KR101759646B1 - 액정소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 2개의 배향상태 사이의 천이를 이용한 신규의 TN형 액정소자를 제공한다. 각각의 일면에 배향처리가 실시되고 서로 대향배치된 제1 기판(11) 및 제2 기판(15)과, 제1 기판의 일면과 제2 기판의 일면 사이에 설치된 액정층(14)과, 액정층에 전계를 인가하기 위한 전계인가수단(12, 16, 18, 19)을 포함하고, 제1 기판 및 제2 기판은 액정층의 액정분자에 대하여 제1 선회방향으로 비틀어진 제1 배향상태가 발생하기 쉽도록 상대적으로 배치되어 있고, 액정층은 액정분자에 대하여 제1 선회방향과 반대되는 제2 선회방향으로 비틀어진 제2 배향상태를 발생시키는 성질을 가지는 카이랄제가 첨가되어 있으며, 전계인가수단에 의해 제1 기판 및 제2 기판의 각 일면에 거의 수직한 방향으로 전계가 인가됨으로써 액정층이 제1 배향상태로 천이하는 액정소자이다.

Description

액정소자{Liquid Crystal Device}

본 발명은 액정소자 및 이것을 구비하는 액정표시장치 등에 관한 것이다.

일본특허공보 제2510150호에는, 대향배치된 한쌍의 기판에 각각 실시된 배향처리 방향의 조합으로 규제되는 선회방향과 반대되는 선회방향으로 액정분자를 비틀어서 배향시킴으로써 전기광학특성을 향상시킨 액정표시장치가 개시되어 있다.

또한, 일본특허공개공보 2007-293278호에는, 대향배치된 한쌍의 기판에 각각 실시된 배향처리 방향의 조합으로 규제되는 선회방향(제1 선회방향)과 반대되는 선회방향(제2 선회방향)으로 비트는 카이랄제를 첨가하면서도, 액정분자를 상술한 제1 선회방향으로 비틀어서 배향시킴으로써 액정층 내의 왜곡을 증가시키고, 그에 의해 임계값(threshold value) 전압을 떨어뜨려서 저전압 구동을 가능하게 하는 액정소자가 개시되어 있다.

그런데, 상기 일본특허공보 제2510150호의 액정표시장치는, 역비틀림의 배향상태가 불안정하고, 액정층에 대하여 비교적 높은 전압을 인가함으로써 역비틀림의 배향상태를 얻을 수는 있지만, 시간의 경과와 함께 순비틀림의 배향상태로 천이하여 버리는 문제가 있다. 또한, 일본특허공개공보 2007-293278호의 액정소자는, 상기한 바와 같이 임계값 전압을 떨어뜨리는 이점이 있지만, 전압을 오프하면 바로(예를 들어, 수초 정도) 순비틀림의 배향상태로 천이하여 버리고, 역으로 임계값을 높여 버리는 문제가 있다. 또한, 이들 모두, 순비틀림과 역비틀림의 2가지 배향상태를 표시 등의 용도로서 적극적으로 이용하는 것에 대해서는 상정하고 있지 않았다. 즉, 쌍안정성을 적극 이용하기 위하여 필요한 구성, 구동방법 등의 기술사상에 대한 개시, 시사는 모두 전혀 없었다. 더욱이, 상기 발명에 기재되어 있는 바와 같은 리버스 트위스트 네마틱(reverse twisted nematic; RTN)형 액정소자에서는, 일반적으로 액정분자가 제1 선회방향으로 비틀리는 배열상태(리버스 트위스트 배열상태)와 제2 선회방향으로 비틀리는 배열상태(스프레이 트위스트 배열상태)에서 외관상의 표시상태(광투과율)에 큰 차이가 없고, 쌍안정성을 부여하여도 높은 콘트라스트비(contrast ratio)를 얻기 어렵다.

본 발명에 따른 구체적인 형태는, 2개의 배향상태 사이의 천이를 이용하는 신규 TN형 액정소자를 제공하는 것을 하나의 목적으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 구체적인 형태는, 신규 TN형 액정소자를 이용하여, 저소비 전력구동이 가능한 액정표시장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 구체적인 형태는, 표시품질이 높은 액정소자를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

본 발명에 따른 일형태의 액정소자는, (a) 각각의 일면에 배향처리가 실시되고, 서로 대향배치된 제1 기판 및 제2 기판과, (b) 상기 제1 기판의 일면과 상기 제2 기판의 일면 사이에 설치된 액정층과, (c) 상기 액정층에 전계를 인가하기 위한 전계인가수단을 포함하고, (d) 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 상기 액정층의 액정분자에 대하여 제1 선회방향으로 비틀어진 제1 배향상태가 발생하기 쉽도록 상대적으로 배치되어 있고, (e) 상기 액정층은 상기 액정분자에 대하여 상기 제1 선회방향과 반대되는 제2 선회방향으로 비틀어진 제2 배향상태를 발생시키는 성질을 가지는 카이랄제가 첨가되어 있으며, (f) 상기 액정층은 상기 전계인가수단에 의해 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 각 일면에 거의 수직한 방향으로 전계가 인가됨으로써 상기 제1 배향상태로 천이하는 액정소자이다.

바람직하게는, 상기 전계인가수단은 적어도, 상기 제1 기판의 일면측에 설치된 제1 전극과, 상기 제2 기판의 일면측에 설치된 제2 전극을 가진다.

바람직하게는, 상기 액정층은 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 각 일면에 거의 평행한 방향으로 전계가 인가됨으로써 상기 제2 배향상태로 천이한다.

바람직하게는, 상기 전계인가수단은 더욱이, 상기 제2 기판의 상기 제2 전극의 상측에 절연층을 통하여 설치되고, 서로 이간하여 배치된 제3 전극 및 제4 전극을 가진다.

바람직하게는, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판은 각각 20° 이상 45° 이하의 프리틸트각(pretilt angle)이 발현하도록 배향처리되어 있다.

보다 바람직하게는, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판은 각각 31° 이상 37° 이하의 프리틸트각이 발현하도록 배향처리되어 있다.

이들 경우에, 상기 액정층에 대한 상기 카이랄제의 첨가량은 카이랄 피치를 p, 상기 액정층의 두께를 d라고 할 때, d/p가 0.04를 넘고 0.25 미만이 되도록 조정되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1 기판은 40° 이상 65° 이하의 프리틸트각이 발현하도록 배향처리되고, 상기 제2 기판은 1° 이상 15° 이하의 프리틸트각이 발현하도록 배향처리되어 있는 것도 바람직하다.

이 경우, 상기 액정층에 대한 상기 카이랄제의 첨가량은 카이랄 피치를 p, 상기 액정층의 두께를 d라고 할 때, d/p가 0.125 이상 0.5 이하가 되도록 조정되어 있는 것도 바람직하다.

더욱 바람직하게는, 상기 제1 기판의 배향처리방향과 상기 제2 기판의 배향처리방향이 이루는 각이, 상기 제1 기판 및 제2 기판 각각의 법선방향에서 보았을 때, 90° 이상 100° 이하이다.

본 발명에 따르면, 2개의 배향상태 사이의 천이를 이용하는 신규 TN형 액정소자를 제공하고, 이를 이용하여 저소비 전력구동이 가능한 액정표시장치를 제공하며, 표시품질이 높은 액정소자를 제공할 수 있다.

도 1은 일실시예에 따른 액정소자의 구조를 나타내는 모식적인 단면도이다.
도 2는 각 전극의 구조를 모식적으로 나타낸 평면도이다.
도 3은 액정층에 대하여 각 전극을 이용하여 부여할 수 있는 전계에 대하여 설명하는 모식적인 단면도이다.
도 4는 전압 무인가시의 액정층의 액정분자의 배향상태를 설명하기 위한 모식적 사시도이다.
도 5는 전압 무인가시의 액정층의 액정분자의 배향상태를 설명하기 위한 모식적 사시도이다.
도 6은 쌍안정성을 얻을 수 있는 조건에 대하여 보다 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 액정소자에 대하여 각 전극을 이용하여 액정층에 전계를 인가하고, 스위칭하였을 때의 모습을 관찰한 도면(현미경 사진)이다.
도 8은 실시예에 따른 액정소자의 전기광학특성(전압-투과율 특성)의 측정결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 실시예에 따른 액정소자의 전기광학특성(전압-투과율 특성)의 측정결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 실시예에 따른 액정소자의 전기광학특성(전압-투과율 특성)의 측정결과를 나타내는 도면이다.
도 11은 케이스 I 및 케이스 II에 대하여, 배향의 안정성과 셀 조건의 관계를 이론계산에 의해 구한 결과를 나타내는 도면이다.
도 12는 케이스 III에 대하여, 배향의 안정성과 셀 조건의 관계를 이론계산에 의해 구한 결과를 나타내는 도면이다.
도 13은 러빙방향과 가로전계의 방향의 관계에 대하여 실험에 의해 검토한 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 실시예에 따른 액정소자의 투과율 특성의 측정예를 나타내는 도면이다.
도 15는 투과율 특성의 측정결과를 정리한 특성표를 나타내는 도면이다.
도 16은 투과율 특성의 측정결과를 정리한 특성표를 나타내는 도면이다.
도 17은 투과율 특성의 측정결과를 정리한 특성표를 나타내는 도면이다.
도 18은 액정표시장치의 구성예를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 19는 실시예에 따른 액정소자의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 20은 배향막 형성시의 소성온도 및 러빙처리시의 압입량의 조합을 나타내는 표이다.
도 21의 (a)~(c)는 제작된 복수개의 액정소자의 외관을 나타내는 사진이다.
도 22의 (a)~(f)는 액정소자의 제작조건을 나타내는 표, 및 관찰결과를 나타내는 표와 사진이다.
도 23은 실시예에 따른 액정소자의 1화소 안의 개략적인 단면도이다.
도 24는 상측투명기판(111a) 상에 형성되는 ITO막의 패턴을 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 25는 하측투명기판(111b) 상에 형성되는 ITO막의 패턴을 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 26은 ITO막의 에칭에 사용하는 포토마스크를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 27은 하측기판(110b)에 형성되는 하측배향막(114b)의 형성영역의 일부를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 28은 실시예에 따른 액정소자의 구조를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 29의 (a)~(c)는 실시예에 따른 액정소자의 외관사진이며, (d)~(f)는 전압 인가시의 전계방향을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 30의 (a)~(d)는 실시예에 따른 액정소자, 및 다른 바람직한 조건에서 제작한 액정소자의 전압-광투과율 특성을 나타내는 그래프이다.
도 31의 (a) 및 (b)는 실시예에 따른 액정소자의 시각-콘트라스트 특성을 나타내는 그래프이다.
도 32는 실시예에 따른 액정소자(200)의 1화소 안의 개략적인 단면도이다.
도 33은 실시예에 따른 액정층(203) 안의 액정분자의 배향상태를 나타내는 개략적인 평면도 및 단면도이다.
도 34는 실시예에 따른 액정소자의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 35는 액정소자의 셀 제작조건의 표시상태를 육안으로 관찰한 결과를 나타내는 표이다.
도 36은 셀 제작조건 No.1~3에 의해 작성된 실시예에 따른 액정소자의 전압-광투과율 특성을 나타내는 그래프이다.
도 37은 셀 제작조건 No.3에 의한 액정소자에 대하여, 카이랄제의 첨가량을 바꾸어서 검은 표시상태의 유지시간을 육안으로 관찰한 결과를 나타내는 표이다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1은 일실시예의 액정소자의 구조를 나타내는 모식적인 단면도이다. 도 1에 나타내는 본 실시예의 액정소자는, 대향배치된 제1 기판(11)과 제2 기판(15)과, 두 기판 사이에 배치된 액정층(14)을 기본구성으로서 구비한다. 제1 기판(11)의 바깥쪽에는 제1 편광판(21)이 배치되고, 제2 기판(15)의 바깥쪽에는 제2 편광판(22)이 배치되어 있다. 이하, 액정소자의 구조를 더욱 상세히 설명한다. 한편, 액정층(14)의 주위를 밀봉하는 시일재 등의 부재에 대해서는 도시 및 설명을 생략한다.

제1 기판(11)은 예를 들어, 글라스 기판, 플라스틱 기판 등의 투명기판이다. 제2 기판(15)은 제1 기판(11)과 마찬가지로, 예를 들어, 글라스 기판, 플라스틱 기판 등의 투명기판이다. 제1 기판(11)과 제2 기판(15) 서로의 사이에는 예를 들어, 다수의 스페이서(입자형상 부재)가 분산배치되어 있고, 이 스페이서들에 의해 제1 기판(11)과 제2 기판(15) 서로의 간격이 유지된다.

제1 전극(12)은 제1 기판(11)의 일면측에 설치되어 있다. 마찬가지로, 제2 전극(16)은 제2 기판(15)의 일면측에 설치되어 있다. 또한, 제3 전극(18) 및 제4 전극(19)은 제2 기판(15)의 제2 전극(16)의 상측에 절연층(17)(예를 들어, 산화규소막 등)을 통하여 설치되어 있고, 서로 이간되어 있다. 제1 전극(12), 제2 전극(16), 제3 전극(18) 및 제4 전극(19)은 각각 예를 들어, 인듐주석산화물(ITO) 등의 투명도전막을 적절히 패터닝함으로써 구성되어 있다.

배향막(13)은 제1 기판(11)의 일면측에 제1 전극(12)을 덮도록 설치되어 있다. 마찬가지로, 배향막(20)은 제2 기판(15)의 일면측에 제2 전극(16)을 덮도록 설치되어 있다. 본 실시예에서 배향막(13) 및 배향막(20)으로는, 액정층(14)의 초기상태(전압 무인가시)의 배향상태를 수평 배향상태로 규제하는 것(수평배향막)이 사용되고 있다. 이 배향막(13, 20)에 대하여, 전형적으로는 러빙처리를 실시함으로써, 액정층(14)에 대한 배향규제력을 발생시키는 동시에, 프리틸트각을 부여하는 효과가 발휘된다. 즉, 제1 기판(11), 제2 기판(15) 각각의 일면에 배향처리가 실시된 것이 된다.

액정층(14)은 제1 기판(11)의 제1 전극(12)과 제2 기판(15)의 제2 전극(16) 서로의 사이에 설치되어 있다. 본 실시예에서는, 유전율 이방성(Δε)이 정(Δε＞0)인 액정재료(네마틱 액정재료)를 사용하여 액정층(14)이 구성되어 있다. 액정층(14)에 나타낸 타원은 액정층(14) 안의 액정분자를 모식적으로 나타낸 것이다. 전압 무인가시, 액정분자는 제1 기판(11) 및 제2 기판(15)의 각 기판면에 대하여 소정의 프리틸트각을 가지고 거의 수평하게 배향한다. 본 실시예에서는, 제1 기판(11)과 제2 기판(15) 각각의 배향규제력이 발생하는 방향을 교차시킴으로써, 액정층(14)에서의 액정분자의 배향방위가 제1 기판(11)과 제2 기판(15) 사이에서 서서히 비틀리는 트위스트 네마틱형 배향상태로 되어 있다. 이에 관해서는 뒤에서 더욱 상세히 설명한다.

도 2는 각 전극의 구조를 모식적으로 나타낸 평면도이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 제3 전극(18) 및 제4 전극(19)은 각각 빗살형상을 가지며, 이들의 전극가지(electrode branch)가 서로 다르게 배치되어 있다. 제1 전극(12) 및 제2 전극(16)은 각각 제3 전극(18) 및 제4 전극(19)의 각 전극가지와 겹쳐지도록 배치되어 있다. 제1 전극(12)과 제2 전극(16)은 서로의 적어도 일부가 겹쳐지도록 배치되어 있다. 이들 각 전극은 액정층(14)에 대하여 전계를 부여하기 위한 전계인가수단으로서 기능한다.

도 3은 액정층에 대하여 각 전극을 사용하여 부여할 수 있는 전계에 대하여 설명하는 모식적인 단면도이다. 도 3에서는, 설명의 편의상 각 전극만 모식적으로 나타내었다. 도 3의 (a)에 나타내는 바와 같이, 제1 전극(12)과 제2 전극(16) 사이에 전압을 인가함으로써, 두 전극 사이에 전계를 발생시킬 수 있다. 이 경우의 전계는, 도시하는 바와 같이 제1 전극(11) 및 제2 전극(15)의 두께방향(셀두께방향)에 따른 전계가 된다. 이 전계를 이후 '세로전계'라고 하는 경우도 있다.

또한, 도 3의 (b)에 나타내는 바와 같이, 제3 전극(18)과 제4 전극(19) 사이에 전압을 인가함으로써, 두 전극 사이에 전계를 발생시킬 수 있다. 이 경우의 전계는, 도시하는 바와 같이 제1 기판(11) 및 제2 기판(15)의 각 일면에 거의 평행한 방향에 따른 전계가 된다. 이 전계를 이후 '가로전계'라고 하는 경우도 있다. 이후, 이와 같은 전계를 사용하는 모드를 'IPS 모드'라고 하는 경우도 있다.

또한, 도 3의 (c)에 나타내는 바와 같이, 제3 전극(18) 및 제4 전극(19)과 제2 전극(16) 사이에 전압을 인가함으로써, 두 전극 사이에 전계를 발생시킬 수 있다. 이 경우의 전계는, 도시하는 바와 같이 제1 기판(11) 및 제2 기판(15)의 각 일면에 거의 평행한 방향에 따른 전계가 된다. 이 전계를 이후 '가로전계'라고 하는 경우도 있다. 이후, 이와 같은 전계를 사용하는 모드를 'FFS 모드'라고 하는 경우도 있다.

도 4 및 도 5는 전압 무인가시의 액정층의 액정분자의 배향상태를 설명하기 위한 모식적인 사시도이다. 본 실시예의 액정소자는, 전압 무인가시의 배향상태로서 2개의 안정적인 배향상태를 가지는 이른바 쌍안정성의 액정소자이다. 그리고, 상기한 각 전극을 이용하여 액정층(14)에 전계를 인가함으로써, 한쪽 배향상태로부터 다른 쪽 배향상태로 천이시킬 수 있다.

구체적으로는, 도 4에 나타내는 액정소자는 액정층(14)의 액정분자가 제1 선회방향으로 비틀린 배향상태(제1 배향상태)로 되어 있다. 이 액정층(14)의 액정분자를 제1 기판(11)측으로부터 평면에서 보았다고 하면, 반시계방향으로 비틀림이 발생하고 있다. 이와 같은 제1 배향상태는, 제1 기판(11) 및 제2 기판(15)의 각 일면에 실시된 배향처리에 의해 발생하는 프리틸트각의 상대적인 관계에 따라서 비틀리기 쉬운 방향(우위의 방향)으로 액정분자가 비틀림으로써 실현되는 것이다. 이 제1 배향상태는 전압 무인가시에도 안정적으로 유지된다. 한편, 도 5에 나타내는 액정소자는 액정층(14)의 액정분자가 상기 제1 선회방향과 반대되는 제2 선회방향으로 비틀린 배향상태(제2 배향상태)로 되어 있다. 이 액정층(14)의 액정분자를 제1 기판(11)측으로부터 평면에서 보았다고 하면, 시계방향으로 비틀림이 발생하고 있다. 이와 같은 제2 배향상태는, 제1 기판(11) 및 제2 기판(15)의 각 일면에 실시된 배향처리에 의해 발생하는 프리틸트각의 상대적인 위치관계에 따라 비틀리기 쉬운 방향과는 반대방향으로의 비틀림을 발생시키는 성질을 가지는 카이랄제를 액정층(14)에 첨가함으로써 실현되는 것이다. 이 제2 배향상태도 또한 전압 무인가시에 안정적으로 유지된다.

상술한 각 전극을 이용하여 액정층(14)에 가로전계 또는 세로전계를 적절히 인가함으로써, 제1 배향상태로부터 제2 배향상태로, 또는 그 반대로 배향상태의 천이를 발생시킬 수 있다. 구체적으로는, 제1 전극(12)과 제2 전극(16)을 이용하여(도 3의 (a) 참조), 제1 기판(11)과 제2 기판(15)의 각 일면에 거의 수직한 방향으로 전계(세로전계)가 인가됨으로써, 액정층(14)의 배향상태가 제1 배향상태로 천이한다(도 4 참조). 또한, 제3 전극(18)과 제4 전극(19)을 이용하여(도 3의 (b) 참조), 혹은 제3 전극(18), 제4 전극(19)과 제2 전극(16)을 조합하여 사용하여(도 3의 (c) 참조), 제1 기판(11)과 제2 기판(15)의 각 일면에 거의 수평한 방향으로 전계(가로전계)가 인가됨으로써, 액정층(14)의 배향상태가 제2 배향상태로 천이한다(도 5 참조). 어느 경우든지, 전계를 인가한 후에 전계를 인가하지 않아도, 제1 배향상태 또는 제2 배향상태가 유지된다. 즉, 쌍안정성을 나타낸다.

쌍안정성을 얻을 수 있는 조건에 대해서 보다 상세히 설명한다. 상술한 바와 같은 쌍안정성은, 제1 기판(11) 및 제2 기판(15)의 각 일면에서의 프리틸트각이나 액정층(14)의 액정분자의 비틀림각(트위스트각)의 관계와 액정층(14)에 첨가하는 카이랄제의 비틀림력(chirality)을 어느 특정한 범위로 설정하였을 때 얻어지는 특수한 상태를 이용함으로써 얻어진다. 이 '특수한 상태'에 대하여 도 6의 표를 사용하여 설명한다. 특수한 상태란, 도시한 바와 같은 케이스 I~III로 분류하였을 때, 제1 배향상태와 제2 배향상태 모두 매우 안정적으로 유지되는 상태를 말한다. 구체적으로는, 케이스 I은 배향막(13, 20) 각각에 대한 러빙방향이 이루는 각도를 100°로 하고, 셀두께(액정층(14)의 층두께)(d)와 카이랄제의 카이랄 피치(p)의 비(d/p)를 0.04로 한 조건을 말한다. 케이스 II는 러빙방향이 이루는 각도를 87°, d/p를 0으로 한 조건을 말한다. 또한, 케이스 III는 러빙방향이 이루는 각도를 75°, d/p를 0.04로 한 조건을 말한다.

이하, 보다 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

먼저, 액정소자의 제조방법의 구체적인 예에 대하여 설명한다.

제1 기판(11), 제2 기판(15)으로서 투명도전막의 하나인 ITO(인듐주석산화물)막이 미리 형성된 글라스 기판을 사용하였다. 제1 기판(11)에 대해서는, 이 ITO막이 부착된 글라스 기판의 ITO막을 포토리소 등의 방법에 의해 패터닝함으로써 제1 전극(12)을 형성하였다. 에칭방법으로는 제2 염화철 용액에 의한 습식 에칭을 이용하였다. 여기서의 패터닝은, 도시하지 않은 추출전극 부분과 제1 전극(12)에 해당하는 부분이 남도록 하였다. 제2 기판(15)에 대해서도 마찬가지로 패터닝함으로써 제2 전극(16)을 형성하였다.

이어서, 제2 기판(15)의 제2 전극(16)의 상측에 절연층(17)을 형성하였다. 이 때, 추출전극 부분에는 절연층(17)이 형성되지 않도록 할 필요가 있다. 예를 들어, 추출전극 부분에 미리 레지스트를 형성해 두고 절연층(17)을 형성한 후에 리프트 오프하는 방법이나, 메탈 마스크 등에 의해 추출전극 부분을 감춘 상태에서 스퍼터 등의 막형성방법을 이용하여 절연층(17)을 형성하는 방법 등을 들 수 있다. 절연층(17)으로는 유기절연막, 산화규소막이나 질화규소막 등의 무기절연막, 및 이들의 조합(적층막) 등을 들 수 있다. 본 실시예에서는 아크릴계 유기절연막과 산화규소막의 적층막을 절연층(17)으로서 사용하였다. 한편, 막형성 방법으로는, 스퍼터법 이외에 스핀코트법, 슬릿코트법, 잉크젯법 등의 판을 이용하지 않는 인쇄법이나, 플렉소 인쇄로 대표되는 판을 이용하는 인쇄법을 채용할 수 있다. 또한, 진공증착법, 이온빔법, 화학기상퇴적법(CVD법) 등 여러가지 막형성 방법을 채용할 수 있다(이하 마찬가지).

글라스 기판 위의 추출전극 부분(단자부분)에는 내열성 필름(폴리이미드 테이프)을 붙이고, 그 상태에서 유기절연막 재료를 글라스 기판 위에 스핀코트하였다. 2000rpm으로 30초간 스핀시키는 조건에서 1㎛ 두께의 막을 얻었다. 이것을 클린오븐에서 220℃, 1시간의 조건으로 소성하였다. 이어서, 내열성 필름을 붙인 채로 스퍼터법(교류방전)에 의해 산화규소막을 형성하였다. 글라스 기판을 80℃로 가열하고, 1000Å의 산화규소막을 형성하였다. 여기서, 내열성 필름을 벗기면, 유기절연막, 산화규소막을 모두 깨끗하게 벗길 수 있었다. 이 글라스 기판을 다시 클린오븐에서 220℃, 1시간의 조건으로 소성하였다. 이는 산화규소막의 절연성과 투명성을 높이기 위한 처리이다.

한편, 산화규소막은 반드시 형성하지 않아도 되는데, 산화규소막을 형성함으로써 그 후에 형성하는 ITO막 등 투명도전막의 밀착성 및 패턴 정밀도가 향상되는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 절연층(17) 전체로서의 절연성도 향상된다. 한편, 유기절연막을 형성하지 않고 산화규소막만으로 절연층(17)을 형성하는 것도 생각할 수 있다. 그 경우, 산화규소막은 다공질이 되기 쉽기 때문에, 막두께를 충분히 두껍게 하는(예를 들어, 4000~8000Å 정도) 것이 바람직하다. 또한, 질화규소막과 산화규소막의 적층막으로 하여도 된다. 이 경우에는, 예를 들어 스퍼터법 등에 의해 이것들을 번갈아 막형성하면 된다.

이어서, 제2 기판(15)으로서의 글라스 기판의 절연층(17) 위에 스퍼터법(교류방전)으로 ITO막을 형성하였다. 구체적으로는, 100℃로 기판을 가열하고, 약 1200Å의 ITO막을 기판 전체면에 형성하였다. 이 ITO막을 포토리소 등에 의해 패터닝하였다. 포토마스크로는, 최종적으로 얻고자 하는 제3 전극(18) 및 제4 전극(19)의 형상(도 2 참조)에 대응하는 빗살형상의 마스크 패턴을 가지는 것을 사용하였다. 제3 전극(18) 및 제4 전극(19)은 각각 빗살형상으로 형성된 각 전극가지의 폭이 20㎛, 30㎛ 2종류 중 어느 하나로 설정되고, 각 전극가지의 서로의 간격은 20㎛, 30㎛, 50㎛, 100㎛, 200㎛의 5종류 중 어느 것으로 설정되었다. 한편, 추출전극 부분에도 패턴이 없으면 에칭에 의해 하측의 ITO막이 제거되기 때문에, 추출전극 부분에도 패턴이 형성되어 있는 포토마스크를 사용하였다. 이상에 의해, 제2 전극(16), 제3 전극(18) 및 제4 전극(19)을 가지는 제2 기판(15)이 완성되었다.

이어서, 상기와 같이 하여 제작한 제1 기판(11)과 제2 기판(15)을 이용하여 액정소자(액정셀)를 제작하였다. 구체적으로는, 먼저 제1 기판(11)과 제2 기판(15)에 대하여 물세정(브러시 세정 혹은 스프레이 세정, 순수 세정 등), 물기빼기, 자외선 세정, 건조의 각 공정을 실시하였다.

그 후, 제1 기판(11)과 제2 기판(15) 각각의 일면에 배향막 재료를 도포하였다. 배향막으로서, 본 실시예에서는 일반적으로 STN형 액정소자용 배향막으로서 사용되는 비교적 높은 프리틸트각을 나타내는 폴리이미드막을 사용하였다. 제1 기판(11)과 제2 기판(15)의 각 일면에 배향막 재료를 도포하고, 그것들을 클린오븐으로 180℃에서 1시간 소성하였다. 배향막 재료의 도포방법으로는 플렉소 인쇄, 잉크젯 인쇄 혹은 스핀코트법 등 여러가지 방법을 채용할 수 있다. 본 실시예에서는 스핀코트법을 사용하였다. 스핀코트의 조건은 배향막의 막두께가 500~800Å이 되도록 조정하였다. 그 후, 제1 기판(11)의 배향막(13), 제2 기판(15)의 배향막(20) 각각에 대하여 배향처리의 하나인 러빙처리를 하였다. 러빙시의 압입량은 0.4mm로 하였는데, 일반적으로 스트롱 앵커(strong anchoring) 조건이라고 불리는 조건이면 특별히 차이는 없다. 이 때, 각 배향막에 의해 액정분자에 부여되는 프리틸트각은 6~12° 정도이었다.

이어서, 제1 기판(11)과 제2 기판(15)을 서로의 일면이 마주보는 상태로 하여 부착하였다. 비틀림각(트위스트각)은 케이스 I에서는 러빙방향이 이루는 각도인 100°, 케이스 II에서는 87°, 케이스 III에서는 75°로 하였다. 또한, 제1 기판(11)과 제2 기판(15)의 틈, 즉 액정층(14)의 층두께(셀두께)는 4㎛가 되도록 하였다. 그 후, 제1 기판(11)과 제2 기판(15)의 틈에 액정재료를 주입함으로써 액정층(14)을 형성하였다. 액정재료에는 카이랄제가 첨가되었다. 이 카이랄제의 첨가량은, 상술한 바와 같이, 케이스 I에서는 d/p가 0.04, 케이스 II에서는 d/p가 0, 케이스 III에서는 d/p가 0.04가 되도록 조정하였다.

그 후, 제1 기판(11)의 바깥쪽에 제1 편광판(21)을 부착하고, 제2 기판(15)의 바깥쪽에 제2 편광판(22)을 부착하였다. 각 편광판의 흡수축은, 한쪽(예를 들어, 제1 편광판(21))에 대해서는 러빙방향과 흡수축을 평행하게 하고, 다른 쪽(예를 들어, 제2 편광판(22))에 대해서는 러빙방향과 흡수축을 45° 어긋나게 하였다. 일반적으로는, 러빙방향과 편광판의 흡수축이 평행 또는 직교하도록 배치되는 경우가 많지만, 본 실시예의 경우, 그와 같은 배치하면 제1 배향상태와 제2 배향상태 사이에서 투과율의 차가 얻어지기 어렵기 때문에, 일부러 흡수축의 배치를 러빙방향에 대한 평행 또는 직교 모두로부터 어긋나게 하였다.

이상과 같이 하여 제작한 액정소자에 대하여, 각 전극을 이용하여 액정층(14)에 전계를 인가하고, 스위칭하였을 때의 모습을 관찰한 현미경 사진을 도 7에 나타낸다. 도 7에 나타내는 현미경 사진은 상술한 케이스 II(도 6 참조)의 액정소자로서, 제3 전극(18) 및 제4 전극(19)의 각 전극가지의 폭을 20㎛, 전극가지 서로의 간격을 20㎛로 하고, 러빙방향이 이루는 각도를 87°로 한 액정소자에 관한 것이다. 한편, 도시하지 않았지만, 케이스 I, 케이스 III의 경우에도 마찬가지 결과였다.

액정소자가 완성된 상태에서 액정층(14)의 배향상태는 상술한 제2 배향상태(스프레이 트위스트 상태)였다. 그 현미경 사진이 도 7의 (a)이다. 그리고, 제1 전극(12)과 제2 전극(16)을 이용하여 액정층(14)에 세로전계를 인가하였을 때의 현미경 사진이 도 7의 (b)이다. 도 7의 (b)에 나타내는 바와 같이, 세로전계의 인가에 의해 액정층(14)의 배향상태가 상술한 제1 배향상태(리버스 트위스트 상태)로 천이되어 있다. 이로부터, 제1 전극(12)과 제2 전극(16) 사이에 절연층(17)을 끼워서 제3 전극(18) 및 제4 전극(19)이 존재하는 상태이더라도, 세로전계가 인가되고 있는 것이 확인된다.

액정층(14)을 제1 배향상태로 천이시킨 후, 제3 전극(18) 및 제4 전극(19)을 이용하여 제1 기판(11) 및 제2 기판(15)의 각 일면에 거의 평행한 전계를 인가하였을 때(IPS 모드)의 현미경 사진이 도 7의 (c)이다. 이 경우에는, 초기상태인 제2 배향상태로 천이한 것을 알 수 있다.

또한, 액정층(14)을 제1 배향상태로 천이시킨 후, 제2 전극(16), 제3 전극(18) 및 제4 전극(19)을 이용하여 제1 기판(11) 및 제2 기판(15)의 각 일면에 거의 평행한 전계를 인가하였을 때(FFS 모드)의 현미경 사진이 도 7의 (d)이다. 이 경우에도, 초기상태인 제2 배향상태로 천이한 것을 알 수 있다.

여기서, IPS 모드와 FFS 모드의 차이에 대하여 고찰한다. IPS 모드에서는, 기본적으로는 제3 전극(18)과 제4 전극(19) 서로의 사이에만 가로전계가 발생하기 때문에(도 3의 (b) 참조), 가로전계가 발생한 영역에서 우선적으로 배향상태의 천이가 발생하고 있다고 생각된다. 이 때문에, 도 7의 (c)에 나타내는 바와 같이, 배향상태가 다른 부분이 라인형상으로 발생하고 있는 것으로 생각된다. 이에 대하여, FFS 모드에서는, 제3 전극(18) 및 제4 전극(19)의 상측에도 가로전계가 발생하기 때문에(도 3의 (c) 참조), 일정하게 배향상태의 천이가 발생하고 있다고 생각된다. 따라서, 본 실시형태의 액정소자를 개구율(투과율, 콘트라스트비)의 면에서 평가하면, FFS 모드 쪽이 IPS 모드보다 우위라고 할 수 있다.

배향상태의 천이(스위칭)가 가능하게 된 이유에 대하여 고찰한다. 제2 배향상태(스프레이 트위스트 상태)에서는 액정층(14)의 셀두께방향에서의 중앙의 액정분자가 거의 수평하게 되어 있는데, 세로전계에 의해 제1 배향상태(리버스 트위스트 상태)가 되면, 중앙의 액정분자가 조금 기울어진다. 그 후, 가로전계(IPS 모드 또는 FFS 모드)에 의해 제1 배향상태의 셀두께 중앙의 액정분자에 가로전계가 실려서, 제2 배향상태에서의 셀두께 중앙의 액정분자가 있어야 할 다이렉터 방향으로 기울기 때문에, 다시 초기상태인 제2 배향상태로 천이한 것으로 생각된다.

이어서, 실시예에 따른 액정소자의 전기광학특성(전압-투과율 특성) 측정결과에 대하여 설명한다. 도 8은 상술한 케이스 I의 액정소자의 전기광학특성이고, 도 9는 상술한 케이스 II의 액정소자의 전기광학특성이며, 도 10은 상술한 케이스 III의 액정소자의 전기광학특성이다. 도 8 내지 도 10은 모두, 제1 편광판(21)의 투과축이 제1 기판(11)의 러빙방향과 평행하고, 제2 편광판(22)의 투과축이 제2 기판(15)의 러빙방향과 평행해지도록 설정하고, 제1 배향상태(리버스 트위스트 상태: 도면에서 'R-TN'이라고 표기) 또는 제2 배향상태(스프레이 트위스트 상태: 도면에서 'S-TN'이라고 표기)의 액정층(14)에 대하여 제1 전극(12)과 제2 전극(16)을 이용하여 세로전계를 인가하였을 때의 전기광학특성을 나타내고 있다. 각 도면에서, 점선은 제1 배향상태에서의 특성을 나타내고, 실선은 제2 배향상태에서의 특성을 나타낸다.

도 8에 나타내는 케이스 I의 액정소자에서는, 상술한 편광판 배치에서 제1 배향상태에서의 전기광학특성과 제2 배향상태에서의 전기광학특성이 거의 겹쳐져 있다는 것을 알 수 있다. 한편, 도 9에 나타내는 케이스 II, 도 10에 나타내는 케이스 III의 액정소자에서는, 제1 배향상태와 제2 배향상태 각각에서의 전기광학특성에 차이가 보이는 것을 알 수 있다. 인가전압 2V 부근에서의 특성을 주목하면, 배향상태의 차이에 의한 전기광학특성에서의 임계값 전압의 차이에 의해, 제2 배향상태의 경우에는 상대적으로 밝은(즉, 투과율이 높은) 상태가 얻어지고, 제1 배향상태의 경우에는 상대적으로 어두운(즉, 투과율이 낮은) 상태가 얻어지는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 실시예와 같은 액정소자를 복수개 설치하여 두고, 각 액정소자에서 2개의 배향상태를 전계인가에 의해 임의로 전환하고, 그 후 제1 전극(12) 및 제2 전극(16)을 이용하여 2V 정도의 전압(유지전압이라고 부름)을 액정층(14)에 인가하여 둠으로써, 명암이라는 2값 화상(정지화상)을 보다 선명하게 표시할 수 있는 액정표시장치를 구성할 수 있다.

그런데, 상기 설명에서는 제1 배향상태에서 안정적인 조건으로서 3가지 경우를 예시하였는데, 안정적인 조건은 이것으로 한정되지 않는다. 이하, 안정적인 조건에 대한 이론적인 검증결과를 도 11 및 도 12에 따라 설명한다. 도 11은 케이스 I 및 케이스 II에 대하여 배향의 안정성과 셀 조건의 관계를 이론계산에 의해 구한 결과를 나타내는 도면이다. 마찬가지로, 도 12는 케이스 III에 대하여 배향의 안정성과 셀 조건의 관계를 이론계산에 의해 구한 결과를 나타내는 도면이다.

도 11 및 도 12에는 상기 실시예에서의 조건(제1 배향상태에서 안정적인 조건)을 동그라미로 나타내고 있다. 이와 같이, 상기 실시예는 어디까지나 제1 배향상태에서 안정적인 조건의 일례에 지나지 않고, 이론적으로는 더욱 넓은 범위에서 제1 배향상태의 배향 안정성을 얻을 수 있는 것이 나타나 있다. 동그라미의 위치를 상세히 검토하면, 프리틸트각이 8°인 경우의 이론곡선보다 약간 아래 위치에 있는 것을 알 수 있다. 이론곡선보다 위쪽은 제1 배향상태에서 안정적으로 유지할 수 없는 영역이 되기 때문에, 적어도 그 위치보다 아래쪽이 바람직하다. 또한, 이론곡선보다 많이 아래쪽 영역이면, 제2 배향상태로 돌아가기 어렵게 되거나 혹은 제2 배향상태가 되지 않기 때문에, 동그라미보다 약간 아래쪽 영역이 바람직하고, 어느 d/p의 이론곡선에서의 러빙방향이 이루는 각도를 Φx라고 하였을 때, 대략 Φx-10°의 범위이면 쌍안정 스위칭이 가능하다고 생각된다.

따라서, 케이스 I과 케이스 II의 경우, 러빙방향이 이루는 각도 ΦI(°)와 d/p의 관계가 하기 식 1과 같은 관계에 있을 때, 쌍안정 스위칭이 가능하다.

80≤ΦI-((d/p)×360)≤90 (단, 프리틸트각은 8° 이하) …(1)

한편, 케이스 III의 경우, 러빙방향이 이루는 각도 ΦI(°)와 d/p의 관계가 하기 식 2와 같은 관계에 있을 때, 쌍안정 스위칭이 가능하다.

80≤ΦI+((d/p)×360)≤90 (단, 프리틸트각은 8° 이하)…(2)

한편, 상기 식 1과 식 2는 프리틸트각이 대략 8° 이하인 경우에 성립하는 관계이며, 예를 들어, 프리틸트각이 15°인 경우, 식 1은 아래와 같이 보정된다.

75≤ΦI-((d/p)×360)≤85…(1)'

또한, 예를 들어, 프리틸트각이 25°인 경우, 식 1은 아래와 같이 보정된다.

68≤ΦI-((d/p)×360)≤78…(1)''

한편, 식 2도 마찬가지이며, 프리틸트각에 의해 상한값, 하한값이 변한다.

이어서, 러빙방향과 가로전계 방향의 관계에 대하여 실험에 의해 검토한 결과를 설명한다. 도 13은 검토결과를 설명하기 위한 모식도이다. 도면에서 왼쪽에는, 액정소자의 제3 전극(18) 및 제4 전극(19), 혹은 이것들과 제2 전극(16)을 조합하여 발생시키는 전계의 방향과, 제1 기판(11) 및 제2 기판(15) 각각에서의 러빙방향의 대응관계가 나타나 있다. 또한, 도면에서 오른쪽에는, 액정층(14)의 액정분자의 배향상태를 위쪽에서 본 모습이 모식적으로 나타나 있다. 도시한 바와 같이, 가로전계의 전계방향과 러빙방향의 관계에 따라서는, 배향상태의 천이가 발생하는 것과 발생하지 않는 것이 보였다.

구체적으로는, 가로전계의 전계방향과, 제2 배향상태(우측 비틀림 S-TN 배향)에서의 액정층(14) 중앙 부근 혹은 하측기판(예를 들어, 제2 기판(15))의 계면 부근에서의 액정분자의 방향이 평행한 경우에는, 제1 배향상태(좌측 비틀림 R-TN 배향)로부터 제2 배향상태로 천이하기 쉬운 것을 알 수 있다(도 13의 (a), 도 13의 (b) 참조). 한편, 가로전계의 전계방향과, 제2 배향상태에서의 액정층(14) 중앙 부근 혹은 하측기판의 계면부근에서의 액정분자의 방향이 직교하는 경우에는, 제2 배향상태로 천이하기 어려운 것을 알 수 있다(도 13의 (c), 도 13의 (d) 참조).

배향상태의 천이가 발생하기 쉬운 조건의 경우, 가로전계 7V가 임계값이고, 10V 인가하였을 경우에는, 1분 정도 경과하면 원래의 배향상태로 되돌아갔다. 제2 전극(16), 제3 전극(18) 및 제4 전극(19)을 조합하여 가로전계를 발생시켰을 경우(FFS 모드)가 보다 강하게 전계가 실리기 때문에, 배향상태의 천이가 발생하기 쉬운 경향이 보였다. 단, 제3 전극(18) 및 제4 전극(19)의 각 전극가지 서로의 간격이 넓은 경우에는, 제3 전극(18) 및 제4 전극(19)을 조합하여 가로전계를 발생시켰을 경우(IPS 모드)에 배향상태의 천이가 발생하기 쉬웠다.

이어서, 제1 편광판(21)과 제2 편광판(22)의 각 광학축이 이루는 각도와 투과율 및 콘트라스트의 관계에 대하여 설명한다. 투과율 측정에는 표준광원(C)(색온도 6740K)을 사용하였다. 대표적인 측정예를 도 14에 나타낸다. 이 측정예는 케이스 II의 액정소자에 대한 것이다. 이 액정소자는 콘트라스트는 낮지만(2 이하), 육안으로 차이를 인식할 수 있었다. 이는 색조의 차이에 의한 것으로, 구체적으로는 핑크에 가까운 적색계열 색조와 청색계열 색조의 2종류가 시인되었다. 측정결과를 정리한 특성표를 도 15 내지 도 17에 나타낸다.

도 15에서는, 케이스 II의 액정소자에 대하여, 상측편광판(예를 들어, 제1 편광판(21))과 하측편광판(예를 들어, 제2 편광판(22))의 각도(단위: °), 어느 파장에서의 제1 배향상태와 제2 배향상태의 투과율의 차(단위: %), 콘트라스트비(Cr), 투과율을 나타내고 있다. 각각 청색 부근(440~480nm) 혹은 적색 부근(610~650nm)의 파장에서 좋은 결과를 나타낸 것을 표의 왼쪽에 나타내고, 같은 조건에서의 반대쪽 파장에서의 특성을 표의 오른쪽에 나타낸다. 파장을 한정하여 비교하면, 투과에서 2~3 정도의 콘트라스트비가 얻어지는 것을 알 수 있다. 이 결과는, 백라이트를 청색 혹은 적색의 단색광원으로 하면 비교적 높은 콘트라스트를 가지는 표시가 얻어지는 것을 나타내고 있다. 또한, 광원을 청색과 적색 사이에서 전환하였을 경우에도 나름대로의 콘트라스트가 얻어지는 것도 알 수 있다. 이 경우, 네가티브/포지티브 반전 표시를 할 수 있다. 편광판끼리 이루는 각도를 고찰하면, 30°, 45°, 60° 중 어느 것이고, 0°나 90°인 경우에는 좋은 결과가 얻어지지 않는 것을 알 수 있다. 이로부터, 본 실시형태와 실시예의 액정소자에서 색조의 차를 보다 선명하게 하기 위해서는, 편광판끼리가 이루는 각도를 30~60°의 범위에서 설정하는 것이 바람직하다고 할 수 있다.

도 16은 케이스 I의 액정소자에 대한 결과, 도 17은 케이스 III의 액정소자에 대한 결과를 각각 나타낸다. 케이스 I의 액정소자는 상술한 케이스 II의 액정소자와 비슷한 경향을 나타내는 것을 알 수 있다. 또한, 케이스 III의 액정소자는 상술한 케이스 II의 액정소자와는 약간 경향이 다르지만, 색조에 의한 콘트라스트는 어느 정도 얻어지는 것을 알 수 있다.

이상과 같이, 본 실시형태와 실시예에 따르면, 2개의 배향상태 사이의 천이를 이용한 신규의 TN형 액정소자가 제공된다. 또한, 이 액정소자는 넓은 온도범위(예를 들어, -20℃~80℃)에서 안정적인 임계값 특성 및 선명도(sharpness) 특성이 얻어지는 것이 확인되고 있다. 즉, 본 실시형태와 실시예에 따르면, 2개의 배향상태 사이의 천이를 이용하여, 투과광의 상태를 2개의 서로 다른 상태로 제어할 수 있다. 2개의 배향상태 중 어느 것으로 천이할 때 이외에는 기본적으로 전계인가가 필요하지 않기 때문에, 매우 낮은 소비 전력으로 액정소자를 구동할 수 있다. 특히, 반사형 액정소자로 하였을 경우에는 저소비 전력의 이점이 크다. 또한, 이 액정소자는 일반적인 TN형 액정소자와 마찬가지로 비교적 뛰어난 시각특성을 가진다. 시각보상을 하는 경우, 일반적인 TN형 액정소자에 사용되는 것과 마찬가지의 저가의 광학보상필름을 활용할 수 있다. 제조공정도 일반적인 TN형 액정소자와 기본적으로 같기 때문에, 본 발명에 따른 액정소자를 저가로 제조할 수 있다.

이어서, 상기 액정소자가 가지는 메모리성을 이용하며 저소비 전력구동이 가능한 액정표시장치의 구성예에 대하여 설명한다.

도 18은 액정표시장치의 구성예를 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 18에 나타내는 액정표시장치는, 복수개의 화소부(34)를 매트릭스 형상으로 배열하여 구성되는 단순 매트릭스형 액정표시장치이고, 각 화소부(34)로서 상술한 실시형태 등에 따른 액정소자가 사용되고 있다. 구체적으로는, 액정표시장치는, X방향으로 뻗은 m개의 제어선(B1~Bm)과, 이 제어선(B1~Bm)들에 대하여 제어신호를 공급하는 드라이버(31)와, 각각이 제어선(B1~Bm)과 교차하여 Y방향으로 뻗은 n개의 제어선(A1~An)과, 이 제어선(A1~An)들에 대하여 제어신호를 공급하는 드라이버(32)와, 각각이 제어선(B1~Bm)과 교차하여 Y방향으로 뻗은 n개의 제어선(C1~Cn 및 D1~Dn)과, 이 제어선(C1~Cn 및 D1~Dn)들에 대하여 제어신호를 공급하는 드라이버(33)와, 제어선(B1~Bm)과 제어선(A1~An)의 각 교점에 설치된 화소부(34)를 포함하여 구성되어 있다.

각 제어선(B1~Bm, A1~An, C1~Cn 및 D1~Dn)은 예를 들어, 스트라이프 형상으로 형성된 ITO 등의 투명도전막으로 이루어진다. 제어선(B1~Bm)과 제어선(A1~An)이 교차하는 부분이 상술한 제1 전극(12) 및 제2 전극(16)으로서 기능한다(도 2 참조). 또한, 제어선(C1~Cn)은 각 화소부(34)에 상당하는 영역에 설치되고, 제3 전극(18)으로서의 빗살형상의 전극가지(도 18에서는 도시 생략)와 접속되어 있다. 마찬가지로, 제어선(D1~Dn)은 각 화소부(34)에 상당하는 영역에 설치되고, 제3 전극(18)으로서의 빗살형상의 전극가지(도 18에서는 도시 생략)와 접속되어 있다.

도 18에 나타내는 구성의 액정표시장치의 구동법으로는 여러가지 방법을 생각할 수 있다. 예를 들어, 제어선(B1, B2, B3,…)과 라인마다 표시갱신을 하는 방법(선순차 구동법)에 대하여 설명한다. 이 경우, 상대적으로 밝은 표시로 하고자 하는 화소부(34)에는 세로전계를 인가하고, 상대적으로 어두운 표시로 하고자 하는 화소부(34)에는 가로전계를 인가하면 좋다.

예를 들어, 제어선(B1)에는 배향상태의 천이가 발생하지 않을 정도의 구형파(square wave) 전압(예를 들어, 1.5V 정도에서 150Hz)을 인가하고, 제어선(A1~An, C1~Cn 및 D1~Dn)에는 그것과 동기하여, 혹은 반주기 어긋난 임계값 전압 정도의 구형파 전압(예를 들어, 1.5V 정도에서 150Hz)을 인가한다.

구체적으로는, 제어선(A1~An) 중 밝은 표시로 하고자 하는 화소부(34)에 대응하는 제어선에는, 제어선(B1)에 인가한 구형파 전압과 반주기 어긋난 구형파 전압을 인가한다. 이 때, 제어선(C1~Cn 및 D1~Dn)에는 전압을 인가하지 않는다. 이에 의해, 화소부(34)의 액정소자에는 실효적으로 3.0V 정도의 전압(세로전계)이 인가되는 상태가 된다. 이 전압이 포화전압 이상이라고 하면, 액정층(14)에 배향상태의 천이를 발생시켜서 그 화소부(34)의 광투과율을 변화시킬 수 있다. 한편, 제어선(A1~An) 중 표시를 변화시킬 필요가 없는 화소부(34)에 대응하는 제어선에는, 제어선(B1)에 인가되는 구형파 전압과 동기한 구형파 전압을 인가한다. 이 때도 제어선(C1~Cn 및 D1~Dn)에는 전압을 인가하지 않는다. 이에 의해, 그 화소부(34)에서는 실효적으로 전압이 인가되지 않은 상태가 된다. 따라서, 액정층(14)에는 배향상태의 천이가 발생하지 않고, 광투과율이 변하지 않는다.

또한, 제어선(C1~Cn 및 D1~Dn) 중 밝은 표시로 하고자 하는 화소부(34)에 대응하는 제어선에는, 제어선(B1)에 인가한 구형파 전압과 반주기 어긋난 구형파 전압을 인가한다. 이 때, 제어선(A1~An)에는 전압을 인가하지 않는다. 이에 의해, 화소부(34)의 액정소자에는 실효적으로 3.0V 정도의 전압(가로전계)이 인가되는 상태가 된다. 이 전압이 포화전압 이상이라고 하면, 액정층(14)에 배향상태의 천이를 발생시켜서 그 화소부(34)의 광투과율을 변화시킬 수 있다. 한편, 제어선(C1~Cn 및 D1~Dn) 중 표시를 변화시킬 필요가 없는 화소부(34)에 대응하는 제어선에는, 제어선(B1)에 인가되는 구형파 전압과 동기한 구형파 전압을 인가한다. 이 때도 제어선(A1~An)에는 전압을 인가하지 않는다. 이에 의해, 그 화소부(34)에서는 실효적으로 전압이 인가되지 않은 상태가 된다. 따라서, 액정층(14)에는 배향상태의 천이가 발생하지 않고, 광투과율이 변하지 않는다.

이상과 같은 구동을 제어선(B2, B3, …)과 순차로 실행시켜 감으로써, 도트 매트릭스 표시가 가능해진다. 이와 같은 구동에 의해 갱신된 표시상태는 반영구적으로 유지할 수 있다. 이 표시를 갱신하기 위해서는, 다시 제어선(B1)에서부터 상기 제어를 실행하면 된다. 한편, 여기서는 이른바 단순 매트릭스형 액정표시장치에 대하여 본 발명을 적용한 예를 나타내었는데, 박막 트랜지스터 등을 이용한 액티브 매트릭스형 액정표시장치에 본 발명을 적용할 수도 있다. 액티브 매트릭스형 액정표시장치의 경우에는, 제어선(B1) 등의 라인마다 갱신할 필요가 없기 때문에, 갱신시간을 단축할 수 있다. 또한, 임계값에 대하여 2배 이상의 전압 인가도 가능하기 때문에, 더욱 고속으로 갱신할 수 있게 된다. 단, 한쪽 기판에 가로전계용, 세로전계용의 전극이 있기 때문에, 1화소당 2개의 박막 트랜지스터 등이 필요하게 된다.

이하, 본 발명에 따른 다른 실시예에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.

1세트의 배향막의 배향처리 방향과 프리틸트각의 조합으로 정해지는 액정분자의 비틀림 방향(제1 선회방향)과, 광학활성물질(카이랄제)에 의해 유도되는 액정분자의 비틀림 방향(제2 선회방향)이 역방향이 되도록 제작된 액정층을 가지고, 예를 들어, 액정층에 물리적 작용을 부여함으로써 액정분자가 각 방향으로 비틀리는 상태(제1 선회방향에 대하여 리버스 트위스트(유니폼 트위스트) 배열상태, 제2 선회방향에 대하여 스프레이 트위스트 배열상태)를 가환적(可換的)으로 실현할 수 있는 액정소자를, 리버스 트위스트 네마틱(RTN)형 액정소자라고 한다. 제1 선회방향은, 액정층에 광학활성물질(카이랄제)을 첨가하지 않은 경우에 액정분자가 비틀리는 선회방향이다.

도 19는 실시예에 따른 액정소자(액정표시소자)의 제조방법을 나타내는 흐름도이다. 본 발명자들은 먼저 도면에 나타내는 흐름도에 따라서 복수개의 액정소자를 제작하고, 양호한 표시를 실현하는 프리틸트각의 범위에 대하여 예비적으로 고찰하였다.

투명전극 예를 들어, ITO(indium tin oxide) 전극이 형성된 투명기판을 2장 준비한다(단계 S101). 여기서는 평행평판형 전극을 가지는 테스트 셀을 사용하고, 2장의 투명기판을 세정, 건조하였다(단계 S102).

투명기판 위에 ITO 전극을 덮도록 배향막 재료를 도포한다(단계 S103). 배향막 재료의 도포는 스핀코트를 이용하여 실시하였다. 플렉소 인쇄나 잉크젯 인쇄를 사용하여도 된다. 통상은 수직배향막의 형성에 사용되는 폴리이미드 배향막 재료의 측쇄밀도를 낮추어서 배향막 재료로서 사용하였다. 배향막 재료는 배향막의 두께가 500~800Å이 되도록 도포하였다. 배향막 재료를 도포한 투명기판에 대하여 가(假)소성(단계 S104) 및 본(本)소성(단계 S105)을 실시한다. 본소성은 160℃, 180℃, 200℃, 220℃의 4가지 조건에서 실시하였다. 이렇게 하여 ITO 전극을 덮는 배향막이 형성되었다(단계 S103~S105).

이어서, 러빙처리(배향처리)를 한다(단계 S106). 러빙처리는 예를 들어, 천을 감은 원통형상의 롤을 고속으로 회전시켜서 배향막 위를 스치는 공정이며, 이에 의해 기판에 접하는 액정분자를 일방향으로 나열(배향)할 수 있다. 러빙처리는 압입량을 0.4mm, 0.8mm, 1.2mm로 하는 3가지 조건에서 실시하였다. 또한, 러빙처리는 액정소자의 트위스트각이 90°가 되도록 실시하였다.

도 20은 배향막 소성온도 및 러빙처리시의 압입량의 조합을 나타내는 표이다. 본 발명자들은 도 20에 나타내는 No.1~No.9의 9가지 조건에서 액정소자를 제작하였다.

다시 도 19를 참조한다. 액정셀의 두께(기판사이 거리)를 일정하게 유지하기 위하여, 한쪽 투명기판면 위에 갭 조절재를 예를 들어, 건식 살포법으로 살포한다(단계 S107). 갭 조절재로는 입경 4㎛의 플라스틱 볼을 사용하였다.

다른 쪽 투명기판면 위에는 시일재를 인쇄하여 메인시일 패턴을 형성한다(단계 S108). 예를 들어, 입경 4㎛의 글라스 화이버를 포함한 열경화성 시일재를 스크린 인쇄법으로 인쇄한다. 디스펜서를 사용하여 시일재를 도포할 수도 있다. 또한, 열경화성이 아닌 광경화성 시일재나 광·열병용 경화성 시일재를 사용하여도 된다.

투명기판을 겹친다(단계 S109). 2장의 투명기판을 소정의 위치에서 겹쳐서 셀화하고, 프레스한 상태에서 열처리를 실시하여 시일재를 경화시킨다. 예를 들어, 핫 프레스법을 사용하여 시일재를 열경화한다. 이렇게 하여 빈 셀이 제작된다.

예를 들어, 진공주입법으로 빈 셀에 네마틱 액정을 주입한다(단계 S110). 액정재료로는 가부시키가이샤 메르크 제품 ZLI2293을 사용하였다. 액정중에는 카이랄제를 첨가하였다. 카이랄제로는 가부시키가이샤 메르크 제품 CB15를 사용하였다. 카이랄제의 첨가량은 카이랄 피치를 p, 액정층의 두께(셀두께)를 d라고 하였을 때, d/p가 0.16 또는 0.25가 되도록 조정하였다.

액정주입구를 예를 들어, 자외선(UV) 경화형 엔드시일재로 밀봉하고(단계 S111), 액정분자의 배향을 조정하기 위하여 액정의 상전이온도 이상으로 셀을 가열한다(단계 S112). 그 후, 스크라이버 장치로 투명기판에 생긴 자국에 따라 브레이킹(breaking)하여 개개의 셀로 작게 나눈다.

작게 나뉜 셀에 대하여 모따기(chamfer)(단계 S113)와 세정(단계 S114)을 실시한다.

마지막으로, 2장의 투명기판에서의 액정층과 반대측의 면에 편광판을 부착한다(단계 S115). 2장의 편광판은 크로스 니콜(cross nicol)로, 투과축의 방향과 러빙방향이 평행해지도록 배치하였다. 직교하도록 배치할 수도 있다. 두 투명기판의 ITO 전극 사이에는 전원을 접속하였다.

도 21의 (a)~(c)는 제작된 복수개의 액정소자의 외관을 나타내는 사진이다. 제작된 액정소자는 초기상태에서 스프레이 트위스트 배열상태가 된다. 두 투명기판의 ITO 전극 사이에 포화전압값 이상의 전압을 인가하면, 리버스 트위스트 배열상태로 천이한다.

도 21의 (a)를 참조한다. 도 20에 나타내는 표 No. 1의 조건(소성온도 160℃, 러빙처리시의 압입량 0.8mm)에서 제작한 액정소자, 및 No. 3의 조건(소성온도 180℃, 러빙처리시의 압입량 0.8mm)에서 제작한 액정소자는, d/p를 0.16으로 한 경우에도 0.25로 한 경우에도, 리버스 트위스트 배열상태의 전압 무인가시에 도 21의 (a)에 나타내는 바와 같은 외관 즉, 비교적 어두운 검은 표시를 나타내었다. 광투과율을 측정하였더니 약 4%였다. 또한, 리버스 트위스트 배열상태의 전압 인가시에는 매우 어두운 검은 표시가 관찰되었다. 광투과율은 거의 0%까지 낮출 수 있었다. 더욱이, 스프레이 트위스트 배열상태에서의 광투과율을 측정하였더니, 전압 무인가시에 약 18%이었다. No.1 및 No.3의 조건에서 제작된 액정소자는, 리버스 트위스트 배열상태와 스프레이 트위스트 배열상태에서 외관이 크게 다른 표시를 할 수 있는 것을 알 수 있다. 즉, 리버스 트위스트 배열상태에서 검은 표시, 스프레이 트위스트 배열상태에서 하얀 표시를 할 수 있다. 분광 에리프소법으로 측정하였더니, 이 액정소자들에서는 23~35°의 프리틸트각이 발현하고 있는 것을 알 수 있었다.

도 21의 (b)를 참조한다. 도 20에 나타내는 표의 No.2의 조건(소성온도 180℃, 러빙처리시의 압입량 0.4mm)에서 제작한 액정소자는, d/p를 0.16으로 한 경우에도 0.25로 한 경우에도 초기상태부터 어두운 표시를 나타내었다. 러빙처리시의 압입량이 작고, 프리틸트각이 높아졌기 때문에, 수직배향에 가까운 액정분자 배열상태가 된 것으로 생각된다. 전압 인가에 따라 표시의 밝기에는 큰 변화가 없으며, 인가전압의 유무 및 인가전압값에 상관없이 광투과율은 약 1% 이하였다.

도 21의 (c)를 참조한다. 도 20에 나타내는 표의 No.1~No.3의 조건 이외의 조건에서 제작한 액정소자는, d/p값이 0.16인지 0.25인지에 상관없이, 스프레이 트위스트 배열상태와 리버스 트위스트 배열상태에서 광투과율에 큰 차이가 보이지 않고, 거의 같은 표시외관을 나타내었다. 전압 무인가시의 광투과율은 두 배열상태 모두 약 25%이고, 전압 인가에 의해 두 배열상태 모두 광투과율을 약 1% 이하까지 낮출 수 있었다. 도 21의 (c)는 리버스 트위스트 배열상태에서의 전압 무인가시의 표시(수색(水色) 표시) 외관을 나타낸다. 도 20에 나타내는 표의 No.1~No.3의 조건 이외의 조건에서 제작한 액정소자의 프리틸트각을 분광 에리프소법으로 측정하였더니, 8~15°의 프리틸트각이 발현하고 있는 것을 알 수 있었다.

본 발명자들이 많은 액정소자에 대하여 프리틸트각을 측정하였더니, 리버스 트위스트 배열상태의 전압 무인가시에 바람직하게 검은 표시가 가능한 프리틸트각의 범위는 31.5~36.2°였다. 또한, 리버스 트위스트 배열상태의 전압 무인가시에 검은 표시를 할 수 없는 최대의 프리틸트각은 17.1°였다. 더욱이, 스프레이 트위스트 배열상태의 전압 무인가시에도 검게 표시되는 프리틸트각의 최소값은 48°였다.

이로부터, 상하기판에 부여하는 프리틸트각을 20° 이상 45° 이하, 한층 바람직하게는 31° 이상 37° 이하로 하여 RTN형 액정소자를 제작함으로써, 리버스 트위스트 배열상태의 전압 무인가시에 검은 표시, 스프레이 트위스트 배열상태의 전압 무인가시(세로전계를 부가하지 않았을 때)에 하얀 표시를 실현할 수 있다고 생각될 것이다.

상술한 프리틸트각의 범위를 가지는 RTN형 액정소자에 있어서, 리버스 트위스트 배열상태의 전압 무인가시에 비교적 어두운 검은 표시가 실현되는 원리에 대해서는 완전히 해명되지 않았지만, RTN형 액정소자에는 하강시(리버스 트위스트 배열상태)의 임계값이 상승시(스프레이 트위스트 배열상태)의 임계값보다 낮아지는 성질이 있고, 특수한 조건에 의해 임계값이 0V보다 낮아졌기 때문에, 이와 같은 표시가 실현된 것으로 추측된다.

또한, 일반적으로 리버스 트위스트 배열상태에서는, 기판의 배향처리에서 주어지는 프리틸트각과 카이랄제에 의해 부여되는 비틀림력에 의해, 액정층 내부에 커다란 비틀림이 발생하고, 이 비틀림에 의해 전압 무인가시에도 액정층의 두께방향의 중앙 부근의 액정분자는 기판 평면에 대하여 기울어진 상태가 될 것으로 생각되고 있다. 20° 이상이라는 높은 프리틸트각을 가지는 RTN형 액정소자에서는, 액정층의 두께방향의 중앙 부근의 액정분자의 기울기각이 매우 크고, 기판에 대하여 거의 수직하게 일어설 것으로 추측된다. 그 때문에, 전압 무인가시에도 비교적 어두운 검은 표시가 얻어진 것으로 생각된다. 한편, 일반적으로 리버스 트위스트 배열상태에서는 기판과의 경계면에서의 프리틸트각보다 벌크에서의 경사각이 높아진다. 이는 연속체 이론에 근거한 액정분자 배향 시뮬레이션에 의해서도 확인되고 있다.

이어서 본 발명자들은 도 20에 나타내는 표의 No.1 또는 No.3의 조건을 전제로, 도 19에 나타내는 흐름도에 따라서 복수개의 액정소자를 제작하고, 리버스 트위스트 배열상태의 전압 무인가시에 실현되는 비교적 어두운 검은 표시의 유지시간이 길어지는 소성온도, 트위스트각, 셀두께(액정층의 두께)에 대하여 예비적으로 고찰하였다. 도 22의 (a)~(f)에 액정소자의 제작조건 및 관찰결과를 나타낸다.

도 22의 (a)는 액정소자의 제작조건을 나타내는 표이다. 먼저, ITO 전극이 형성된 투명기판을 2장 준비하였다. 여기서도, 평행평판형 전극을 가지는 테스트 셀을 사용하고, 2장의 투명기판을 세정, 건조하였다.

투명기판 위에 ITO 전극을 덮도록 배향막 재료를 도포하였다. 배향막 재료의 도포는 스핀코트를 이용하여 실시하였다. 통상은 수직배향막의 형성에 사용되는 폴리이미드 배향막 재료의 측쇄밀도를 낮추어서 배향막 재료로서 사용하였다. 배향막 재료는 배향막의 두께가 500~800Å이 되도록 도포하였다. 배향막 재료를 도포한 투명기판에 대하여 가소성 및 본소성을 실시하였다. 도 22의 (a)에 나타내는 바와 같이, 본소성은 160℃ 또는 180℃에서 실시하였다. 이렇게 하여 ITO 전극을 덮는 배향막을 형성하였다.

이어서 러빙처리를 압입량을 0.8mm로 하여 실시하였다. 러빙처리는 도 22의 (a)에 나타내는 바와 같이, 상하기판 사이의 트위스트각을 80°, 90°, 100°로 하는 3가지 조건에서 실시하였다.

한쪽 투명기판면 위에 갭 조절재를 살포하였다. 갭 조절재로는 입경 3㎛, 4㎛, 5㎛의 플라스틱 볼을 사용하고, 도 22의 (a)에 나타내는 바와 같이, 셀두께가 3㎛, 4㎛, 5㎛가 되는 복수개의 액정소자를 제작하였다. 다른 쪽 투명기판면 위에는 글라스 화이버를 포함한 열경화성 시일재를 스크린 인쇄법으로 인쇄하고, 메인시일 패턴을 형성하였다. 2장의 투명기판을 소정의 위치에서 겹치고, 열처리를 실시하여 시일재를 경화시켜서 빈 셀을 제작하였다.

진공주입법으로 빈 셀에 네마틱 액정을 주입하였다. 액정재료로는 가부시키가이샤 메르크 제품 ZLI2293을 사용하였다. 액정중에는 카이랄제를 첨가하였다. 카이랄제로는 가부시키가이샤 메르크 제품 CB15를 사용하였다. 카이랄제의 첨가량은 d/p가 0.04, 0.08, 0.125, 0.16, 0.20, 0.25, 0.33이 되도록 조정하였다.

액정주입구를 자외선 경화형 엔드시일재로 밀봉하고, 액정의 상전이온도 이상으로 셀을 가열하였다. 스크라이버 장치로 투명기판에 생긴 자국에 따라 브레이킹하여 개개의 셀로 작게 나눈다.

작게 나뉜 셀에 대하여 모따기와 세정을 실시하고, 2장의 투명기판에서의 액정층과 반대측의 면에 편광판을 부착하였다. 2장의 편광판은 크로스 니콜로, 투과축의 방향과 러빙방향이 평행해지도록 배치하였다. 두 투명기판의 ITO 전극 사이에는 전원을 접속하였다. 이렇게 하여 제작된 액정소자의 ITO 전극 사이에 5V의 교류전압을 인가함으로써, 스프레이 트위스트 배열상태로부터 리버스 트위스트 배열상태(비교적 어두운 검은 표시)로 천이시킬 수 있었다.

도 22의 (b)는 액정재료에 대한 카이랄제의 첨가량을 바꾸었을 경우의 비교적 어두운 검은 표시(리버스 트위스트 배열상태)의 유지시간을 측정한 결과를 나타내는 표이다.

도 22의 (a)에 나타내는 조건 A에서 제작한 액정소자와 조건 B에서 제작한 액정소자를 비교한다. 조건 A에서 제작한 액정소자에서는, d/p=0.08, 0.125, 0.16, 0.20이 되는 4가지 경우에서 스프레이 트위스트 배열상태로부터 리버스 트위스트 배열상태(비교적 검은 표시)로 천이시킨 후, 리버스 트위스트 배열상태가 그대로 수주간 이상(표에서는 '∞'로 표시) 유지되었다. 또한, d/p=0.04인 경우에는 부분적으로 원하는 동작을 하지만, 초기보다 검은 표시상태가 되는 부분이 혼재되어 있었다. 이로부터, d/p=0.04인 경우는, 표시소자로서 사용하기 위한 균일성을 얻기 위한 경계조건이라고 생각된다.

한편, 조건 B에서 제작한 액정소자는, d/p=0.08과 0.125가 되는 경우에 리버스 트위스트 배열상태가 수주간 이상 유지되었다. 조건 B에서도 조건 A와 마찬가지로, d/p=0.04인 경우에 초기보다 검은 표시상태가 되는 부분이 혼재되어 있었다.

이로부터, 소성온도를 180℃로 하여 액정소자를 제작하는 것보다 160℃로 하여 제작하는 편이 리버스 트위스트 배열상태를 안정화시키기 위한 즉, 리버스 트위스트 배열상태와 스프레이 트위스트 배열상태의 쌍안정성을 얻기 위한 d/p 마진이 넓은 것을 알 수 있다. 한편, 도 22의 (c)는 조건 A, d/p=0.125에서 제작한 액정소자에서 유지된 리버스 트위스트 배열상태에서의 표시외관을 나타낸다. 소성온도를 적어도 160℃ 이상 180℃ 이하로 하여 액정소자를 제작함으로써, 리버스 트위스트 배열상태에서의 전압 무인가시의 검은 표시를 장시간 유지할 수 있다.

이어서, 조건 A, C, D에서 제작한 액정소자를 비교한다. 조건 C에서 제작한 액정소자는 모든 d/p에서 리버스 트위스트 배열상태가 장시간 유지되는 경우가 없었다. 트위스트각을 80°로 하여 액정소자를 제작하였을 경우, 두 배열상태의 쌍안정성을 얻기 어려운 것을 알 수 있다.

한편, 조건 A에서 제작한 액정소자와 조건 D에서 제작한 액정소자는 유지시간에 큰 차이가 인정되지 않았다. 단, 조건 D의 경우, d/p=0.125에서 제작한 액정소자에서 도 21의 (b)에 사진을 나타낸 예와 같이, 초기상태부터 어두운 표시를 나타내었다. 또한, d/p=0.25 및 0.33일 때의 유지시간이 조건 A의 경우보다 약간 짧았다. 이로부터 트위스트각을 적어도 90° 이상 100° 이하로 하여 액정소자를 제작함으로써, 리버스 트위스트 배열상태에서의 전압 무인가시의 검은 표시를 장시간 유지할 수 있는 것, 및 트위스트각을 100°로 하여 액정소자를 제작하는 것보다 90°로 하여 제작하는 편이 리버스 트위스트 배열상태와 스프레이 트위스트 배열상태의 쌍안정성을 약간 얻기 쉽다는 것을 알 수 있다.

이어서, 셀두께를 기준으로 비교한다. 셀두께가 3㎛로 얇은 경우(조건 E), d/p의 값에 의해 유지성에 명료한 차는 없고, 모든 d/p에서 리버스 트위스트 배열상태가 수주간 이상 유지되었다. 도 22의 (d)에 조건 E, d/p=0.125에서 제작된 액정소자의 표시외관을 나타낸다. 단, 조건 E에서는, d/p의 값이 0.20, 0.25로 클 때, 전압을 인가하지 않았음에도 불구하고 리버스 트위스트 배열상태가 점차 전극 밖의 영역으로 퍼지는 현상이 보였다. 도 22의 (e)에 그 모습을 나타낸다. 리버스 트위스트 배열상태가 전극 밖의 영역으로 퍼지면, 그 부분의 제어가 어려워지기 때문에 주의를 요한다.

셀두께가 5㎛로 두꺼운 경우(조건 F)에는, 조건 A나 조건 E와 비교하여 유지시간이 긴 d/p의 범위가 좁고, d/p=0.16으로 제작한 액정소자만 리버스 트위스트 배열상태가 수주간 이상 유지되었다. 도 22의 (f)에 그 액정소자의 표시 외관을 나타낸다. 본 발명자들의 관찰 결과, 셀두께가 두꺼운 경우나(조건 F) 얇은 경우에도(조건 E), 조건 A에서 제작한 액정소자와 마찬가지로, 리버스 트위스트 배열상태의 전압 무인가시에 비교적 어두운 검은 표시가 얻어졌다. 이로부터 액정소자의 셀두께에 다소 얼룩이 있었다고 하여도, 예를 들어, 콘트라스트비가 높은 쌍안정성 표시가 가능한 것을 알 수 있다. 도 22의 (b)의 표에 결과를 나타내는 관찰로부터, 셀두께를 적어도 3㎛ 이상 5㎛ 이하로 하여 액정소자를 제작함으로써, 리버스 트위스트 배열상태에서의 전압 무인가시의 검은 표시를 장시간 유지할 수 있는 것이 확인되었다.

d/p는, 다른 조건과도 상관이 있겠지만, 예를 들어, 조건 A, D 및 E에서 제작한 액정소자의 검은 표시 유지시간으로부터, 0.04를 넘고, 0.25 미만으로 하는 것이 바람직하다고 생각할 수 있을 것이다.

본 발명자들은 이상의 예비적 고찰에 입각하여, 실시예에 따른 액정소자를 제작하였다.

도 23은 실시예에 따른 액정소자의 1화소 안의 개략적인 단면도이다.

실시예에 따른 액정소자는, 서로 평행하게 대향배치된 상측기판(110a), 하측기판(110b), 및 두 기판(110a, 110b) 사이에 끼워진 트위스트 네마틱 액정층(115)을 포함하여 구성된다.

상측기판(110a)은, 상측투명기판(111a), 상측투명기판(111a) 위에 형성된 상측전극(112a), 및 상측전극(112a) 위에 형성된 상측배향막(114a)을 포함한다. 하측기판(110b)은, 하측투명기판(111b), 하측투명기판(111b) 위에 형성된 하측전극(112b), 하측전극(112b) 위에 형성된 절연막(113), 절연막(113) 위에 형성된 제1, 제2 빗살전극(112c, 112d), 및 제1, 제2 빗살전극(112c, 112d)을 덮도록 절연막(113) 위에 형성된 하측배향막(114b)을 포함한다. 한편, 상측전극(112a)이 '제1 전극', 하측전극(112b)이 '제2 전극', 제1 빗살전극(112c)이 '제3 전극', 제2 빗살전극(112d)이 '제4 전극'에 상당한다.

상측, 하측투명기판(111a, 111b)은 예를 들어, 글라스로 형성된다. 상측, 하측전극(112a, 112b) 및 제1, 제2 빗살전극(112c, 112d)은 예를 들어, ITO 등의 투명도전재료로 형성된다. 제1, 제2 빗살전극(112c, 112d)은 각각 복수개의 빗살부분을 구비하는 빗살전극이다. 제1, 제2 빗살전극(112c, 112d)의 빗살부분은 도 23의 좌우방향에 따라서 서로 다르게 배치되어 있다.

액정층(115)은 상측기판(110a)의 상측배향막(114a)과 하측기판(110b)의 하측배향막(114b) 사이에 배치된다.

상측배향막(114a) 및 하측배향막(114b)에는 러빙에 의해 배향처리가 실시되어 있다. 상측배향막(114a)과 하측배향막(114b)의 배향처리방향은, 상측기판(110a) 및 하측기판(110b)의 법선방향에서 보았을 때, 서로 직교하고 있다. 상측배향막(114a)의 러빙방향을 제1 방향, 하측배향막(114b)의 러빙방향을 제2 방향이라고 하면, 제2 방향은 상측기판(110a)의 법선방향에서 보아 제1 방향을 기준으로 반시계 방향으로 90°를 이루는 방향이다. 상측기판(110a) 및 하측기판(110b)의 배향처리방향과 프리틸트각의 조합으로 규정되는 액정층(115)의 액정분자의 배열상태는, 상측기판(110a)의 법선방향에서 보아, 오른쪽으로 90° 비틀어지는 유니폼 트위스트(리버스 트위스트) 배열이 된다.

액정층(115)을 형성하는 액정재료에는 카이랄제가 첨가되어 있다. 카이랄제의 영향력을 근거로 발생하는 액정분자의 배열상태는, 상측기판(110a)의 법선방향에서 보아, 상측기판(110a)으로부터 하측기판(110b)을 향하는 방향에 따라서 좌측 비틀림 방향으로 비틀리는 스프레이 트위스트 배열이 된다.

액정 셀 완성상태에서의 액정분자의 비틀림 방향은, 카이랄제에 의한 비틀림 방향과 같은 방향인 좌측 비틀림(스프레이 트위스트 배열)이었다.

전원(120)이 상측, 하측전극(112a, 112b) 및 제1, 제2 빗살전극(112c, 112d)에 전기적으로 접속되어 있다. 전원(120)에 의해 전극(112a~112d)에 전압을 인가할 수 있다. 예를 들어, 두 전극(112a, 112b) 사이에 임계값 전압 이상의 교류전압을 인가함으로써, 액정분자의 배열상태를 스프레이 트위스트 배열에서 유니폼 트위스트(리버스 트위스트) 배열로 전이시킬 수 있다.

상측기판(110a), 하측기판(110b)에서의 액정층(115)과 반대측 면에는, 각각 상측편광판(116a), 하측편광판(116b)이 배치된다. 두 편광판(116a, 116b)은 크로스 니콜로, 광투과축이 상측기판(110a) 및 하측기판(110b)의 러빙방향과 평행해지도록 배치된다. 실시예에 따른 액정소자는 노멀리 화이트(normally white)형 액정소자이다.

도 24 내지 도 28을 참조하여, 실시예에 따른 액정소자의 구성 및 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.

도 24는 상측투명기판(111a) 위에 형성되는 ITO막의 패턴을 나타내는 개략적인 평면도이다. 도 24에 나타내는 ITO막으로 예를 들어, 화소전극(각 화소에서 상측전극(112a)을 형성하는 전극) 및 그 화소전극의 추출전극이 형성된다.

ITO막 패턴은 예를 들어, 도 24의 좌우방향으로 ITO막이 스트라이프 형상으로 뻗도록 형성된다. 도 24에서는 화소전극을 구성하는 ITO막에 112A₁~112A₁₀의 부호를 사용하여 나타내었다.

ITO막의 패터닝은 ITO 부착 글라스 기판을 세정한 후, 포토리소 공정을 이용하여 실시하였다. ITO의 에칭은 제2 염화철을 이용한 습식 에칭으로 실시하였다. 레이저 빔을 조사하여 ITO막을 제거함으로써 패터닝하여도 된다.

도 25는 하측투명기판(111b) 위에 형성되는 ITO막의 패턴을 나타내는 개략적인 평면도이다. 도 25에 나타내는 ITO막으로 예를 들어, 화소전극(각 화소에서 하측전극(112b)을 형성하는 전극) 및 그 화소전극의 추출전극이 형성된다.

ITO막 패턴은 예를 들어, 도 25의 상하방향으로 ITO막이 스트라이프 형상으로 뻗도록 형성된다. 도 25에서는 화소전극을 구성하는 ITO막의 일부에 112B₁~112B₉의 부호를 사용하여 나타내었다. 한편, 도 25의 상하방향과 도 24의 좌우방향은 서로 직교하는 방향이다.

ITO막의 패터닝은 도 24를 참조하여 설명한 ITO막 패턴의 형성방법과 같은 방법으로 실시할 수 있다.

ITO막을 패터닝한 후, ITO막 위를 포함하는 하측투명기판(111b) 위에 절연막(113)을 형성한다. 절연막(113)은 예를 들어 추출전극(112BT₁~112BT₉) 부분(단자부분)에는 형성하지 않는다. 도 25에서는 절연막(113)을 형성하지 않는 영역을 사선으로 나타내었다. 절연막(113)은, 추출전극 부분 등에 레지스트를 형성하고, 절연막 형성후에 리프트 오프로 레지스트를 제거하는 방법, 메탈 마스크로 추출전극 부분 등을 덮은 상태에서 스퍼터에 의해 형성하는 방법에 의해 형성할 수 있다. 또한, 절연막(113)은 유기절연막이나 SiO₂, SiN_x 등의 무기절연막으로 할 수 있다. 그 조합들로 형성하여도 된다. 실시예에서는 아크릴계 유기절연막과 SiO₂의 적층막을 절연막(113)으로서 사용하였다.

실시예에서는 먼저, 추출전극 부분 등에 내열성 필름(폴리이미드 테이프)을 붙이고, 막두께 1㎛로 유기절연막을 스핀코트(2000rpm으로 30초간 스핀)하였다. 이어서, 유기절연막이 스핀코트된 하측투명기판(111b)을 클린오븐으로 220℃에서 1시간 소성하고, 그 후 내열성 필름을 붙인 채로 하측투명기판(111b)을 80℃로 가열하며, SiO₂막을 스퍼터법(교류방전)에 의해 두께 1000Å로 형성하였다. SiO₂막은 진공증착법, 이온빔법, CVD법 등을 사용하여 형성할 수도 있다.

여기서, 내열성 필름을 벗기면, 내열성 필름의 부착 부분에 대하여 유기절연막 및 SiO₂막을 제거할 수 있었다. 이어서, SiO₂막의 절연성과 투명성을 향상시키기 위하여, 하측투명기판(111b)을 클린오븐으로 220℃에서 1시간 소성하였다.

SiO₂막의 형성은 필수는 아니지만, SiO₂막을 형성함으로써 절연막(113)의 절연성을 향상시킬 수 있다. 또한, 절연막(113) 위에 형성하는 제1, 제2 빗살전극(112c, 112d)의 밀착성 및 패터닝성을 향상시킬 수 있다.

유기절연막을 형성하지 않고, 절연막(113)을 SiO₂막만으로 구성하여도 된다. SiO₂막은 다공질이 되기 쉽기 때문에, 이 경우에는 SiO₂막의 두께를 4000~8000Å로 하는 것이 바람직하다. SiO₂막과 SiN_X막의 적층으로 이루어지는 무기절연막(113)으로 할 수도 있다.

절연막(113) 위에 ITO막을 형성하였다. ITO막은 하측투명기판(111b)을 100℃로 가열하고, 스퍼터법(교류방전)에 의해 기판 전체면에 형성하였다. 막두께는 약 1200Å로 하였다. ITO막은 진공증착법, 이온빔법, CVD법 등을 이용하여 형성할 수도 있다. 이 ITO막을 포토리소 공정으로 패터닝하고, 제1 빗살전극(112c), 제2 빗살전극(112d) 및 이 전극(112c, 112d)들의 추출전극을 형성하였다.

도 26은 ITO막의 에칭에 사용하는 포토마스크를 나타내는 개략적인 평면도이다. 포토마스크는 제1 빗살전극(112c) 대응부분, 제2 빗살전극(112d) 대응부분, 제1 빗살전극(112c)의 추출전극 대응부분, 제2 빗살전극(112d)의 추출전극 대응부분 및 하측전극(112b)의 추출전극 대응부분을 포함한다. 에칭시에 각 대응부분으로 덮힌 ITO막으로 전극이 형성된다. 한편, 본 발명자들은, 빗살전극의 빗살부분의 전극폭을 20㎛, 30㎛로 하고, 2개의 빗살전극의 빗살부분을 번갈아 배치하였을 때의 전극 간격을 20㎛, 30㎛, 50㎛, 100㎛, 200㎛로 하는 복수개의 전극패턴으로, 제1 빗살전극(112c) 및 제2 빗살전극(112d)을 제작하였다.

이상과 같은 공정을 거쳐서 전극부착 기판을 2장 준비하였다(도 19의 단계 S101). 2장의 전극부착 기판을 세정하고 건조한다(단계 S102). 물세정의 경우, 순수세정을 한다. 세제를 사용하여 실시하여도 된다. 브러시 세정, 스프레이 세정 중 어느 것으로나 세정할 수 있다. 그 후 물기를 빼고, 건조시킨다. 물세정 이외의 방법으로서 UV세정, IR건조를 실시할 수 있다.

2장의 전극부착 기판 위에 ITO 전극을 덮도록 배향막 재료를 도포하였다(단계 S103). 배향막 재료의 도포는 스핀코트를 이용하여 실시하였다. 플렉소 인쇄나 잉크젯 인쇄를 사용하여 실시하여도 된다. 통상은 수직배향막의 형성에 사용되는 폴리이미드 배향막 재료의 측쇄밀도를 낮추어서 배향막 재료로서 사용하였다. 배향막 재료는 배향막의 두께가 500~800Å이 되도록 도포하였다. 배향막 재료를 도포한 전극부착 기판에 대하여 가소성(단계 S104) 및 본소성(단계 S105)을 실시하였다. 본소성은 160℃에서 1시간 실시하였다. 160℃ 이상 180℃ 이하의 온도에서 실시하여도 된다. 이렇게 하여 ITO 전극을 덮는 배향막을 형성하였다(단계 S103~ S105).

도 27은 하측기판(110b)에 형성되는 하측배향막(114b)의 형성영역의 일부를 나타내는 개략적인 평면도이다. 하측배향막(114b)은 예를 들어, 제1, 제2 빗살전극(112c, 112d)이 배치되고, 화소가 구분되는 영역에 형성된다. 도 27에는 하측배향막(114b)의 형성영역으로서 좌측 위쪽 부분만을 나타내었는데, 그 밖의 빗살전극(112c, 112d) 배치영역도 마찬가지이다.

이어서, 러빙처리(배향처리)를 하였다(단계 S106). 러빙처리는 압입량을 0.8mm로 하여 실시하였다. 또한, 액정소자의 트위스트각이 90°가 되도록 실시하였다.

셀두께를 4㎛로 하기 위하여, 한쪽 기판면 위에 입경 4㎛의 갭 조절재를 살포하였다(단계 S107). 셀두께를 3㎛ 이상 5㎛ 이하로 하기 위하여, 입경 3㎛ 이상 5㎛ 이하의 갭 조절재를 살포하는 것도 가능하다. 다른 쪽 기판면 위에는 시일재를 인쇄하여 메인시일 패턴을 형성하였다(단계 S108). 2장의 기판을 소정의 위치에서 겹쳐서(단계 S109), 시일재를 경화시켰다.

2장의 기판을 겹치는 것은, 액정분자의 배열이 상측기판 법선방향에서 보아 오른쪽으로 90° 비틀리는 유니폼 트위스트(리버스 트위스트) 배열이 되도록, 상측배향막(114a)의 러빙방향을 제1 방향, 하측배향막(114b)의 러빙방향을 제2 방향이라고 하였을 때, 제2 방향이 상측기판(110a)의 법선방향에서 보아 제1 방향을 기준으로 반시계 방향으로 90°를 이루는 방향이 되도록 하였다. 한편, 트위스트각은 90° 이상 100° 이하로 할 수 있다.

진공주입법으로 네마틱 액정을 주입하였다(단계 S110). 액정재료로는 가부시키가이샤 메르크 제품 ZLI2293을 사용하였다. 액정중에는 카이랄제를 첨가하였다. 카이랄제로는 가부시키가이샤 메르크 제품 CB15를 사용하였다. 카이랄제의 첨가량은 카이랄 피치를 p, 액정층의 두께를 d라고 하였을 때, d/p가 0.16이 되도록 조정하였다. 0.04를 넘고 0.25 미만으로 할 수 있다.

액정주입구를 자외선 경화형 엔드시일재로 밀봉하고(단계 S111), 액정분자의 배향을 조정하기 위하여, 액정의 상전이온도 이상으로 셀을 가열하였다(단계 S112). 그 후, 스크라이버 장치로 투명기판에 생긴 자국에 따라 브레이킹하여 개개의 셀로 작게 나눈다. 작게 나뉜 셀에 대하여 모따기(단계 S113)와 세정(단계 S114)을 실시하였다.

마지막으로, 2장의 기판에서의 액정층과 반대측의 면에 편광판을 부착하였다(단계 S115). 2장의 편광판은 크로스 니콜로, 투과축의 방향과 러빙방향이 평행해지도록 배치하였다. 직교하도록 배치할 수도 있다. 두 기판의 ITO 전극(상측, 하측전극(112a, 112b)) 및 제1, 제2 빗살전극(112c, 112d)) 사이에는 전원을 접속하였다.

도 28은 실시예에 따른 액정소자의 구조를 나타내는 개략적인 평면도이다. 도 28에는 도 24 내지 도 27에 나타낸 구조를 모두 겹쳐서 나타내었다. 좌우방향으로 뻗은 가로전극과 상하방향으로 뻗은 세로전극으로 1개의 화소가 구분된다. 도 28에서는 가로전극에 부호 112A₁~112A₁₀을 사용하고, 세로전극의 일부에 부호 112B₁~112B₉를 사용하여 나타내었다. 화살표로 나타낸 것은, 가로전극(112A₉)과 세로전극(112B₈)이 기판 법선방향에서 보아 겹쳐지는 영역에 구분지어진 화소이다. 이 화소에서의 가로전극(112A₉)은 도 23의 상측전극(112a)에 상당하고, 세로전극(112B₈)은 하측전극(112b)에 상당한다.

도 29의 (a)~(c)는 실시예에 따른 액정소자의 외관사진이고, 도 29의 (d)~(f)는 전압 인가시의 전계방향을 나타내는 개략적인 단면도이다. 한편, 도 29의 (a)~(c)에 나타내는 것은, 제1, 제2 빗살전극(112c, 112d)의 빗살부분의 전극폭을 20㎛로 하고, 두 빗살전극(112c, 112d)의 빗살부분을 번갈아 배치하였을 때의 전극 간격을 20㎛로 하여 제작한 액정소자의 빗살전극(112c, 112d) 형성영역의 외관사진이다.

도 29의 (a)는 액정소자가 완성된 상태(초기상태)의 외관사진을 나타낸다. 초기상태에서 액정분자는 스프레이 트위스트 배열상태가 된다.

이 상태에서, 도 29의 (d)에 나타내는 바와 같이, 상측전극(112a)과 하측전극(112b) 사이에 전압을 인가하였다. 두 전극(112a, 112b)에 대한 전압 인가에 의해, 액정층에는 세로전계(액정층의 두께방향의 전계)가 발생한다.

도 29의 (b)는 전극(112a, 112b)에 전압을 인가한 후의 외관사진이다. 전체가 스프레이 트위스트 배열상태로부터 리버스 트위스트 배열상태로 천이한 것을 알 수 있다. 반대로, 이로부터 두 전극(112a, 112b)에 대한 전압 인가에 의해 액정층에 세로전계가 발생하는 것이 확인된다.

이어서, 도 29의 (e)에 나타내는 바와 같이, 제1 빗살전극(112c)과 제2 빗살전극(112d) 사이에 전압을 인가하였다. 두 전극(112c, 112d)에 대한 전압 인가에 의해, 액정층에는 가로전계(액정층의 두께방향과 직교하는 방향의 전계, 기판면내 방향의 전계)가 발생한다. 한편, 제1, 제2 빗살전극(112c, 112d)에 대한 전압 인가에 의해, 액정층에 가로전계를 발생시켜서 액정소자를 구동하는 구동모드를 IPS 모드(in-plane switching mode)라고 한다.

도 29의 (b)에 나타내는 상태의 액정소자를 IPS 모드로 구동하였더니, 초기상태와 마찬가지 상태(스프레이 트위스트 배열상태)로 재천이한 것이 확인되었다.

더욱이, 도 29의 (f)에 나타내는 바와 같이, 하측전극(11b), 제1 빗살전극(112c), 제2 빗살전극(112d)에 전압을 인가하였다. 전극(112b, 112c, 112d)에 대한 전압 인가에 의해서도 액정층에는 가로전계가 발생한다. 한편, 전극(112b, 112c, 112d)에 대한 전압 인가에 의해 액정층에 가로전계를 발생시켜서 액정소자를 구동하는 구동모드를 FFS 모드(fringe field switching mode)라고 한다.

도 29의 (c)는 도 29의 (b)에 나타내는 상태의 액정소자를 FFS 모드로 구동한 후의 외관사진이다. 전면이 초기상태와 마찬가지 상태(스프레이 트위스트 배열상태)로 재천이한 것을 알 수 있다.

본 발명자들의 관찰 결과, IPS 모드로 구동하였을 경우, 전면이 스프레이 트위스트 배열상태로 천이하는 것이 아니라, 빗살전극의 패턴에 대응한 스트라이프 형상으로 스프레이 트위스트 배열상태로 천이하였다. IPS 모드에서는 빗살전극(112c, 112d) 사이에만 가로전계가 발생하기 때문이라고 생각된다. 이에 대하여, FFS 모드로 구동하였을 경우, 전면이 스프레이 트위스트 배열상태로 천이한 것은, FFS 모드에서는 빗살전극(112c, 112d) 위에도 가로전계가 발생하기 때문이라고 생각된다. 실시예에 따른 액정소자는, 스프레이 트위스트 배열상태와 리버스 트위스트 배열상태를 스위칭할 수 있는 액정소자이다. 세로전계의 인가에 의해 전자를 후자로 천이할 수 있다. 또한, 가로전계의 인가에 의해 후자를 전자로 천이할 수 있다. 한편, 가로전계의 인가에 관해서는 개구율, 광투과율, 콘트라스트비 등의 점에서 IPS 모드보다 FFS 모드에 의한 구동이 바람직하다.

액정층의 두께방향의 중앙 부근의 액정분자가 세로전계의 부가에 의해 가로방향으로부터 세로방향으로 기울어짐으로써, 스프레이 트위스트 배열상태로부터 리버스 트위스트 배열상태로의 스위칭이 이루어지는 것으로 생각된다. 또한, 액정층의 두께방향의 중앙 부근의 액정분자가 가로전계의 부가에 의해 세로방향으로부터 가로방향으로 기울어짐으로써, 리버스 트위스트 배열상태로부터 스프레이 트위스트 배열상태로의 스위칭이 이루어지는 것으로 생각된다.

실시예에 따른 액정소자는, 부가하는 전계의 방향에 의해 스프레이 트위스트 배열상태와 리버스 트위스트 배열상태가 서로 천이하고, 또한 각각의 상태가 안정적으로 유지되는 액정소자이다. 실시예에 따른 액정소자에서는 예를 들어, 메모리성을 이용한 표시가 가능하다.

하얀 표시를 하고자 하는 화소는 스프레이 트위스트 배열상태로 하고, 검은 표시를 하고자 하는 화소는 리버스 트위스트 배열상태로 한다. 적어도 하얀 표시로부터 검은 표시로 바꾸고자 하는 화소에는 세로전계를 가한다. 검은 표시를 유지하고자 하는 화소에도 세로전계를 가하여도 된다. 반대로, 적어도 검은 표시로부터 하얀 표시로 바꾸고자 하는 화소에는 가로전계를 가한다. 하얀 표시를 유지하고자 하는 화소에도 가로전계를 가하여도 된다.

표시 갱신은 예를 들어 라인마다 실시할 수 있다. 일례로서, 도 28에서 세로전극(112B₁~112B₉) 중 1개, 예를 들어 세로전극(112B₁)에 배열상태의 천이가 발생하지 않을 정도의 구형파(예를 들어, 150Hz, 5V 정도)를 인가한다. 이와 함께, 가로전극(112A₆~112A₁₀) 또는 제1, 제2 빗살전극에 세로전극(112B₁)에 인가하는 전압과 동기한 혹은 반주기 어긋난 구형파(예를 들어, 150Hz, 5V 정도)를 인가한다.

세로전극(112B₁)에 가한 파형과 동기한 파형을 가한 화소에서는, 실효적으로 전압이 인가되지 않은 상태가 되기 때문에 표시가 변하지 않고, 세로전극(112B₁)에 가한 파형과 반주기 어긋난 파형을 가한 화소에서는, 실효적으로는 10V 정도의 전압이 인가되는 상태가 되기 때문에, 포화전압 이상의 전압이 되어, 하얀 표시와 검은 표시 사이를 서로 변화시킬 수 있다.

예를 들어, 하얀 표시를 하고자 하는 화소에는 제1, 제2 빗살전극에 반주기 어긋난 구형파를 인가하고, 가로전극(112A₆~112A₁₀)에는 전압을 인가하지 않는다. 검은 표시를 하고자 하는 화소에는 가로전극(112A₆~112A₁₀)에 반주기 어긋난 구형파를 인가하고, 제1, 제2 빗살전극에는 전압을 인가하지 않는다.

세로전극(112B₁) 후에 세로전극(112B₂~112B₉)에 대해서도 구형파를 인가하고, 마찬가지로 구동함으로써 매트릭스 표시가 가능해진다. 갱신된 표시는 반영구적으로 유지할 수 있다.

실시예에 따른 액정소자는 예를 들어, 상술한 선순차 갱신법(선순차구동:線順次驅動) 등의 메모리성을 이용한 구동방법으로 구동할 수 있다. 표시의 갱신시 이외에는 전력을 소비하지 않는 초저소비 전력구동이 가능하다. 특히, 반사형 디스플레이에 적용하였을 경우에 이점이 크다. 또한, 고가의 TFT 등을 이용하지 않고, 단순 매트릭스 표시에 의해 대용량의 도트 매트릭스 표시를 할 수 있다. 즉, 낮은 비용으로 대용량 표시를 할 수 있다. 더욱이, 실시예에 따른 액정소자는 예를 들어, 도 19 및 도 24 내지 도 28을 참조하여 설명한 제조방법으로 저가로 제조할 수 있다.

도 30의 (a)~(d)는 실시예에 따른 액정소자, 및 다른 바람직한 조건에서 제작한 액정소자의 전압-광투과율 특성을 나타내는 그래프이다. 각 그래프의 가로축은 인가전압을 단위 'V'로 나타내고, 세로축은 광투과율을 단위 '%'로 나타낸다. 실선으로 나타내는 곡선은 리버스 트위스트 배열상태(도면에서는 '천이후'라고 표시)에서의 전압-광투과율 특성을 나타내고, 파선으로 나타내는 곡선은 스프레이 트위스트 배열상태(도면에서는 '천이전'이라고 표시)에서의 전압-광투과율 특성을 나타낸다. 도시하는 것은, 각 배열상태에서 상측, 하측전극(112a, 112b) 사이에 전압을 인가하고, 세로전계를 발생시켰을 경우의 전기광학특성이다. 한편, '천이전', '천이후'의 앞에 붙인 숫자는 도 30의 (a)~(c)에서는 d/p값, 도 30의 (d)에서는 셀두께를 나타낸다.

도 30의 (a)에 도 22의 (a)의 조건 A로 제작한 액정소자(실시예에 따른 액정소자)의 전기광학특성을 나타낸다. 전압 무인가시의 두 배열상태의 광투과율이 크게 다르고, 높은 콘트라스트비의 표시가 가능한 것을 알 수 있다. 실시예에 따른 액정소자는 콘트라스트비가 높고, 또한 하얀 표시상태와 검은 표시상태가 모두 안정적인 고품질의 표시를 간편하게 실현할 수 있는 액정소자이다. 검은 표시가 어둡고 분명한 표시를 하기 쉽다.

도 30의 (b)에 도 22의 (a)의 조건 B로 제작한 액정소자의 전기광학특성을 나타낸다. 도 30의 (a)에 나타내는 예에는 다소 떨어지지만, 역시 전압 인가시의 두 배열상태의 광투과율이 크게 다르고, 높은 콘트라스트비, 고품질의 표시가 가능하다. 한편, 도 30의 (a)에 나타내는 전기광학특성과 도 30의 (b)에 나타내는 전기광학특성에서는, 광투과율의 d/p에 대한 의존성 경향이 반대로 되어 있다. 그 상세한 원인은 분명하지 않지만, 제작조건에 따라서 최적의 전기광학특성을 얻기 위한 d/p의 경향이 다른 것을 알 수 있다.

도 30의 (c)는 도 22의 (a)의 조건 D로 제작한 액정소자의 전기광학특성이다. 도 30의 (a)에 나타내는 예와 크게 다르지 않고, 높은 콘트라스트비, 고품질의 표시가 가능하다. 또한, 도 30의 (c)에 나타내는 예에서는, 광투과율의 d/p에 대한 의존성이 작고, d/p에 대하여 안정되어 있는 것을 알 수 있다.

도 30의 (d)에 셀두께에 따른 전기광학특성의 차이를 나타낸다. 셀두께를 3㎛, 4㎛, 5㎛ 중 어느 것으로 하여도, 리버스 트위스트 배열상태의 전압 무인가시에 비교적 어두운 검은 표시가 얻어지는 것을 알 수 있다. 액정재료를 최적화함으로써, 어느 셀두께에서도 비교적 밝은 광투과율과 높은 콘트라스트비를 양립할 수 있는 것으로 생각된다.

도 31의 (a) 및 (b)는 실시예에 따른 액정소자의 시각-콘트라스트 특성을 나타내는 그래프이다. 두 그래프에서, 가로축은 가장 좋은 시인방향에서의 시각(극각(polar angle), 기판 법선방향으로부터의 경사각)을 단위 '°'로 나타낸다. 리버스 트위스트 배열상태에서 액정층 두께방향의 중앙의 액정분자가 일어서고 있는 방향이 가장 좋은 시인방향이 된다. 또한, 세로축은 콘트라스트비를 나타낸다. 콘트라스트비는 스프레이 트위스트 배열상태(하얀 표시)에서의 광투과율을, 리버스 트위스트 배열상태(검은 표시)에서의 광투과율로 나눈 값이다.

도 31의 (a)에 나타내는 바와 같이, 실시예에 따른 액정소자에서는 약 40°의 시각(극각)에서 16 이상의 콘트라스트비가 얻어지고 있다.

도 31의 (b)에는 실시예에 따른 액정소자의 시각-콘트라스트 특성(실선)과 함께, 예를 들어, 도 21의 (c)에 표시외관을 나타낸 종래의 액정소자의 시각-콘트라스트 특성(파선)을 나타낸다. 도시되는 바와 같이, 종래의 액정소자에서는 시각(극각)에 상관없이 콘트라스트비가 1 전후이다. 또한, 종래의 액정소자의 콘트라스트비의 최대값은 1.09이었다. 실시예에 따른 액정소자는 넓은 시각범위에서 높은 콘트라스트가 실현되는 높은 표시품질을 가지는 액정소자인 것을 알 수 있다.

이상, 실시예에 따라서 본 발명을 설명하였는데, 본 발명은 이것들로 한정되지 않는다.

예를 들어, 실시예에서는 편광판을 크로스 니콜로 배치하고 노멀리 화이트 표시의 액정소자로 하였는데, 편광판을 평행 니콜로 배치하고 노멀리 블랙 표시의 액정소자로 하여도 된다. 단, 노멀리 화이트로 하는 편이 높은 콘트라스트비로 표시하기 쉬울 것이다. 노멀리 화이트 표시의 경우, 양호한 검은 표시를 얻기 위해서는 상측 및 하측 편광판(116a, 116b)의 투과축 방향이 이루는 각도가 90° 부근인 것이 바람직하다.

한편, 실시예에서는 상측 및 하측편광판(116a, 116b)으로서 광투과율이 비교적 낮은 타입을 사용하였기 때문에, 예를 들어, 도 30의 (a)에 나타내는 바와 같이, 하얀 표시(스프레이 트위스트 배열상태)의 광투과율이 15~20% 정도로 되어 있는데, 광투과율이 비교적 높은 형태를 사용하면, 하얀 표시의 광투과율을 예를 들어 25~30% 정도로 하는 것이 가능할 것이다.

또한, 실시예에서는 트위스트각을 90°로 하였지만, 그 밖의 각도로 할 수도 있다. 이 경우, 하얀 표시에서의 밝기를 밝게 하기 위하여, 액정층 내의 지연값(retardation valve)을 조정할 필요가 있다.

더욱이, 실시예에서는 하측기판(110b)에만 가로전계를 발생시키는 전극을 형성하였는데, 하측기판(110b) 뿐만 아니라, 상측기판(110a)에도 형성할 수 있다. 가로전계를 발생시키는 전극은 상측기판(110a), 하측기판(110b) 중 적어도 한쪽에 형성되면 된다.

이하, 본 발명에 따른 다른 실시예에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.

도 32는 실시예에 따른 액정소자(200)의 1화소 안의 개략적인 단면도이다. 실시예에 따른 액정소자(200)는, 서로 평행하게 대향배치된 상측기판(201), 하측기판(202), 및 두 기판(201, 202) 사이에 협지된 트위스트 네마틱 액정층(203)을 포함하여 구성된다.

상측기판(201)은, 상측투명기판(212), 상측투명기판(212) 위에 형성된 투명전극(213), 및 투명전극(213) 위에 형성된 상측배향막(214)을 포함한다. 하측기판(220)은, 하측투명기판(222), 하측투명기판(222) 위에 형성된 투명전극(223), 및 투명전극(223) 위에 형성된 하측배향막(224)을 포함한다.

상측, 하측 투명기판(212, 222)은 예를 들어, 글라스로 형성된다. 투명전극(213, 223)은 예를 들어, ITO 등의 투명도전재료로 형성된다.

액정층(203)은 상측기판(201)의 상측배향막(214)과 하측기판(202)의 하측배향막(224) 사이에 배치된다.

상측 및 하측 배향막(214, 224)에는 러빙에 의해 배향처리가 실시되어 있다. 상측배향막(214)과 하측배향막(224)의 배향처리 방향은 상측 및 하측기판(201, 202)의 시인방향으로부터 보았을 때 서로 직교하고 있다.

액정층(203)을 형성하는 액정재료에는 카이랄제가 첨가되어 있다. 카이랄제의 영향력을 근거로 생기는 액정분자의 배향상태는, 상측기판(201)의 법선방향에서 보아 상측기판(201)으로부터 하측기판(202)을 향하는 방향에 따라서 좌측 비틀림 방향으로 비틀리는 스프레이 트위스트 배향이 된다.

도 33의 (a)는 스프레이 트위스트 배열상태에서의 액정층(203) 안의 액정분자(203a)의 배향상태를 나타내는 개략적인 평면도이다. 상측기판(201)의 시인방향에서 본 상태를 나타낸다.

도 33의 (b)는 실시예에 따른 액정층(203) 안의 액정분자(203a)가 스프레이 트위스트 배향상태인 경우에 액정층(203)을 정면(도 33의 (a)의 A1 방향)에서 보았을 때의 개략적인 단면도이다.

도 33의 (c)는 실시예에 따른 액정층(203) 안의 액정분자(203a)가 스프레이 트위스트 배향상태인 경우에 액정층(203)을 가로(도 33의 (a)의 A2 방향)에서 보았을 때의 개략적인 단면도이다.

도 33의 (d)는 유니폼 트위스트(리버스 트위스트) 배향상태에서의 액정층(203) 안의 액정분자(203a)의 배향상태를 나타내는 개략적인 평면도이다. 상측기판(201)의 시인방향으로부터 본 상태를 나타낸다.

도 33의 (e)는 실시예에 따른 액정층(203) 안의 액정분자(203a)가 유니폼 트위스트(리버스 트위스트) 배향상태인 경우에 액정층(203)을 정면(도 33의 (d)의 A1 방향)에서 보았을 때의 개략적인 단면도이다.

도 33의 (f)는 실시예에 따른 액정층(203) 안의 액정분자(203a)가 유니폼 트위스트(리버스 트위스트) 배향상태인 경우에 액정층(203)을 가로(도 33의 (d)의 A2 방향)에서 보았을 때의 개략적인 단면도이다.

액정셀 완성상태에서의 액정분자(203a)의 비틀림 방향은, 도 33의 (a)~(c)에 나타내는 바와 같은 카이랄제에 의한 비틀림 방향과 같은 방향인 좌측 비틀림(RD1)이 되는 스프레이 트위스트 배향상태이었다.

스프레이 트위스트 배향상태란, 도 33의 (a)~(c)에 나타내는 바와 같이, 액정층(203)을 사이에 끼우는 두 배향막(214, 224)과의 계면에서의 프리틸트각의 방향이 같고, 두 계면의 프리틸트각이 같은 경우, 액정층 중간 부근의 영역에서는 액정분자(203a)의 극각이 0이 되도록 변하여, 액정분자의 배향방향이 액정층(203)을 가로(도면에서 A2 방향)에서 보았을 때, 도 33의 (c)에 나타내는 바와 같이, 부채형상으로 분포하는 스프레이 배향과, 상하기판 사이에서 액정분자가 수평방향으로 90도 비틀리는 트위스트 배향이 조합된 배향이다.

리버스 트위스트(유니폼 트위스트) 배향상태는 도 33의 (d)~(f)에 나타내는 바와 같이, 도 33의 (a)~(c)에 나타내는 스프레이 트위스트 배향상태와는 반대방향(RD2)으로 비틀려 있는 배향상태이다.

상측배향막(214)의 러빙방향을 제1 방향(OD1), 하측배향막(224)의 러빙방향을 제2 방향(OD2)이라고 하면, 제2 방향(OD2)은 상측기판(201)의 시인방향에서 보아, 제1 방향(OD1)을 기준으로 반시계 방향으로 90°를 이루는 방향이다. 상측 및 하측기판(201, 202)의 배향처리 방향과 프리틸트각의 조합으로 규정되는 액정층(203)의 액정분자의 배향상태는, 도 33의 (d)에 나타내는 바와 같이, 상측기판(201)의 법선방향에서 보아 오른쪽(제2 선회방향)(RD2)으로 90° 비틀리는 유니폼 트위스트(리버스 트위스트) 배향이 된다.

도 32로 돌아가서, 구동전원(220)이 상하투명전극(213, 223)에 전기적으로 접속되어 있다. 구동전원(220)에 의해 전극(213, 223)에 전압을 인가할 수 있다. 예를 들어, 두 전극(213, 223) 사이에 임계값 전압 이상의 교류전압을 인가함으로써, 액정분자의 배향상태를 스프레이 트위스트 배향으로부터 유니폼 트위스트(리버스 트위스트) 배향으로 전이시킬 수 있다.

상측기판(201), 하측기판(202) 각각에서의 액정층(203)과 반대측 면에는 상측편광판(211), 하측편광판(221)이 배치된다. 두 편광판(211, 221)은 크로스 니콜로, 광투과축이 상측 및 하측기판(201, 202)의 러빙방향과 평행해지도록 배치된다. 실시예에 따른 액정소자(200)는 노멀리 화이트 타입의 액정소자이다.

도 34는 실시예에 따른 액정소자(200)의 제조방법을 나타내는 흐름도이다. 본 발명자들은 먼저 도 34에 나타내는 흐름도에 따라 도 32에 나타내는 실시예에 의한 액정소자(200)를 여러 조건에서 제작하고, 양호한 표시를 실현하는 배향막의 소성조건 및 러빙처리에서의 압입량에 대하여 고찰하였다. 이하, 도 32 및 도 34를 참조하여, 실시예에 따른 액정소자(200)의 제조방법을 설명한다.

투명전극(213) 예를 들어, ITO(indium tin oxide) 전극(213)이 형성된 투명기판(212)을 준비하는 동시에, 투명전극(223) 예를 들어, ITO 전극(223)이 형성된 투명기판(222)을 준비한다(단계 S201). 여기서는, 평행평판형 전극을 가지는 테스트 셀을 사용하여, 2장의 투명기판(212, 222)을 세정, 건조하였다(단계 S202).

투명기판(212, 222) 위에 ITO 전극(213, 223)을 덮도록 배향막 재료를 도포한다(단계 S203). 배향막 재료의 도포는 스핀코트를 이용하여 실시하였다. 플렉소 인쇄나 잉크젯 인쇄를 이용하여 실시하여도 된다.

한쌍의 투명기판(212, 222) 중 한쪽 기판(212)에 대해서는, 통상은 수직배향막의 형성에 사용되는 폴리이미드 배향막 재료의 측쇄밀도를 낮추어서 배향막(초고 프리틸트측 배향막)(214)의 재료로서 사용하였다. 다른 쪽 기판(222)에 대해서는, 통상은 슈퍼 트위스트 네마틱(super twisted nematic; STN)용 배향막으로서 사용되는 비교적 높은 프리틸트각을 나타내는 폴리이미드막을 배향막(고 프리틸트측 배향막)(224)의 재료로서 사용하였다. 배향막 재료는 배향막(214, 224)의 두께가 500~800Å이 되도록 도포하였다. 배향막 재료를 도포한 투명기판(212, 222)에 대하여 가소성(단계 S204) 및 본소성(단계 S205)을 실시한다. 본소성은 180℃와 220℃의 2가지 조건에서 실시하였다. 이렇게 하여 ITO 전극(213, 223)을 덮는 배향막(214, 224)이 형성되었다(단계 S203~S205).

이어서, 배향막(214, 224) 각각에 대하여 러빙처리(배향처리)를 한다(단계 S206). 러빙처리는 예를 들어, 천을 감은 원통형상의 롤을 고속으로 회전시켜서 배향막 위를 스치는 공정으로, 이에 의해 기판에 접하는 액정분자를 일방향으로 나열(배향)할 수 있다. 러빙처리는 압입량을 0mm, 0.2mm, 0.4mm, 0.6mm, 0.8mm로 조건을 바꾸어 실시하였다. 또한, 러빙처리는 액정소자(200)의 트위스트각이 90°가 되도록 실시하였다.

이어서, 액정셀의 두께(기판 사이 거리)를 일정하게 유지하기 위하여, 한쪽 투명기판면 위에 갭 조절재를 예를 들어 건식살포법으로 살포한다(단계 S207). 갭 조절재로는 입경 4㎛의 플라스틱 볼을 사용하였다.

다른 쪽 투명기판면 위에는 시일재를 인쇄하고, 메인시일 패턴을 형성한다(단계 S208). 예를 들어, 입경 4㎛의 글라스 화이버를 포함한 열경화성 시일재를 스크린 인쇄법으로 인쇄한다. 디스펜서를 이용하여 시일재를 도포할 수도 있다. 또한, 열경화성이 아닌 광경화성 시일재나 광·열병용 경화형 시일재를 사용하여도 된다.

투명기판(212, 222)을 겹친다(단계 S209). 2장의 투명기판을 소정의 위치에서 겹쳐서 셀화하고, 프레스한 상태에서 열처리를 실시하여 시일재를 경화시킨다. 예를 들어, 핫 프레스법을 이용하여 시일재를 열경화한다. 이렇게 하여 빈 셀이 제작된다.

예를 들어, 진공주입법으로 빈 셀에 네마틱 액정을 주입한다(단계 S210). 액정중에는 카이랄제를 첨가하였다. 카이랄제로는 가부시키가이샤 메르크 제품 CB15를 사용하였다. 카이랄제의 첨가량은 카이랄 피치를 p, 액정층의 두께(셀두께)를 d라고 하였을 때, d/p가 0.4가 되도록 조정하였다. 또한, 후술하는 바와 같이, 육안에 의한 관찰결과가 양호한 액정셀 작성조건에 대해서는, 카이랄제의 첨가량을 d/p=0.04~1.0까지 조건을 바꾸어 실험하였다.

이어서, 액정주입구를 예를 들어, 자외선(UV) 경화형 엔드시일재로 밀봉하고(단계 S211), 액정분자의 배향을 조정하기 위하여, 액정의 상전이온도 이상으로 셀을 가열한다(단계 S212). 그 후, 스크라이버 장치로 투명기판에 생긴 자국에 따라 브레이킹하여 개개의 셀로 작게 나눈다. 작게 나뉜 셀에 대하여 모따기(단계 S213)와 세정(단계 S214)을 실시한다.

마지막으로, 2장의 투명기판(212, 222)의 액정층(203)과 반대측의 면에 편광판(211, 221)을 부착한다(단계 S215). 2장의 편광판(211, 221)은 크로스 니콜로, 투과축의 방향과 러빙방향이 평행해지도록 배치하였다. 2장의 편광판(211, 221)은 투과축의 방향과 러빙방향이 직교하도록 배치할 수도 있다. 두 투명기판(212, 222)의 ITO 전극(213, 223) 사이에는 구동전원(220)을 접속하였다.

도 35는 도 34에 나타내는 제조방법으로 제작한 액정소자의 셀 제작조건(배향막 형성시의 소성온도, 및 러빙처리시의 압입량의 조합)의 대표예(No.1~No.8) 및 표시상태를 육안으로 관찰한 결과를 나타내는 표이다. 한편, 본 발명자들은 도 35에 나타내는 것 이외의 셀 제작조건으로도 액정소자를 작성하였는데, 모두 결과적으로 검은 표시를 얻을 수는 없었다.

액정소자가 완성된 상태에서는 제2 선회방향으로 비틀리는 배향상태(스프레이 트위스트 배향상태)이고, 이 때는 크로스 니콜 배치의 트위스트 네마틱(TN)-LCD가 되기 때문에, No.1~No.8 중 어느 셀 제작조건에서 제작한 액정소자든지 밝은 하얀 표시가 얻어졌다. 이 액정소자에 포화전압 이상의 전압을 인가(도 32의 전극(213, 223) 사이에 임계값 전압 이상의 교류전압을 인가)함으로써, 액정분자의 배향상태는 스프레이 트위스트 배향으로부터 리버스 트위스트 배향으로 전이한다.

표의 No.1의 조건(초고 프리틸트측 배향막(214)의 소성온도 180℃, 러빙처리시의 압입량 0.8mm, 고 프리틸트측 배향막(224)의 소성온도 220℃, 러빙처리시의 압입량 0.8mm)으로 제작한 액정소자에서는, 리버스 트위스트 배향으로 전이한 후의 OFF 상태에서 옅은 검은 표시가 5분 정도 남은 것을 관찰하였다.

표의 No.2의 조건(초고 프리틸트측 배향막(214)의 소성온도 180℃, 러빙처리시의 압입량 0.6mm, 고 프리틸트측 배향막(224)의 소성온도 220℃, 러빙처리시의 압입량 0.8mm)으로 제작한 액정소자, No.3의 조건(초고 프리틸트측 배향막(214)의 소성온도 180℃, 러빙처리시의 압입량 0.4mm, 고 프리틸트측은 No.2와 동일)으로 제작한 액정소자, No.7의 조건(초고 프리틸트측 배향막(214)의 소성온도 180℃, 러빙처리시의 압입량 0.4mm, 고 프리틸트측 배향막(224)의 소성온도 220℃, 러빙처리시의 압입량 0.4mm)으로 제작한 액정소자는, 리버스 트위스트 배향으로 전이한 후에는 전압을 전혀 가하지 않았음(OFF 상태)에도 불구하고, 그 투과상태가 비교적 어두운 검은 표시를 나타내었다. 즉, 초고 프리틸트측 배향막(214)의 소성조건을 180°로 하고, 러빙처리에서의 압입량을 0.4mm 또는 0.6mm로 하였을 경우, 제작된 액정소자의 투과상태가 비교적 어두운 검은 표시를 나타내었다.

한편, 고 프리틸트측 배향막(224)의 러빙처리시의 압입량을 0.8mm로 한 No.3의 액정소자와, 고 프리틸트측 배향막(224)의 러빙처리시의 압입량을 0.4mm로 한 No.7의 액정소자에서, 관찰결과(육안 관찰상태 및 검은 표시가 유지되는 시간(이 조건들에서는 15분))에 변화가 없는 것으로부터, 고 프리틸트측 배향막(224)의 제작조건에는 그다지 의존성이 없는 것으로 생각된다.

또한, 초고 프리틸트측 배향막(214)의 러빙처리시의 압입량을 0.6mm로 한 No.2의 액정소자에서는, 검은 표시가 유지되는 시간이 5분이었던 것으로부터, 초고 프리틸트측 배향막(214)의 러빙처리시의 압입량이 늘어나면, 검은 표시가 유지되는 시간이 감소하는 것으로 생각된다.

상기 비교적 어두운 검은 표시가 얻어진 조건 No.2에서의 초고 프리틸트측 배향막(214)의 프리틸트각을 분광 에리프소법으로 측정하여 보았더니, 45° 정도의 프리틸트각을 나타내고 있는 것을 알 수 있었다. 또한, No.3 및 No.7에서의 초고 프리틸트측 배향막(214)의 프리틸트각을 분광 에리프소법으로 측정하여 보았더니, 61° 정도의 프리틸트각을 나타내고 있는 것을 알 수 있었다.

표의 No.4~6의 조건(초고 프리틸트측 배향막(214)의 소성온도 220℃, 러빙처리시의 압입량 0.2mm, 0.0mm, 0.2mm, 고 프리틸트측 배향막(224)은 모두 소성온도 220℃, 러빙처리시의 압입량 0.4mm)으로 제작한 액정소자, 및 No.8의 조건(초고 프리틸트측 배향막(214)의 소성온도 220℃, 러빙처리시의 압입량 0.4mm, 고 프리틸트측은 No.4~6과 동일)으로 제작한 액정소자에서는, 리버스 트위스트 배향으로 전이한 후의 OFF 상태에서, 상기 조건 No.2, No.3 및 No.7과 같은 비교적 어두운 검은 표시에는 이르지 않는 수색 표시를 5분 유지하는데 그쳤다.

상기 수색 표시를 나타내는 조건 No.4~6 및 No.8에서의 초고 프리틸트측 배향막(214)의 프리틸트각을 분광 에리프소법으로 측정하여 보았더니, 35°정도의 프리틸트각을 나타내고 있는 것을 알 수 있었다.

이상으로부터, 리버스 트위스트 배향으로 전이한 후의 OFF 상태에서, 비교적 어두운 검은 표시를 나타내는 액정소자를 얻기 위해서는, 초고 프리틸트측 배향막(214)의 프리틸트각이 대체로 40° 이상 65° 이하의 범위일 필요가 있다고 생각된다. 한편, 고 프리틸트측 배향막(224)의 프리틸트각을 측정하였더니, 8~12° 정도의 프리틸트각을 나타내고 있는 것을 알 수 있었다. 따라서, 고 프리틸트측 배향막(224)의 프리틸트각은 20° 이하이어야 하고, 1~15°인 것이 바람직하며, 10° 전후인 것이 더욱 바람직하다고 생각된다.

도 36은 도 35에 나타내는 표의 조건 No.1~3(초고 프리틸트측 배향막(214)의 소성온도 180℃, 러빙처리시의 압입량은 각각 0.4mm, 0.6mm, 0.8mm, 고 프리틸트측 배향막(224)은 모두 소성온도 220℃, 러빙처리시의 압입량 0.8mm로 공통)에 의해 작성된 실시예에 따른 액정소자의 전압-광투과율 특성을 나타내는 그래프이다. 각 그래프의 가로축은 인가전압을 단위 'V'로 나타내고, 세로축은 광투과율을 단위 '%'로 나타낸다. 실선으로 나타내는 곡선은 리버스 트위스트 배향상태에서의 전압-광투과율 특성을 나타내고, 파선으로 나타내는 곡선은 스프레이 트위스트 배향상태에서의 전압-광투과율 특성을 나타낸다. 도시하는 것은 각각의 배향상태에서 상측, 하측전극(213, 223) 사이에 전압을 인가하여 세로전계를 발생시킨 경우의 전기광학특성이다.

초고 프리틸트측 배향막(214)의 러빙처리시의 압입량이 0.8mm인 도 4에 나타내는 표의 조건 No.1에 의한 액정소자에서는, 스프레이 트위스트 배향(상승)시에 비교적 높은 임계값을 나타내고, 리버스 트위스트 배향(하강)시에는 임계값이 낮아지지만, OFF 전압(0V)에서는 20% 정도의 투과율을 나타내는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는, 종래기술에 의한 RTN형 액정소자에서 많이 보이는 결과와 같다.

초고 프리틸트측 배향막(214)의 러빙처리시의 압입량이 0.6mm인 도 4에 나타내는 표의 조건 No.2, 0.4mm인 도 35에 나타내는 표의 조건 No.3에 의한 액정소자에서는, 스프레이 트위스트 배향(상승)시에는 No.1의 조건에 따른 액정소자(종래의 RTN형 액정소자와 같은 특성)와 같은 특성을 나타낸다. 하지만, 리버스 트위스트 배향(하강)시에는 OFF 전압(0V)에서 매우 낮은 투과율을 나타내는 것을 알 수 있다. 구체적으로는, 압입량이 0.6mm인 도 35에 나타내는 표의 조건 No.2에 따른 액정소자에서는, OFF 전압(0V)에서의 투과율이 1.2%, ON 투과율은 20%이고, 콘트라스트비가 17이었다. 압입량이 0.4mm인 도 35에 나타내는 표의 조건 No.3에 따른 액정소자에서는, OFF 전압(0V)에서의 투과율이 2.4%, ON 투과율은 17.8%이고, 콘트라스트비가 7.4이었다. 이 결과로부터, 표시성능으로서는 압입량이 0.6mm인 도 35에 나타내는 표의 조건 No.2에 의한 액정소자가 보다 뛰어난 것을 알 수 있다.

이와 같이, 도 35에 나타내는 표의 조건 No.2 및 No.3에 의한 액정소자에서는, 전압 무인가시의 두 배향상태의 광투과율이 크게 달라져 있으며, 높은 콘트라스트비의 표시가 가능한 것을 알 수 있다. 실시예에 따른 액정소자는 콘트라스트비가 높고, 하얀 표시상태와 검은 표시상태가 모두 안정적인 고품질의 표시를 간편하게 실현할 수 있는 액정소자이다. 검은 표시가 어둡고 분명한 표시를 하기 쉽다.

한편, 도 35에 나타내는 표의 조건 No.7에 따른 액정소자에 대해서는 전압-광투과율 특성을 측정하지 않았지만, 상술한 바와 같이 고 프리틸트측 배향막(224)의 제작조건에는 그다지 의존성이 없는 것으로 생각되기 때문에, 조건 No.7에 따른 액정소자도 조건 No.2 및 No.3에 따른 액정소자와 마찬가지의 전압-광투과율 특성을 나타낼 것으로 추측된다.

도 35에 나타내는 표의 조건 No.2 및 No.3에 따른 액정소자가 OFF 상태에서 비교적 어두운 검은 표시를 나타내는(OFF 전압에서의 투과율이 매우 낮은) 특성을 가지는 상세한 원인은 불명확하지만, RTN형 액정소자에는 하강시(리버스 트위스트 배열상태)의 임계값이 상승시(스프레이 트위스트 배열상태)의 임계값보다 낮아지는 성질이 있으며, 특수한 조건에 의해 임계값이 0V보다 낮아졌기 때문에 이와 같은 표시가 실현된 것으로 추측된다.

또한, 일반적으로 리버스 트위스트 배열상태에서는, 기판의 배향처리에서 주어지는 프리틸트각과 카이랄제에 의해 부여되는 비틀림력에 의해 액정층 내부에 커다란 왜곡이 발생하고, 이 왜곡에 의해 전압 무인가시에도 액정층의 두께방향의 중앙 부근의 액정분자는 기판 평면에 대하여 기울어진 상태가 될 것으로 생각된다. 20° 이상이라는 높은 프리틸트각을 가지는 RTN형 액정소자에서는, 액정층 두께방향의 중앙 부근의 액정분자의 기울기각이 매우 크고, 기판에 대하여 거의 수직하게 일어설 것으로 추측된다. 그 때문에, 전압 무인가시에도 비교적 어두운 검은 표시가 얻어질 것으로 생각된다. 한편, 일반적으로 리버스 트위스트 배열상태에서는, 기판과의 계면에서의 프리틸트각보다 벌크에서의 경사각이 높아진다. 이는 연속체 이론에 근거한 액정분자 배향 시뮬레이션에 의해서도 확인되고 있다.

도 36의 스프레이 트위스트 배향(상승)시의 특성에 착안하면, 초고 프리틸트측 배향막(214)의 러빙처리시의 압입량이 적어짐에 따라서 임계값이 낮아지고 있는 것을 알 수 있다.

스프레이 트위스트 배향에서는, 두 계면의 프리틸트각이 같은 경우, 액정층의 중앙 부근의 액정분자의 기울기각은 기판 평면과 평행하게 된다. 이에 대하여, 본 실시예에서는, 배향막(214)과 액정층(203)의 계면과 배향막(224)과 액정층(203)의 계면에서 서로 다른 프리틸트각을 부여하고 있기 때문에, 두 계면에서 부여하는 프리틸트각의 차이가 커짐에 따라서 액정층(203)의 중앙 부근의 액정분자의 기울기각이 커지고, 임계값이 낮아지는 경향을 나타낼 것으로 생각된다.

도 36에 나타내는 액정소자의 고 프리틸트측 배향막(224)의 배향처리 조건은 모두 공통이기 때문에, 초고 프리틸트측 배향막(214)의 러빙처리시의 압입량이 적어짐에 따라서 초고 프리틸트측 배향막(214)과 액정층(203)의 계면에서의 프리틸트각이 높아지고, 그 결과 임계값이 낮아져 있는 것으로 예측된다.

또한, 도 35에 나타내는 표로부터 명확한 바와 같이, 검은 표시상태의 유지시간이라는 점에서도, 초고 프리틸트측 배향막(214)의 러빙처리시의 압입량이 0.6mm에서는 5분 정도였던 것이, 압입량이 0.4mm인 경우에는 15분 정도로 늘어났다. 이로부터 초고 프리틸트측 배향막(214)과 액정층(203)의 계면에서의 프리틸트각이 높은 것이 유지시간의 면에서 유리한 것을 알 수 있다.

도 37은 도 35의 표에 나타낸 육안 관찰결과가 양호하였던 셀 제작조건 No.3(초고 프리틸트측 배향막(214)의 소성온도 180℃, 러빙처리시의 압입량 0.4mm, 고 프리틸트측 배향막(224)의 소성온도 220℃, 러빙처리시의 압입량 0.8mm)에 의한 액정소자에 대하여, 카이랄제의 첨가량을 변화시켜서 검은 표시상태의 유지시간을 육안으로 관찰한 결과를 나타내는 표이다. 카이랄 피치를 p, 액정층의 두께(셀두께)를 d라고 하였을 때, d/p가 0.040~1.000이 되도록 카이랄제의 첨가량을 변화시켰다.

d/p가 0.125~0.5인 범위에서는, 액정소자가 완성된 시점에서는 스프레이 트위스트 배향상태가 되고, 포화전압 이상의 전압을 인가하면 리버스 트위스트 배향에서의 비교적 어두운 검은 표시가 관찰되었다.

d/p가 0.125 미만인 경우, 액정소자가 완성된 시점에 이미 리버스 트위스트 배향에서의 비교적 어두운 검은 표시상태로 되어 있어서, 스프레이 트위스트 배향상태로 천이할 수 없었다.

또한, d/p가 0.125 이상이어도, 0.125~0.154의 범위에서는, 액정소자가 완성된 시점에 이미 리버스 트위스트 배향에서의 비교적 어두운 검은 표시상태로 되어 있는 것도 혼재되어 있었다. 따라서, 0.125~0.154의 범위가 쌍안정 표시를 하는데 있어서의 하한이라고 생각된다.

한편, d/p가 0.5보다 클 때는, 다른 트위스트 상태(아마 270°트위스트)로 되어 있어서 리버스 트위스트 배향상태로 천이할 수 없었다.

또한, 리버스 트위스트 배향상태의 유지시간에는 편차가 있지만, d/p가 작을수록 긴 경향이 보였다. 따라서, 쌍안정 표시를 하는 범위(도 37의 표에서는 d/p가 0.154보다 위이고 0.5 이하)에서 가능한 한 작은 d/p가 바람직하다고 생각된다. 따라서, 도 37의 표로부터, d/p가 0.167~0.182 정도인 것이 가장 양호하다고 생각되며, 이 경우 약 20분간 리버스 트위스트 배향상태를 유지한다. 한편, d/p를 0.2에서 0.5로 바꾸어감에 따라, 유지시간이 15분에서 5분으로 서서히 짧아지는 것으로부터, d/p를 바꿈으로써 어느 정도 유지시간을 제어할 수 있는 것을 알 수 있다.

본 실시예에 따른 액정소자를 디스플레이에 응용하는 경우, 메모리성을 이용한 구동이 가능하다. 예를 들어, 도트 매트릭스 표시를 상정하였을 경우, 라인마다 표시 갱신을 하면 되고, 하얀 표시를 하고자 하는 화소에는 전압을 인가하지 않고, 검은 표시를 하고자 하는 화소에는 포화전압 이상의 전압을 인가하면 된다.

구동은 여러가지 방법을 생각할 수 있는데, 일례로서 XY 전극 매트릭스 표시의 경우, X 전극의 어느 1개의 라인(예를 들어, X1 라인)에는 임계값 전압 정도의 구형파(예를 들어, 1.5V 정도에서 150Hz)를 인가하고, 그것과 직교하는 Y 전극(Y1~Yn)에는 X 전극에 인가하는 구형파와 동기한 혹은 반주기 어긋난 임계값 전압 정도의 구형파(예를 들어, 1.5V 정도에서 150Hz)를 인가한다. X1 라인에 인가한 파형과 동기한 파형을 Y 라인에 인가한 화소에서는, 실효적으로는 전압이 걸리지 않은 상태가 되기 때문에 표시는 변하지 않는다. X1 라인에 인가한 파형과 반주기 어긋난 파형을 Y 라인에 인가한 화소에서는, 실효적으로는 3V 정도의 전압이 걸리는 상태가 되기 때문에, 포화전압 이상의 전압에 의해 스프레이 트위스트 배향상태로부터 리버스 트위스트 배향상태로 천이하고, 하얀 표시가 검은 표시로 변한다. 선택되지 않은 X1 라인 이외의 라인형상의 화소에는 임계값 전압 정도의 구형파(예를 들어, 1.5V 정도에서 150Hz)가 인가되는데, 배향상태를 변화시킬 정도의 전압이 아니기 때문에 배향상태는 변하지 않는다. X1 라인에서 실시한 구동을 차례로 다른 라인에 실시함으로써 매트릭스 표시가 가능하다.

상술한 바와 같은 구동방법에 의해 갱신된 표시는 5~20분 정도 전압을 가하지 않고 유지할 수 있다. 이 표시를 갱신하는 경우에는 유지시간(5~20분 정도)을 기다리거나, 혹은 액정의 상전이온도 이상의 열을 액정소자에 가함으로써 모든 화소를 스프레이 트위스트 배향상태로 리셋할 수 있다. 그 후, 또한 차례로 갱신할 수 있게 된다.

더욱이, 적극적으로 리버스 트위스트 배향상태로부터 스프레이 트위스트 배향상태로 돌아가고자 하는 경우에는, 가로전계가 실리는 전극을 형성하면 효과적이다. 예를 들어, 상부기판측과 하부기판측에서 평면적으로 위치가 어긋난 라인형상의 전극을 배치하였을 경우, 전극 사이에 전압을 인가함으로써 액정층에 비스듬한 전계를 가할 수 있다. 이와 같은 간단한 전극배치에 의해서도 경사를 주어(혹은 계단형상으로) 전압을 하강시킴으로써 스프레이 트위스트 배향으로부터 리버스 트위스트 배향으로 천이할 수 있고, 가파르게(펄스형상으로) 전압을 하강시킴으로써 리버스 트위스트 배향으로부터 스프레이 트위스트 배향으로 적극적으로 되돌리는 것을 본 발명자들이 실험에 의해 확인하였다.

한편, 상술한 가로전계에 실리는 전극을 가지는 액정소자의 구성 및 제조방법의 다른 예로서, 본 명세서의 단락 <0119>~<0152>의 기재를 참조한다. 또한, 그 구동방법에 대해서는 본 명세서의 단락 <0153>~<0169>의 기재를 참조한다.

이상, 본 발명의 실시예에 따르면, 콘트라스트가 높은 하얀 표시상태, 검은 표시상태의 쌍안정 표시를 간단하게 실현할 수 있다. 동시에, 일반적인 TN-LCD와 마찬가지로, 비교적 뛰어난 시각특성을 가진다. 또한, 시각보상을 하는 경우에는, 일반적인 TN-LCD와 마찬가지로 저가의 광학보상필름을 활용할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 표시를 갱신할 때 이외에는 전력을 필요로 하지 않기 때문에, 초저소비 전력구동이 가능해진다. 특히, 반사형 디스플레이에 적용하였을 경우, 초저소비 전력구동의 이점이 크다고 생각된다. 또한, 유지시간이 짧은 경우에는 정기적인 전압 인가가 필요하게 되는데, 종래에는 수시로 필요하였던데 대하여, 본 실시예에서는 수분(5~20분)에 1회 인가하면 되기 때문에, 비약적으로 소비 전력을 줄일 수 있다.

또한, 메모리성을 이용한 구동방법(선순차 갱신법 등)의 적용이 가능해지기 때문에, 고가의 TFT 등을 이용하지 않고, 단순 매트릭스 표시에 의해 대용량의 도트 매트릭스 표시가 가능해진다.

한편, 상술한 실시예에 의한 제조공정은, 기본적으로는 일반적인 TN-LCD의 제조공정과 마찬가지이다. 다른 점은, 상부기판과 하부기판에서 다른 배향막 재료를 사용하는 것과, 상부기판과 하부기판에서 러빙조건(압입량의 제어), 배향막의 소성조건을 다르게 한다는(단, 설정온도조건은 일반적인 TN-LCD의 제조공정에서 사용되는 범위 내) 등이다. 따라서, 제조공정에서의 비용상승의 요인은 적고, 일반적인 TN-LCD와 마찬가지로 저가로 제조할 수 있다.

이상, 실시예에 따라서 본 발명을 설명하였는데, 본 발명은 이것으로 한정되지 않는다.

예를 들어, 실시예에서는 편광판을 크로스 니콜로 배치하고 노멀리 화이트 표시의 액정소자로 하였는데, 편광판을 평행 니콜로 배치하고 노멀리 블랙 표시의 액정소자로 하여도 된다. 단, 노멀리 화이트로 하는 편이 높은 콘트라스트비에 의한 표시를 실현하기 쉬울 것이다. 노멀리 화이트 표시의 경우, 양호한 검은 표시를 얻기 위해서는, 상측 및 하측 편광판(211, 221)의 투과축 방향이 이루는 각도가 90° 부근인 것이 바람직하다.

한편, 실시예에서는 상측 및 하측 편광판(211, 221)으로서 광투과율이 비교적 낮은 형태를 사용하였기 때문에, 예를 들어, 도 36에 나타내는 바와 같이 하얀 표시(스프레이 트위스트 배열상태)의 광투과율이 20~25% 정도로 되어 있는데, 광투과율이 비교적 높은 형태를 사용하면, 하얀 표시의 광투과율을 예를 들어, 30~35% 정도로 하는 것이 가능할 것이다.

또한, 실시예에서는 트위스트각을 90°로 하였는데, 그 밖의 각도로 할 수도 있다. 이 경우, 하얀 표시에서의 밝기를 밝게 하기 위하여, 액정층 안의 지연값을 조정할 필요가 있을 것이다.

한편, 본 발명은 상술한 실시예의 내용으로 한정되지 않고, 본 발명의 요지의 범위내에서 여러가지로 변형하여 실시할 수 있다. 상술한 실시형태 및 실시예에서는 배향처리의 구체적인 예로서 러빙처리를 들었는데, 그 이외의 배향처리(예를 들어, 광배향법, 사방증착법 등)를 사용할 수도 있다. 또한, 설명중에 나타낸 수치조건 등도 바람직한 일례에 지나지 않으며, 그것들로 한정되지 않는다.

액정소자 전반 예를 들어, 단순 매트릭스 구동을 하는 액정소자 전반에 이용할 수 있다. 또한, 저소비 전력, 넓은 시각특성, 낮은 가격 등이 요구되는 액정소자에 이용할 수 있다.

메모리성을 가지는 점에서는 예를 들어, 전력을 절약하고 빈번한 갱신이 필요하지 않은 정보기기(PC, 휴대정보단말 등)의 표시면 등, 반사형, 투과형, 투사형의 디스플레이에 바람직하게 적용할 수 있다. 또한, 자기기록 내지 전기기록된 카드의 정보표시면, 아동용 완구, 전자 페이퍼 등에 이용할 수 있다.

11: 제1 기판 12: 제1 전극
13, 20: 배향막 14, 115, 203: 액정층
15: 제2 기판 16: 제2 전극
17: 절연층 18: 제3 전극
19: 제4 전극 21: 제1 편광판
22: 제2 편광판 31, 32, 33: 드라이버
34: 화소부 110a, 201: 상측기판
110b, 202: 하측기판 111a, 212: 상측투명기판
111b, 222: 하측투명기판 112a: 상측전극
112b: 하측전극 112c: 제1 빗살전극
112d: 제2 빗살전극 113: 절연막
114a, 214: 상측배향막 114b, 224: 하측배향막
116a, 211: 상측편광판 116b, 221: 하측편광판
120: 전원 213: 상측 ITO 전극
223: 하측 ITO 전극 220: 구동전원

Claims (10)

1. 각각의 일면에 배향처리가 실시되고, 서로 대향배치된 제1 기판 및 제2 기판과,
   상기 제1 기판의 일면과 상기 제2 기판의 일면 사이에 설치된 액정층과,
   상기 액정층에 전계를 인가하기 위한 전계인가수단을 포함하고,
   상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 상기 액정층의 액정분자에 대하여 제1 선회방향으로 비틀어진 제1 배향상태가 발생하도록 상대적으로 배치되어 있고,
   상기 액정층은 상기 액정분자에 대하여 상기 제1 선회방향과 반대되는 제2 선회방향으로 비틀어진 제2 배향상태를 발생시키는 성질을 가지는 카이랄제가 첨가되어 있으며,
   상기 액정층은 상기 전계인가수단에 의해 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 각 일면에 수직한 방향으로 전계가 인가됨으로써 상기 제1 배향상태로 천이하고, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 각 일면에 평행한 방향으로 전계가 인가됨으로써 상기 제2 배향상태로 천이하고, 전계를 인가하지 않은 상태에 있어서도 상기 제1 배향상태 또는 상기 제2 배향상태가 유지되는 것이며,
   상기 제1 배향상태는, 유니폼 트위스트 상태이며, 상기 제2 배향상태는, 스프레이 트위스트 상태인 액정소자.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 전계인가수단은 적어도, 상기 제1 기판의 일면측에 설치된 제1 전극과, 상기 제2 기판의 일면측에 설치된 제2 전극을 가지는 액정소자.
3. 삭제
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 전계인가수단은 상기 제2 기판의 상기 제2 전극의 상측에 절연층을 통하여 설치되고, 서로 이간하여 배치된 제3 전극 및 제4 전극을 더 가지는 액정소자.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 제1 기판과 상기 제2 기판은 각각 20° 이상 45° 이하의 프리틸트각이 발현하도록 배향처리되어 있는 액정소자.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 제1 기판과 상기 제2 기판은 각각 31° 이상 37° 이하의 프리틸트각이 발현하도록 배향처리되어 있는 액정소자.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 액정층에 대한 상기 카이랄제의 첨가량은 카이랄 피치를 p, 상기 액정층의 두께를 d라고 할 때, d/p가 0.04를 넘고 0.25 미만이 되도록 조정되어 있는 액정소자.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 제1 기판은 40° 이상 65° 이하의 프리틸트각이 발현하도록 배향처리되고,
   상기 제2 기판은 1° 이상 15° 이하의 프리틸트각이 발현하도록 배향처리되어 있는 액정소자.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 액정층에 대한 상기 카이랄제의 첨가량은 카이랄 피치를 p, 상기 액정층의 두께를 d라고 할 때, d/p가 0.125 이상 0.5 이하가 되도록 조정되어 있는 액정소자.
10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 기판의 배향처리방향과 상기 제2 기판의 배향처리방향이 이루는 각이, 상기 제1 기판 및 제2 기판 각각의 법선방향에서 보았을 때, 90° 이상 100° 이하인 액정소자.

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