KR100931489B1 - 액정 표시 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 최적의 광효율을 가지는 액정 표시 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 액정 표시 장치는, 서로 대향하는 제 1, 2 기판과, 상기 제 1, 2 기판 사이에 형성되는 액정층과, 상기 제 1, 2 기판 상에 형성되어 있는 제 1 배향막과, 상기 제 1, 2 기판중에서 적어도 한 기판 상에 형성되어 액정 분자를 평면 스위칭하는 CDR(Continuosly Director Rotate)모드 액정을 이용한 제 2 배향막을 포함하여 이루어진다.
따라서, 본 발명은 액정 표시 장치에서 액정 분자가 CDR 모드 액정을 배향막으로 사용함으로써 배향성이 뛰어나 화질 품위와 광효율이 우수하고 CDR모드 액정의 특성을 유지하도록 하여 광시야각을 구현하는 장점이 있다.
배향, CDR, 액정, 광효율

Description

액정 표시 장치 및 그 제조 방법{Liquid Crystal Display Device and the fabrication method thereof}
도 1은 횡전계방식 액정 표시 장치의 평면도.
도 2는 횡전계방식 액정 표시 장치의 전압분포도.
도 3a 및 도 3b는 종래 기술에 의한 전압 무인가/인가시에서의 횡전계방식 액정 표시 장치의 평면도.
도 4는 본 발명에 따른 액정 표시 장치에서 CDR모드 액정을 이용하여 배향막을 형성할 경우 배향된 CDR모드 액정의 특성을 보여주는 도면.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 액정 표시 장치에서 배향막에 따른 액정의 특성을 보여주는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 액정 표시 장치에서 액정 분자의 배향 특성을 보여주는 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
200 : 기판 201 : CDR 모드 액정
204a : 메인 체인(main chain) 204b : 사이드 체인(side chain)
205 : 배향막 210 : CDR 모드 액정 배향막
230 : 액정(LC)
본 발명은 최적의 광효율을 가지는 액정 표시 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 액티브 매트릭스 액정 표시 장치의 성능이 급속하게 발전함에 따라, 평판 TV, 휴대용 컴퓨터, 고정보량이 요구되는 모니터 등에 광범위하게 사용되고 있다.
상기 액티브 매트릭스 액정 표시 장치 중 트위스티드 네마틱(TN : Twisted Nematic) 방식의 액정 표시 장치를 현재 주로 사용하고 있는데, 트위스티드 네마틱 방식은 두 기판에 각각 전극을 설치하고 액정 방향자가 90°트위스트 되도록 배열한 다음, 전극에 전압을 가하여 액정 방향자를 구동하는 기술이다.
그러나, 상기 TN방식 액정 표시 장치는 좁은 시야각과 그레이 스케일 동작에서의 늦은 응답특성 등과 같은 근본적인 문제점을 갖는다.
따라서, 이러한 TN방식의 액정 표시 장치의 문제점을 해결하기 위한 연구가 활발하다.
그 중에서 한 기판 상에 두개의 전극을 형성한 후, 상기 두 전극 사이에 전압을 인가하여 기판에 대해서 수평방향으로 전계를 발생시켜 액정의 방향자가 배향막의 나란한 평면에서 꼬이게 하는 횡전계방식(In-Plane Switching Mode)의 액정 표시 장치가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술의 횡전계방식 액정 표시 장치를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 횡전계방식 액정 표시 장치의 평면도이고, 도 2는 횡전계방식 액정 표시 장치의 전압분포도이다. 그리고, 도 3a 및 도 3b는 종래 기술에 의한 전압 무인가/인가시에서의 횡전계방식 액정 표시 장치의 평면도이다.
도시되지는 않았지만, 서로 대향 배치된 제 1 ,제 2 기판과 그 사이에 형성된 액정층으로 구성된 종래의 횡전계방식 액정 표시 장치에 있어서, 상기 제 1 기판 상에는 빛샘을 방지하기 위한 블랙 매트릭스와, 상기 블랙 매트릭스 상에 색상을 구현하기 위한 R,G,B의 컬러필터층과, 상기 컬러필터층을 보호하기 위한 오버코트층이 형성되어 있다.
그리고, 상기 제 2 기판 상에는 도 1에서와 같이, 기판 상에 교차 배치되어 화소영역을 정의하는 게이트 배선(110) 및 데이터 배선(111)과, 상기한 게이트 배선(110)과 평행하도록 화소 내에 배치된 공통배선(112)과, 상기한 게이트 배선(110)과 데이터 배선(111)의 교차 부위에 배치된 박막트랜지스터와, 상기 공통배선(112)에서 연장되어 상기 데이터 배선(111)에 평행한 공통전극(113)과, 상기 박막트랜지스터에 연결되어 상기 공통전극 사이에서 상기 공통전극과 평행하도록 배치된 화소 전극(114)과, 상기 화소 전극(114)에서 연장되어 게이트 배선(110) 상부에 형성된 스토리지 전극(115)과, 상기 데이터 배선(111)을 포함한 전면에 형성되어 제 1 기판 상의 패턴들을 보호하는 보호막(미도시)이 형성되어 있다.
이 때, 상기 게이트 배선층과 데이터 배선층은 절연 특성이 우수한 게이트 절연막(미도시)을 사이에 두고 절연되어 있고, 상기 공통배선(112) 및 공통전극(113)은 상기 게이트 배선(110)과 동시에 형성되고, 상기 화소 전극(114)은 상기 데이터 배선(111)과 동시에 형성된다. 상기 게이트 배선(110) 및 데이터 배선(111)은 저저항의 금속 물질을 재료로 한다.
또한, 상기 공통전극(113) 및 화소 전극(114)은 상기에서와 같이 절연막을 사이에 두고 서로 다른 평면상에 형성하여도 되고, 전기적 단락(short)이 일어나지 않는 범위 내에서 동일 평면상에 형성하여도 된다.
그리고, 상기 박막트랜지스터는 상기 게이트 배선(111)에서 연장된 게이트 전극(110a)과, 게이트 절연막과, 채널영역을 가지는 액티브층(119)과, 상기 데이터 배선(111)에서 연장된 소스전극(111a) 및 드레인 전극(111b)으로 구성된다.
이와같이 구성된 횡전계방식 액정 표시 장치는 공통전극(113)에 5V를 걸어주고 화소 전극(114)에 0V를 걸어주면 도 2에서와 같이, 등전극 바로 위의 부분에서는 등전위면이 평행하게 분포하고 두 전극 사이의 영역에서는 오히려 등전위면이 수직에 가깝도록 분포한다.
따라서, 전기장의 방향은 등전위면에 수직하므로 공통전극(113)과 화소 전극(114) 사이에서는 수직 전기장보다는 수평 전기장이, 각 전극 상에서는 수직 전기장이, 그리고 전극 모서리 부분에서는 수평 및 수직 전기장이 복합적으로 형성된다.
횡전계방식 액정 표시 장치는 이러한 전기장을 이용하여 액정분자의 배열을 조절한다.
도 3a에서와 같이, 어느 한 편광판의 투과축과 동일한 방향으로 초기 배향된 액정분자(135)에 충분한 전압을 걸어주면, 도 3b에서와 같이 액정분자(135)의 장축이 전기장에 나란하도록 배열된다.
만일, 액정의 유전율 이방성이 음이면 액정분자의 단축이 전기장에 나란하게 배열된다.
구체적으로, 제 1 ,제 2 기판의 외주면에 부착된 제 1 ,제 2 편광판은 그 투과축이 직교하도록 배치하고, 제 1 기판 상에 형성된 배향막의 러빙방향은 어느 한 편광판의 투과축과 나란하게 함으로써 노멀리-블랙(nomally black)이 되게 한다.
즉, 소자에 전압을 인가하지 않으면 액정분자(135)가 도 3a에서와 같이 배열되어 블랙(black) 상태를 표시하고, 소자에 전압을 인가하면 도 3b에서와 같이 액정분자(135)가 전기장에 나란하게 배열되어 화이트(white)를 표시한다.
여기서, 도 3a 및 도 3b에서의 미설명 부호인 '113'은 공통전극이고 '114'는 화소 전극이다.
그러나, 상기와 같은 종래 기술에 의한 횡전계방식 액정 표시 장치는 응답특성이 뛰어나지 못하고, 광투과효율이 낮은 문제점이 있다.
본 발명은 액정 표시 장치에서 액정 분자가 CDR 모드 액정을 배향막으로 사용함으로써 배향성이 뛰어나 화질 품위가 우수하고 광효율이 우수한 액정 표시 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 액정 표시 장치는, 서로 대향하는 제 1, 2 기판과; 상기 제 1, 2 기판 사이에 형성되는 액정층과; 상기 제 1, 2 기판 상에 형성되어 있는 제 1 배향막과; 상기 제 1, 2 기판중에서 적어도 한 기판 상에 형성되어 액정 분자를 평면 스위칭하는 CDR(Continuosly Director Rotate)모드 액정을 이용한 제 2 배향막을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1, 2 기판의 상하로 전계가 인가되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 배향막은 폴리이미드(polyimide)계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 배향막은 인가되는 전계에 따라서 연속적으로 CDR 모드 액정 방향이 회전하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 배향막은 초기 배향시에 광경화되어 고분자 상을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 액정층은 네가티브(negative) 타입의 액정층인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 액정 표시 장치의 제조 방법은, 제 1, 2 기판을 준비하는 단계와; 상기 제 1, 2 기판 상에 제 1 배향막을 형성하는 단계와; 상기 제 1, 2 기판중에서 적어도 한 기판 상에 CDR(Continuosly Director Rotate)모드 액정을 이용한 제 2 배향막을 형성하는 단계와; 상기 제 1, 2 기판 사이에 액정층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 CDR모드 액정을 이용한 제 2 배향막을 형성하는 단계에 있어서, 상기 CDR모드 액정 분자를 치환하여 광경화성으로 개질하는 단계와; 상기 개질한 CDR모드 액정을 기판 상에 형성하는 단계와; 상기 CDR모드 액정을 광경화시키는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 액정 표시 장치에 대해서 구체적으로 설명한다
본 발명에서는 배향막으로 강유전성 액정(Ferroelectric Liquid Crystal : FLC) 중에서 CDR(Continuosly Director Rotate)모드 액정은 일반적인 FLC와 달리 모노머 상태(monomer state)에서 스메틱(Smectic) A상(SmA*)이 없는 상전이 양상(Crystal-SmC*(Smectic C*) -N*(chiral nematic)-Isotropic )을 나타낸다.
이와 같이, CDR모드 액정은 광효율이 높고 쌍안정성(bistable)이 아닌 단안정성(monostable) 구조이기 때문에 아날로그 계조(Analog Gray Scale)가 가능하다는 장점을 갖고 있다.
즉, 상기 CDR모드 액정을 이용하면 다양한 그레이(gray) 구현을 할 수 있다.
상기 CDR모드 액정의 강유전성 액정셀은 부극성의 전압(-V)에 의해 전계 배향된 경우에 정극성의 전압(+V)이 인가된 경우에만 입사광의 편광방향을 90°변환함으로써 입사광을 투과시키고 부극성의 전압(-V)이 인가되면 입사광의 편광 방향을 그대로 유지시켜 입사광을 거의 차단하게 된다.
이때, 광투과율은 정극성의 전압(+V)의 세기에 비례하여 증가되고 그 정극성의 전압(+V)의 세기가 소정의 문턱치 이상으로 증가하면 최대값으로 유지된다.
이와 반대로, CDR모드 액정의 강유전성 액정셀이 정극성의 전압(+V)에 의해 전계배향되면 부극성의 전압(-V)이 인가된 경우에만 입사광을 투과시키고 정극성의 전압(+V)이 인가되면 입사광을 거의 차단하게 된다.
여기서, 상기 CDR 모드 액정에 광경화 반응이 가능하도록 말단기에 이중 결합(double bond group)을 치환함으로써 개질한다.
이와 같이 개질한 CDR모드 액정은 기본적으로 모노머 상태에서 CDR모드 액정의 특성을 유지하게 되므로 이와 같은 성질을 이용하여 다이나믹 표면(dynamic surface) 배향막으로 사용할 경우에 다양한 계조의 표현이 가능하여 광효율을 높일 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 액정 표시 장치에서 CDR모드 액정을 이용하여 배향막을 형성할 경우 배향된 CDR모드 액정의 특성을 보여주는 도면이다.
앞서 설명한 바와 같이, CDR모드 액정(201)은 기본적으로 광효율이 높고 쌍안정성(bistable) 이 아닌 단안정성(monostable) 구조이기 때문에 아날로그 계조(Analog Gray Scale)가 가능하므로 다양한 그레이(gray) 구현을 할 수 있다.
이와 같은 CDR 모드 액정(201)은 배향막 상에 도포한 후에, N*(chiral nematic)상과 스메틱 C*상의 상전이 온도 부근에서 액정에 적절한 전압을 인가하여 균일한 배향 상태를 모노머 상태(단안정성 구조)에서 이룬다.
이와 같은 CDR 모드 액정(201)에 UV를 조사하여 광경화시킴으로써 고분자 상(polymer network)을 이룬다.
이는, 상기 CDR 모드 액정(201)이 광경화 반응이 가능하도록 말단기에 이중 결합(double bond group)을 치환하여 개질함으로써 이루어진다.
이와 같이 CDR 모드 액정(201)을 이용한 다이나믹 배향막을 사용할 경우 광 투과율 T는 다음과 같은 식 (1)을 만족한다.
T = sin2(πdΔn)/λ·sin22θ … (1)
광 투과율은 제 1 극성의 전압을 인가했을 때의 틸트각 θ에 의존한다.
이때, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 CDR모드 액정(201)은 초기에 콘(cone)의 끝단에 위치하여 회전 가능한 θ는 22.5도를 넘어 최적 효율을 얻기 위한 45도를 구현할 수 있다.
상기 회전 각도는 20도~25도 정도로 정할 수 있다.
이때, 상기 CDR모드 액정(201)은 모노머 상태(monomer state)에서 Crystal-SmC*(smectic C*) -N*(chiral nematic)-Isotropic 의 상전이를 연속적으로 가짐으로써 초기 배향으로부터 상하 전계에 따라 배향된 액정이 연속적으로 방향을 회전하므로 중간 그레이의 구현이 가능하다.
즉, 본 발명에 따른 액정 표시 장치는 상부 전극(도시하지 않음)과 하부 전극(도시하지 않음)에 전압을 인가하여 액정(230)을 면내구동시킴으로써 광을 변환한다.
이때, CDR모드 액정(201)은 가상의 콘(cone)을 따라 회전하면서 실질적으로 면내 구동하며, 그와 인접하는 액정(230)의 면내 구동을 유도한다.
상기 CDR모드 액정(201)에 자기장이 가해지면, 상기 CDR모드 액정(201)은 영구적인 분극, 즉, 자발 분극을 가지므로, 마치 자석과 자석의 상호작용과 같이 전 기장과 자발분극의 상호작용에 의해 빠르게 회전하게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 액정 표시 장치에서 다이나믹 배향막에 따른 액정의 특성을 보여주는 도면이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 다이나믹 배향막은 CDR모드 액정(201)을 광경화 반응이 가능하도록 개질하여 사용한다.
여기서, 상기 CDR모드 액정 배향막은 고분자 물질의 메인 체인(main chain)(204a)과 사이드 체인(side chain)(204b)을 가진다.
여기서, 상기 사이드 체인(204b)은 메인 체인(204a)으로부터 옆으로 신장되어진 곁가지의 형태를 이루게 된다.
상기 사이드 체인(204b)은 전기장에 따라 배향막(210)의 표면과 평행한 평면방향에서 변하는 구조를 가진다. 다시 말하여, 상기 사이드 체인(204b)은 인가되는 전기장의 세기에 따라 배향막(210)의 표면과 평행한 평면 방향에서 움직이게 된다.
상기와 같이 CDR모드 액정(201) 분자의 사이드 체인(204b)에 이중 결합(double bond group)을 치환하여 개질한 후에, 배향막(205) 상에 상기 개질한 CDR 모드 액정(201)을 코팅한다.
그리고, 상기 코팅한 CDR 모드 액정(201)은 모노머 상태에서 균일한 배향 상태를 유지하며 UV를 조사하여 광경화시킴으로써 고분자 상을 이루는 CDR모드 액정 배향막(210)을 형성한다.
이때, 상기 CDR모드 액정 배향막(210) 상에 액정을 초기 배향시키면 상기 CDR 모드 액정(201) 분자는 CDR모드 액정 배향막(210) 상에서 기판에 대하여 평면으로 배향된다.
여기서, 상기 CDR 모드 액정(201)의 배열 상태는 전계를 인가하지 않았을 경우에 기본적으로 N* -> SmC*의 상전이 하여 초기 액정 배열을 취한다.
즉, 초기 N*상태로부터 SmC*로의 온도 변화에 의한 상전이 과정에서 DC성분의 전기장을 상,하판 사이에 인가하여 초기 배향시킨다.
구체적으로, N*에서 SmC*로의 상전이 과정에 음(-)의 전기장을 기판(200) 쪽으로 인가하면, 액정 분자(201)에 자발분극(Ps: Spontaneous polarization)이 발생됨과 동시에 자발분극의 방향이 전기장의 방향으로 향하게 되는 성질에 의해, 액정의 자발분극이 기판(200)을 향하도록 배치되어, 도 5a에 도시된 바와 같이, 단안정성(monostable) 구조를 가지게 된다.
그리고, 도 5b 및 도 5c에 도시된 바와 같이, 초기 배향된 상태에 반대되는 성분인 양(+)의 전기장을 기판(200) 쪽으로 인가하면, 상기 CDR모드 액정 배향막(210)의 액정 분자(201)는 전기장의 크기에 따라서 콘(cone) 주위를 돌면서 연속적으로 회전하므로 중간 그레이 층의 구현이 가능하게 된다.
상기 CDR모드 액정 배향막(210)의 액정 분자(201)는 도 6과 같이 SmC*(Smectic C*)의 전이과정에서 배향된 극성과 다른 전계가 인가되면 자발 분극(Ps)의 방향이 바뀌면서 면내 방향으로 구동하며 그와 인접하는 액정(230)의 면내 구동을 유도한다.
상기 액정(230)의 액정 분자는 상기 CDR모드 액정 배향막(210)의 강유전성 액정 분자(201)와 섞이지 않고 상분리가 일어나며 계면을 이루게 된다.
이와 같이, 상기 CDR모드 액정 배향막(210)을 이용하여 액정(230)을 배향하면 기판(200)에 대하여 평면에서 스위칭하게 되므로 시야각 특성이 크게 개선되고, 자발분극(Ps : spontaneous polarization)에 의한 반전 스위칭으로 인해 수십us∼수십ms의 매우 빠른 응답속도를 나타낸다.
상기 액정(230)은 네마틱계 액정이며, 네가티브 타입(negative type) 또는 포지티브 타입(positive type)의 물질이 사용될 수도 있으며, 네가티브 타입의 액정으로 선택하는 것이 상하 기판의 전계 인가시 영향을 적게 받을 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 액정 표시 장치 및 그 제조 방법은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명은 액정 표시 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로 CDR모드 액정을 광경화 반응이 가능하도록 개질하여 배향막으로 사용함으로써 기본적으로 모노머 상태에서 CDR모드 액정의 특성을 유지하도록 하여 높은 광 투과율을 구현하고 광시야각을 구현하는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 서로 대향하는 제 1, 2 기판과;
    상기 제 1, 2 기판 사이에 형성되는 액정층과;
    상기 제 1, 2 기판 상에 형성되어 있는 제 1 배향막과;
    상기 제 1, 2 기판중에서 적어도 한 기판 상에 형성되어 액정 분자를 평면 스위칭하는 CDR(Continuosly Director Rotate)모드 액정을 이용한 제 2 배향막을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1, 2 기판의 상하로 전계가 인가되는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 배향막은 폴리이미드(polyimide)계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 배향막은 인가되는 전계에 따라서 연속적으로 CDR 모드 액정 방향이 회전하는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 배향막은 초기 배향시에 광경화되어 고분자 상을 형성하는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 액정층은 네가티브(negative) 타입의 액정층인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  7. 제 1, 2 기판을 준비하는 단계와;
    상기 제 1, 2 기판 상에 제 1 배향막을 형성하는 단계와;
    상기 제 1, 2 기판중에서 적어도 한 기판 상에 CDR(Continuosly Director Rotate)모드 액정을 이용한 제 2 배향막을 형성하는 단계와;
    상기 제 1, 2 기판 사이에 액정층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 CDR모드 액정을 이용한 제 2 배향막을 형성하는 단계에 있어서,
    상기 CDR모드 액정 분자를 치환하여 광경화성으로 개질하는 단계와;
    상기 개질한 CDR모드 액정을 기판 상에 형성하는 단계와;
    상기 CDR모드 액정을 광경화시키는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
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