KR20030063656A - 액정표시장치 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나의 기판과 동일 평면구조의 전극으로서 동작할 수 있는 액정표시장치 및 그의 제조방법을 개시한다.

액정표시장치를 형성하기 위하여 네마틱 액정과 자외선 경화 고분자의 혼합물을 형성한 후에, 이 혼합물을 전극 및 배향막이 형성된 기판위에 균일한 두께로 도포한다. 혼합물의 도포 후에는 기판의 반대편, 즉 기판이 없는 표면 쪽에서 자외선을 조사시켜 비등방적인 액정과 고분자의 상분리를 유도하여 시편을 형성하고 이렇게 형성된 시편을 두 개의 편광판 사이에 위치시켜 완성된 액정표시장치를 얻는다. 이와 같이 하나의 기판만을 사용하여 높은 콘트라스트 및 휘도를 가지며, 빠른 응답속도를 가진 액정표시장치가 가능하다.

Description

액정표시장치 및 그의 제조방법 {LIQUID CRYSTAL DISPLAY AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF}

본 발명은 액정표시장치 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 특히 액정표시장치에서의 하나의 기판(유리, 플라스틱, 또는 실리콘 웨이퍼)과 동일 평면구조의 전극을 이용하여 전기적으로 구동이 가능한 광학소자를 형성하는 액정표시장치 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

21세기 정보화 사회의 가장 각광받는 분야가 디스플레이 기술이다. 그 중에서도 액정표시장치(liquid crystal display: LCD)는 고 해상도, 대화면, 경량, 저 소비전력 등의 성능에 기인하여 날로 그 응용 범위가 날로 확대되고 있다.

현재 기업에서 양산 중인 액정표시장치(LCD)는 도 1 에 도시된 것처럼 서로 마주보는 두 개의 유리기판(10) 사이의 내측에는 배향막(20)이 소정의 두께로 형성되고 이 배향막(20)들의 사이에 액정을 주입하여 액정층(30)을 형성한다. 이때 두 기판에는 액정을 구동하기 위한 전극(40) 및 칼라필터 등이 형성되며, 기판의 외부에는 광학특성을 극대화하기 위한 편광판(50), 보상판, 반사판(60) 등이 설치된다.

상기의 액정디스플레이는 두께가 약 1㎜ 의 유리기판의 내측 표면에는 산화인듐을 주성분으로 하는 ITO막이 투명전극(40)으로서 붙어있고 목적에 따라서 패터닝되기도 한다. 반대측 투명전극 사이에 액정분자를 어느 일정한 형태로 배열시키기 때문에 투명전극 위에 폴리이미드와 같은 고분자의 막이 배향층으로 형성되어 있다. 그 표면을 포를 말아 놓은 롤러로써 한 방향으로 러빙하면 러빙방향으로 액정분자가 배열된다. 이와 같이 배향 처리된 2매의 유리기판(40)은 수㎛ 의 간격을 유지하도록 붙인다. 또한 일정한 셀 갭을 얻기 위하여는 산화규소의 입경이 좋게 정리한 미립자를 스페이서(spacer)제로써 사용하기도 한다.

이와 같이 액정은 액체와 같이 흐르는 성질을 가지고 있기 때문에, 이를 제어하기 위해 두 개의 기판을 사용하는 것은 필수적으로 알려져 있다. 이때 두 기판사이에 들어가는 액정은 그의 상 및 구동구조에 따라 비틀린 네마틱 (twisted namatic: TN) 액정모드, 초비틀린 네마틱 (super twisted namatic; STN) 액정모드, 강유전 및 반강유전성 액정모드, 고분자 분산 액정(polymer dispersed liquid crystal; PDLC)모드, 고분자안정화 (polymer stabilized) 액정모드 등으로 구분할 수 있다.

현재 기업에서 양산 중인 LCD는 대부분 TN 액정모드를 이용한 것이지만, 액정과 고분자의 혼합계를 이용하는 구조도 꾸준히 연구가 되고 있다. 그중 대표적인 것인 PDLC구조로 액정방울이 고분자내에 분산되어 있는 구조이다. PDLC는 빛의 산란을 이용하는 구조로 광 개폐를 위해 편광자가 필요 없고 플라스틱 기판을 이용할 수 있는 장점이 있기 때문에 이동용 디스플레이 등에 이용하기 위한 연구가 활발히 진행되었지만, 구동전압이 높고 대비비가 떨어진다는 단점이 있어 디스플레이에는 널리 이용되지 못하고 있다.

최근에는 액정과 고분자의 완전 상분리를 이용해 두 기판사이에 액정과 고분자의 층을 형성하는 PSCOF(phase separated composite organic film) 구조가 발견되었다. 이러한 구조에서는 낮은 전압에서 액정을 구동할 수 있고 대비비가 높기 때문에 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나, 앞서 언급한 바와 같이 현재까지 밝혀진 액정모드들은 모두 두 개의 마주보는 기판을 사용하여야만 한다.

한편, 사회에서 정보의 가치가 증대될수록 휴대용 단말기 제품의 수요가 증대되고 있다. 따라서, 디스플레이 자체의 무게 및 두께를 줄이기 위해 다양한 노력을 하고 있다. 그 예의 하나가 기존의 유리기판을 플라스틱으로 대체하여 무게와 두께를 1/2로 줄이고자하는 플라스틱 LCD에 대한 시도이다. 플라스틱 LCD 는 기존 LCD 의 유리기판을 0.6㎜ 정도 두께의 얇은 플라스틱 필름으로 대체해 만든 차세대 LCD 로 가볍고 얇은 데다 유연성이 뛰어나 깨지지 않고 제조비용이 절감된다는 장점 때문에 스마트카드나 휴대전화기 PDA 등 소형 단말기에의 채용이 될 수 있다. 그러나 이러한 플라스틱 LCD 의 경우에도 두 개의 기판이 필수적으로 필요하다는 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 종래기술에서의 사용되었던 두 개의 기판을 사용하는 것 대신에 하나의 기판과 동일평면 전극을 이용한 액정 표시장치 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 PSCOF 구조를 이용하여 기존의 LCD 제작에서 필수적이었던 두 개의 기판을 한 개의 기판만을 이용한 새로운 개념의 LCD 및 이를 제작하는 방법을 제공하는 것이다.

이 경우 액정에 전압을 인가하기 위해서 한쪽 기판에 동일평면 전극을 형성한다. 본 발명에 의해 제작된 LCD는 한 개의 기판만으로 구동되기 때문에 두 개의 기판을 쓰는 기존의 구조와는 다르며, 두께 및 무게가 획기적으로 줄어든다는 점에서 차별화된다.

도 1 은 종래의 액정표시장치의 개략적인 구성을 도시한 도.

도 2 은 본 발명에 따른 액정표시장치에서의 하나의 기판과 액정을 이용하여 전기광학소자를 구현한 본 발명의 개념적인 구성을 개략적으로 도시한 도.

도 3 는 도 2 에서와 같은 구성을 구현하기 위한 일예를 도시한 도.

도 4 는 본 발명에 따른 액정표시장치의 구동을 위해 기판위에 형성된 전극을 도시한 도.

도 5a 및 도 5b 는 본 발명에 따른 액정표시장치의 동작결과를 편광현미경을 이용해 관찰한 결과를 도시하는 도.

도 6 은 도 2 에서의 본 발명에 따른 액정표시장치에서의 인가한 전기장의 세기와 그에 따른 투과도의 변화를 도시한 도.

도 7 및 도 8 은 본 발명에 따른 액정표시장치의 전기광학 특성을 도시한 도.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10, 100 ... 기판20, 120 ... 배향막

30 ... 액정40, 110 ... 투명전극

50 ... 편광판60 ... 반사판

130 ... 액정층140 ... 고분자층

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 액정표시장치는

하나의 기판;

상기 기판상에 형성되는 동일 평면상의 복수의 전극;

상기 기판 및 상기 전극상에 도포된 배향막;

상기 배향막상에 형성되는 액정층;

상기 액정층상에 형성되는 고분자층; 및

상기 고분자층상에 편광판을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 액정층과 고분자층은 액정과 자외선 경화 고분자를 소정 비율로 혼합하여 배향막상에 도포된 후에 자외선 조사에 의하여 비등방적으로 상분리에 의하여 형성된다.

또한, 본 발명에 따른 액정표시장치의 제조방법은

기판상에 형성된 동일 평면 전극과 상기 기판 및 상기 전극상에 배향막을 도포하는 단계;

액정과 자외선 경화 고분자가 소정의 비율로 혼합된 혼합물을 상기 배향막상에 소정의 두께로 도포하는 단계; 및

상기 혼합물을 상기 액정과 상기 고분자를 각각 포함하는 층으로 비등방적으로 상을 분리 형성하기 위하여 상기 혼합물 측으로 자외선을 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 액정표시장치에서는 액정은 네마틱, 스메틱, 디스코틱 또는 콜레스테릭 액정이 언급될 수 있으며, 바람직하게는 네마틱 액정일 수 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 액정표시장치 및 그의 제조방법에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 또한 이하에서는 네마틱 액정을 이용한 예로 들어서 설명하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

도 2 는 본 발명에 따른 액정표시장치에서의 하나의 기판과 액정을 이용하여 전기광학소자를 구현한 본 발명의 개념적인 구성을 개략적으로 도시한 도이고, 도 3 은 비등방 상분리를 위한 처리과정을 도시한 도이다.

도 2 에서의 액정표시장치는 유리, 플라스틱, 또는 실리콘 웨이퍼 등으로 형성되는 기판(100), 기판상에 형성되는 동일 평면구조의 전극(110), 기판 및 전극상에 코팅된 배향막(120), 그리고 기판위에 형성된 완전히 분리되어 형성된 액정층(130) 및 고분자층(140)으로 형성된다. 이때 고분자층(140)과 액정층(130)은 후술하는 방법에 의하여 비등방 상분리에 의하여 형성된다.

고분자층(140)과 기판(100)은 소정의 간격을 두고 떨어져 있어 그 사이에 액정 분자를 함유한다. 액정층(130)의 두께는 사용된 액정의 복굴절 및 고분자와의혼합비에 따라 다르나 액정층의 두께가 △nd ≒ 0.5 ㎛의 조건을 만족하도록 조절하는 것이 바람직하다.

기판(100) 상에 형성되는 전극(110)은 불투명한 금속막 또는 투명한 ITO 전극 등이 모두 사용 가능하며, 동일 평면상에서 액정을 구동하기 위해 양 전극이 동일 평면상에 형성되어 있어야만 한다. 이때 구동 구조는 기존 LCD의 인-플레인 스위칭 (In-Plane Switching; 이하 IPS 라 함) 모드와 동일하다.

그리고 배향막(120)은 액정의 배향을 위해 균일하게 도포된 후 러빙 또는 편광된 빛을 조사하여 액정분자들을 일정한 방향으로 배향할 수 있어야 할 뿐 만 아니라, 비등방 상분리를 유도할 수 있도록 액정과의 특성 중에서 습식 특성(wetting property)이 좋은 물질이어야 한다. 이러한 물질로는 나일론(Nylon) 6, 폴리-비닐-알콜(Poly-vinyl-alcohol)(PVA) 등을 들 수 있으나 이러한 예시에 한정되는 것은 아니다.

상기와 같은 구조를 가지는 액정표시장치는 다음과 같은 방법으로 제조되며 특히 액정과 고분자의 혼합계에서 액정을 비등방적으로 상분리시키는 것을 특징으로 한다.

(a) 네마틱 액정과 자외선 경화 고분자의 혼합물을 형성하며, 본 실시예에서는 네마틱 액정과 자외선 경화 고분자를 무게비 50 : 50 으로 혼합을 하였다. 그러나 이러한 혼합비는 단지 예시일 뿐이며 이에 한정되지는 않는다. 자외선 경화 고분자로는 놀랜드(Norland)사의 UV 에폭시를 사용하였으며, 자외선에 의하여 크로스-링킹(cross-linking)이 일어나는 고분자는 어떠한 것이라도 사용이 가능하다.이때 사용되는 액정은 네마틱 액정 이외에도 스멕틱 및 콜레스테릭 액정상의 경우에도 적용이 가능하다.

(b) 액정과 자외선 경화 고분자의 혼합물을 전극(110) 및 배향막(120)이 형성된 기판(100) 위에 균일한 두께로 도포한다. 이때 기판(100)위에 혼합물을 균일하게 도포하기 위하여 블레이드를 이용한다. 또한, 균일성을 향상시키기 위하여 도포를 한 후에 스핀 코팅을 할 수도 있다. 균일한 도포를 위해서 열을 가해주는 것도 가능하다. 이때 도포를 하는 경우에 블레이드를 이동하면서 혼합물을 도포하던가 또는 블레이드를 고정한 상태에서 스테이지를 이동시켜서 도포될 혼합물의 두께를 소정의 두께로 일정하게 조정할 수 있다.

(c) 혼합물(150)의 도포 후에는 도 3 에 도시된 것처럼 기판(100)의 반대편, 즉 기판이 없는 표면 쪽에서 자외선을 조사시켜 비등방적인 상분리를 유도하여 도 2 에 도시된 것과 같은 형태의 구조를 얻을 수 있다. 비등방 상분리를 촉진하기 위해 기판을 가열 스테이지(hot stage)에 올려놓고 열을 가해 줄 수도 있다. 온도는 사용된 액정이 등방상을 보이는 온도가 적당하다. 네마틱 액정과 자외선 경화 고분자의 혼합물로부터 이들이 서로 분리된 구조를 얻을 수 있게 되는 메카니즘은 다음과 같다.

혼합물(150)이 도포된 부분에 대하여 자외선을 조사하면 자외선의 강도에 따라 자외선에 가까운 표면에서부터 고분자의 경화가 이루어진다. 고분자의 경화가 이루어지면 고분자가 차지하고 있던 영역이 수축되어 그 공간을 차지하고 있던 액정을 밀어낸다. 이는 물을 빨아드린 스폰지를 압력을 가하여 짜면 물이 나오는 것과 동일한 이치이다. 즉 이렇게 액정을 밀어내는 동작은 혼합물 전체에 대하여 동시에 이루어지는 것이 아니라 표면에서부터 기판 쪽으로 순차적으로 이루어지면서 도 1 과 같이 고분자층(140)과 액정층(130)의 분리를 가져오게 된다(비등방적 상분리가 이루어진다). 만약 혼합물 전체에 대하여 상기와 같은 현상이 동시에 일어난다면, 즉 등방적으로 상분리가 이루어진다면 액정이 도 1 에서와 같은 형태로 층을 이루지 못하고 방울 형태로 고분자층에 남게되므로 액정과 고분자가 서로 분리되는 구조를 가질 수 없게 된다.

상기에서와 같이 상분리가 이루어지면 고분자층(140)과 액정층(130)이 분리되고, 고분자층(140)은 경화되어 마치 유리(기판(100)의 반대편에 위치하는 또 다른 기판)와 같은 역할을 하게 되고, 이렇게 고분자층이 유리(기판)의 역할을 할 수 있기 때문에 한쪽 유리(기판)를 제거할 수 있게되는 것이다.

(d) 이렇게 형성된 시편을 두 개의 편광판 사이에 위치시켜서 액정표시장치를 얻을 수 있다. 그 후에는 전극에 전압을 인가하여 액정표시장치의 전기광학적 특성을 조절할 수 있다.

액정층의 두께와 관련하여 앞서의 메카니즘에서 예로써 기술한 것처럼 액정과 고분자가 무게비 50 : 50으로 혼합된 경우에는 상분리가 완전히 끝나면 상분리 결과인 액정층(130)과 고분자층(140)의 두께 역시 50:50이 된다. 따라서, 혼합물을 10 ㎛ 두께로 도포한 경우에는 액정층의 두께가 5 ㎛, 고분자층의 두께가 5 ㎛ 가 된다. 이때 혼합물의 비율을 달리 하면 한 예로 액정:고분자 = 30:70dml 비율로 혼합한 경우에는 동일하게 10 ㎛ 두께로 도포한 경우라도 액정층의 두께는 3㎛, 고분자층의 두께는 7 ㎛ 가 된다.

따라서 액정층의 두께는 혼합비와 초기 도포된 막의 두께에 따라 임의로 조절하는 것이 가능하다. 물론 액정층의 두께는 디스플레이로의 응용관점에서 볼 때는 광학 특성이 최적화 될 수 있는 조건에 맞춰 조절해야 한다.

도 4 는 기판 위에 형성된 전극의 형태의 일예를 도시한 것이다. 도 4 에 도시된 것처럼 전극의 형태는 현재 LCD의 IPS 모드에서 이용되는 어떠한 모양도 관계가 없으나 넓은 광시야각의 구현을 위해서는 도시된 쉐브론(chevron) 구조가 적당하다. 이때 전극의 재질로서는 투명한 ITO를 사용할 수도 있으나 빛샘을 방지하기 위해 금속막과 같이 불투명한 전극이 유리하며, 전극의 간격은 조절이 가능하다.

즉 본 발명에서는 기존의 LCD 가 액정에 전압을 인가하기 위하여 상판과 하판에 ITO로 전극을 형성하였으나 상판을 제거한 경우에는 하판에 한 개의 전극뿐이 없기 때문에 전압을 인가할 수가 없다. 따라서 본 발명에서는 한쪽 기판만이 있는 경우에도 전압을 인가할 수 있도록 하기 위하여 +/- 를 인가할 수 있는 두 개의 전극을 한 개의 기판(in-plane)내에 형성시켰다.

도 5 내지 도 7 은 본 발명에 따라 구현된 네마틱 액정을 이용한 소자를 포함하는 LCD 의 전기광학 특성을 도시한 것이다.

상기의 도면 중에서 도 5 는 본 발명에 따라 구현된 네마틱 액정을 이용한 LCD 의 전압인가의 유무에 따른 액정의 배향상태를 편광현미경 하에서 관찰한 결과를 도시한 것이다. 도 5 중에서 도 5a 는 전기장(전압)을 인가하지 않았을 때의결과로 러빙방향(도 5a 에 표시된 화살표 방향)이 수직한 두 편광자중 한쪽의 광학축과 일치되어 있는 상태이므로 어둡게 나타나고, 도 5b 는 1.6 V/㎛의 전기장이 인가되었을 때의 결과로 도 5b 의 화살표 방향으로 두 전극사이의 액정이 인가된 전기장 방향으로 회전하였기 때문에 빛을 통과시켜 밝게 보이게 된다. 상기의 본 결과로부터 전압의 인가에 따라 빛의 세기를 조절하는 것이 가능함을 알 수 있다.

도 6 은 도 2 에서의 본 발명에 따른 액정표시장치에서 인가된 전기장의 세기와 그에 따른 투과도의 변화를 도시한 것으로서 인가되는 전기장의 세기에 따라 투과도가 연속적으로 변함을 알 수 있다. 이때, 대비비는 약 100:1 정도로 기존의 두 개의 기판을 사용한 구조와 비슷하다.

도 7 은 인가되는 전기장의 세기에 따라 투과도가 얼마나 빨리 변화하는가를 살펴본 결과로, 온 타임은 2.6㎳, 이고 오프 타임은 6.5㎳ 로 기존의 액정 표시소자보다 빠른 응답특성을 보인다.

이상과 같이 본 발명에서는 한 개의 기판만을 사용하여 액정표시장치를 구현함으로써 높은 콘트라스트와 빠른 응답속도가 가능하여, 휴대용 장치에 있어서, 가볍고, 전력소모가 매우 작은 디스플레이 장치를 제공할 수 있다.

본 발명은 상기의 실시예를 참조하여 특별히 도시되고 기술되었지만, 이는 예시를 위하여 사용된 것이며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 첨부된 청구범위에서 정의된 것처럼 발명의 정신 및 범위를 벗어남이 없이 다양한 수정을 할 수 있다.

Claims (14)

1. 하나의 기판;

   상기 기판상에 형성되는 동일 평면상의 복수의 전극;

   상기 기판 및 상기 전극상에 도포된 배향막;

   상기 배향막상에 형성되는 액정층;

   상기 액정층상에 형성되는 고분자층; 및

   상기 고분자층상에 편광판을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 기판의 외측에 편광판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 액정층과 상기 고분자층은 액정과 자외선 경화 고분자를 소정 비율로 혼합하여 상기 배향막상에 도포된 후에 자외선 조사에 의하여 비등방적으로 상분리에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 액정은 네마틱 액정, 스메틱 액정, 디스코틱 액정 또는 콜레스테릭 액정인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 액정층의 두께는 상기 배향막에 도포된 상기 액정과 상기 자외선 경화 고분자의 혼합물에서의 액정의 비율에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 액정층의 두께는 약 0.5 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 기판은 플라스틱, 유리, 혹은 실리콘 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 기판위에 반사막을 형성하고 하나의 편광판 만을 이용하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
9. 제 5 항에 있어서,

   상기 전극은 쉐브론 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
10. 제 5 항에 있어서,

    상기 배향막은 상기 액정과의 특성 중에서 습식 특성(wetting property)이 좋은 물질로서 나일론(Nylon) 6 또는 폴리-비닐-알콜(Poly-vinyl-alcohol) 인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
11. 기판상에 형성된 동일 평면 전극과 상기 기판 및 상기 전극상에 배향막을 도포하는 단계;

    액정과 자외선 경화 고분자가 소정의 비율로 혼합된 혼합물을 상기 배향막상에 소정의 두께로 도포하는 단계; 및

    상기 혼합물을 상기 액정과 상기 고분자를 각각 포함하는 층으로 비등방적으로 상을 분리 형성하기 위하여 상기 혼합물 측으로 자외선을 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 제조방법.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 비등방적 상분리는 상기 자외선의 조사에 의하여 상기 혼합물의 표면에서부터 상기 기판방향으로 이루어지며, 그 표면에서 소정 두께로 상기 고분자로 이루어지는 고분자층을 형성하며, 그 내부에서 액정으로 이루어지는 액정층을 형성하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 제조방법.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 자외선 조사단계는 상기 혼합물의 비등방적 상분리를 촉진하기 위하여 상기 기판에 대하여 열을 가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 제조방법.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 가열단계는 상기 액정이 등방상을 보이는 온도로 처리되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 제조방법.