KR100873304B1 - 광경화성 단분자를 이용한 수직 배향 액정 표시 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직 배향 액정 표시 장치에 관한 것으로 박막 트랜지스터공정과 배향막 공정이 완료된 하부기판에 화소를 구분 짓도록 각각의 화소 외곽을 따라 일정 높이의 고분자 벽을 형성하고 광경화성 단분자가 포함된 액정을 주입하여 상판을 합착한 후 전압을 인가한 상태에서 UV를 조사하면, UV에 의해 광경화성 단분자들은 기울어진 액정을 따라 각 상부와 하부 기판의 표면에서 경화되고, 반대로 전압 제거 후에는 표면의 액정들이 경화된 광경화성 단분자들에 의해 선경사각을 갖게 됨으로써, 선경사각에 의해 빠른 응답 시간을 갖도록 한 새로운 구조의 수직 배향 액정 표시 장치이다.

수직 배향 액정 표시 장치, 고분자 벽, 광시야각, 고속 응답, 광경화성 단분자

Description

광경화성 단분자를 이용한 수직 배향 액정 표시 장치 {Vertical Alignment Liquid Crystal Display using UV Curable Monomer}

액정을 이용한 디스플레이 기술

본 발명은 광경화성 단분자를 이용하여 광시야각 및 고속 응답 효과를 내는 수직 배향 액정 표시 장치에 관한 것으로써, 종래의 수직 배향 액정 표시 장치는 광시야각 효과를 내기 위해 상하부 기판에 형성된 투명 전극 중 일부를 제거하여 경사진 수직 전기장을 이용하거나, 기판에 돌기를 형성하여 돌기 주변의 액정이 초기 선경사각을 갖도록 함으로써 광시야각 효과를 냈다. 하지만 이들은 복잡한 공정 조건들이 수반되며, 개구율 측면에서도 불리한 단점들이 있다, 이 외에도 액정에 광경화성 수지를 혼합하여 패널에 주입하고 공정 완료 후 화소 전극을 제외한 영역에 UV를 조사함으로써 상분리를 통해 액정으로부터 광경화성 수지를 분리하여 액정들이 화소 별로 격자 형태의 고분자 벽에 둘러싸인 구조를 갖는 ASM(Axially Symmetric aligned Micro-cell)모드가 개발되었다. ASM 모드는 격자 형태의 고분자 벽의 영향으로 액정 방향자가 화소의 중심을 기준으로 축 대칭을 이루며 다중 도메인을 형성하기 때문에 비교적 간단한 공정으로 광시야각 효과를 낼 수 있다. 하지만 이 또한, 여러 문제점을 수반한다. 일례로, 상분리에 가담하지 않고 남겨진 여분의 광경화성 수지는 액정 내에 잔류하여 액정의 물성 특성에 영향을 줄 수 있으며, 합착된 패널에서 화소 전극을 제외한 영역에 UV를 조사하기 때문에 상대적으로 강한 UV가 사용되어 부가적인 불량 요소를 유발할 수 있다. 이를 개선하기 위해 최근 제시된 새로운 구조의 수직 배향 액정 표시 장치인 LSH(Locked Super Homeotropic)모드(특허 제 10-0724985호)는 TFT 공정이 완료되고 수직 배향막이 형성된 하부기판에 각각의 화소 단위로 격자 형태의 고분자 벽을 형성하고, 유전율 이방성이 음인 액정을 채운 후 수직 배향막이 코팅되고 컬러 필터와 BM(Black matrix)등이 설치된 상부 기판을 합착하여 제작한다. LSH 모드는 비교적 간단한 공정으로 제작이 가능하며, 유전율 이방성이 음인 액정들은 초기 기판에 수직으로 배열되어 있고, 수직 전기장이 형성되면 액정들은 전기장에 수직 방향으로 기울어지며 기판에 평행한 상태가 된다. 이 때 화소의 중앙을 기준으로 축 대칭의 배열을 이루며 다중 도메인을 형성하여 광시야각 효과를 낸다. 뿐만 아니라, 고분자 벽과 액정이 완전히 분리되어 있기 때문에 ASM 모드에서와 같이 부가적인 문제점을 수반하지 않으며, 고분자 벽에 의해 액정 유동이 각각의 화소로 제한됨으로써 중력 무라와 같이 패널 전체에서 액정의 유동이 가능한 여느 LCD에서 발생하는 문제점을 원천적으로 차단할 수 있다.

고분자 벽으로 액정을 가두고 구동하는 수직 배향 액정 표시 장치에서 초기 기판에 수직 방향으로 배열되어 있는 액정 방향자들은 구동 시에 기판에 평행하게 기울어지며 재배열되지만 기울어지는 방향이 정의되어 있지 않기 때문에 구동 초기에 일시적으로 서로 다른 방향으로 눕는 액정 방향자들에 의해 충돌이 발생하며 불안정한 재배열을 보여준다. 이렇게 불안정한 재배열은 시간이 지남에 따라 화소의 중앙에 하나의 점결함을 형성하고 이를 중심으로 전면에서 대칭을 이루며 다중 도메인을 형성하는 배열을 이루며 광시야각 효과를 내지만 구동 초기 이러한 액정 방향자의 불안정한 재배열은 응답 시간을 느리게 하는 주요 원인이 된다.

따라서 본 발명에서는 초기 기판에 수직으로 배열되어 있는 액정 방향자들 중 기판 표면의 액정 방향자들에 특정 방향들로 약간씩 기울어지도록 다중 선경사각을 갖게 하였다. 이를 통해 구동 시에 기판에 평행하게 기울어지는 액정 방향자들의 기울어지는 방향이 정의되도록 하여, 충돌이 최소화되고 액정 방향자들을 안정적으로 재배열시킴으로써 기존의 다중 도메인을 형성하면서 보다 안정적으로 구동하여 고속 응답을 구현하도록 하였다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 액정이 고분자 벽에 의해 둘러싸인 수직 배향 액정 표시 장치에 광경화성 단분자를 이용하여 다중 선경사각을 갖도록 하는 본 발명이 적용될 경우, 구동 초기 상태에서 불안정하던 액정 방향자의 재배열을 안정화시킴으로써, 응답 시간을 향상시키고, 다중 도메인 액정 배열을 유지하여 광시야각 효과를 내며, 액정 방향자들이 초기 선경사각을 갖기 때문에 전기장 의존성이 상대적으로 작아지면서 보다 빠르게 전기장에 반응하여 구동전압이 낮아지는 효과를 낼 수 있다. 뿐만 아니라 고분자 벽만을 이용한 수직 배향 액정 표시 장치는 각 화소의 중심에서 하나의 점결함을 갖도록 액정 방향자가 배열하기 때문에 고분자 벽에 의해 형성되는 홀의 크기가 커질수록 구동 초기에 더욱 불안정하게 재배열되지만, 선경사각을 갖는 경우 홀의 크기에 상관없이 안정적인 재배열을 보여준다. 도 7은 기존의 고분자 벽을 이용한 수직 배향 액정 표시 장치와 본 발명이 적용된 고분자 벽을 이용한 수직 배향 액정 표시 장치의 계조 간 응답 시간 및 반복 측정을 통한 계조 간 응답 시간 편차를 나타낸 것으로써 계조 표시에 있어서 기존에 비해 상당히 빠르고 반복적인 측정에서도 고정적인 결과를 보여주는 것을 알 수 있다. 도 8은 기존의 고분자 벽을 이용한 수직 배향 액정 표시 장치와 본 발명이 적용된 고분자 벽을 이용한 수직 배향 액정 표시 장치의 전압 인가에 따른 투과율 곡선 그래프로써 나타난 바와 같이 본 발명이 적용될 경우 보다 빠르게 전기장에 반응하는 것을 알 수 있다. 본 발명의 성과가 달성될 경우 광시야각과 고속 응답 구현이 가능한 수직 배향 액정 표시 장치를 비교적 쉽고 저렴하게 제작할 수 있으며, 대면적이나 소형 액정 표시 장치에 모두에 적용하기가 용이하다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수직 배향 액정 표시 장치는 TFT 공정이 완료되고 투명 전극이 화소 단위로 배치되며 수직 배향막이 형성된 하부기판에 고분자 벽이 각각의 화소를 구분 지으며 격자 형태로 형성되는 단계와;

유전율 이방성이 음인 액정에 소량의 광경화성 단분자와 카이럴 도펀트를 혼합하여 상기의 하부 기판에 주입하는 단계와;

상기 하부 기판과 투명 전극이 형성되고 그 위로 컬러 필터가 설치되며, 수직 배향막이 형성된 상부 기판을 합착하는 단계와;

상기 상부와 하부기판의 투명 전극에 서서히 전압을 인가하여 문턱 전압 이상의 전위차를 형성하여 특정 세기의 수직 전기장이 형성되는 단계와;

상기 상부기판과 하부기판 중 하나의 바깥 면에 특정 수직 전기장이 형성된 상태에서 UV가 조사되는 단계와;

상기 상부와 하부 기판 바깥쪽으로 편광판 투과축이 서로 교차되도록 하여 각각 한 장의 편광판이 부착되는 단계를 포함한다.

상기에서 하부기판에 형성되는 고분자 벽에 의해 액정이 채워지도록 구성되는 홀의 모양은 각각 원형, 육각형, 사각형으로 제작이 가능하며, 본 발명의 이해를 돕기 위해 원형의 홀을 갖도록 고분자 벽이 형성된 수직 배향 액정 표시 장치에 본 발명을 적용하여 설명하도록 한다.

도 1은 고분자 벽이 설치되기 전의 하부 기판 구조로써, 게이트 배선(203)과 데이터 배선(204)이 설치되고 TFT 장치(205)를 통해 화소 전극(206)에 선택적으로 신호를 전달할 수 있는 TFT 장치가 설치된 상태를 나타낸 것으로, 이하에서는 이러한 일련의 배선과 전극 구조를 하부 기판의 투명 전극(201)으로 나타낸다.

도 2와 같이 하부 기판(200)은 투명 전극이 형성되고(201) 그 위로 수직 배향막(202)이 형성되며, 그 위로 점도가 높은 광경화성 고분자 수지(Photo resist)를 이용하여 특정 높이로 원형의 홀을 갖도록 하는 고분자 벽(203)을 형성한다. 하부 기판에 소량의 광경화성 단분자와 카이럴 도펀트를 혼합한 음의 액정(도시되지 않음)을 채우고, 투명 전극(101)과 수직 배향막(102)이 형성된 상부 기판(100)을 전극이 마주 보도록 합착한다.

도 3a 내지 도 3d는 도 1의 A-A`의 단면에 따라 액정에 포함되어 주입된 광경화성 단분자를 경화시켜 수직 배향막이 있는 상하부 기판의 표면 쪽에서 특정 기울기를 가지며 경화되는 과정을 나타낸 것으로써, 도 3a에서와 같이 초기 수직 전기장이 형성되지 않은 상태에서 액정 방향자들(300)은 상하부 기판(100, 200)의 표면에 형성되어 있는 수직 배향막(102, 202)에 의해 기판에 수직인 상태로 배열되어 있으며, 광경화성 단분자(301) 또한 액정 배열을 따라 기판에 수직인 상태로 배열된다.

도 3b는 상기의 구조에서 상하부의 전극(101, 102)에 장치의 구동 전압 이상의 전위차를 형성시켜 수직 전기장(400)을 형성한 것으로써, 액정 방향자들(300)은 전기장에 수직인 방향으로 기울어지며, 광경화성 단분자(301) 또한 액정과 같은 방향으로 배열되려 한다. 액정 방향자들은 초기 서로 다른 방향으로 기울어지며 충돌을 일으키지만, 고분자 벽(204)과 액정에 포함되어 있는 카이럴 도펀트(도시되지 않음)에 의해 도 3b와 같은 배열을 갖는다.

도 3c는 상기 구조의 한 쪽 면에 UV(500)를 조사한 것으로써, UV에 의해 광경화 성 단분자의 경화가 시작되며, 이 때 경화는 상하부 기판의 표면 쪽에서부터 진행되어 수직 전기장에 의해 기울어진 액정 방향자(300)를 따라 일정한 기울기를 가지며 경화된다. 충분히 경화가 진행된 상태에서 도 3d와 같이 수직 전기장을 제거하면, 표면에 있는 액정 방향자(300)들은 이미 경화되어 있는 광경화성 단분자(302)에 의해 특정 방향으로 기울기를 가지며 배열하고, 나머지 액정 방향자들(300)은 원 상태로 복귀하여 수직 배열된 상태를 유지한다.

도 4는 도 3a 내지 도 3d에서 본 발명이 적용된 LSH 모드 수직 배향 액정 표시 장치의 하부 기판(200)을 개략적으로 나타낸 것으로써, 일정한 기울기를 가지며 경화된 단분자 층(302)에 의해 표면의 액정 방향자들(300)이 다중 선경사각을 가지며 배열되어 있는 것을 나타낸다. 선경사각을 갖는 구조와 그렇지 않은 구조의 차이는 도 5a와 도 5b에 나타난 바와 같다.

도 5a와 같이 선경사각이 없는 일반적인 수직 배향 액정 표시 장치에서는 수직 전기장이 형성될 경우 기울어지는 방향이 일정하지 않을 뿐 아니라 기울어지는 각도 상대적으로 크기 때문에 선경사각을 갖는 도 6b와 같은 경우보다 불안정한 배열을 보이며 느린 응답 시간을 갖는다.

서두에 언급한 바와 같이 발명의 이해를 돕기 위해 원형의 고분자 벽을 갖는 구조로 본 발명을 설명하였지만, 도 6a 내지 6c와 같은 형태의 고분자 벽(203)을 갖는 구조에서도 적용가능하다.

도 1은 본 발명이 적용되는 수직 배향 액정 표시 장치의 하부 기판에 설치되는 TFT의 구조도.

도 2는 본 발명이 적용된 원형의 고분자 벽을 갖는 수직 배향 액정 표시 장치의 개략도.

도 3a는 본 발명이 시도되는 도 2의 A-A` 단면에 따른 수직 배향 액정 표시 장치의 단면도.

도 3b는 도 2a에서 수직 전기장을 형성시키는 단계의 단면도.

도 3c는 도 2b에서 하부 기판을 통해 UV를 조사하는 단계의 단면도.

도 3d는 도 2c에서 조사된 UV와 도 2b에서 형성된 수직 전기장을 제거한 단면도.

도 4는 본 발명에 따라 원형의 고분자 벽을 갖는 구조의 수직 배향 액정 표시 장치에서 하부 기판의 액정 방향자 배열을 나타낸 개략도.

도 5a는 일반적인 수직 배향 액정 표시 장치에서 전기장에 반응하는 액정의 배열도.

도 5b는 선경사각을 갖는 수직 배향 액정 표시 장치에서 전기장에 반응하는 액정의 배열도.

도 6a 내지 6c는 다양한 형태의 고분자 벽으로 본 발명이 적용된 수직 배향 액정 표시 장치의 평면도.

도 7은 기존의 고분자 벽을 이용한 수직 배향 액정 표시 장치와 본 발명이 적용된 고분자 벽을 이용한 수직 배향 액정 표시 장치의 계조 간 응답 시간 비교 그래프.

도 8은 기존의 고분자 벽을 이용한 수직 배향 액정 표시 장치와 본 발명이 적용된 고분자 벽을 이용한 수직 배향 액정 표시 장치의 전압-투과율 곡선 비교 그래프.

100: 상부 기판 200: 하부 기판101: 상부 투명 전극 201: 하부 투명 전극

102: 상부 수직 배향막 202: 상부 수직 배향막

301: 광경화성 단분자 302: 경화된 광경화성 단분자

Claims (6)

1. 제1 기판, 상기 기판 위에 형성되어 있는 박막 트랜지스터 및 상기 박막 트랜지스터와 연결되어 있는 화소 전극을 포함하는 박막 트랜지스터 표시판,

   상기 박막 트랜지스터 표시판과 마주하며, 제2 기판, 상기 제2 기판 위에 형성되어 있는 색 필터 및 상기 색 필터 위에 형성되어 있는 공통 전극을 포함하는 색 필터 표시판,

   상기 박막 트랜지스터 표시판과 상기 색 필터 표시판의 사이에 배치되며, 복수의 화소 영역을 구획하고 있는 고분자 벽, 그리고

   상기 각 화소 영역에 형성되어 있고 상기 화소 전극 위에 위치하며 기설정된 높이를 가지는 제1 단분자층을 포함하며,

   상기 제1 단분자층은 선 경사각을 가지고 경화되어 있는 광경화성 단분자, 그리고

   상기 광경화성 단분자와 동일한 선 경사각을 가지는 액정 분자를 포함하는 액정 표시 장치.
2. 제1항에서,

   상기 각 화소 영역에서 상기 제1 단분자층과 마주하고 기설정된 높이를 가지는 제2 단분자층을 더 포함하며, 상기 제2 단분자층은 선 경사각을 가지고 경화되어 있는 광경화성 단분자 및 상기 광경화성 단분자와 동일한 선 경사각을 가지는 액정 분자를 포함하는 액정 표시 장치.
3. 제 1항과 2항에서,

   상기 각 화소 영역에서 상기 제1 단분자 층과 제2 단분자 층의 높이를 각각 10nm∼1000nm로 하여 광경화성 단분자 및 상기 경화성 단분자와 동일한 선경사각을 가지는 액정 분자를 포함하는 액정 표시 장치.
4. 제 1항과 2항에서,

   상기 각 화소 영역에 문턱 전압보다 높은 전압을 인가한 상태에서 UV를 조사하여 인가된 전압에 의해 나타나는 액정의 선경사각과 같은 형태로 단분자층이 형성되어 전압을 제거하여도 상기 선경사각을 가지는 액정 분자를 포함하는 액정 표시 장치.
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