향 영역을 구현하고, 영역 내에서 비등방적인 배향력에 의해 네마틱 액정의 선택적인 배향을 유도하여 다안정을 이룰 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 배향막을 갖는 두 개의 기판 사이에 액정 물질을 채워 구성된 액정 표시장치에 있어서,

   상기 두 개의 기판에 형성된 배향막 중 적어도 하나의 배향막을 이중광배향하여 구성하되,

   상기 이중광배향된 배향막은 기판의 일측에 형성되고 광이성화 특성을 갖는 아조기가 포함된 배향막에 편광된 레이져를 이용하여 형성된 제1배향 패턴(1)과, 기판의 90도 회전시킨 후 편광된 레이져를 이용하여 형성되고 상기 제1배향 패턴(1)과 수직을 이루고 형성된 제2배향 패턴(2)을 포함하는 다안정 네마틱 액정표시장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 이중광배향막은 제1배향 패턴(1)과 제2배향 패턴(2)이 겹쳐지거나 배향이 이루어지지 않은 영역인 배향 변화 영역(11, 12)과 ;

   제1배향패턴(1)이나 제2배향 패턴(2)만이 형성된 배향 고정 영역(21, 22)으로 구성됨을 특징으로 하는 다안정 네마틱 액정표시장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 배향 고정 영역(21, 22)은 배향 변화 영역(11, 12)의 30내지 70%임을 특징으로 하는 다안정 네마틱 액정표시장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 각각의 배향 고정 영역(21, 22)과 배향 변화 영역(11, 12)의 크기는 0.5×0.5㎛ 내지 5×5㎛임을 특징으로 하는 다안정 네마틱 액정표시장치.

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