KR19990006163A

KR19990006163A - 고분자박막 배향방법 및 이를 이용한 액정배향방법

Info

Publication number: KR19990006163A
Application number: KR1019970030385A
Authority: KR
Inventors: 최상언; 김태권
Original assignee: 김영환; 현대전자산업 주식회사
Priority date: 1997-06-30
Filing date: 1997-06-30
Publication date: 1999-01-25
Also published as: KR100254857B1; DE19829231B4; US20010012082A1; US6252642B1; JPH11133431A; DE19829231A1

Abstract

본 발명은 러빙공정없이 광활성 화합물을 함유한 고분자 박막에 장축과 단축의 세기비가 서로 다른 타원편광된 광을 입사시켜 상기 광활성 화합물의 분자를 배열시키는 방법에 관한 것이다. 또한, 아조색소를 함유한 고분자 박막을 배향막으로 형성하여 타원 편광된 광을 이용하여 아조색소의 분자배열의 이방성을 유도한 후 액정셀을 제작하여 액정셀을 주입시켜 액정을 배향시키는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 액정배향방법은 각각 광활성 화합물을 함유한 고분자 배향막이 형성된 상, 하기판사이에 주입된 액정을 배향하는 방법에 있어서, 장축과 단축의 세기가 서로 다른 타원편광된 광을 입사시켜 상기 광활성 화합물을 경사배향하며, 광활성 화합물의 경사배향에 따라 액정을 경사배향한다.

타원편광된 광의 장축과 단축의 세기에 따라 타원편광된 광의 진행방향과 나란하게 및 수직하게 배열되는 광활성 화합물의 분자수가 변하고, 각각의 방향으로 배열되는 광활성 화합물의 분자수에 의해 액정의 프리틸트각이 조절된다.

Description

고분자박막 배향방법 및 이를 이용한 액정배향방법

본 발명은 액정의 광배향방법에 관한 것으로서, 특히 러빙공정없이 광학적으로 고분자박막을 배향시키는 방법 및 이를 이용한 액정의 프리틸트각을 조절하는 방법에 관한 것이다.

평판표시장치는 미래에 크기가 작은 텔레비젼이나, 대화면의 스크린 텔레비젼 그리고 포터블 단말기 등에 있어서, 정보를 취급하는 중요한 장치가 될 것이다. 특히 평판표시장치중 액정표시소자는 낮은 구동전압과 전류, 높은 콘트라스트비, 저렴한 가격, 태양 광에서의 신뢰도 그리고 집적회로와의 인터페이스 등으로 인하여 정보 표시기로서 넓게 사용되고 있다.

균일한 밝기와 높은 콘트라스트를 갖는 액정표시소자를 제조하기 위해서는 상, 하기판사이에 주입된 액정분자들을 일정방향으로 배열시켜 주어야 한다. 일반적인 액정표시소자는 상, 하기판의 대향면에 각각 액정 배향막이 형성되어 액정분자들을 일정방향으로 배향시켰었다.

종래의 액정 배향막을 형성하여 액정을 배향하는 방법으로는 표면처리방법으로서 러빙법이 사용되고 있다. 러빙법은 현재 가장 널리 사용되고 있는 방법으로서, 일정한 방향으로 배향막에 형성된 직선 홈을 따라 액정을 배향시키는 방법이다.

그러, 이 러빙법은 칼라필터 또는 TFT 어레이가 배열된 유리기판상에 폴리이미드를 형성한 후 러빙을 실시하기 때문에, 러빙시 폴리이미드 하부에 배열된 TFT 어레이에 전기적 그리고 역학적 손상을 입히는 문제점이 있었다. 또한, 러빙법에 의해 제조된 액정표시소자는 시약각(veiwing angle)이 작은 단점도 있으며, 시야각을 크게 하기 위한 다중 도메인을 형성하기기 어려운 문제점이 있었다.

또한, 액정표시소자에 있어서, 액정의 반응시간과 콘트라스트비 등의 중요한 변수로 작용하는 프리틸트각(pretilt angle)을 조절하여 경사배향시키는 것이 중요하다. 최근에는 러빙하지 않고 프리틸트각을 조절하는 방법이 활발히 연구되고 있다.

본 발명은 러빙공정없이 고분자 배향막을 광학적으로 배향시키는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다

본 발명의 다른 목적은 러빙공정없이 액정을 소정의 프리틸트각을 갖도록 광학적으로 배향시키는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 재현성이 우수하고 균일한 배향막을 얻을 수 있는 광배향방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 장축과 단축에 따라 서로 다른 세기를 갖는 타원편광된 펌프파에 의한 광배향 원리를 설명하기 위한 액정셀의 단면도,

도 2는 펌프파의 편광에 따른 MO 분자의 개략적인 배열상태 및 MO 분자의 배열개수를 나타낸 도면,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 타원편광된 광을 MO를 함유한 고분자박막에 입사할 때 MO 분자들이 입사되는 광의 진행방향과 그 수직방향으로 배열되는 분자개수를 측정하기 위한 실험장치의 개략도,

도 4A는 도 3의 실험장치에 의해 측정된 펌프파의 진행방향으로 나란하게 배열된 MO 분자들의 개수비를 나타낸 도면,

도 4B는 도 3의 실험장치에 의해 측정된 펌프파의 진행방향으로 수직하게 배열된 MO 분자들의 개수비를 나타낸 도면,

도 4C는 펌프파의 편광상태에 따른 MO 분자의 복굴절을 나타낸 도면,

도 5는 펌프파의 편광상태에 따른 액정의 프리틸트각의 변화를 나타낸 도면,

도 6A는 펌프파의 진행방향과 나란하게 배열된 MO 분자들의 개수비에 따른 액정의 프리틸트각의 변화를 나타낸 도면,

도 6B는 펌프파의 진행방향과 수직하게 배열된 MO 분자들의 개수비에 따른 액정의 프리틸트각의 변화를 나타낸 도면,

도 6C는 펌프파의 편광도에 따른 MO 분자들의 복굴절에 따른 액정의 프리틸트각의 변화를 나타탠 도면.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10, 20 : 기판11 : 폴리이미드 배향막

21 : 아조색소를 함유한 고분자 배향막30 : 액정

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판에 형성된 광활성 화합물을 함유한 고분자 박막에 장축과 단축의 세기비가 서로 다른 타원편광된 광을 이용하여 상기 광활성 화합물의 분자를 배열시키는 고분자박막 배향방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 고분자 배향방법에 있어서, 타원편광된 광의 장축과 단축의 세기에 따라 타원편광된 광의 진행방향과 나란하게 및 수직하게 배열되는 광활성 화합물의 분자수 변하는 것을 특징으로 한다.

타원편광된 광의 장축과 단축의 비가 동일하게 될수록 광의 진행방향에 따라 수직으로 배열되는 광활성 화합물의 분자수가 지수함수적으로 감소하고, 광의 진행방향에 따라 나란하게 배열되는 광활성 화합물의 분자수가 지수함수적으로 증가하며, 화합물의 복굴절은 지수함수적으로 증가한다.

또한, 본 발명은 각각 광활성 화합물을 함유한 고분자 배향막이 형성된 상, 하기판 사이에 주입된 액정을 배향하는 방법에 있어서, 장축과 단축의 세기가 서로 다른 타원편광된 광을 입사시켜 상기 광활성 화합물을 경사배향하며, 광활성 화합물의 경사배향에 따라 액정을 경사배향하는 액정배향방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 액정배향방법에 있어서, 타원편광된 광의 장축과 단축의 세기에 따라 타원편광된 광의 진행방향과 나란하게 및 수직하게 배열되는 광활성 화합물의 분자수가 변하고, 배열되는 광활성 화합물의 분자수에 의해 액정의 프리틸트각이 조절되는 것을 특징으로 한다.

상기 액정의 프리틸트각은 타원편광된 광의 장축과 단축의 비가 동일하게 될수록 광의 진행방향에 평행하게(나란하게) 배열되는 분자수가 지수함수적으로 증가함에 따라 선형적으로 증가하고, 광의 진행방향에 따라 수직으로 배열되는 광활성 화합물의 분자수가 지수함수적으로 감소함에 따라 선형적으로 감소하며, 상기 광활성 화합물의 복굴절이 지수함수적으로 증가함에 따라 선형적으로 증가한다.

상기 고분자 배향막은 아조계 색소로서 메틸오렌지를 함유한 폴리비닐알코올이다.

본 발명은 러빙방법을 사용하지 않으므로, 결점이 없는 균일한 배향막을 형성하는 것이 가능할 뿐만 아니라 우수한 재현성을 얻게 된다. 아조색소를 함유한 고분자 박막으로 된 배향막에 타원편광된 광을 조사하여 액정분자를 배열시킴으로써, 시야각을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 다중 도메인의 액정표시소자의 제작이 용이하다.

[실시예]

이하, 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 러빙공정없이 아조색소를 함유한 고분자 박막을 배향막으로 형성하고, 타원 편광된 광을 이용하여 아조색소의 분자배열의 이방성을 유도한 다음 액정셀을 형성하고, 액정셀에 액정을 주입하여 액정을 배향시키는 방법이다. 또한, 이 배향막에 조사되는 광의 편광도, 즉 타원편광된 광의 단축 및 장축의 세기에 따라 배향막의 분자배열을 조절하고, 배향막의 분자배열에 따라 액정의 프리틸트각을 조절하는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 액정 배향 및 프리틸트각의 조절원리를 설명하기 위한 액정셀의 단면 구조도이다.

도 1을 참조하면, 액정셀(1)의 한쪽 기판 예를 들면, 상부기판으로서 폴리이미드가 배향막(11)으로 형성된 기판(10)이 제공되고, 다른 기판 예를 들면, 하부기판으로서 색소를 포함한 고분자 배향막(21)이 형성된 기판(20)이 제공된다.

색소를 함유한 고분자 배향막(21)으로서, 색소(dye)는 광이성질화 반응을 나타내는 메틸 오렌지가 사용되고, 매트릭스로 폴리비닐 알코올(PVA)을 사용한다.

도 1의 액정셀(1)에서, 상, 하부기판의 합착에 의한 액정셀의 제작전에 상부기판(10)의 배향막(11)은 러빙법에 의해 이미 프리틸트각을 갖도록 배향된 것이며, 하부기판(20)의 배향막(21)은 셀 제작전 편광된 광에 의해 펌프되어 소정의 프리틸트각을 갖도록 배향되는 것이다.

상기와 같은 액정 셀(1)의 프리틸트각을 결정회전법으로 측정하면, 셀 전체의 프리틸트각(/α)은 하기의 식으로 표현되어진다.

여기서, α_PI와 α는 각각 기준면인 폴리이미드 배향막(11) 근처와 고분자 배향막(21)근처에서의 액정의 프리틸트각이고, θ_x는 투과도 곡선의 대칭각이며, n_e와 n_o는 보통 파동과 특수 파동의 굴절율을 각각 나타낸다.

상기의 식으로부터 고분자 배향막(21)의 편광된 광에 의해 배향된 액정의 프리틸트 각(α)을 구할 수 있다.

도 1의 액정셀에 기판(21) 표면에 대하여 원편광된 펌프파를 경사지게 입사시키면, 메틸 오렌지(MO) 분자들은 빛의 진행방향에 대하여 나란하게 배열하고, 셀 제작후 액정을 주입하여 액정분자는 경사지게 배향된다.

먼저, 빛의 진행방향으로 나란하게 배열되고 수직하게 배열된 MO 분자의 개수비의 변화에 따라 액정의 프리틸트각은 어떻게 변화하는지 알아본다. 도 2A에서 보는 바와같이 펌프파로서 원편광된 광, 타원편광된 광 그리고 선편광된 광을 사용한다. 펌프파의 편광상태가 원편광에서 타원편광을 거쳐 선편광으로 가면, MO/PVA 박막의 MO 분자들이 하나의 축에 따른 배열이 선편광으로 갈수록 흐트러지게 되고, 결국 한 평면에 대하여 등방적인 배열을 하게 된다.

MO 분자들의 질량중심을 원점으로 모으고 xz 평면에서 그 개수의 분포를 그려보면 도 2B와 같이 분포되어진다. 즉, 원편광된 펌프파에 의해 MO 분자들의 분포는 각각 빛의 진행방향(//z)을 따라 일직선으로 배열되고, 타원편광된 펌프파에 의해 MO 분 자들은 장축이 z축에 있는 타원 모양으로 배열되며, 선편광된 펌프파에 의해 MO 분자들은 등방적인 원모양으로 배열된다. 즉, 펌프파인 타원편광된 광의 장축 및 단축의 세기에 따라 MO 분자들의 배열이 달라지게 됨을 알 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 편광된 광을 MO를 함유한 고분자박막에 입사할 때 MO 분자들이 입사되는 원편광된 광의 진행방향으로 배열되는 것을 측정하기 위한 실험장치의 개략도를 도시한 것이다.

먼저, 기판(20)상에 MO를 함유한 PVA 박막이 배향막(21)으로 형성된 샘플(30)의 굴절율(n_D)이 1.37인 헥산용액(hexane solution)(31)에 상기 박막과 굴절율을 매칭시키기 위하여 담그고, 펌프파(pump beam)(32)로 1시간이상 펌프한 후 탐사파(33)의 편광방향이 펌프파(32)의 진행방향과 나란하고 수직일 때 그 투과도 Tmin와 Tmax를 각각 측정한다. 이때, 펌프파의 입사각도는 60°로 고정시켰으며, 탐사파의 진행방향은 펌프파의 진행방향에 수직이 되도록 한다.

탐사파(33)의 세기가 0.165 mW/㎠으로 아주 작으므로, 흡수는 MO 분자의 개수에 비례한다고 볼 수 있다. 탐사파의 투과도 T와 MO 분자의 개수 N과의 관계는 다음과 같이 주어진다.

N α 1-T

펌프파의 진행방향에 나란하게 배열된 MO 분자들의 개수비 그리고 수직하게 배열된 MO 분자의 개수를 각각 N_∥과 N_⊥이라 하면, MO 분자의 개수비는 하기의 식으로 표현된다.

T1

여기서, n_∥과 n_⊥은 펌프파의 진행방향에 각각 나란하게 배열된 MO 분자와 수직하게 배열된 MO 분자의 개수비를 각각 나타낸다.

또한, 고분자 박막의 복굴절 Δn 이 MO 분자의 개수에 비례한다고 보면, 복굴절 Δn은 하기의 식으로 표현된다.

Δn = N_∥- N_⊥= N(n_∥- n_⊥)

여기서, N은 MO 분자의 총갯수로서, N_∥+ N_⊥이다.

편광에 따른 탐사파의 투과도 T_∥+ T_⊥을 측정하여, n_∥, n_⊥, 그리고 Δn을 구하여 도 4에 도시하였다. 도 4에서, I_min/I_max는 펌프파 편광의 단축방향과 장축방향의 세기비이며, I_min/I_max가 0인 경우에는 선편광, 0I_min/I_max1인 경우는 타원편광, 그리고 I_min/I_max가 1인 경우는 원편광에 해당한다.

도 4는 펌프파의 편광상태에 따른 MO 분자의 배열변화를 도시한 것이다, 도 4A는 펌프파의 진행방향으로 배열된 MO 분자의 개수비 n_∥를 도시한 것으로서, 펌프파의 편광이 원편광이 될수록 그 진행방향의 MO 분자들의 개수비 n_∥은 지수함수적으로 증가함을 알 수 있다.

도 4B는 펌프파의 진행방향과 수직으로 배열된 MO 분자의 개수비를 나타낸 것으로서, 수직으로 배열된 MO 분자의 개수비 n_⊥는 지수함수적으로 감소함을 알 수 있다. 도 4C는 고분자 배향막(21)의 복굴절 Δn의 변화를 도시한 것으로서, 고분자 박막(21)의 복굴절 Δn은 지수함수적으로 증가하게 된다.

도 4의 펌프파의 편광상태에 따른 MO 분자의 배열변화로부터, 펌프파의 편광상태가 선편광에서 원편광으로 가면 펌프파의 단축방향의 전기장이 점점 커지게 되고, 이 전기장에 의해 고분자 배향막(21)의 MO 분자들이 펌프파의 진행방향으로 배열하게 되는데, 그 배열의 개수가 전기장의 세기에 비례하지 않기 때문이다.

도 5는 도 1과 같이 제작된 액정셀을 결정회전법으로 측정한 펌프파의 편광상태에 따른 액정의 프리틸트각을 도시한 것이다. 도 5를 참조하면, 펌프파의 편광이 선편광에서 원편광으로 될수록 프리틸트각은 박막의 복굴절과 마찬가지로 지수함수적으로 증가함을 알 수 있다.

고분자 배향막(21)인 MO/PVA 박막의 n_∥, n_⊥, 그리고 Δn에 따른 액정의 프리틸각의 변화는 도 6에 도시되었는데, 도 6A 및 도 6B과 같이 n_∥, n_⊥,가 증가함에 따라 프리틸트각이 선형적으로 각각 증가 및 감소하였고, 도 6C에 도시된 바와같이 Δn이 커질수록 액정의 프리틸트각은 선형적으로 증가하였다.

상기의 결과로부터, 액정의 프리틸트각은 편광된 펌프파의 진행방향으로 배열된 MO 분자들의 개수가 많아짐에 따라 선형적으로 커짐을 알 수 있다.

즉, 타원편광된 광을 사용하면, 타원편광된 빛의 장축 및 단축의 세기에 따라 펌프파의 진행방향으로 배열되는 MO 분자들의 개수비가 증가하게 되고, 이에 따라 액정의 프리틸트각이 조절됨을 알 수 있다.

따라서, 본 발명과 같이 타원편광된 광의 단축 및 장축의 세기에 따라 MO 분자가 배열되고, 이 MO 분자의 배열에 따라 액정의 프리틸트각을 조절하는 것이 가능하게 된다.

상술한 바와 같은 본 발명의 광합배향방법에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 러빙방법을 사용하지 않으므로, 결점이 없는 균일한 배향막을 형성하는 것이 가능할 뿐만 아니라 우수한 재현성을 얻을 수 있다.

둘째, 아조색소를 함유한 고분자 박막으로 된 배향막에 타원편광된 광을 조사하여 액정분자를 배열시킴으로써, 시야각을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 다중 도메인의 액정표시소자의 제작이 용이하다.

셋째, 본 발명의 액정배향방법을 이용하여 액정셀을 제작하는 경우, 러빙공정의 수행에 따른 TFT의 손실이 방지되어 생산수율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Claims

기판에 형성된 광활성 화합물을 함유한 고분자 박막에 장축과 단축의 세기비가 서로 다른 타원편광된 광을 조사시켜 상기 광활성 화합물의 분자를 배열시키는 것을 특징으로 하는 고분자박막 배향방법.
제1항에 있어서, 타원편광된 광의 장축과 단축의 세기에 따라 타원편광된 광의 진행방향과 나란하게 및 수직하게 배열되는 광활성 화합물의 분자수 변하는 것을 특징으로 하는 고분자박막 배향방법.
제2항에 있어서, 타원편광된 광의 장축과 단축의 비가 동일하게 될수록 광의 진행방향에 따라 나란하게 배열되는 광활성 화합물의 분자수가 지수함수적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 고분자박막 배향방법.
제1항에 있어서, 타원편광된 광의 장축과 단축의 비가 동일하게 될수록 광의 진행방향에 따라 수직으로 배열되는 광활성 화합물의 분자수가 지수함수적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 고분자박막 배향방법.
제1항에 있어서, 상기 광활성 화합물의 복굴절은 타원편광된 광의 장축과 단축의 비가 동일하게 될 수록 지수함수적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 고분자박막 배향방법.
제1항에 있어서, 상기 고분자 박막은 아조계 색소로 메틸 오렌지를 함유한 폴리비닐 알코올의 광활성 화합물인 것을 특징으로 하는 고분자박막 배향방법.
각각 광활성 화합물을 함유한 고분자 배향막이 형성된 상, 하기판 사이에 주입된 액정을 배향하는 방법에 있어서, 장축과 단축의 세기가 서로 다른 타원편광된 광을 입사시켜 상기 광활성 화합물을 경사배향하며, 광활성 화합물의 경사배향에 따라 액정을 경사배향하는 것을 특징으로 하는 액정배향방법.
제7항에 있어서, 타원 편광된 광의 장축과 단축의 세기에 따라 타원편광된 광의 진행방향과 나란하게 및 수직하게 배열되는 광활성 화합물의 분자수가 변하는 것을 특징으로 하는 액정배향방법.
제8항에 있어서, 타원편광된 광의 진행방향과 나란하게 및 수직하게 배열되는 광활성 화합물의 분자수에 의해 액정의 프리틸트각이 조절되는 것을 특징으로 하는 액정배향방법.
제8항에 있어서, 타원편광된 광의 장축과 단축의 비가 동일하게 될 수록 광의 진행방향 나란하게 배열되는 광활성 화합물 분자수가 지수함수적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 액정배향방법.
제10항에 있어서, 상기 액정의 프리틸트각은 타원편광된 광의 장축과 단축의 비가 동일하게 될 수록 광의 진행방향에 수직하게 배열되는 분자수가 지수함수적으로 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 액정배향방법.
제8항에 있어서, 타원편광된 광의 장축과 단축의 비가 동일하게 될 수록 광의 진행방향에 따라 수직으로 배열되는 광활성 화합물 분자수가 지수함수적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 액정배향방법.
제12항에 있어서, 상기 액정의 프리틸트각은 타원편광된 광의 장축과 단축의 비가 동일하게 될 수록 광의 진행방향에 따라 수직으로 배열되는 광활성 화합물의 분자수가 지수함수적으로 감소함에 따라 선형적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 액정배향방법.
제7항에 있어서, 상기 광활성 화합물의 복굴절은 타원편광된 광의 장축과 단축의 비가 동일하게 될 수록 지수함수적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 액정배향방법.
제14항에 있어서, 액정의 프리틸트각은 타원편광된 광의 장축과 단축의 비가 동일하게 될 수록 상기 광활성 화합물의 복굴절이 지수함수적으로 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 액정배향방법.
제7항에 있어서, 상기 고분자 배향막은 아조계 색소로 메틸오렌지를 함유한 폴리비닐알코올인 것을 특징으로 하는 액정배향방법.