KR20020015000A - 액정표시장치 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 MVA 방식의 액정표시장치에 관한 것으로, 스위칭 조작시의 액정분자의 전계에 대한 응답 특성의 향상을 목적으로 한다.

스프레이 혹은 벤드 변형의 액정분자에 대한 액정골격을 갖는 광경화성 조성물에 의한 광경화물의 농도를 0.3~3중량%로 하고, 액정골격을 기판에 대해서 경사 시킨 상태로 형성하고, 액정분자의 평균 경사각을 액정골격의 극각(極角)과 기판계면 근방에서의 액정분자의 프리틸트각이 만드는 범위내가 되도록 구성한다.

Description

액정표시장치 및 그 제조방법{LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 기판표면에 설치된 돌기상 구조물 또는 투명 화소전극의 슬릿을 이용하여, 액정분자의 배향방향을 제어하는 MVA 방식의 액정표시장치에 관한 것으로, 액정골격을 갖는 광경화성 조성물로 형성된 광경화물을 사용하여 액정분자의 배향방향을 규제하는 액정표시장치에 관한 것이다.

액정표시장치는 노트북형 퍼스널 컴퓨터나 휴대 정보 단말이라는 모바일 용도 외에, 공간절약, 에너지절약이라는 사회적 요구에서 데스크톱형 컴퓨터나 텔레비젼 모니터 등에 이용되고 있다. 액정표시장치의 성능은 CRT 모니터의 성능과 대비하여, CRT 모니터의 성능에 근접시키기 위하여 개발이 진행되고 있다.

CRT 모니터는 형광체의 발광을 이용하기 때문에, 각도 의존성은 적고, 시각은 넓다. 한편, 액정표시장치는 광원으로부터의 광이 액정층을 투과할 때의 액정 배열의 방향을 전기적으로 제어함으로써 투과율을 변경하여 화상 표시하지만, 화면에 대해서 수직방향의 콘트라스트는 만족되지만, 경사지게 보면 콘트라스트가 작거나 색반전이 생기거나 하여 시각 의존성이 크다.

예를 들면, 액티브 매트릭스를 사용하는 액정디스플레이(LCD)로는 정의 유전율 이방성을 갖는 액정 재료를 기판면에 수평으로, 또한 대향하는 기판간에는 90도 트위스트하도록 배향시킨 트위스티드·네마틱(TN) 모드의 액정표시장치가 널리 사용되고 있다. 이 TN 모드 LCD의 최대의 결점은 시각이 좁은 것이다. 이 시각 특성을 개선하기 위하여 각종의 검토가 행해지고 있다.

예를 들면, 1화소를 다영역으로 분할하고, 각 영역마다 배향방향을 분산시킴으로서, 1화소 전체로서의 시각을 넓히는 MVA(Multi-domain Vertical Alignment) 방식 등이다.

도 3은 MVA 방식 액정표시장치의 개념도이다. 21 및 22는 상부 및 하부의 유리기판이고, 61 및 62는 각 기판상에 설치된 돌기상 구조물, 5는 액정분자이다. 이 외에, 도시하지 않았지만, 투명전극, 배향막, 박막트랜지스터(TFT), 위상차필름등으로 구성되어 있다.

2매의 유리기판 사이에 유전율 이방성이 부(負)인 액정 재료를 봉입하면, 액정분자는 배향막의 규제력에 의해 대략 수직으로 배향한다. 한쪽 유리기판에는 TFT에 접속된 화소전극이 형성되어 있고, 다른 쪽의 유리기판에는 공통전극이 형성되어 있다. 그리고, 화소전극상 및 공통전극상에, 각각 돌기상 구조물이 엇갈려서 형성되어 있다.

TFT가 OFF 상태인 경우에는, 돌기상 구조물의 간극영역에 있는 액정분자는 기판계면과 거의 수직방향으로 배향되며, 돌기상 구조물에 근접한 액정분자는 경사면에 수직방향으로 배향되어 있다.

그리고, TFT를 ON 상태로 한 경우에는, 액정에 전계가 걸려, 기판에 수직방향으로부터 기울려고 하지만, 돌기상 구조물의 경사에 의해, 처음부터 기울어져 있던 액정분자의 기움 방향으로 규제되어, 그 경사가 간극영역의 액정분자에 전파된다.

도 4는 MVA 방식의 액정표시장치의 1화소내에서의 액정분자의 경사방향을 나타내는 도면이다. 61 및 62는 상하 기판에 설치된 돌기상 구조물, 7은 하부 기판에 설치된 화소전극이다. 1화소는 적, 녹, 청의 3개의 세로길이의 영역으로 분할되어 있다. 돌기상 구조물(61 및 62)는 1화소내에서 방향이 90도 굽어져 있다.

이 구조의 예에서는, 상하 기판에 설치된 돌기상 구조물의 간극영역은 A, B,C 및 D의 4개의 도메인으로 분할되고, 각 도메인에서의 액정분자의 배향방향은 서로 90도씩 차이가 난다. 이와 같이 MVA 방식의 액정표시장치에서는 TFT를 ON 상태로 했을 때에 액정분자가 복수 방향으로 배향하므로, 시각이 확대되게 된다.

MVA 방식의 액정표시장치는 중간조에서의 응답이 비교적 늦은 문제점을 가지고 있다. MVA 방식의 경우, 기판표면에 설치된 돌기상 구조물이나 슬릿에 의해 액정분자의 경사배향을 규정하고 있기 때문에, 액정분자의 스위칭 동작은 구조물 근방으로부터 간극부로의 액정분자의 경사배향의 전파라는 과정으로 행해진다.

도 5에, 부의 유전율 이방성을 갖는 액정분자의 경사가 전파하는 모습을 나타낸다. 도면 중의 6은 돌기상 구조물, 기타는 도 3과 동일하다. 도면의 상부에 초기의 액정분자의 배향상태를 나타낸다. 도면의 하부는 21 및 22에 전압을 스텝상으로 인가한 다음 일정시간 경과한 후의 상태를 나타낸다.

최초, 돌기상 구조물 근처의 액정분자가 전압 변화의 영향을 받아서 기움각이 크게 된다. 이 변화를 받아서, 돌기상 구조물에 접하지 않고 경사진 액정분자의 근처에 있는 액정분자가 기울고, 순차 경사가 전파되어 간다. 이 최종 상태에서의 경사 상태를 실선으로 나타낸다. 점선은 인가 전압이 작은 중간조이고, 전계에 의한 규제력도 작기 때문에, 영역 전체의 액정분자로의 전파가 완료될 때까지 장시간을 요하게 된다. 이것이 MVA 방식의 중간조에서의 응답이 늦은 가장 큰 원인이다.

본 발명은, 특히 MVA 방식의 액정표시장치에 있어서, 스위칭 동작시의 액정분자의 경사배향을 표시영역 전체에 동시에 경사시켜, 전계에 대한 액정분자의 응답성도 향상시킴으로써, 전체 계조에서 고속 응답 특성을 나타내는 액정표시장치를제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 액정분자의 배향방향을 나타내는 도면.

도 2는 광경화물의 형성을 나타내는 도면.

도 3은 MVA 방식 액정표시장치의 개념도.

도 4는 액정분자의 경사방향을 나타내는 도면.

도 5는 액정분자의 경사 전파를 나타내는 도면.

도 6은 응답속도의 단량체 첨가량 의존성을 나타내는 도면.

도 7은 콘트라스트의 단량체 첨가량 의존성을 나타내는 도면.

도 8은 비틀림 변형의 유무에 따른 응답속도의 변화를 나타내는 도면.

[부호의 설명]

1 기판

2 전극

3 배향막

4 전계

5 액정분자

6 돌기상 구조물

7 화소전극

8 액정 단량체

9 주쇄

10 자외선

21 상부 유리기판

22 하부 유리기판

51 전체 액정분자의 길이방향의 평균

52 제 1 유리기판에서의 액정분자의 길이방향(프리틸트각)

53 제 2 유리기판에서의 액정분자의 길이방향(프리틸트각)

54 액정골격의 극각방향의 평균

55 액정골격

61 상부 기판의 돌기상 구조물

62 하부 기판의 돌기상 구조물

본 발명의 원리를 도 1에 나타낸다. 도면 중, 1은 유리기판, 2는 전극, 3은 배향막, 51은 전체 액정분자의 평균적인 길이방향을 나타낸다. 52 및 53은 제 1 및 제 2 유리기판의 표면 근방에서 배향제어막에 의해서 규제된 액정분자의 길이방향을 나타내며, 54는 액정골격의 평균적인 극각방향을 나타낸다. 배향막의 규제력만 받는 경우에는 평균적인 전체 액정분자는 두개의 프리틸트각을 평균한 방향으로 배향한다.

그러나, 액정골격을 첨가함으로써, 배향막의 규제력과 액정골격의 규제력의 합성력이 작용하여 액정분자는 경사진다. 이 때의 액정분자는 전압 무인가시의 사선으로 나타낸 범위로 경사진다. 이 경사의 크기는 액정골격의 액정에 대한 비율, 액정골격의 경사각의 크기에 따라 임의로 변경할 수 있다.

또 이 경우, 액정분자에는 액정골격의 배향방향으로 경사시키려 하는 힘이 존재하기 때문에, 러빙 등의 계면만에서 경사배향하고 있는 상태보다도 고속 스위칭이 가능하게 된다.

그러나, 액정분자에 대한 액정골격의 인력이 너무 강한 경우에는 액정분자는 액정골격과 동일 방향으로 배향하고, 전압 인가시의 경사에 대한 속박이 크게 되어, 역으로 특성(콘트라스트비 등)을 낮추는 결과가 되어 버린다.

즉, 액정골격의 극각방향과 유리기판면이 이루는 평균 경사각을 α,상하 기판계면에서의 액정분자의 프리틸트각의 한쪽을 β1, 다른쪽을 β2로 하였을 때, 액정분자의 전압 무인가시의 평균 경사각θ가,

(1) 액정분자의 유전율 이방성이 부(負)인 경우,

α<θ<(β1+β2)/2

(2) 액정분자의 유전율 이방성이 정(正)인 경우,

(β1+β2)/2<θ<α

를 만족한다. (유전율 이방성이 부의 경우, 도 1의 전압 무인가시의 사선으로 나타내는 범위) 또한 시각 특성, 응답 특성으로부터, 구동시에서의 액정층의 변형은 주로 스프레이 또는 벤드를 이용하는 모드인 것이 매우 중요하게 된다.

또, 이 때, 액정층에서의 액정골격을 갖는 광경화성 조성물의 광경화물의 농도가 0.3~3중량%이고, 또한 액정층에 문턱값 전압 이상의 전압을 인가하여, 액정층이 변형된 상태에서 광을 조사하면서 액정골격의 경사각을 고정화시켜,

(3) 액정분자의 유전율 이방성이 부인 경우,

(β1+β2) /2-θ<θ-α

(4) 액정분자의 유전율 이방성이 정인 경우,

θ-(β1+β2)/2<α-θ

을 만족하도록, 액정분자와 액정골격을 배향하는 것이 바람직하다. (유전율 이방성이 부인 경우,도 1의 전압 인가시의 사선으로 나타내는 범위) 액정골격을 갖는 광경화성 생성물의 광경화물의 농도는 0.3~3중량% 중에서도 특히 1.0~2.0중량%인 것이 가장 바람직하다.

또, 본 발명은 기판계면 뿐만 아니라 액정층의 벌크 전체에 대해서 초기 경사의 부여를 실현하는 동시에, 임의의 경사각으로 제어가능하기 때문에, 러빙 등의 배향제어를 실시하는 방식에 대해서도 개선 효과를 얻을 수가 있다.

본 발명자들은 전면 동시 경사에 의한 대폭적인 응답속도의 고속화는 액정층 중의 액정골격을 갖는 광경화성 조성물에 의한 광경화물을, 액정골격을 기판에 대해서 경사시킨 상태로 형성함으로써 실현가능함을 알아냈다.

청구항 1에 의한 액정표시장치에서는 네마틱 액정층에 액정골격을 갖는 광경화성 조성물을 0.3~3중량% 첨가하고, 액정골격을 일정한 방향으로 경사시킨 상태에서 광중합하여 광경화물을 형성하는 것이고, 액정층의 변형은 스프레이 변형 또는 벤드 변형에 한정한다.

청구항 1에 의한 본 발명에서는 액정골격이 그 근방의 액정분자에 소정의 배향 경사각을 부여하기 때문에, 표시 신호 전압이 액정층에 인가된 때에 전면 동시에 배향방향이 가지런히 되어, 응답속도가 향상된다.

청구항 2에 의한 액정표시장치에서는 MVA 방식의 액정표시장치를 구성하기 위한 대향기판의 구조로서, 적어도 한쪽 기판표면에 돌기상 구조물 또는 슬릿을 형성한 투명 화소전극을 갖고, 적어도 한쪽 기판면에는 액정분자 길이방향을 기판면에 대해서 대략 수직으로 배향시키는 배향제어층을 설치하고, 또는, 적어도 한쪽 배향제어층은 배향처리하지 않도록 한다.

청구항 2의 액정표시장치에서는 청구항 1의 액정층을 제어하기 위한 기판구조를 규정하고 있다.

청구항 3에 의한 액정표시장치의 제조 방법에서는 청구항 1 기재의 액정층에 포함되는 액정분자의 길이방향이, 다른 파라미터인 프리틸트각이나 액정골격의 극각방향과의 관계가 이하의 조건을 만족하도록, 광경화성 조성물의 농도를 규정한다. 즉, 액정층에 인가하는 전압이 0V인 때,

액정분자의 유전율 이방성이 부인 경우에는,

α<θ<(β1+β2)/2

상기 액정분자의 유전율 이방성이 정인 경우에는,

(β1+β2)/2<θ<α

또한, 전압 인가시에는,

이 액정분자의 유전율 이방성이 부인 경우에는,

(β1+β2) /2-θ<θ-α

이 액정분자의 유전율 이방성이 정인 경우에는,

θ-(β1+β2)/2<α-θ

이 되도록, 광경화성 조성물의 농도를 결정하는 제조방법이다.

청구항 3에 의한 본 발명은 액정골격의 경사각 및 액정골격의 양에 의존하여 변하는 액정분자의 경사각을 소정의 범위내로 하기 위하여 광경화성 조성물의 농도를 결정하는 조건을 규정함으로써, 표시영역 전면에 걸쳐서 액정분자의 응답속도를 높인다.

발명의 실시의 형태

MVA 방식에서의 응답속도를 개선하기 위해서는 과제에서 기술한 바와 같이, 경사 전파에 필요할 시간을 영으로 하여, 표시영역 전면을 동시에 경사시켜야 한다. 이 전면 동시 경사를 실현시키기 위해서는 전압 무인가 상태에서 액정분자를 전면에 걸쳐 기판계면에 대해서 경사시켜 두는 것이 매우 효과적이지만, MVA의 방식에 적용 가능한 구체적인 수단에 대해서는 지금까지 명시되어 있지 않았다.

예의 시행한 결과, 전면 동시 경사에 의한 대폭적인 응답속도의 고속화는 액정층 중의 액정골격을 갖는 광경화성 조성물에 의한 광경화물을, 액정골격을 기판에 대해서 경사시킨 상태로 형성함으로써 실현 가능함을 알아냈다.

도 2는 광경화물의 형성 모양을 나타낸 도면이다. 도면중의 4는 액정에 인가한 전압에 의해서 생기는 전계, 5는 액정분자, 8은 액정 단량체, 9는 주쇄, 10은 자외선, 55는 액정골격이다. 액정과, 액정 단량체를 혼합하고, 최대 투과율을 얻는 전압까지 인가하여, 액정중에 전계를 발생시킨다.

그 결과, 부의 유전율 이방성을 갖는 액정분자, 및 액정 단량체는 어느 일정 각도로 경사진다. 액정골격을 갖는 광경화성 조성물인 액정 단량체(8)는 자외선(10)을 사용하여 광중합하면 경화된다. 그 결과, 주쇄(8)에 이어지는 액정골격(55)은 일정 방향으로 경사진 상태로 고정화된다. 이것이 광경화물이다.

본 발명 제 1 실시예를 이하에 나타낸다. 한쪽 기판상에는 TFT 트랜지스터를 구비한 화소전극과 돌기상 구조물이 형성되고, 다른쪽 기판에는 공통전극과 돌기상 구조물이 형성되어 있다. 이 2매의 유리기판의 사이에, 머크·저팬 주식회사제의 액정 MJ 961213에 다이니폰잉크 주식회사제의 액정 모노아크릴레이트 단량체 UCL-001-K1를 첨가하고, 주입후 전압을 인가하면서 자외선을 조사하여, 액정골격을 표시영역에서 기판면에 대해 약 30˚로 된 상태로 경화시킨 MVA 패널을 제조했다.

여기서, 배향막으로는 JSR 주식회사제의 폴리아믹산 재료 JALS-684를 사용하고, 상하 기판으로는 시플레이 주식회사제 레지스트 LC 200에 의해 높이 1.5μm, 폭 10μm의 돌기상 구조물을 간극 37.5μm가 되도록 설치하고, 셀두께는 4. 0μm로 했다.

도 6은 액정골격 단량체의 첨가량을 파라미터로 하여, 액정분자의 응답속도를 측정한 것이다. 이 그래프로부터, 첨가량이 0.3중량%에서 응답속도에 약간의 개선이 보여지기 시작하지만, 고전압측에 있어서도 경사방향을 강하게 규제하기 위해서는 1.0중량% 전후가 필요할 것으로 판단된다. 2.0중량% 정도에서 값이 포화하기 시작한다.

도 7은 도 6의 측정과 동시에 측정한 단량체 첨가량에 대한 절대 투과율과 콘트라스트를 나타내고 있다. 도면중, 실선은 명상태(인가전압 5.5V) 및 암상태(인가전압 0V)의 투과율, 점선은 콘트라스트이다. 첨가량이 1.5중량%까지는 명상태의 투과율, 콘트라스트 모두 높은 값을 유지하고 있지만, 2.0중량%에 걸쳐서 콘트라스트가 급격하게 저하한다. 또, 3.0중량%에서는 거의 액정분자는 액정골격 방향으로 배향하는 동시에 큰 산란이 보여진다.

액정 단량체(광경화물)의 농도가 0.3~l.5중량%로 낮은 경우에는 계조 중시의 분야에, 1.5~3.0중량%로 높은 경우에는 응답속도 중시의 분야로의 이용이 생각된다.

본 발명 제 2 실시예에서는 실시예 1과 같은 액정 재료, 배향막 재료, 단량체 재료를 사용하고, 상하 배향막면에 러빙 처리를 실시하고, 주입후 전압을 인가하면서 자외선을 조사하여, 액정골격을 표시영역에서 기판면에 대해 약 30˚가 된 상태로 경화시킨 패널을 제조했다. 여기서, 첨가량은 2.0중량%로 하고, 러빙은 상하 기판에서 반평행(反平行) 및 90˚어긋난 것 2방법으로 했다. 또, 셀두께는 4.0μm이다. 결과를 도 8에 나타낸다. 90˚어긋나게 러빙을 실시한 페널쪽이 응답속도가 늦었다.

90˚어긋난 경우는 트위스트 변형에 해당되고, 반평행의 경우는 스프레이 변형에 해당된다. 이와 같이, 본 발명에서의 액정층의 변형은 트위스트를 제외한, 스프레이 또는 벤드에 의한 것으로 했다.

본 발명 제 3의 실시예에서는 사용 재료 및 돌기상 구조물의 형성 조건, 셀두께는 실시예 1과 같은 MVA 패널을 사용하여, 경화시의 액정골격의 각도 및 액정분자의 평균 경사각을 변경한 것을 시험 제작하여, 배향상태 및 중합체에 의한 산란도를 조사했다. 여기서,액정분자의 평균 경사각은 단량체의 첨가량에 의해 제어하고, 각도의 값은 전압 무인가시의 투과율로부터 계산하여 구했다.

결과를 표 1에 나타낸다. 여기서, β=(β1+β2)/2이다. 양호한 배향·산란 상태가 얻어지는 것은 배향막에 의한 규제 각도(β), 액정분자의 경사각(θ)과 액정골격의 경사각(α)이,

β-θ<θ-α

의 관계가 성립되는 때이다. 액정분자의 경사각이 배향막 규제각으로부터 멀어져서 액정골격의 경사각에 가까워지면, 배향·산란 상태는 악화된다. 이것은,단량체의 첨가량을 늘려 가면, 셀중에 형성한 중합체에 의한 산란이 강하게 나오는 동시에, 중합체 형성시에 액정분자의 방향이 흩어지기 때문이다.

액정골격·액정분자의 각도와 배향·산란 상태

β	α	θ	β-θ<θ-α	배향	산란
90	80	89	<	0	0
90	80	88	<	0	0
90	80	83	>	×	×
90	60	89	<	0	0
90	60	85	<	△	△
90	60	70	>	×	×
90	30	89	<	0	0
90	30	60	=	×	×
90	30	40	>	×	×
0 : 배향; 양호, 산란; 없음△ : 배향; 약간 나쁨, 산란; 약간 있음×: 배향: 양호, 산란; 많음

본 발명을 사용함으로써, 표시영역 전체를 동시에 경사시킬 뿐만 아니라, 전계에 대한 액정분자의 응답성 자체도 향상시키고, 전체 계조에 있어서 매우 고속의 응답 특성을 양호한 배향상태를 유지한 채로 실현할 수 있다.

Claims (3)

1. 투명 화소전극과 능동 소자와 배향제어막으로 형성된 제 1 기판과, 대향전극과 배향제어막으로 형성된 제２ 기판으로 된 기판쌍과,

   네마틱 액정분자와, 액정골격을 갖는 광경화성 조성물로 3차원적으로 형성된 광경화물을 포함하는, 상기 기판쌍간에 끼워진 액정층을 갖고,

   이 액정층의 변형이 적어도 스프레이 변형 또는 벤드 변형이고,

   이 광경화성 조성물의 농도가 0.3~3중량%인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 기판쌍 중 적어도 한쪽 기판이 돌기 또는 전극의 슬릿을 갖고,

   이 기판쌍 중 적어도 한쪽 기판이 상기 액정분자의 길이방향을 이 기판면에 대해 대략 수직으로 배향시키는 상기 배향제어층을 갖는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
3. 제1항 또는 제2항 기재의 액정표시장치의 제조방법으로서,

   상기 액정골격의 극각방향이 상기 제1 기판과 이루는 각의 평균치를 α로 하고, 이 제1 및 제２ 기판의 계면에서의 상기 액정분자의 프리틸트각의 각각을 β1 및 β2로 하고, 이 액정분자가 전압 무인가시에 이 제1 기판과 이루는 각의 평균치를 θ라고 할 때, 이 α, β1, β2, θ가,

   이 액정분자의 유전율 이방성이 부(負)인 경우에는,

   α<θ<(β1+β2)/2

   이 액정분자의 유전율 이방성이 정(正)인 경우에는,

   (β1+β2)/2<θ<α

   의 관계이고,

   전압 인가시에는 이 α, β1, β2, θ가,

   이 액정분자의 유전율 이방성이 부인 경우에는,

   (β1+β2) /2-θ<θ-α

   이 액정분자의 유전율 이방성이 정인 경우에는,

   θ-(β1+β2)/2<α-θ

   의 관계를 만족하도록, 상기 광경화성 조성물의 농도를 결정하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 제조방법.