KR19980029978A - 액정 표시 소자 및 그 액정층 형성방법 - Google Patents

Abstract

액정 표시 소자 및 그 액정층 형성 방법에 대하여 개시한다. 본 발명에 따른 액정 표시 소자는 2가지 이상의 칼라에 해당하는 파장을 반사시킬 수 있도록 각각 피치를 가변시킬 수 있는 콜레스테릭 액정과 네마틱 액정의 혼합물과 고분자 물질이 혼합되어 있는 액정층을 갖춘다. 본 발명에 의하면, 원하는 칼라의 파장을 반사시킬 수 있도록 피치가 조정된 콜레스테릭-네마틱 액정 혼합물을 사용하여 2가지 이상의 칼라 표시가 가능한 액정 표시 소자의 액정층을 형성할 수 있다.

Description

액정 표시 소자 및 그 액정층 형성 방법

본 발명은 액정 표시 소자 및 그 액정층 형성 방법에 관한 것으로, 특히 2가지 이상의 칼라(color) 표시가 가능하도록 피치 조절이 가능한 액정 표시 소자 및 그 액정층 형성 방법에 관한 것이다.

액정 표시 소자는 구동 전압이 낮아 소비 전력이 작다는 특징 이외에 플라즈마 디스플레이 패널이나 전계 발광 효과 소자와 같이 경박단소하다는 구조적 장점으로 인해 화상 표시 소자로서 매우 다양한 형태로 발전하고 있음은 물론, 그 적용 범위에 있어서도 매우 광범위해지고 있다.

현재 실용화되어 있는 액정 표시 소자중에서, 액정 분자의 배향을 전계에 의해 변화시키는 원리를 이용하여 표시 기능을 수행하도록 한 전계효과형 액정 표시장치 에는 TN형(Twisted Nematic type)과 STN형(Supertwisted Nematic type)이 널리 사용되고 있다. 이러한 TN형 액정 표시 장치는, 한 쌍의 유리 또는 플라스틱 기판이 소정의 간격으로 배치되고 그 사이에 형성되는 공간에 트위스티드 네마틱 액정물질이 봉입되어 있다. 또한 상하부 기판의 대향하는 내면상에는 소정 패턴의 투명 전극이 형성되어 있으며, 그 위에 액정 분자를 일정한 방향으로 배향시키기 위한 배향막이 피복되어 있다. 상부 기판 위에는 편광판이 설치되고, 하부 기판 아래에는 편광판과 반사판이 설치되어 있다. 상하부 편광판은 서로 90° 각도로 배치되어 있고, 이 사이에는 트위스티드 네마틱(twisted nematic) 액정 혼합물이 90° 각도로 비틀려서 배향되어 있다.

전계가 인가되지 않은 상태에서는 상부 편광판을 통하여 입사된 광은 트위스티드 네마틱 액정 물질에 의하여 90° 각도로 비틀려서 하부 편광판을 통과하게 되고 반사판에 반사된 후 입사된 경로의 역순으로 상부 편광판을 통과하여 투명하게 보이게 된다. 여기에 전압이 가해지면 액정 분자가 전계 방향에 따라 배열되고, 따라서 상부 편광판을 통과한 광이 90° 만큼 비틀리지 않게 되므로 하부 편광판을 통과하지 못하고 흡수되어 어둡게 보인다. 이러한 작동 방식은 저전압에서 구동되고 전력 소비가 낮으며 시인성이 양호하다는 장점이 있으나, 단순 매트릭스 (simple matrix) 방식 구동이 어렵다는 단점이 있다. 따라서 상기와 같은 TN 형 LCD 의 단점을 개선하기 위하여 그 회전 각도를 90° 이상 270° 까지 증가시켜 단순 매트릭스 방식이 가능하도록 한 것이 STN형 LCD인데, 응답 속도가 느리다는 단점은 여전히 존재한다.

이상과 같은 TN형은 유전 이방성 액정의 광축 회전 효과, 즉 선광성을 이용한 액정 표시 소자이고, STN형은 굴절률 이방성 액정의 복굴절 효과를 이용한 것으로서, 이들은 모두 표시 패턴을 직접 바라보도록 된 직시형(直視形)에 속하는 것이다.

한편, 상기와 같이 선광성 및 복굴절광의 간섭성을 이용한 액정 표시 소자 외에, 전계의 인가에 의한 빛의 산란을 이용하여 일정한 패턴을 형성시키고 조명광이 이를 통과하여 스크린 상에 화상으로서 나타나도록 된 형태의 액정 표시 소자가 있다. 이러한 산란형의 액정 표시장치로는 폴리머 분산 액정 표시 소자(PDLC) 및 폴리머 네트워크 액정 표시 소자(PNLC)가 있다.

최근에 개발된 PDLC(polymer dispersed liquid crystal)는 고분자 물질 내에 액정 혼합물을 불연속 상태로 분산시킨 것인데, 전기장의 인가 유무에 따라 액정의 굴절률이 변화하여 매트릭스의 굴절률과 일치 또는 다르게 되고 이에 따라 광이 투과 또는 산란되는 원리에 의해 작동한다. 이러한 PDLC는 액정 혼합물과 고분자 재료의 균질 혼합액을 상분리시켜 고분자 폴리머 매트릭스 중 액정의 미세 액적이 형성되도록 하여 제작한다. 여기에서, 액정 혼합물과 고분자 폴리머의 상분리를 유도하는 방법으로는, 액정 혼합물과 중합되기 전에 프리폴리머(prepolymer)를 혼합한 후 열경화 또는 자외선경화를 통하여 상분리시키는 방법, 열가소성 수지를 가열 용융하여 액정 혼합물과 혼합한 후 냉각시킴으로써 상분리시키는 방법, 그리고 용매에 액정 물질과 고분자 폴리머를 함께 용해시켜 균질 혼합액을 만든 후 용매를 제거시킴으로써 상분리시키는 방법 등이 있다.

PDLC는 상기와 같은 상분리 방법에 따라 비교적 쉽게 제작되기는 하지만, 매트릭스 중에 분산된 액정 방울의 크기 분포, 형상 및 밀도 등을 조절하기 어렵다는 단점이 있다. 따라서 이를 좀 더 개량된 것이 PNLC(polymer network liquid crystal)인데, 이는 고분자 폴리머와 액정이 겔 상태로 네트워크 구조를 이루고 있는 것으로서, 액정 혼합물을 균일하게 분포시킬 수 있고 폴리머의 양을 줄일 수 있다는 장점을 갖는다.

이러한 PDLC 나 PNLC 와 같은 형의 액정 표시 소자는 편광판이 필요없고 종래의 액상 액정을 이용한 장치에 비하여 제작이 용이할 뿐 아니라 응답성이 매우 뛰어 나기 때문에 고밀도의 화상 표시용으로 적합하다. 그러나, 이들은 모두 단순 매트릭스 방식에 적용하기 어렵다는 단점이 있다. 또한, 직시할 경우에는 산란광으로 인하여 화상의 선명도와 콘트라스트비가 극히 불량하게 된다는 한계가 있다. 따라서 이러한 종류의 액정 표시 소자는 한정된 용도, 즉 화면을 직접 바라볼 수 있는 직시형이 아닌 간접 화상 형성장치로서, 주로 대형의 텔레비젼용 프로젝터나 컴퓨터용 이미지 프로세서로서만 적용되고 있다.

그에 따라, 트위스티드 네마틱형 액정 표시 소자에서 응답 속도가 늦다는 단점을 개선하고 제작을 용이하게 하기 위하여 PNLC형의 장점을 도입한 것으로서, 네마틱 액정과 콜레스테릭 액정이 혼합된 액정 혼합물(이하, 콜레스테릭-네마틱 액정 혼합물이라 함)에 프리폴리머를 첨가하고 중합시켜 액정층 내에 폴리머층을 형성시킴으로써, 산란 방식에서도 단순 매트릭스 구동이 가능하게 할 뿐 아니라 형성된 폴리머 층과 액정의 상호 작용으로 액정의 응답 속도를 빠르게 하는 액정 표시 소자가 본 출원인에 의하여 제안된 바 있다.

상기 방법에서는 액정 표시 소자를 제조하는 데 있어서 대향면상에 투명 전극 및 배향막이 형성된 한 쌍의 기판 사이에 네마틱 액정 및 도판트(dopant)로서 콜레스테릭 액정이 혼합된 액정 혼합물을 주입하고, 이 때 상기 액정 혼합물에는 프리폴리머를 첨가하여 기판 사이에 주입한 다음 중합시킨다. 이로써, 액정 사이에 형성된 폴리머는 액정과의 상호 작용을 통해 응답 속도에 영향을 주는 한편, 액정층을 분리시켜 액정이 부분적으로 하나의 작은 구역을 형성하도록 하여 전계를 인가할 경우 액정의 움직임에 따라 구동 현상이 일어나도록 만드는 것이다. 이에 따라, TN 및 STN 형 액정 표시 소자의 응답 속도 등의 특성이 개선될 뿐 만 아니라, 종래의 TN 및 STN 형과는 달리 편광판이 없이도 산란 현상에 의한 광학적 변화를 볼 수 있게 되었다.

상기한 바와 같이 콜레스테릭-네마틱 액정 혼합물을 사용하여 액정 표시 소자를 제조하는 경우에는, 그 반사 파장(λ)은 네마틱 액정의 평균 귤절율(n)과 액정 혼합물이 피치(pitch)(p)의 곱으로, 즉 λ = n·p로 표시되는 양에 해당하게 된다. 이에 따라, 액정 표시 소자가 구현될 수 있다.

그러나, 상기한 바와 같은 경우에는 단색 표시만 가능하고 2가지 이상의 칼라를 표시하는 것은 불가능하였다.

본 발명의 목적은 콜레스테릭-네마틱 액정 혼합물을 사용하여 2가지 이상의 칼라 표시가 가능한 액정층을 갖춘 액정 표시 소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기한 바와 같은 액정 표시 소자의 액정층을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 2가지 이상의 칼라에 해당하는 파장을 반사시킬 수 있도록 각각 피치를 가변시킬 수 있는 콜레스테릭 액정과 네마틱 액정의 혼합물과 고분자 물질이 혼합되어 있는 액정층을 갖춘 것을 특징으로 하는 액정 표시 소자를 제공한다.

바람직하게는, 상기 액정 혼합물은 콜레스테릭 액정과 네마틱 액정이 1:0.5 ∼ 1:3의 비로 혼합되어 있고, 상기 네마틱 액정은 음(陰)의 유전 이방성(Δε)을 나타낸다.

또한 바람직하게는, 상기 고분자 물질은 상기 콜레스테릭 액정과 네마틱 액정의 혼합물의 80 ∼ 120 중량%로 혼합되어 있고, 상기 고분자 물질은 PVB(polyvinyl butyral)이다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 대향하는 투명 전극 사이에 개재되어 액정 표시 소자를 구성하는 액정층의 형성 방법에 있어서, (가) 콜레스테릭 액정과 네마틱 액정을 소정의 혼합비로 혼합하여 소정 파장의 광선을 반사시킬 수 있는 피치를 가지는 액정 혼합물을 형성하는 단계와, (나) 상기 액정 혼합물과 고분자 물질을 소정의 비로 혼합하여 고분자-액정 혼합물을 형성하는 단계와, (다) 상기 고분자-액정 혼합물을 용제를 사용하여 용해시키는 단계와, (라) 상기 용해된 고분자-액정 혼합물을 투명 전극이 형성된 기판상에 코팅하는 단계와, (마) 상기 (라)의 결과물을 가열하여 상기 용제를 증발시켜서 액정 혼합물이 혼입된 고분자층으로 이루어지는 고분자-액정 혼합물층을 형성하는 단계와, (바) 상기 고분자-액정 혼합물층을 사진 식각 공정으로 패터닝하여 상기 소정 파장의 광선을 반사시키는 칼라 영역을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 표시 소자의 액정층 형성 방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 (가) 단계에서 콜레스테릭 액정과 네마틱 액정을 1:0.5 ∼ 1:3의 비로 혼합한다.

또한 바람직하게는, 상기 소정의 광선은 R 광선, G 광선 또는 B 광선이다.

또한 바람직하게는, 상기 (나) 단계에서 상기 고분자 물질로서 PVB를 사용하되, 상기 액정 혼합물과 PVB를 1:1로 혼합하고, 상기 (다) 단계에서 용제로서 클로로포름을 사용한다. 또한, 상기 (마) 단계에서 상기 가열 온도는 130 ∼ 170℃인 것이 바람직하다.

필요에 따라서, 상기 (가) 단계 내지 (바) 단계를 필요한 횟수 만큼 반복하여 2가지 이상의 칼라 영역을 형성한다.

다음에, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 더욱 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 액정 표시 소자에 있어서, 콜레스테릭-네마틱 액정 혼합물에 의하여 2가지 이상의 칼라 표시가 가능하도록 하기 위하여, 콜레스테릭 액정과 네마틱 액정의 혼합비에 의하여 액정 혼합물의 피치를 조절한다. 이와 같이, 액정 혼합물의 피치를 조절함으로써 R(red), G(green) 및 B(blue)에 해당하는 칼라의 파장을 각각 반사하도록 조절할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 액정 표시 소자에서 액정 혼합물은 콜레스테릭 액정과 네마틱 액정이 약 1:0.5 ∼ 1:3의 비로 혼합되어 있다. 여기서, R 광선을 반사하는 액정 혼합물에서는 콜레스테릭 액정과 네마틱 액정의 비가 약 1:1.5 ∼ 1:2, 바람직하게는 1:0.52이고, G 광선을 반사하는 액정 혼합물에서는 콜레스테릭 액정과 네마틱 액정의 비가 약 1:1.2 ∼ 1:1.7, 바람직하게는 1:1.5이고, B 광선을 반사하는 액정 혼합물에서는 콜레스테릭 액정과 네마틱 액정의 비가 약 1:0.8 ∼ 1:1.2, 바람직하게는 1:1이다.

여기서, 상기 네마틱 액정은 음(陰)의 유전 이방성(Δε)을 나타내는 것이 바람직하다. 그 이유는 상기한 바와 같은 액정 혼합물을 사용하여 액정층을 형성하여 전계를 가하였을 때 액정 분자가 전계에 대하여 직각 방향으로 위치하도록 하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 액정 표시 소자에서 액정 혼합물을 액정 표시 소자의 액정층 형성에 적용하기 위하여, 본 발명에 따른 액정 혼합물은 콜레스테릭 액정과 네마틱 액정의 약 80 ∼ 120 중량%의 고분자 물질을 더 포함한다. 상기 고분자 물질로는 PVB(poluvinyl butyral)를 사용할 수 있다.

상기와 같이 피치가 조절된 액정 화합물을 고분자 물질에 함입시킴으로써, 1개의 패널에서 2가지 이상의 칼라, 예를 들면 R, G 또는 B에 해당하는 파장만을 선택적으로 반사시키는 셀 패턴을 포함하는 액정층을 형성하여, 2가지 이상의 칼라를 구현할 수 있는 액정 표시 소자를 제공할 수 있다.

다음에, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 반사형 액정 표시 장치에서 사용 가능한 액정층을 형성하는 방법을 상세히 설명한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 액정 표시 소자의 액정층 형성 방법에서는, 먼저 콜레스테릭 액정과 네마틱 액정을 소정의 혼합비로 혼합하여 소정 파장의 광선을 반사시킬 수 있는 피치를 가지는 액정 혼합물, 예를 들면 R 광선을 반사하도록 피치가 조정된 액정 혼합물을 제조한다. 그 후, 상기 액정 혼합물과 고분자 물질, 예를 들면 PVB를 소정의 비로 혼합하여 고분자-액정 혼합물을 형성한다. 본 예에서는 액정 혼합물과 PVB를 1:1로 혼합하여 고분자-액정 혼합물을 형성하였다.

그 후, 상기 고분자-액정 혼합물을 용제, 바람직하게는 클로로포름을 사용하여 용해시킨 후, 용해된 고분자-액정 혼합물을 액정 표시 소자 형성에 필요한 투명 전극이 형성된 기판상에 코팅한다. 그 후, 상기 결과물을 약 130∼ 170℃의 온도로 가열하여 상기 사용한 용제, 본 예에서는 클로로포름을 증발시킨다. 이와 같이 함으로써, 상기 기판상에는 액정 혼합물이 혼입된 고분자층으로 이루어지는 고분자-액정 혼합물층이 형성된다.

상기와 같이 형성된 고분자-액정 혼합물층을 사진 식각 공정으로 패터닝하여 칼라 영역, 예를 들면 R 광선을 반사시키는 R 영역을 형성한다.

그 후, G 광선 및 B 광선을 반사하도록 피치가 조정된 액정 혼합물을 사용하여 상기한 바와 같은 단계를 반복함으로써 G 영역 및 B 영역을 상기 R 영역과 동일층상에 형성함으로써, 액정 표시 소자의 액정층을 형성한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 액정 표시 소자에서는 원하는 칼라의 파장을 반사시킬 수 있도록 피치가 조정된 콜레스테릭-네마틱 액정 혼합물을 사용하여 2가지 이상의 칼라 표시가 가능하다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (12)

1. 2가지 이상의 칼라에 해당하는 파장을 반사시킬 수 있도록 각각 피치를 가변시킬 수 있는 콜레스테릭 액정과 네마틱 액정의 혼합물과 고분자 물질이 혼합되어 있는 액정층을 갖춘 것을 특징으로 하는 액정 표시 소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 액정 혼합물은 콜레스테릭 액정과 네마틱 액정이 1:0.5 ∼ 1:3의 비로 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 액정 표시 소자.
3. 제1항에 있어서, 상기 네마틱 액정은 음(陰)의 유전 이방성(Δε)을 나타내는 것을 특징으로 하는 액정 표시 소자.
4. 제1항에 있어서, 상기 고분자 물질은 상기 콜레스테릭 액정과 네마틱 액정의 혼합물의 80 ∼ 120 중량%로 혼합된 것을 특징으로 하는 액정 표시 소자.
5. 제4항에 있어서, 상기 고분자 물질은 PVB(polyvinyl butyral)인 것을 특징으로 하는 액정 표시 소자.
6. 대향하는 투명 전극 사이에 개재되어 액정 표시 소자를 구성하는 액정층의 형성 방법에 있어서,

   (가) 콜레스테릭 액정과 네마틱 액정을 소정의 혼합비로 혼합하여 소정 파장의 광선을 반사시킬 수 있는 피치를 가지는 액정 혼합물을 형성하는 단계와,

   (나) 상기 액정 혼합물과 고분자 물질을 소정의 비로 혼합하여 고분자-액정 혼합물을 형성하는 단계와,

   (다) 상기 고분자-액정 혼합물을 용제를 사용하여 용해시키는 단계와,

   (라) 상기 용해된 고분자-액정 혼합물을 투명 전극이 형성된 기판상에 코팅하는 단계와,

   (마) 상기 (라)의 결과물을 가열하여 상기 용제를 증발시켜서 액정 혼합물이 혼입된 고분자층으로 이루어지는 고분자-액정 혼합물층을 형성하는 단계와,

   (바) 상기 고분자-액정 혼합물층을 사진 식각 공정으로 패터닝하여 상기 소정 파장의 광선을 반사시키는 칼라 영역을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 표시 소자의 액정층 형성 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 (가) 단계에서 콜레스테릭 액정과 네마틱 액정을 1:0.5 ∼ 1:3의 비로 혼합하는 것을 특징으로 하는 액정 표시 소자의 액정층 형성 방법.
8. 제6항에 있어서, 상기 소정의 광선은 R 광선, G 광선 또는 B 광선인 것을 특징으로 하는 액정 표시 소자의 액정층 형성 방법.
9. 제6항에 있어서, 상기 (나) 단계에서 상기 고분자 물질로서 PVB를 사용하되, 상기 액정 혼합물과 PVB를 1:1로 혼합하는 것을 특징으로 하는 액정 표시 소자의 액정층 형성 방법.
10. 제6항에 있어서, 상기 (다) 단계에서 용제로서 클로로포름을 사용하는 것을 특징으로 하는 액정 표시 소자의 액정층 형성 방법.
11. 제6항에 있어서, 상기 (마) 단계에서 상기 가열 온도는 130 ∼ 170℃인 것을 특징으로 하는 액정 표시 소자의 액정층 형성 방법.
12. 제6항에 있어서, 상기 (가) 단계 내지 (바) 단계를 필요한 횟수 만큼 반복하여 2가지 이상의 칼라 영역을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 표시 소자의 액정층 형성 방법.