KR19990024677A - 멀티도메인 액정표시소자의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 멀티도메인 액정표시소자의 제조방법은, 기판 상에 광배향막을 형성하는 단계와, 광투과 특성이 다른 복수의 영역으로 구성된 마스크를 제공하는 단계와, 상기한 광배향막에 광을 1회 조사하여 상기한 마스크의 각 영역에 대응하는 배향막의 영역에 서로 다른 배향방향을 형성하는 단계로 구성된다.
상기한 멀티도메인 액정표시소자의 제조방법에 따르면, 종래 기술과 비교하여 공정을 단순화 할 수 있을 뿐만 아니라, 우수한 광시야각 특성 및 광학 정보저장 능력을 갖는 멀티도메인 액정표시소자를 용이하게 제조할 수 있다.

Description

멀티도메인 액정표시소자의 제조방법
본 발명은 액정표시소자(Liquid Crystal Display, LCD)에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 액정배향막을 1회 광조사 함으로써 멀티도메인 액정표시소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.
광학 정보를 기록하고 이미지화하는 액정표시소자의 기본 단위는 2개의 기판과 그 사이에 주입된 액정으로 이루어진 액정셀이다.
상기한 액정셀의 전형적인 액정 재료는, 액정 재료의 방향자로서 장축의 평균 방향자가 d 인 비등방성 분자를 함유한다. 액정 벌크의 방향자 분포는, 배향면 상의 액정의 탄성과, 액정의 표면 에너지의 최소에 상당하는 배향방향 e 와(프리틸트각(pretilt angle)을 포함하는 배향방향), 액정 방향자의 속박에너지(anchoring energy)W로 결정된다.
그리고, 정보 저장 및 그 판독의 신뢰도에 있어서 액정표시소자의 균일한 밝기와 높은 콘트라스트비(contrast ratio)를 얻기 위해서는, 액정셀을 균일 배향하는 것이 필요하다.
따라서, 셀 기판을 도포한 특수 처리된 폴리머 재료가 액정을 균일하게 배향하는데 사용된다. 러빙 방향을 따라 통상적으로 배향된 액정 방향자의 배향방향은 러빙 공정 하에 나타난다. 그러나, 러빙방법은 몇 가지 결정적인 결함을 가지고 있다. 첫 번째로서, 먼지 입자 및 정전기(ESD, Electrostatic Discharge)가 러빙 중 배향표면에 발생되며 이것은 액정표시소자의 손상을 야기한다. 두 번째는, 러빙 중 생기는 미세홈(micro grooves)이며 이것은 액정셀에서 광산란 및 무질서한 상 일그러짐의 원인이 된다.
종래에, 편광 UV를 광반응 폴리머(photosensitive polymer)에 조사하는 광배향 방법은 이미 공지되어 있다(M.Schadt et al. Jpn.J.Appl.Phys. 31(1992)2155 ; T.Marusii 및 Yu.Reznikov. Mol.Mater. 3(1993)161). 광반응 물질의 배향능력은 광조사로 유도된 광반응물질의 비등방성으로 결정된다.
즉, 폴리비닐신나메이트(PVCN, polyvinyl cinnamate)(M.Schadt et al. Jpn.J.Appl.Phys. 31(1992)2155), 폴리실록산(PS, polysiloxane) 및 폴리이미드(PI, polyimide)(J.Chen et al, Phys.Rev.E, 54,n2(1996)) 등의 기본 물질이 액정표시소자용 광배향 물질로서 가장 널리 사용되며 이러한 물질의 광배향 특성은 UV의 조사 하에서 나타난다.
그리고, 디아조디아민(diazodiamine) 염료 및 중합 가능한 네마틱 액정 모노머 조성물을 혼입한 실리콘 폴리이미드 공중합체의 기본 물질은 광학 저장용으로 사용되며(W.Gibbons et al, Nature 351(1991)49 ; P.Shennon et al, Nature 368(1994)532 ; W.Gibbons et al, Nature 351(1991)46), 이 물질들은 광스펙트럼의 가시영역에서 광반응성이 있다.
일반적으로, 배향물질 표면의 배향방향은 UV 편광방향에 항상 수직하다고 나타나 있으나, 몇몇 물질은 UV의 편광방향에 평행한 배향방향을 제공한다.
광배향 기술은 통상의 러빙 방법에 대하여 여러 이점을 가진다. 러빙 기술에 비교하여, 광배향 기술은 러빙 중 러빙포에서 발생하는 배향막 상의 정전기 및 먼지 입자가 없다. 이외에도, 광반응 폴리머는 배향막의 배향방향 및 방위각 앵커링 에너지 값을 조절할 수 있으며, 이것은 액정셀에서 배향을 결정한다. 또한 특히, 광배향 기술은, 액정표시소자의 시야각 특성을 향상시키는데 필요한 2도메인 또는 멀티도메인 구조 및 광학 저장 및 프로세스 장치를 만드는데 사용 가능하다.
광배향 기술을 사용하는 액정표시소자에서 멀티도메인 구조를 얻기 위해 여러 방법이 제안된 바 있다.
제안된 방법 중, W.Gibbons et al(Nature 351(1991)49)이 제안한 방법은, 단일방향으로 광배향 물질을 러빙한 후, 마스크를 통해서 UV를 기판에 조사하여 초기의 러빙방향에 직각으로 배향된 배향방향을 만든다. 상기한 방법으로 2도메인을 형성한 기판과 초기의 러빙방향으로 방향 지워진 모노도메인을 형성한 기판과, 이들 사이에 주입되는 액정으로 액정표시소자를 구성한다. 이 액정표시소자의 액정셀은 상기한 광배향 공정에서 투명부에 해당하는 영역에서 90°트위스트된 구조를 가진다. 그러나, 이 방법은 배향면 위에 미세홈을 만들어서 먼지, 정전기를 발생시키는 중합체의 러빙법을 사용하는 것이 필수적이므로, 러빙에 의해 발생되는 문제를 여전히 가지고 있다.
상기한 방법의 다른 변형을 P.Shennon et al(Nature 368(1994)532)이 사용하였다. 이 방법은 배향막 표면을 러빙하는 대신, 편광을 조사하여 초기 배향하도록 조사하는 것이 상기한 방법과는 다르다. 이 방법으로 상기한 단점은 극복되지만, 제조공정 중에 광학성질(배향방향)을 도메인에 따라 달리 부여하기 위해서 편광방향이 다른 편광으로 2회 노광하는 것이 필수적이고, 따라서 여러 번의 공정이 필요하다는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래 방법의 결점을 보완한 멀티도메인 액정표시소자의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 즉, 자외선 및 가시광선 파장을 포함하는 광역 스펙트럼을 1회 광조사 함으로써 멀티도메인 액정표시소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 멀티도메인 액정표시소자의 제조방법은, 기판 상에 광배향막을 형성하는 단계와, 광투과 특성이 다른 복수의 영역으로 구성된 마스크를 제공하는 단계와, 상기한 광배향막에 광을 1회 조사하여 상기한 마스크의 각 영역에 대응하는 배향막의 영역에 서로 다른 배향방향을 형성하는 단계로 구성된다.
그리고, 상기한 마스크의 각 영역은, 파장영역이 다른 영역의 빛을 투과시키는 제1영역 및 제2영역으로 구성된다.
또한, 상기한 광배향막은, 파장영역이 다른 영역의 빛에 광반응하는 광반응 성분의 혼합물로 구성되며, 마스크의 제1영역 및 제2영역에 대응하는 복수의 물질로 구성된다. 상기한 마스크의 제1영역은, 자외선 영역의 빛을 투과시키며, 제2영역은, 가시광선 영역의 빛을 투과시키는 것을 특징으로 한다.
상기한 마스크의 제1영역에 대응하는 영역의 광-유도 배향방향은 편광방향에 수평하고, 상기한 마스크의 제2영역에 대응하는 영역의 광-유도 배향방향은 편광방향에 수직하다.
상기한 마스크의 제1영역에 광반응하는 물질은
이고, 상기한 마스크의 제2영역에 광반응하는 물질은
이다.
또는, 상기한 마스크의 제1영역에 광반응하는 물질은
이고, 상기한 마스크의 제2영역에 광반응하는 물질은
이다.
또는, 상기한 마스크의 제1영역에 광반응하는 물질은
이고, 상기한 마스크의 제2영역에 광반응하는 물질은
이다.
도 1은, 본 발명의 제1실시예를 따르는 배향막 구성물질 PSCN-1의 구조식을 나타내는 도면.
도 2는, 본 발명의 제1실시예를 따르는 배향막 구성물질 AB의 구조식을 나타내는 도면.
도 3은, 본 발명의 제2 및 제3실시예를 따르는 배향막 구성물질 PSCN-2의 구조식을 나타내는 도면.
도 4는, 본 발명의 제2실시예를 따르는 배향막 구성물질 메틸 오렌지의 구조식을 나타내는 도면.
도 5는, 본 발명의 제3실시예를 따르는 배향막 구성물질 메틸 레드의 구조식을 나타내는 도면.
도 6은, 본 발명의 실시예를 따르는 배향막 상에 멀티도메인 배향방향을 형성하는 실험 장치를 나타내는 도면.
도 7은, PSCN-1 및 AB폴리머의 혼합물의 흡수 스펙트럼을 나타내는 도면.
도 8은, Hg-램프의 조사 스펙트럼을 나타내는 도면.
도 9는, 아조염료 메틸 오렌지를 혼입한 폴리머 PSCN-2의 흡수 스펙트럼을 나타내는 도면.
도 10은, 아조염료 메틸 레드를 혼입한 폴리머 PSCN-2의 흡수 스펙트럼을 나타내는 도면.
일반적으로, 광배향물질은 UV의 편광방향에 대해 평행 및 수직인 배향방향을 형성한다. 그리고, 배향막의 배향방향은 배향막에 조사되는 광의 스펙트럼 성질, 즉 가시광선 영역과, 자외선 영역으로 이루어진 흡수밴드로 결정된다.
예를 들어, 파장 260㎚, 세기 Iexc=2~5㎽/㎠인 UV를 노광시간 texp=5min 동안 PSCN-1(도 1) 물질에 조사하면 UV의 편광방향에 평행한 배향방향( e )이 형성된다. 또한, PSCN-2(도 3)를 같은 실험조건에서 30min 동안 조사하면 동일 특성을 나타낸다. 이러한 물질은 200~400㎚의 자외선 영역에서 흡수 밴드를 가진다.
그리고, 가시광선 영역의 빛을 흡수하는 몇몇 중합체들은 우수한 광배향 특성을 나타낸다. 예를 들어, 물질 AB(도 2)는 400~500㎚ 영역의 빛을 흡수하며, 편광방향에 수직한 광-유도 배향방향을 지닌 우수한 평면배향을 제공한다.
이와 동일한 결과는, 저분자량 비등방성 염료분자를 폴리머 매트릭스에 혼입함으로써 또한 얻을 수 있다. 예를 들어, 디아조디아민 염료 및 아조염료 분자를 혼입한 폴리실록산 및 폴리이미드 폴리머를 편광 가시광선으로 조사하면, 가시광선의 편광방향에 수직한 배향방향을 제공한다(W.Gibbons et al, Nature 351(1991)49 ; W.Gibbons et al, Nature 377(1995)46 ; Y.Iimura et al, J.Appl.Phys. Part2, No1A/B. L93, (1993) ; A.Dyadyusha et al, Mol.Mat., 5, 183~188(1995)).
그리고, 공업용 아조염료 메틸 오렌지 및 메틸 레드(도 4 및 도 5)를 혼입한 폴리머 PSCN-1 및 PSCN-2를 그 흡수 밴드(PSCN 물질의 투과영역에 해당하는)의 편광으로 조사하면 편광방향에 수평한 배향방향의 특성을 나타낸다.
이러한 사실은, 액정표시소자에서 멀티도메인 액정배향을 가능하게 하는 새롭고 간편한 방법을 제공한다. 즉, 본 발명은 상기한 광배향 특성을 이용하는 것으로서, 다른 흡수 밴드를 가지고, 파장의 변화에 따라 상호 수직한 배향방향을 나타내는 복합 물질로 이루어진 배향막의 배향방향을 1회의 광조사로 조절하는 것이다. 이러한 방법은 광시야각 특성 및 광학 정보저장이 가능한 멀티도메인 액정표시소자의 제조 목적에 유용하다.
본 발명은, Δλ∥및Δλ⊥의다른 스펙트럼 영역의 빛으로 조사하는 방식으로써, 편광으로 광배향막을 조사하여 액정배향을 직교 방향으로 형성하는 것이다(Δλ∥는 빛의 편광방향에 평행한 액정배향을 일으키는 스펙트럼 영역에 해당하며, Δλ⊥는 빛의 편광방향에 수직한 액정배향을 일으키는 스펙트럼 영역에 해당한다.). 그 결과로써, 조사된 배향막의 각 도메인은 상호 직교하는 방향으로 배향된다. 따라서, 이 광배향막으로 적층된 기판은 멀티도메인 구조의 액정표시소자를 제조하는데 사용될 수 있다.
본 발명에 있어서, 배향막 상에 멀티도메인 배향방향을 형성하는 실험장치를 도 6에 나타내었다. 기판(S)은 광조사 하에서 상호 수직한 광-유도 배향방향을 나타내는 상이한 스펙트럼 성질을 지닌 혼합조성물로 이루어진 광배향 물질(PM)로 적층되고, 파장 Δλ∥및Δλ⊥를 포함하는 Hg-램프로 조사된다. PM막에 닿기 전에, 광선은 선편광( E exe )을 만드는 편광판(P)과, 콘덴서(C) 및 기판(S)에 가까이 위치한 마스크(M)를 통과한다.
마스크는 두 가지 타입의 영역을 포함한다. 제1영역(T1)은 파장Δλ∥인 빛이 투과하고, 파장Δλ⊥인 빛이 투과하지 못한다. 반면에, 제2영역(T2)은 파장Δλ⊥인 빛이 투과하고, 파장Δλ∥인 빛이 투과하지 못한다. 광배향막(PM)을 조사한 결과로서, 제1영역(T1)은 E exe 에 평행한 배향방향( e )을 나타내고, 제2영역(T2)은 E exe 에 수직한 배향방향( e )을 나타낸다.
본 발명은, 멀티도메인 액정표시소자에 있어서, 각 도메인의 배향방향이 서로 직교하는 방향으로 픽셀을 형성하였으므로, 이러한 액정셀을 광학 정보가 2진 코드로 기록되는 정보저장용 장치로 이용할 수 있다. 예를 들어, 평면배향 구조로서 상기 조사된 광배향막으로 도포된 기판과, 액정의 단일배향을 제공하는 배향막으로 형성된 다른 기판으로 셀을 조립할 수 있다. 상기한 배향막은, 단일방향 배향막의 배향방향이 광배향막의 배향방향의 하나와 일치하는 식으로 위치한다. 이러한 경우, 균일 배향은 평행한 배향방향의 영역에서 형성되며, 트위스트 구조는 상호 수직한 배향방향의 영역에서 생길 것이다. 이 액정셀을 교차하거나 평행한 편광판 사이에 위치시키면, 액정셀은 2진 코드로 광학정보를 나타낼 수 있는 밝음 및 어두움 영역을 나타낸다.
또한, 본 발명은 광시야각 특성을 지닌 멀티도메인 액정표시소자의 실현을 가능하게 한다. 그리고, 표면상의 액정배향이 이웃 도메인에 대해 90°회전되어 있는 2-트위스트-도메인 구조로 구성되어 있다. 이러한 액정표시소자의 각 도메인은 비대칭 광시야각 특성을 나타내며, 양쪽이 보상된 총 특성은 대칭 형상을 가진다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
-노광 파장 제어에 의한 멀티도메인 액정표시소자의 배향막 제조-
(실시예 1)
1,2-디클로로에탄에 폴리머 PSCN-1 및 AB(질량비는 2:1)를 녹인 용액을 준비한다. 용액 중 폴리머의 총 농도는 10g/ℓ이다. 유리 기판 상의 폴리머 필름은 스핀-코팅법으로 적층된다. 스핀-코팅기의 회전속도는 30초 간 4000rev/min으로 한다. 폴리머 필름이 적층된 기판은 1시간 동안 60℃에서 원심분리 후 소프트 베이킹(soft baking) 처리를 한다. 폴리머 필름의 흡수 스펙트럼을 도 7에 나타내었다. UV 흡수 밴드는 PSCN-1로 결정되며, 가시광선 영역에 있어서의 흡수는 AB물질에 기인한다.
기판은 도 6에 나타낸 실험 장치로 구성된다. Hg-램프는 UV 및 가시광선의 광원으로 제공된다. UV( E exe )의 편광방향은 유리 기판의 긴 측에 평행하다. 램프 조사 스펙트럼은 도 8에 나타나 있다. 상기한 스펙트럼은 P=250W이고, FhotoMult. FEU-79인 MDR-12로 측정한 것이다.
마스크 전체 평면의 빛 세기는 3㎽/㎠이다. 마스크는, 2×3㎠인 박막 유리 기판으로서 그 표면이 크기 1×1㎟인 폴리머 필름의 피스(piece)가 격자식으로 치환된 것이다. 폴리머 필름은 Hg-램프의 자외선 조사를 막고, 가시광선 조사를 통과시킨다(도 8 참조). 마스크를 통과시키는 기판의 조사는 15분간 수행된다.
액정셀은, 상기한 광배향막으로 적층된 기판 및 PI CU-2012로 적층 및 러빙된 유리 기판으로 구성된다. 이 배향막은, 러빙 방향에 평행한 단일배향방향을 제공한다. 셀은 통상 사용되는 샌드위치 방법으로 제조된다. 셀 갭은 5㎛이며 셀은 상온에서 액정 물질 ZLI 4801-000으로 채워진다. 액정셀은 교차하는 편광자 사이에 놓여진다.
(실시예 2)
실시 조건은 실시예 1과 동일하며, PSCN-2에 메틸 오렌지를 가한 혼합물을 광배향 조성물로 사용한다. PSCN-2에 대한 메틸 오렌지의 질량 농도는 20%이다. 기판 조사는 5분간 실시되며, 실시예 1에서 나타난 것과 동일한 결과를 나타낸다. 조성물의 흡수 스펙트럼은 도 9에 나타나 있다.
(실시예 3)
실시 조건은 실시예 1과 동일하며, PSCN-2에 메틸 레드를 가한 혼합물을 광배향 조성물로 사용한다. PSCN-2에 대한 메틸 레드의 질량 농도는 30%이다. 기판의 조사는 30분간 실시되며, 실시예 1에서 나타난 것과 동일한 결과를 나타낸다. 조성물의 흡수 스펙트럼은 도 10에 나타나 있다.
본 명세서에서는 비록 멀티도메인 액정표시소자의 제조방법에 대해서만 설명했지만, 본 발명이 상기한 조건 및 물질에만 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 범위 내에서 다양한 응용이 가능하다.
본 발명은 상기한 멀티도메인 액정표시소자의 제조 방법에 따르면, 다른 흡수 밴드를 가지고, 다른 파장 영역에서 상호 수직한 배향 방향을 나타내는 복합 물질로 이루어진 배향막을 이용하는 것이므로, 광투과 특성이 다른 복수의 영역으로 구성된 마스크를 제공하여 1회 광조사 함으로써, 종래 기술과 비교하여 공정을 단순화 할 수 있을 뿐만 아니라, 우수한 광시야각 특성 및 광학 정보저장 능력을 갖는 멀티도메인 액정표시소자를 용이하게 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 기판 상에 광배향막을 형성하는 단계와,
    광투과 특성이 다른 복수의 영역으로 구성된 마스크를 제공하는 단계와,
    상기한 광배향막에 광을 1회 조사하여 상기한 마스크의 각 영역에 대응하는 배향막의 영역에 서로 다른 배향방향을 형성하는 단계로 구성된 멀티도메인 액정표시소자의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기한 마스크의 각 영역이, 파장영역이 다른 영역의 빛을 투과시키는 제1영역 및 제2영역으로 구성된 것을 특징으로 하는 멀티도메인 액정표시소자의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기한 광배향막이, 파장영역이 다른 영역의 빛에 광반응 하는 광반응 성분의 혼합물로 구성되는 것을 특징으로 하는 멀티도메인 액정표시소자의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기한 광배향막이, 마스크의 제1영역 및 제2영역에 대응하는 복수의 물질로 구성된 것을 특징으로 하는 멀티도메인 액정표시소자의 제조방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기한 마스크의 제1영역이, 자외선 영역의 빛을 투과시키는 것을 특징으로 하는 멀티도메인 액정표시소자의 제조방법.
  6. 제2항에 있어서, 상기한 마스크의 제2영역이, 가시광선 영역의 빛을 투과시키는 것을 특징으로 하는 멀티도메인 액정표시소자의 제조방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기한 광배향막이, 상기한 마스크의 제1영역에 대응하는 영역의 광-유도 배향방향이 편광방향에 수평하고, 상기한 마스크의 제2영역에 대응하는 영역의 광-유도 배향방향이 편광방향에 수직한 것을 특징으로 하는 멀티도메인 액정표시소자의 제조방법.
  8. 제4항에 있어서, 상기한 광배향막에서, 상기한 마스크의 제1영역에 광반응하는 물질이
    이고, 상기한 마스크의 제2영역에 광반응하는 물질이
    인 것을 특징으로 하는 멀티도메인 액정표시소자의 제조방법.
  9. 제4항에 있어서, 상기한 광배향막에서, 상기한 마스크의 제1영역에 광반응하는 물질이
    이고, 상기한 마스크의 제2영역에 광반응하는 물질이
    인 것을 특징으로 하는 멀티도메인 액정표시소자의 제조방법.
  10. 제4항에 있어서, 상기한 광배향막에서, 상기한 마스크의 제1영역에 광반응하는 물질이
    이고, 상기한 마스크의 제2영역에 광반응하는 물질이
    인 것을 특징으로 하는 멀티도메인 액정표시소자의 제조방법.
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