KR20030066427A - 액정 표시 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20030066427A
KR20030066427A KR10-2003-0006524A KR20030006524A KR20030066427A KR 20030066427 A KR20030066427 A KR 20030066427A KR 20030006524 A KR20030006524 A KR 20030006524A KR 20030066427 A KR20030066427 A KR 20030066427A
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나까니시요헤이
이노우에히로야스
나까하따유지
가니이겐고
하나오까가즈따까
시바사끼마사까즈
이노우에유이찌
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후지쯔 디스플레이 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

본 발명은, 액정층에 인가하는 전압을 조정하면서 액정층에 포함되는 중합성 성분을 중합하여 중합 시의 액정 분자의 배향 방향을 규정하는 액정 표시 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 화상의 번인 현상을 개선한 액정 표시 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 광 또는 열에 의해 중합하는 중합성 성분을 함유하는 액정 조성물을 기판 사이에 밀봉하고, 액정 조성물에 전압을 인가하면서 중합성 성분을 중합하여 구동 시의 액정 분자의 배향 방향을 규정시키는 액정 표시 장치의 제조 방법에 있어서, 액정 조성물 내의 중합 개시재의 농도 x는 0≤x≤0.002(wt%)이도록 구성한다.

Description

액정 표시 장치 및 그 제조 방법{LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은, 광 또는 열에 의해 중합되는 중합성 성분(모노머나 올리고머 등)을 함유하는 액정 재료를 기판 사이에 밀봉하여, 액정층에 인가하는 전압을 조정하면서(인가 전압이 0인 경우를 포함함. 이하, 필요에 따라 간단하게 「전압을 인가하면서」로 약기함) 중합성 성분을 중합하여 폴리머를 형성하고, 구동 시의 액정 분자의 배향 방향을 폴리머의 배향 규제력에 의해 규정하는 액정 표시 장치(LCD) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래, 액티브 매트릭스를 이용한 액정 표시 장치로서는, 플러스의 유전율 이방성을 갖는 액정 재료를 암(暗) 상태에서 기판면에 수평하게, 또한 대향하는 기판 사이에서 90° 트위스트하도록 배향시킨 TN(Twisted Nematic) 모드의 액정 표시 장치가 널리 이용되고 있다. 이 TN 모드의 액정 표시 장치는, 시각 특성이 뒤떨어진다고 하는 문제를 갖고 있으며, 시각 특성을 개선하기 위해 다양한 검토가 행해지고 있다.
종래의 TN 모드의 액정 표시 장치에 비해 시각 특성이 우수한 액정 표시 장치로서, 플러스의 유전율 이방성을 갖는 액정을 수평 배향시켜 횡전계를 인가하는 IPS 모드(In-Plane-Switching mode) 액정 표시 장치(이하, IPS-LCD로 약칭)가 알려져 있다. 그러나, IPS-LCD는 빗형 전극에 의해 액정 분자를 수평면 내에서 스위칭시키고 있으며, 이 빗형 전극에 의해 화소의 개구율이 현저하게 저하되기 때문에 높은 광 강도의 백 라이트 유닛이 필요하게 된다.
이에 대하여, 마이너스의 유전율 이방성을 갖는 액정을 수직 배향시켜, 배향 규제용 구조물로서 기판 상에 선 형상 돌기나 전극의 슬릿을 설치한 멀티 도메인 수직 배향 모드(Multi-domain Vertical Alignment mode) 액정 표시 장치(이하, MVA-LCD로 약칭)가 알려져 있다. MVA-LCD는, 배향 규제용 구조물을 설치하고 있기 때문에, 배향막에 러빙 처리를 실시하지 않아도 전압 인가 시의 액정 배향 방위를 복수 방위로 제어 가능하여, 시각 특성이 우수하다.
그러나, MVA-LCD에서의 돌기나 슬릿에 의한 화소의 실질 개구율의 저하는 IPS-LCD의 빗형 전극만큼은 아니더라도, TN 모드의 LCD와 비교하면 패널의 광 투과율이 낮다. 그 때문에 현재 상태에서는, 저소비 전력이 요구되는 노트북형 PC에는 MVA-LCD나 IPS-LCD는 부적합하다고 생각되고 있다.
또한, 종래의 MVA-LCD는, 백 휘도가 낮아 표시가 어둡다고 하는 결점을 갖고 있다. 이 주된 원인은, 돌기 상방이나 슬릿 상방이 배향 분할의 경계로 되어 암선이 생기기 때문에, 백 표시 시의 투과율이 낮아져 어둡게 보이는 것에 기인한다. 이 결점을 개선하기 위해서는, 돌기나 슬릿의 배치 간격을 충분히 넓게 하면 되지만, 배향 규제용 구조물인 돌기나 슬릿의 수가 적어지기 때문에, 액정에 소정 전압을 인가해도 배향이 안정되기까지 시간이 걸리게 되어, 응답 시간이 길어지게 된다고 하는 문제가 생긴다.
이 문제를 개선하여, 고휘도이며 또한 고속 응답 가능한 MVA-LCD를 실현하기 위해, 폴리머를 이용하여 구동 시의 액정 분자의 배향 방향을 규정하는 방법이 제안되어 있다. 폴리머를 이용하여 구동 시의 액정 분자의 배향 방향을 규정하는 방법에서는, 액정에 모노머나 올리고머 등의 중합성 성분(이하, 모노머로 약칭)을 혼합한 액정 재료를 기판 사이에 밀봉한다. 기판 사이에 전압을 인가하여 액정 분자를 틸트(경사)시킨 상태 하에서, 모노머를 중합하여 폴리머화시킨다. 이에 의해, 전압 인가를 제거하여도 소정의 프리틸트각으로 틸트하는 액정층이 얻어진다. 모노머로서는, 열 혹은 광(자외선)으로 중합되는 재료가 선택된다.
그러나, 폴리머를 이용하여 구동 시의 액정 분자의 배향 방향을 규정하는 방법에 의해 제조한 MVA-LCD에서는, 동일한 화상을 장시간 계속해서 표시하면, 표시를 변화시켜도 이전의 화상이 남아 보이게 되는 번인 현상(image sticking)이 발생하는 경우가 있다. 이 때문에, 표시 품질이 저하된다고 하는 문제를 갖고 있다.
본 발명의 목적은, 폴리머를 이용하여 구동 시의 액정 분자의 배향 방향을 규정하는 방법에 기초하여 발생하는 화상의 번인 현상을 개선하여, 간이하고 또한확실하게 표시 특성을 향상시켜, 신뢰성이 높은 표시를 실현하는 액정 표시 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 액정 표시 장치 및 그 제조 방법의 개략에 대하여 설명하는 도면.
도 2는 LCD 패널의 액정층에 전압을 인가하면서 자외선을 조사하는 공정을 도시하는 도면.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 다른 액정 표시 장치 및 그 제조 방법의 개략에 대하여 설명하는 도면.
도 4는 본 발명의 제1 실시 형태에서 중합 개시재의 농도와 번인율의 관계를 도시하는 도면.
도 5는 교류 전압의 주파수와, 번인율과의 관계를 도시하는 특성도.
도 6은 본 발명의 제2 실시 형태의 액정 표시 장치의 주요 구성을 도시하는 단면도.
도 7은 배향 패턴을 형성하는 미세한 슬릿이 형성된 화소 전극의 일부를 도시하는 평면도.
도 8은 액정층 형성 시의 모습을 도시하는 단면도.
도 9는 표면의 평균 거칠기의 정의를 도시하는 모식도.
도 10은 TFT 기판측에 슬릿을 갖는 화소 전극 상의 폴리머 구조물의 모습을 도시하는 현미경 사진(AFM상).
도 11은 폴리머 구조물의 표면의 평균 거칠기와 번인율과의 관계를 도시하는 특성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
2 : 화소
3 : 화소 전극
4 : 게이트 버스 라인
6 : 드레인 버스 라인
8 : 스트라이프 형상 전극
10 : 스페이스
12, 14 : 접속 전극
13 : 폴리머 구조물
16 : TFT
17 : 컬러 필터
18 : 축적 용량 버스 라인
20 : 드레인 전극
22 : 소스 전극
30 : 전압 인가 장치
32 : 자외선 조사 장치
34, 36 : 전극
38 : 액정층
41, 42 : 투명 유리 기판
44 : 절연층
46a, 46b : 배향막
48 : 공통 전극
49, 50 : 편광자
상기 목적은, 대향하는 2장의 기판 사이에 액정 재료를 밀봉한 액정 표시 장치로서, 상기 액정 재료는, 광 또는 열에 의해 중합되는 중합성 성분과, 중합 개시재와, 액정 조성물을 포함하며, 상기 중합 개시재의 상기 액정 재료 내의 농도 x가, 0≤x≤0.002(wt%)인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치에 의해 달성된다.
〔제1 실시 형태〕
본 발명의 제1 실시 형태에 따른 액정 표시 장치 및 그 제조 방법에 대하여 도 1 내지 도 4를 이용하여 설명한다. 우선, 본 실시 형태에 따른 액정 표시 장치 및 그 제조 방법의 개략에 대하여 도 1을 이용하여 설명한다. 도 1은 본 실시 형태에 따른 액정 표시 장치의 1화소(2)를 기판면 법선 방향에서 본 상태를 도시하고 있다. 도시되지 않는 절연막을 개재하여 교차하는 게이트 버스 라인(4)과 드레인 버스 라인(6)으로 획정된 장방형 영역에 화소(2)가 형성되어 있다. 도면에서 화소(2) 좌측 위에는, 후술하는 화소 전극에 계조 전압을 인가할 때의 스위칭 소자로서 기능하는 TFT(16)가 형성되어 있다. 화소(2) 내에는, 외주가 동일 장방형의 4개의 배향 도메인으로 분할되는 십자 형상의 접속 전극(12, 14)이 형성되어 있다. 접속 전극(12)은 화소(2) 내의 거의 중앙에서 드레인 버스 라인(6)에 평행하게 형성되며, 접속 전극(14)은 화소(2) 내의 거의 중앙을 가로지르는 축적 용량 버스 라인(18) 상에 형성되어 있다.
접속 전극(12, 14)으로부터 거의 45°의 각도로 미세 전극 패턴의 복수의 스트라이프 형상 전극(8)이 반복되어 형성되어 있다. 접속 전극(12, 14)과 복수의 스트라이프 형상 전극(8)으로 화소 전극이 구성된다. 도면에서 좌측 위의 스트라이프 형상 전극(8)은 TFT(16)의 소스 전극에 전기적으로 접속되어 있다. 인접하는 스트라이프 형상 전극(8) 사이에는 전극을 없앤 상태의 스페이스(10)가 형성되어 있다. 스트라이프 형상 전극(8)과 스페이스(10)로 배향 규제용 구조물이 구성된다. 또한, 도 1의 스트라이프 형상 전극(8) 및 스페이스(10) 대신에, 화소(2) 내 전면에 형성한 화소 전극 상에 미세 선형 돌기를 형성하도록 해도 물론 된다. 도시는 생략하였지만, 화소 전극측에 형성된 배향 규제용 구조물에 대응하여, 대향 기판에도 절연성 구조물 또는 슬릿(공통 전극을 부분적으로 패터닝 제거한 것)을 형성하도록 해도 물론 된다.
이러한 미세 라인 앤드 스페이스 패턴을 TFT 기판의 화소(2)의 화소 전극에 형성한 후, TFT 기판과 대향 기판의 대향면에 수직 배향막을 형성한다. 수직 배향막의 재료로서는 다양한 것이 적용 가능하지만, 일례로서 폴리아믹산 타입의 배향막을 이용할 수 있다.
계속해서, 마이너스의 유전율 이방성을 갖는 네가티브형의 액정을 밀봉하여 양 기판을 접합한다. 네가티브형 액정에는, 중합성 성분이 소정의 비율로 혼입되어 있다. 중합성 성분으로서는 디아크릴레이트 모노머를 이용하고 있다.
도 2는 LCD 패널의 액정층에 전압을 인가하면서 자외선을 조사하는 공정을 도시하고 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 자외선 조사 장치(32)의 챔버 내에 LCD패널을 장착한다. LCD 패널 내의 모노머를 중합시키기 전의 액정 조성물 내의 액정 분자는 기판면에 대하여 거의 수직으로 배향되어 있다. 계속해서, 전압 인가 장치(30)로부터 LCD 패널의 양 기판에 설치된 전극(34, 36) 사이에 전압을 인가한다. 이에 의해, 전극(34, 36) 사이에 밀봉된 액정층(38)에 전압이 인가되어, 화소(2) 내의 액정 분자가 소정 방향으로 경사지게 된다. 전압 인가 장치(30)로부터 전압을 계속해서 인가하면서, 자외선 조사 장치(32)의 도시하지 않는 고압 수은 램프로부터 자외광(UV광)을 LCD 패널면을 향하여 조사시킨다. 이에 의해, 모노머가 첨가된 액정 재료에 자외광이 조사되어 모노머가 중합되어 폴리머화하고, 통상 구동 시의 액정 분자의 배향 방향을 규정한다.
도 3은 다른 구성을 갖는 MVA-LCD의 1화소(2)를 기판면 법선 방향에서 본 상태를 도시하고 있다. 도 3에 도시한 구성은, TFT(16)의 형성된 TFT 기판측의 화소 전극(3)을 라인 앤드 스페이스 패턴의 스트라이프 형상 전극으로 하고 있는 점에 특징을 갖고 있다. 도 3에 도시한 바와 같이, 화소 전극(3)은, 드레인 버스 라인(6)에 평행하게 라인 앤드 스페이스 패턴이 형성된 스트라이프형 전극(8) 및 스페이스(10)를 갖고 있다.
화소(2) 거의 중앙에서 게이트 버스 라인(4)에 평행하게 형성된 접속 전극(14)에 의해, 각 스트라이프 형상 전극(8)은 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 스트라이프 형상 전극(8)의 일부가 TFT(16)의 드레인 전극(20)에 대향 배치된 소스 전극(22)에 접속되어 있다.
도시하지 않는 대향 기판의 화소 영역 중앙부의 접속 전극(14)에 대향하는위치에는 게이트 버스 라인(4)에 평행하게 연장되는 선형 돌기가 형성되어 있다. 이 선형 돌기에 의해, 액정 분자의 배향 규제 방향을 보다 명확하게 결정할 수 있다.
도 2에 도시한 구성과 마찬가지로 하여, 도시하지 않는 액정층에 전압을 인가하여 화소(2) 내의 액정 분자를 소정 방향으로 경사시킨 상태에서, 모노머를 첨가한 액정 재료에 자외광을 조사하여 모노머를 중합함으로써, 액정 분자의 프리틸트각 및/또는 배향 방위의 안정화를 실현할 수 있다.
이상 설명한 제조 방법에 의해 제조된 LCD에서, 폴리머를 이용하여 구동 시의 액정 분자의 배향 방향을 규정하는 방법을 채용함으로써 발생하는 화상의 번인 현상을 저감시키기 위해, 각종 모노머, 중합 개시재, 및 액정 조성물(액정 분자)에 대하여 검토하였다. 그 결과, 중합 개시재는, 최적 자외선 조사량을 감소시켜, 생산 효율을 향상시키는 데는 유효하지만, 화상의 번인의 원인으로 되는 것이 판명되었다. 폴리머를 이용하여 전압 인가 시의 액정 분자의 배향 방향을 규정하는 LCD의 경우, 자외선 조사 시의 모노머의 중합의 개시를 돕는 중합 개시재의 농도가 높으면 중합에 필요한 시간은 짧아지지만, 완성된 LCD의 표시 화상의 번인 현상은 상대적으로 악화된다. 또한, 액정 재료 중에 중합 개시재를 전혀 첨가하지 않은 경우에는 중합에 필요한 시간은 길어지지만, 완성된 LCD의 표시 화상의 번인 현상의 정도는 상대적으로 경감된다. 따라서, 번인 현상을 개선하기 위해서는, 중합 개시재의 농도는 낮은 쪽이 바람직하다.
즉, 액정 재료 내의 모노머의 중합 개시재를 첨가하지 않거나, 혹은 매우 약간의 첨가량으로 모노머를 중합시킴으로써, 화상의 번인 현상을 저감할 수 있다.
중합 개시재의 중합 전의 액정 재료 중에서의 농도 x(wt%, 이하 동일함), 모노머의 중합 전의 액정 재료 중에서의 농도 y, 액정 조성물의 중합 전의 액정 재료 중에서의 농도 z, 번인율 α로 하였을 때, 중합 개시재의 농도 x는 0≤x≤0.002(wt%)인 것이 바람직하다. 특히, x=0일 때에 번인율 α가 가장 낮아진다. 또한, 모노머의 농도 y는, 번인율 α의 관점에서는 0.1wt% 이상 10wt% 이하가 바람직하다.
번인율 α는 다음과 같이 하여 구하고 있다. 흑백의 체크 패턴을 LCD의 표시 영역에 장시간 표시시킨다. 그 후, 표시 영역 전면에 소정의 중간조를 표시시켜, 백 표시 영역의 휘도 β와 흑 표시 영역의 휘도 γ와의 차(β-γ)를 구하고, 이 휘도차(β-γ)를, 흑 표시 영역의 휘도 γ로 나누어 번인율을 구한다.
즉,
번인율 α=((β-γ)/γ)×100(%)이다.
도 4에 중합 개시재의 농도와 번인율의 관계를 도시한다. 도 4는 횡축에 중합 개시재의 농도(wt%)를 취하고, 종축에 번인율(%)을 취하고 있다. 상술한 바와 같이, 중합 개시재의 농도는, 0.002wt% 이하인 것이 바람직하고, 액정 재료 중에 중합 개시제가 전혀 첨가되지 않을 때에 번인율 α가 가장 낮아진다. 일반적인 관찰자가 보았을 때, LCD의 번인율 α가 5∼6% 정도이면 실용상 문제가 없지만, 10% 정도가 되면 화상의 번인 현상이 신경쓰이게 된다. 도 4에 도시한 그래프로부터, 중합 개시재 농도가 0.002wt% 이하이면 번인율은 6% 이하로, 실용상 문제가 없는특성이 얻어진다. 중합 개시재 농도가 0%, 즉 중합 개시재를 이용하지 않은 경우에는 약 3%라는 매우 낮은 번인율 α를 얻을 수 있다.
본 실시 형태에 따른 액정 표시 장치 및 그 제조 방법에 대하여, 이하 구체적으로 실시예 및 비교예를 이용하여 설명한다. 본 실시 형태의 각 실시예 및 비교예에서는, 도 1에 도시한 구조인 MVA-LCD를 이용하고 있다. 즉, 수직 배향막이 형성되며, 액정은 마이너스의 유전율 이방성을 갖고 있다. 또한, 양 기판을 사이에 두고 대향하는 2장의 편광판은 크로스니콜로 배치되어, 전압 무인가 시에 흑 표시가 되는 노멀 블랙 모드이다. 또한, 도시하지 않는 편광판의 편광축은 각 버스 라인에 대하여 거의 평행 또는 직교하는 방향을 향하고 있다. 패널 사이즈는 대략 15인치이며 해상도는 XGA이다.
(실시예 1)
평균 분자량이 약 350인 액정 조성물에 분자량이 약 350인 광 경화성의 디아크릴레이트 모노머를 0.3wt% 혼합하고, 중합 개시재를 0.006wt% 혼합한 액정 재료를 기판 사이에 밀봉하였다. 계속해서, 액정층에 전압을 인가한 상태에서 모노머를 중합하여 액정 분자가 쓰러지는 방향을 기억시켰다. 모노머를 중합시키는 자외선은, 실온(20℃)에서 조사하며, 조사 에너지는 10J/㎠이다(하기 비교예 1과 동일한 자외선 조사 장치를 이용하여, 비교예 1에서의 자외선 조사 시간의 10배의 시간 조사하였다). 완성된 MVA-LCD에 대하여 흑백의 체크 패턴을 48시간 표시시킨 후에 계측한 번인율 α는 15%이었다.
(실시예 2)
평균 분자량이 약 350인 액정 조성물에 분자량이 약 350인 광 경화성의 디아크릴레이트 모노머를 0.3wt% 혼합하고, 중합 개시재는 전혀 혼합하지 않은 액정 재료를 기판 사이에 밀봉하였다. 계속해서, 액정층에 전압을 인가한 상태에서 모노머를 중합하여 액정 분자가 쓰러지는 방향을 기억시켰다. 모노머를 중합시키는 자외선은, 실온(20℃)에서 조사하며, 조사 에너지는 100J/㎠이다(하기 비교예 1과 동일한 자외선 조사 장치를 이용하여, 비교예 1에서의 자외선 조사 시간의 100배의 시간 조사하였다). 완성된 MVA-LCD에 대하여 흑백의 체크 패턴을 48시간 표시시킨 후에 계측한 번인율 α는 3%이었다.
(비교예 1)
평균 분자량이 약 350인 액정 조성물에 분자량이 약 350인 광 경화성의 디아크릴레이트 모노머를 0.3wt% 혼합하고, 중합 개시재를 0.008wt% 혼합한 액정 재료를 기판 사이에 밀봉하였다. 계속해서, 액정층에 전압을 인가한 상태에서 모노머를 중합하여 액정 분자가 쓰러지는 방향을 기억시켰다. 모노머를 중합시키는 자외선은, 실온(20℃)에서 조사하며, 조사 에너지는 1J/㎠이다. 완성된 MVA-LCD에 대하여 흑백의 체크 패턴을 48시간 표시시킨 후에 계측한 번인율 α는 35%이었다.
어떤 조건에서도, 자외선 조사 후의 LCD 패널은, 거의 같은 광학 특성이 얻어졌다. 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1에 설명한 바와 같이, 중합 개시재의 농도를 저하시키거나, 혹은 전혀 중합 개시재를 첨가하지 않도록 하면, 완성된 LCD의 표시 화상의 번인 현상을 대폭 저감시킬 수 있다.
〔제2 실시 형태〕
(기본 골자)
우선, 본 발명의 제2 실시 형태의 기본 골자에 대하여 설명한다.
본 발명자들은, MVA-LCD를 개량하여, 개구율을 향상시켜 밝기를 증가시키고, 비용 면에서도 레벨 업시키는 방법으로서, 광 중합 또는 열 중합되는 모노머를 액정에 혼입시켜, 기판 사이에 소정의 전압을 인가하면서 모노머를 중합시킴으로써 안정된 배향을 얻는 배향 규제 기술을 개발해 왔다.
그러나, 상기 배향 규제 기술에서는, 모노머재 등에 의해 고화되는 방식을 이용하고 있지 않은 패널보다 구동 시의 액정 패널의 번인에 관하여, 정도가 나쁘다고 하는 문제가 있는 것이 명백해졌다.
상기 제1 실시 형태와 마찬가지로 하여 구한 번인율 α가 5∼6% 정도이면 실용상 문제는 없지만, 번인율 α가 10% 정도가 되면 사용자에게 있어서 화상의 번인 현상이 거슬려, 무시할 수 없게 된다.
통상, 액정 표시 장치의 구동에는, 번인 방지를 위해 액정층에 교류 전압을 인가한다. 그러나, 액정층을 사이에 두고 있는 한쌍의 기판은 각각, 층 구조나 형성되어 있는 전극이 다르기 때문에 기판간에 극성이 발생하여, 이것이 교류 전압에 영향을 미친다. 결과로서, 액정 표시 장치에, 외부 전압 인가 장치로부터 임의의 일정값의 교류 전압을 인가하였다고 해도, 액정층에 인가되는 전압은, 교류 전압의 스위칭에 의해 상이한 2개의 값으로 된다. 전압의 값이 변화되면 액정의 배향도 상태도 변화된다.
이 때문에, 액정층에 통상 구동용의 주파수 30㎐의 교류 전압을 인가하고,그 인가 상태를 유지하면서 배향 제어용의 폴리머 구조물의 형성을 행하면, 순간적인 전압 변화에 의해 발생하는 배향 흐트러짐이 남은 상태 그대로 배향 방향이 규정되게 된다. 배향 흐트러짐이 발생하면 액정 표시 장치에 번인이 나타나게 되어, 표시 특성이 저하된다.
본 발명자는, 번인을 억지하기 위해, 액정층에 인가하는 교류 전압의 주파수를 높게 하는 방법을 생각하였다.
따라서, 교류 전압의 주파수와, 번인율 α와의 관계에 대하여 조사한 결과, 도 5에 도시한 바와 같이, 교류 전압의 주파수가 60㎐에서 번인율 α는 5% 이하의 최소값을 나타냈다. 또한 주파수를 크게 하면 서서히 번인율 α는 증가되기 때문에(1㎑에서 주파수 30㎐와 거의 동등하게 됨), 주파수의 적정 범위는 60㎐∼1㎐이다.
이와 같이 번인율 α가 변화되는 것은, 교류 전압의 주파수를 통상 구동보다 크게, 예를 들면 2배(60㎐) 정도로 하면, 액정 분자의 응답 속도가 교류 전압의 스위칭 속도를 쫓아갈 수 없게 되기 때문이다. 이 때문에, 액정 분자의 배향은 교류 전압의 스위칭에 상관없이, 각 스위칭 시의 중간 상태로 규정된다. 이 상태에서 폴리머의 형성을 행함으로써, 번인이 적고 배향 흐트러짐이 발생하지 않는, 표시 특성이 양호한 액정 표시 장치를 얻을 수 있다.
(실시예)
상술한 본 실시 형태의 기본 골자를 근거로 하여, 구체적인 실시예에 대하여 설명한다. 여기서는, 도 6에 도시한 바와 같은 주요 구성을 갖는 액정 표시 장치를 대상으로 한다.
이 액정 표시 장치는, 소정 간격을 두고 대향하는 한쌍의 투명 유리 기판(41, 42)과, 이들 투명 유리 기판(41, 42) 사이에 있는 액정층(38)을 구비하여 구성되어 있다. 투명 유리 기판(41, 42)은, 도시하지 않는 시일재에 의해 접합 고정된다.
한쪽의 투명 유리 기판(TFT 기판)(41) 상에는, 절연층(44)을 개재하여 ITO로 이루어지는 복수의 화소 전극(3), 능동 소자가 되는 도시하지 않은 TFT가 형성되고, 화소 전극(3)을 피복하도록 투명의 수직 배향막(46a)이 형성되어 있다. 다른쪽의 투명 유리 기판(대향 기판)(42) 상에는, 컬러 필터(17)(및 도시하지 않은 블랙 매트릭스), 공통 전극(대향 전극)(48) 및 수직 배향막(46b)이 순차적으로 적층되어 있다. 그리고, 액정층(38)을 사이에 두도록 수직 배향막(46a, 46b)이 서로 대향되며 유리 기판(41, 42)이 시일재에 의해 고정되고, 각 기판(41, 42)의 외측에 편광자(49, 50)가 설치된다. 화소 전극(3)은 액티브 매트릭스(TFT 매트릭스)와 함께 형성되며, 도시한 예에서는 TFT의 드레인 전극이 접속되어 있는 드레인 버스 라인(6)이 도시되어 있다. 또한, 도시되어 있지 않지만, TFT의 게이트 전극이 접속되는 게이트 버스 라인도 형성되어 있다. 또한, 전극은 한쪽의 기판에만 설치되는 경우도 있다.
액정층(38)은, 시일재에 설치된 액정 주입구로부터 액정이 주입됨으로써 형성된다. 상기 액정에는, 광 중합 또는 열 중합되는 모노머가 혼입되어 있다. 또한, 화소 전극(3)에는, 예를 들면 도 7에 도시한 바와 같이, 배향 패턴을 형성하는미세한 슬릿(45)이 형성되어 있다. 그리고, 도 8에 도시한 바와 같이, 주입된 액정에 소정의 교류 전압, 본 실시예에서는 60㎐∼1㎑의 교류 전압을 인가하면서 UV광 조사 또는 열 처리를 실시한다. 인가되는 교류 전압은 예를 들면 구형파이다. 이에 의해, 상기 모노머가 중합되어 슬릿(45)의 배향 패턴으로 규제된 폴리머 구조물(13)이 액정층(38)의 표층(수직 배향막(46a, 46b)의 표면)에 형성되며, 이 폴리머 구조물로 규제되어 액정 분자가 상기 배향 패턴에 따라 배향된다.
본 실시예에서는 실제로, 화소 피치 297㎛, 화소수 1024×768의 액정 표시 장치를 제작하였다.
한쪽의 기판(TFT 기판) 상에 TFT 소자, 드레인 버스 라인, 게이트 버스 라인 및 배향 규제용의 미세한 슬릿이 형성된 화소 전극을 형성하였다. 다른쪽의 기판(대향 기판)에는, 컬러 필터 및 공통 전극을 형성하였다. 기판 재료로는 판 두께 0.7㎜의 유리 기판 OA-2(일본 전기 유리제)를 이용하였다. 미세한 슬릿은 화소 중앙부로부터 4방위(우측 위, 우측 아래, 좌측 위, 좌측 아래)로 연장되도록 형성하였다. 슬릿 폭은 3㎛, 슬릿간 거리는 3㎛으로 하였다. 이들 기판 상에, 인쇄법을 이용하여 수직 배향막(폴리이미드 재료)을 형성하고, 180℃에서 60분의 열 처리를 행하였다. 이들 기판을 직경 4㎛의 스페이서(積水파인케미컬제)를 개재하여 접합시켜, 속이 빈 셀을 제작하였다. 이렇게 해서 얻은 셀에, 광 중합성 모노머를 미량 첨가한 마이너스의 유전율 이방성을 갖는 액정을 주입하여, 액정 표시 패널을 제작하였다. 광 중합성 모노머의 첨가량은 0.3wt%로 하였다.
다음으로, 패널에 통상 구동의 2배인 주파수 60㎐의 교류 전압(10V)을 인가한 상태에서 UV광을 조사하여, 광 중합성 모노머를 고화시켰다. 광 조사량은 약 4000mJ/㎠(파장 365㎚)로 하였다. 화소 내의 배향 상태에 흐트러짐이 없고, 흑백의 체크 패턴을 48시간 표시시킨 후에 계측한 번인율 α는 5%이었다.
(비교예)
상기 실시예의 비교예를 설명한다. 이 비교예는, 이하의 요건을 제외하고 상기 실시예와 마찬가지이다.
광 중합성 모노머를 고화시킬 때의 전압을 통상의 주파수 30㎐의 교류 전압(10V)으로 하여, UV광을 조사하였다.
이 경우에는, 상기 실시예의 경우와 달리, 화소 내의 배향 상태에 약간의 흐트러짐이 발생하고, 흑백의 체크 패턴을 48시간 표시시킨 후에 계측한 번인율 α는 10%이었다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 액정 표시 장치의 제조 방법에 따르면, 표시에 번인 등의 문제점을 발생시키지 않고 간이하며 또한 확실하게 표시 특성을 향상시켜, 신뢰성이 높은 표시를 실현하는 것이 가능해진다.
〔제3 실시 형태〕
(기본 골자)
다음으로, 본 발명의 제3 실시 형태의 기본 골자에 대하여 설명한다.
본 발명자들은, MVA-LCD를 개량하여, 개구율을 향상시켜 밝기를 증가시키고, 비용 면에서도 레벨 업시키는 방법으로서, 광 중합 또는 열 중합되는 모노머를 액정에 혼입시키고, 기판 사이에 소정의 전압을 인가하면서 모노머를 중합시킴으로써액정층의 표층(배향막의 표면)에 소정의 배향 패턴을 갖는 폴리머 구조물을 형성하고, 이 폴리머 구조물에 의해 액정 분자의 안정된 배향을 얻는 배향 규제 기술을 개발해 왔다.
그러나, 상기 배향 규제 기술에서는, 폴리머 구조물 등에 의해 고화되는 방식을 이용하지 않고 있는 패널보다 구동 시의 액정 패널의 번인에 관하여, 정도가 나쁘다고 하는 문제가 있는 것이 명백해졌다.
상기 제1 실시 형태와 마찬가지로 하여 구한 번인율 α가 5∼6% 정도이면 실용상 문제는 없지만, 번인율 α가 10% 정도가 되면 사용자에게 있어서 화상의 번인 현상이 거슬려, 무시할 수 없게 된다.
본 발명자는, 번인을 억지하기 위해, 폴리머 구조물의 표면의 평균 거칠기를 작게 제어하는 방법을 생각하였다.
폴리머 구조물의 표면의 평균 거칠기와 번인율 α와의 관계에 대하여 조사한 결과를 이하에 도시한다.
여기서는, 수직 배향막과 마이너스의 유전율 이방성을 갖는 액정을 이용하고, 편광판으로서는 크로스니콜로 액정 표시 패널의 양측에 부착하여, 노멀 블랙 모드로 한다. 중합성 모노머종으로서는, 모노 아크릴레이트, 디아크릴레이트, 트리아크릴레이트 중 어느 하나로 하고, 0.01wt%의 광 중합 개시제를 이용하여, 중합성 모노머와 광 중합 개시제의 토탈 혼합 농도를 0.3wt%로 한다. 폴리머화 조건은 UV광으로 4∼10J/㎠의 조사량으로 한다.
상기한 중합성 모노머와 광 중합 개시제와의 조합을 다르게 하여 액정과 혼합하여, 액정 표시 장치에 주입한다. 그 후, 액정에 전압을 인가하여 배향을 조정하면서 폴리머화시켜, 번인의 평가를 행하였다. 그 후, 액정 표시 장치를 분해하여, 형성시킨 폴리머 구조물의 표면을 원자 현미경(AFM)으로 관찰하여, 평균 거칠기와 번인율 α와의 관계를 조사하였다.
여기서, 평균 거칠기(Ra)란, 거칠기 곡선으로부터 그 평균선의 방향으로 기준 길이만큼 추출하고, 이 추출 평균선의 방향으로 X축을, 세로 배율의 방향으로 Y축을 취하여, 거칠기 곡선을 y=f(x)로 표했을 때에, 다음 수학식 및 도 9에 의해 구해지는 값을 말한다(JIS80601-1994 「표면의 평균 거칠기-정의 표시」에 기초한다).
도 10에 TFT 기판측에 슬릿을 갖는 화소 전극 상의 폴리머 구조물의AFM 상(표면 상의 요철이 폴리머 구조물에 상당함)을 도시하고, 도 11에 이 AFM상에 기초하는 폴리머 구조물의 표면의 평균 거칠기와 번인율 α와의 관계를 도시한다.
도 11에 도시한 바와 같이, 표면의 평균 거칠기가 작을수록, 번인율 α가 작아지고, 표면의 평균 거칠기를 10㎚ 이하로 함으로써, 번인율 α의 허용 범위를 만족시켜, 번인 특성을 실용상 문제없는 레벨 이하로 억제하는 것이 판명되었다. 따라서, 폴리머막의 표면의 평균 거칠기를 10㎚ 이하로 함으로써, 표시 특성이 양호한 액정 표시 장치를 얻을 수 있다.
또한, 중합성 모노머의 농도와, 광 중합 개시제의 농도와, UV광의 조사량과의 조합을 검토한 결과, 번인율 α가 6% 이하로 억제되는 것이 확인되었다.
(실시예)
상술한 본 실시 형태의 기본 골자를 근거로 하여, 구체적인 실시예에 대하여 도 6 내지 도 8을 참조하면서 설명한다. 여기서는, 도 6에 도시한 바와 같은 주요 구성을 갖는 액정 표시 장치를 대상으로 한다. TFT 기판 및 대향 기판의 구성에 대해서는, 상기 제2 실시 형태의 구체적인 실시예와 마찬가지이기 때문에 그 설명을 생략한다.
액정층(38)은, 시일재에 설치된 액정 주입구로부터 액정이 주입됨으로써 형성된다. 상기 액정에는, 광 중합 또는 열 중합되는 모노머가 혼입되어 있다. 또한, 화소 전극(3)에는, 예를 들면 도 7에 도시한 바와 같이, 배향 패턴을 형성하는 미세한 슬릿(45)이 형성되어 있다. 그리고, 도 8에 도시한 바와 같이, 주입된 액정에 소정의 전압을 인가하면서 UV광 조사 또는 열 처리를 실시함으로써, 상기 모노머를 중합시켜 슬릿(45)의 배향 패턴으로 규제된 폴리머 구조물(13)이 액정층(38)의 표층(수직 배향막(46a, 46b)의 표면)에 형성되고, 이 폴리머 구조물(13)로 규제되어 액정 분자가 상기 배향 패턴에 따라 배향된다. 본 실시예에서는 상술한 바와 같이, 폴리머 구조물(13)의 표면의 평균 거칠기를 10㎚ 이하로 제어한다.
본 실시예에서는 실제로, 화소 피치 297㎛, 화소수 1024×768의 액정 표시 장치를 제작하였다.
한쪽의 기판(TFT 기판) 상에 TFT 소자, 드레인 버스 라인, 게이트 버스 라인 및 배향 규제용의 미세한 슬릿이 형성되어 이루어지는 화소 전극을 형성하였다. 다른쪽의 기판(대향 기판)에는 컬러 필터 및 공통 전극을 형성하였다. 기판 재료로는 판 두께 0.7㎜의 유리 기판 OA-2(일본 전기 유리제)를 이용하였다. 이들 기판 상에, 인쇄법을 이용하여 수직 배향막(폴리이미드 재료)을 형성하고, 180℃에서 60분의 열 처리를 행하였다. 이들 기판을 직경 4㎛의 스페이서(積水 파인케미컬제)를 개재하여 접합시켜, 속이 빈 셀을 제작하였다. 그리고, 평균 분자량 350의 광량 합성 디아크릴레이트 모노머 0.3wt%와 광 중합 개시제인 DAROCUR1173(치바 스페셜티 케미컬스 주식회사제) 0.01wt%를 혼합하여, 이 속이 빈 셀에 주입하였다. 그 후, 액정층에 DC 5V의 전압을 인가하면서 UV광을 4J/㎠의 조사량으로 조사함으로써 액정 배향 제어용의 폴리머 구조물을 형성하였다. 이 때, 폴리머 구조물의 표면의 평균 거칠기는 6㎚이었다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 액정 표시 장치의 제조 방법에 따르면, 표시에 번인 등의 문제점을 발생시키지 않고 간이하며 또한 확실하게 표시 특성을 향상시켜, 신뢰성이 높은 표시를 실현하는 것이 가능해진다.
본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않고 다양한 변형이 가능하다.
예를 들면, 상기 실시 형태에서는 모노머로서 디아크릴레이트를 이용하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 예를 들면, 다관능성 폴리머로서 트리아크릴레이트를 중합성 성분으로서 이용해도 물론 된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 폴리머를 이용한 액정 배향 안정화를 위한 중합성 성분으로서 모노머를 예로 들어 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 올리고머나, 올리고머와 모노머의 혼합물을 중합성 성분으로서 이용해도 물론 된다.
이상과 같이, 본 발명에 따르면, 폴리머를 이용하여 구동 시의 액정 분자의 배향 방향을 규정하는 방법에 기초하여 발생하는 화상의 번인 현상을 개선하여, 간이하고 또한 확실하게 표시 특성을 향상시켜, 신뢰성이 높은 표시를 실현할 수 있다.

Claims (21)

  1. 대향하는 2장의 기판 사이에 액정 재료를 밀봉한 액정 표시 장치에 있어서,
    상기 액정 재료는, 광 또는 열에 의해 중합되는 중합성 성분과, 중합 개시재와, 액정 조성물을 포함하며,
    상기 중합 개시재의 농도 x가,
    0≤x≤0.002(wt%)인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중합성 성분은, 자외선의 조사에 의해 중합되는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 중합성 성분의 상기 액정 재료 내의 농도 y는 0.1≤y≤10(wt%)인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중합성 성분은 디아크릴레이트인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중합성 성분의 중합 전의 상기 액정 조성물 내의 액정 분자는, 상기 기판면에 대하여 거의 수직으로 배향되어 있는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  6. 광 또는 열에 의해 중합되는 중합성 성분을 함유하는 액정 재료를 기판 사이에 밀봉하고,
    상기 액정 재료에 전압을 인가하면서 상기 중합성 성분을 중합하여 구동 시의 액정 분자의 배향 방향을 규정하는 액정 표시 장치의 제조 방법에 있어서,
    상기 액정 재료 내의 중합 개시재의 농도 x는, 0≤x≤0.002(wt%)인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 중합성 성분은, 자외선의 조사에 의해 중합되는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 액정 재료 내의 상기 중합성 성분의 농도 y는, 0.1≤y≤10(wt%)인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중합성 성분은, 디아크릴레이트인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  10. 제1 전극을 갖는 제1 기판과, 제2 전극을 갖는 제2 기판이, 배향막 및 액정층을 개재하여 대향 배치되어 이루어지는 액정 표시 장치의 제조 방법에 있어서,
    액정 분자를 소정 방향으로 배향시키기 위해 모노머를 혼입한 액정으로 이루어지는 상기 액정층을 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 협지한 상태에서, 상기 기판 사이에 교류 전압을 인가하면서, 상기 모노머를 중합시켜 소정의 배향 패턴의 폴리머 구조물을 형성하고, 액정 분자를 상기 폴리머 구조물에 의해 배향 규제할 때에,
    상기 교류 전압의 주파수를, 상기 교류 전압의 스위칭 속도가 액정 분자의 응답 속도보다 커지는 정도의 값으로 제어하는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 교류 전압이 구형파인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 교류 전압의 주파수가 60㎐ 이상인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 교류 전압의 주파수가 1㎑ 이하인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전극에, 상기 배향 패턴의 규제를 행하기 위한 슬릿이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    광 조사 또는 열 처리에 의해, 상기 모노머를 중합시켜 상기 폴리머 구조물을 형성하는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  16. 제1 전극을 갖는 제1 기판과, 제2 전극을 갖는 제2 기판이, 배향막 및 액정층을 개재하여 대향 배치되어 이루어지는 액정 표시 장치에 있어서,
    상기 액정층은, 액정 중에 상기 액정 분자를 소정 방향으로 배향시키기 위한 폴리머 구조물이 형성되어 있고,
    상기 폴리머 구조물의 표면의 평균 거칠기가 10㎚ 이하로 되어 있는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 전극에, 상기 배향 패턴의 규제를 행하기 위한 슬릿이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 폴리머 구조물은, 상기 액정에 혼입된 모노머가 광 조사 또는 열 처리에 의해 중합되어 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  19. 제1 전극을 갖는 제1 기판과, 제2 전극을 갖는 제2 기판이, 배향막 및 액정층을 개재하여 대향 배치되어 이루어지는 액정 표시 장치의 제조 방법에 있어서,
    액정 분자를 소정 방향으로 배향시키기 위한 모노머를 혼입한 액정으로 이루어지는 상기 액정층을 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 협지한 상태에서, 상기 기판 사이에 전압을 인가하면서, 상기 모노머를 중합시켜 소정의 배향 패턴의 폴리머 구조물을 형성하고, 액정 분자를 상기 폴리머 구조물에 의해 배향 규제할 때에,
    상기 폴리머 구조물의 표면의 평균 거칠기를 10㎚ 이하로 제어하는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 전극에, 상기 배향 패턴의 규제를 행하기 위한 슬릿이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    광 조사 또는 열 처리에 의해, 상기 모노머를 중합시켜 상기 폴리머 구조물을 형성하는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
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