KR20020015024A - 액정 셀에서 바람직한 정렬을 부여하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 액정 셀은 셀의 사용시 액정 분자에 바람직한 경사 및 바람직한 정렬 뿐만 아니라 바람직한 방위 정렬 둘다가 부여될 수 있는 벽을 갖는다. 당해 벽은 상부의 물질을 원형 편광 또는 비편광인 경사 방사선에 노광시킴으로써 제조된다.

Description

액정 셀에서 바람직한 정렬을 부여하는 방법{Method of imparting preferred alignment in liquid crystal cells}
본 발명은 층에, 당해 층 위에 위치할 수 있는 액정 분자가 바람직한 정렬을 채택하는 특성을 부여하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 바람직한 정렬이 혼입된 LCD 부재에 관한 것이다.
액정 장치[예: 액정 표시장치, 광 밸브 및 액정 중합체 부재, 예를 들면 광학 감속기(retarder), 편광자, 콜레스테릭 필터 등]의 작동에는 조절된 정렬과 일반적으로 또한, 액정의 예비경사(pretilt)가 필요하다. 현재, 기계적 마찰 기술은 정렬과 예비경사를 유도할 수 있는 표면을 제조하는데 사용된다.
마찰 기술의 단점을 극복하기 위해, 선형 편광을 사용하고, 일반적으로 소위 광 정렬 방법이라고 칭하는 소수의 광학적 방법이 개발되었다. 이들은 미국 특허 제4974941호(Gibbons et al), 제5784139호(Chigrinov et al), 제5389698호(Chigrinov et al) 및 유럽 특허 제0525478B호(Hoffmann-La Roche et al)에 기술되어 있다.
그 자체로 만족스럽지만, 이러한 특허 문헌에 기술된 방법은 편광에 의존한다. 대량 생산에 덜 적합하고, 고가일 수 있는 편광을 형성하는 광원은 비교적 복잡하다. 편광자는 일반적으로 50% 이상의 광을 흡수하기 때문에, 편광자 없이 광원을 훨씬 더 우수하게 사용할 수 있다(더욱 신속한 효과 또는 더 약한 램프를 사용할 수 있다). 그러므로, 이전에는 비편광을 사용하는 특정 방법이 제안되었다.
표면의 법선에 대해 70。의 입사각을 갖는 비편광화된 UV 광으로 조사된(irradiated) 폴리이미드 표면을 사용하는 네마틱 액정 셀에서의 예비경사각의 형성은 문헌[참조: Seo et al., "Asia Display 98" paper P-81, pp 795-798 및 "Liquid Crystals", 1997 vol 23 no. 6 pp 923-925]에 기술되어 있다. 그러나, 이러한 방법은 폴리이미드를 해중합(depolymerization)하기에 충분한 매우 큰 에너지 공급이 대신 필요하기 때문에 본 발명자들이 확인한 잠재적인 이점이 아니다.
본 발명자들은 예상치 않은 특정 환경하에서 상기 언급한 광학 광정렬 방법 또한, 비 선형 편광(원형 편광) 또는 등방성 광(비편광)으로 작용한다는 것을 발견하였다.
본 발명에 따라서, 벽 위의 물질 층에, 셀의 사용시 벽 위의 물질 위에 놓인 액정 분자가 바람직한 정렬을 채택하는 특성을 부여하고,
물질을 경사 방향으로부터의 비편향되거나 원형 편향된 방사선에 노광시키고, 당해 특성이 이러한 액정 분자에 대해 바람직한 경사 뿐만 아니라 바람직한 방위각 정렬을 부여함을 추가로 포함하여, 액정 셀 벽을 제조하는 방법이 제공된다.
바람직하게는, 층의 법선에 대한 방사선의 입사각(φ)은 5。 ≤ φ ＜ 70。의 범위내이고, 더욱 바람직하게는 45。를 초과한다.
방사선은 자외선일 수 있다.
당해 바람직한 정렬은 바람직하게는 액정 분자의 종축이 층에 대한 법선을포함하는 평면과 방사선의 방향으로 존재하도록 하는 것이 바람직하다. 부여된 바람직한 경사는 층의 평면에 대해 45。를 초과하고, 더욱 바람직하게는 75。를 초과한다.
또한, 물질에 대한 조사 효과는 물질을 가교결합할 수 있으므로 또한, 물질의 안정성과 이의 정렬 특성을 개선하는 것이다.
물질이 노출되는 방사선에서, 이는 방사선 공급원과 물질 사이에 미소부재 배열, 예를 들면 미소렌즈(microlenz) 또는 미소프리즘 배열, 또는 적합한 홀로그램 부재를 개재시킴으로써 영역 방식으로(zonewise) 패턴화될 수 있고, 따라서, 당해 부여된 특성에서 바람직한 정렬이 영역 방식으로 패턴화된다. 이러한 미소부재 배열을 사용하면 공급원 자체가 물질 층 또는 미소부재 배열에 대해 수직으로 조사되는 경우에도 단일 방사선 공급원으로부터 국부적으로 상이한 경사 방사선을 추가로 형성시킨다.
특정 조명 기하학에서 비편광, 바람직하게는 자외선 광 및 적합한 정렬 층 물질을 사용하여 조사하는 경우, 당해 방법은 조사 전에 등방성인 층을 이방성 층으로 전환시킨다. 층 및 방법은 전형적으로 하기 특성을 갖는다:
(a) 전환 후에, 층이 층 위에 놓인 단량체성 또는 예비 중합체성 액정 물질에 대한 정렬 효과를 갖는다.
(b) 층에서 이방성의 형성과 동시에, 가교결합도 형성하고, 즉 정렬능과 가교결합의 형성은 이분자형 광 공정에 기초하나, 본 발명에 따르는 방법은 또한 전형적으로 아조 염료를 사용하는 단분자성 공정에 적용될 수 있다.
바람직하게는, 물질 층이 2J/㎠ 이상의 광 정렬 감도(sensitivity)를 갖고, 조사 에너지(방사선에 대해 법선으로 측정됨)가 상응하게 2J/㎠ 이하로 유지될 수 있는 경우, 노출 시간이 10분 이하로 감소될 수 있기 때문에 생산성은 증진된다.
층은 광 구성가능하다. 즉, 방위각 정렬 및 경사각이 [예를 들면, 광 마스크를 통한 노광, 홀로그래프성 화상, 미소프리즘, 미소렌즈 및 화소화된 광 스위치(예: 미소-거울)를 통한 화상에 의해] 층의 상이한 부분에서 다를 수 있다
한편, 넓은 영역에 걸쳐 균일하게 정렬되는 장치, 특히 표시 장치의 가시각을 개선하는 LCP 감속기 및 광학 보정자는 당해 방법에 의해 제조될 수 있다.
층에서는 액정 장치, 예를 들면 표시 장치에 대한 정렬 층으로서 사용할 수 있고, 표시 장치는 단량체성 네마틱, 콜레스테릭 또는 스멕틱(키랄 스멕틱 C를 포함) 액정을 함유할 수 있다. 작동 방식은 투과 또는 반사일 수 있다. 반사에서, 거울과 같은 금속성 반사기 또는 확산 반사기 둘 다 뿐만 아니라, 콜레스테릭 층 또는 편광 전환 광학 부재(예: BEF 호일)로 이루어진 반사기가 사용될 수 있다.
장치 기판은 유리, 플라스틱, 규소 칩 또는 이외의 적합한 것일 수 있다.
편광에 대한 필요성을 무시하는 잇점은 이전에 언급한 바와는 별도로, 방법의 일반적 단순화를 포함하고, 이에 의해 대량 생산에 더욱 적합해지고, 미소렌즈-, 미소프리즘- 또는 조명에 대한 유사한 배열에 사용할 수 있게 되어 편광으로는 불가능하지만 단 하나만의 조사 단계로 구조화된 정렬을 유도할 수 있다.
본 발명은 액정 표시장치가 두 표면에서 경사각이 90。 ≥ θ ＞ 75。인 수직 정렬 네마틱(Vertically Aligned Nematic, VAN) 셀에 대해 또는 한 표면에 대한경사각이 90。 ≥ θ1＞ 75。 이고 다른 한면에 대한 경사각이 θ2≤ 30。인 혼성 정렬 네마틱(Hybrid Aligned Nematic, HAN)에 대해 사용할 수 있다. 하나 또는 두 표면에 대한 중간 경사각도 사용할 수 있다.
이와 같은 물질은 실질적으로 호모트로피칼적(homeotropically) 배향일 수 있다. 즉, 당해 물질은 상부의 액정 분자에 대해 큰 경사각, 필수적은 아니지만, 정확히 90。, 바람직하게는 80。 초과, 더욱 바람직하게는 85。 초과를 유도하는 물질일 수 있다. 특히, 큰 경사각이 필요한 경우, 정확히 필요한 경사를 달성하기 위해 유도된 경사각의 작은 조절만(방위각 조절 이외에)이 필요한 실질적으로 호모트로피칼적 배향 물질로 시작하는 것이 유리할 수 있다.
본 발명에서 사용된 물질은 광중합성 중합체, 예를 들면 공지된 광 정렬 방법에서 사용되는 광중합성 중합체, 특히 선형 광중합성 중합체일 수 있다.
본 발명에서 사용된 물질은 광중합성 중합체 뿐만 아니라, 본래 불안정한 단분자성 정렬 물질을 포함할 수 있는데, 그 이유는 광 정렬이 이들을 가교결합하지 않기 때문이지만, 액정 중합체 층이 단분자성 물질이 광 정렬되는 동안 적용되는 경우, 당해 액정 중합체 자체가 가교결합(이의 정렬 위치에서 안정화됨)될 수 있기 때문에 이는 문제가 되지 않고, 이후에 단분자성 물질의 불안정성은 해로운 영향을 주지 않는다.
또한, 본 발명에서 사용된 물질은 가교결합성 그룹을 갖는 액정 단량체 또는 예비중합체(i) 및 광 배향성 단량체, 올리고머 또는 중합체(ii)를 포함하는 중합성 혼합물일 수 있다. 이러한 혼합물은 영국 특허원 제9812636.0호에 기술되어 있고,이의 기재는 본원에서 참조로 인용된다. 참여 분자의 명백한 작용에도 불구하고, 이들 혼합물은 액정 중합체로 배향 및 가교결합될 수 있다. 따라서, 이러한 혼합물은 한편으로는 광학 성분에서 이방성 층으로서 사용될 수 있거나, 다른 한편으로는 일반적으로 배향 층으로서 더 얇게 적용된다.
물질(i)은 또한 액정 중합체 혼합물일 수 있고, 즉 2종 이상의 상이한 액정 분자 형태를 함유할 수 있다고 사료된다. 동등하게, 물질(ii)은 광 배향성 분자의 혼합물일 수 있다. 바람직한 광 배향성 물질(ii)은 시스-트랜스-이성화(cis-trans-isomerism)를 나타내는 분자, 특히 아조 염료를 포함한다. 또다른 바람직한 광 배향성 물질(ii)은 선형 광 중합성 중합체를 포함한다.
본 발명은, 층 위에 놓인 액정 분자가 바람직한 정렬을 채택하는 특성, 상기한 방법에 의해 층에 부여되는 특성을 갖는 물질의 층을 함유하는 액정 셀 벽으로 확대된다.
본 발명은 또한, 액정 물질과 접촉하는 하나 이상의 벽이 상기한 바와 같은 액정 셀로 추가로 확대된다.
본 발명은 하기에 실시예에 의해 기술할 것이다.
실시예 1 - 수직 정렬 네마틱(VAN) 셀
사이클로펜타논 중의 광중합체 A의 2% 용액 S1를 제조하고 실온에서 30분 동안 교반한다.
광중합체 A:
용액 S1을 2000rpm에서 2개의 인듐-주석-옥사이드 유리판 기판 위로 스핀 피복(spin-coating)한 다음, 130℃의 열판에서 30분 동안 건조시킨다. 이들 모든 작업은 감소된 자외선의 환경하에서 수행한다.
이어서, 피복 기판은 200W 고압 수은 램프로부터의 등방성 자외선에 기판의 법선에 대해 65。의 입사각으로 6분 동안 노광시킨다. 각 기판의 하나의 가장자리를 기판에 대한 법선을 함유하는 평면에 평행하고 노광 동안의 입사광의 방향으로 놓이도록 정렬한다.
자외선 엣지 필터(edge filter) WG295(Schott) 및 밴드패스 필터(bandpass filter) UG11(Schott)는 광 밴드폭을 제한하기 위해 사용하고, 탐침(probe)을 320nm(칼 쉬스; Carl Suss)로 설정한 광 강도계 1000을 사용하여 기판에서 (그러나, 입사 방사선에 법선임) 측정한 강도가 2mW/㎠인 것으로 밝혀졌다. 평행한 측면의 셀은 이러한 두개의 기판을 사용하여 제작하며, 서로 마주보며 플라스틱 심(plastic shim)을 사용하여 2.7㎛ 떨어지게 이격시킨다. 이어서, 셀은 실온에서 스위스 소재의 롤리크 리서치 리미티드에서 시판하는 유전 이방성도 Δε이 -3.5이고, 광학 이방성도 Δn이 0.096이며, 액정 등방성 전이 온도 Tc가 77.3℃인 "액정혼합물(Liquid Crystal Mixture) 8987"로 충전시킨다.
셀을 교차 편광자 사이로 보는 경우, 셀은 편광자에 대한 셀의 모든 방위각에서 어둡게 나타나고, 다시 말해 액정 혼합물이 호모트로픽이다.
기판의 전극들 사이에 5V 90Hz 교류를 인가하면, (i) 셀은 이의 가장자리가 교차 편광자의 편광 방향에 대해 45。에서 배치되는 경우 광이 최대로 투과되고, (ii) 셀은 이의 가장자리가 교차 편광자의 편광 방향에 대해 평행 및 수직으로 배치되는 경우 최대로 어두워진다. 이는 액정 혼합물이 어떤 의미에서, 원래의 층을 조사하는 광(다시 언급하게 되는 바와 같이, 기판 및 따라서 셀의 가장자리에 대해 평행인 광)의 입사 평면에 의존적으로 배향된다는 것을 나타낸다.
경사 보정자를 사용하는 경우, 스위칭된 액정의 광 축(optical axis)이 기판 및 원래의 입사 조사 자외선의 평면의 교차선에 대해 평행으로 놓인다.
단지 3V의 전위차를 사용하여 상기 교류의 인가를 반복하면, 가시 조건하에서 (i) 셀은 약하게만 투과되어 이의 평면에 대해 법선으로 보이고, 다시 말해 액정 디렉터이 약간만 경사지는 것으로 나타난다. 액정의 경사 방향을 확인하기 위해, 셀은 다시 어두워질때까지을 포함하는 평면에 대해 수직인 셀의 평면에 놓이는 축에 대하여 경사진다. 이러한 배향에서, 셀은 광 축, 즉을 따라 효과적으로 보이게 된다. 이는 셀의 법선에 대한 액정의 경사 방향이 원 자외선 조사의 입사 방향의 반대인 것으로 나타났다.
전압 인가 유무에 관계없이, 액정의 배향은 전위(dislocation) 또는 영역 경계 없이 균일하다. 특히, 스위칭시, 소위 역 경사 영역은 전혀 형성되지 않고, 액정 분자가 배향 층에서의 매우 작은 경사각을 통해 일부 영역에서 역 경사되는 경우 발생한다.
실시예 2 - 예비경사각 측정
실시예 1에서와 같이, 두개의 ITO 피복된 유리 판을 용액 S1으로 스핀 피복하여 130℃에서 30분 동안 건조한다.
이어서, 두개의 기판을 기판 법선에 대해 65。의 입사각을 갖는 등방성 UV 광에 6분 동안 노광시킨다. 광의 스펙트럼 범위는 UV-컷오프 필터(UV-cutoff filter) WG295(Schott) 및 밴드패스 필터(Schott)에 의해 제한된다. 광감성 층의 위치에서의 UV 광의 강도는 320nm 탐침(칼 쉬스)과 함께 칼 쉬스의 광 강도 측정 장치를 사용하여 측정한 결과, 2mW/㎠이었다.
정렬 층에 의해 유도된 예비경사각을 측정하기 위해, 평행 셀은 상기 조명 기판과 조립된다. 셀 갭은 이격제로서 2개의 석영 섬유를 사용하여 20㎛로 설정한다. 셀에 유전 이방성도가 -5.1이고, 광학 이방성도 Δn이 0.0984이며, 액정 등방성 전이 온도 Tc가 75.8℃인 네가티브 유전성 액정 혼합물(혼합물 번호 제9383호, 스위스 소재의 롤리크 리서치 리미티드에서 시판)을 충전하기 전에, 셀을 90℃로 가열하여 액정 혼합물의 등방성 상에서 발생하는 충전 공정을 확인한다. 충전 후, 셀은 실온 이하로 1℃/분의 속도로 냉각시킨다.
예비경사각 측정을 위해, 액정 회전 방법을 사용한다. 측정 결과, 액정 디렉터는 기판 법선을 3。 벗어나게 경사진다는 것을 발견하였다.
실시예 3 - 액정 중합체(LCP) 성분
먼저, 광정렬 물질 B의 용매로서 사이클로펜타논을 사용하여 2중량% 용액 S2를 제조한다. 당해 용액을 실온에서 30분 동안 교반한다.
광중합체 B:
이어서, 하기 액정성 디아크릴레이트 단량체로 이루어진 혼합물 MLCP를 제조한다.
단량체 1:
단량체 2:
단량체 3:
디아크릴레이트 단량체 이외에, 시바 에스씨(Ciba SC)로부터의 광개시제인 이르가큐어(IRGACURE) 369 및 억제제로서 작용하는 BHT(2,6-디-3급-부틸-4-메틸페놀/"부틸 하이드록시톨루엔")를 혼합물에 첨가한다. 따라서, 혼합물 MLCP의 조성은 하기와 같다:
단량체 1 77중량%
단량체 2 14.5중량%
단량체 3 4.7중량%
이르가큐어 369 1.9중량%
BHT 1.9중량%
최종적으로, 용액 S(LCP)는 혼합물 MLCP10중량%를 아니솔에 용해시켜 수득한다.
층 제조는 방사 파라미터로서 3000rpm을 1분 동안 사용하여 1mm 두께의 직사각형 유리 판 위에서 스핀 피복 용액 S2로 시작한다. 이어서, 층을 130℃의 열판에서 30분 동안 건조시킨다.
이어서, 피복 기판을 기판 법선에 대해 65。의 입사각을 갖는 200W 고압 수은 램프의 등방성 UV 광에 6분 동안 노광시킨다. 기판 법선과 광 입사 방향에 의해 제한되는 UV 광의 입사면은 기판의 더 긴 가장자리에 대하여 평행으로 정렬된다. 광의 스펙트럼 범위는 UV-컷오프 필터 WG295(Schott) 및 밴드패스 필터 UG11(Schott)에 의해 제한된다. 광감성 층의 위치에서의 UV 광의 강도는 320nm 탐침(칼 쉬스)과 함께 칼 쉬스의 광 강도 측정 장치를 사용하여 측정한 결과, 2mW/㎠었다.
기판이 교차 편광자들 사이에 배치되는 경우, 기판은 기판 가장자리와 편광자 투과 축 사이의 각도와 무관하게 어둡게 보인다. 결과적으로, 감광성 층에서 유도된 복굴절은 인식되지 않는다.
다음 단계로서, MLCP층은 용액 S(LCP)를 1000rpm으로 2분 동안 스핀 피복함으로써 UV 노광된 광감성 층의 상부에서 제조한다. 이어서, 기판을 혼합물 MLCP의 투명 온도 Tc=68℃ 바로 위인 70℃ 이하로 가열하고 0.1℃/분의 냉각 속도를 사용하여 65℃ 이하로 냉각시킨다. 이어서, MLCP층을 150W 크세논 램프의 광에 10분 동안 노광시킴으로써 질소 대기하에 가교결합시킨다. 가교결합된 MLCP층은 두께가 250nm인 것으로 측정되었다.
기판이 기판 가장자리들 사이에서 45。 각도를 갖는 교차 편광자와 편광자의 투과 축들 사이에 배치되는 경우, 기판은 회색으로 보인다. 그러나, 이의 가장자리가 편광자 투과 축에 대해 평행 또는 수직으로 배치되는 경우 기판은 어둡게 보인다. 결과적으로, MLCP층은 더 긴 기판 가장 자리에 대해 평행 또는 수직으로 정렬된 광 축으로 복굴절된다. 그러나, 경사 보정자를 사용하면, MLCP층의 광 축이 광 정렬 물질 JP265의 조명 동안에 UV 광의 입사면에 대해 평행으로 배치된 더긴 기판 가장자리에 대해 평행인 것으로 밝혀졌다.
방위 정렬 이외에, MLCP층의 광 축은 기판 평면에서 약 30。 벗어나는 평균 경사 각도로 기판 표면에 대해 경사지는 것으로 밝혀진다. 광학적 외관에 의존하는 가시 각으로부터, 결과적으로 MLCP층에서 광 축이 광 정렬 층의 조명 동안 사용되는 UV 광의 입사 방향에 대하여 반대 방향으로 경사되는 것으로 결론지어 진다.
결과적으로, 경사진 입사 등방성 UV 광에 대한 노광은 UV 광의 입사면에 대해 평행인 혼합물 MLCP의 액정 단량체를 정렬할 뿐만 아니라 층 평면으로부터의 MLCP분자를 균일하게 경사지도록 하기에도 충분히 강한 광 정렬 물질에서 정렬 능력을 유도한다.

Claims (16)

  1. 액정 셀의 사용시 당해 셀의 벽(wall) 위의 물질에 놓인 액정 분자가 바람직한 정렬을 채택하는 특성을 액정 셀의 벽 위의 물질 층에 부여함을 포함하는, 액정 셀의 벽의 제조방법으로서,
    액정 셀의 벽 위의 물질을 경사진 방향으로부터 편광화되지 않은 방사선 또는 원형 편광화된 방사선에 노광시키는 것을 포함하여, 액정 분자에 바람직한 경사 뿐만 아니라 바람직한 방위 정렬도 부여하는 추가의 특성을 부여하는, 액정 셀 벽의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 조사 에너지(방사선에 대하여 법선으로 측정함)가 2J/㎠ 미만인 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 방사선이 자외선인 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 바람직한 정렬이, 액정 분자의 종축이 층에 대한 법선을 포함하는 평면에 방사선의 방향으로 존재하도록 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 부여된 바람직한 경사가 층의평면에 대해 45。를 초과하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 부여된 바람직한 경사가 75。를 초과하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 물질이 실질적으로 호모트로프적으로 배향(homeotropically orientation)되는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 층의 법선에 대한 방사선의 입사각 φ가 5。 ≤ φ ＜ 70。의 범위내인 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서, 입사각 φ가 45。 초과인 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 있어서, 물질이 조사선에 의해 가교결합되는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 있어서, 물질을 노광시키는 방사선이 영역 방식(zonewise)으로 패턴화되고, 이에 의해 부여된 특성에서, 바람직한 정렬이 영역 방식으로 패턴화되는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 방사선의 공급원과 물질 사이에 미소부재 배열(microelement array)이 개재(interposition)되는 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중의 어느 한 항에 따르는 방법에 의해 부여되는 특성인, 물질 층 위에 놓인 액정 분자가 바람직한 정렬을 채택하는 특성을 갖는 물질 층을 함유하는 액정 셀 벽.
  14. 액정 물질과 접촉하는 하나 이상의 벽이 제13항에 따르는 것인 액정 셀.
  15. 제14항에 있어서, 수직으로 정렬된 네마틱인 액정 셀.
  16. 제14항에 있어서, 혼성 정렬된 네마틱인 액정 셀.
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