KR20080087336A - 광경화성 고분자를 이용한 고속 응답 수직 배향 액정표시 소자의 제조방법 - Google Patents

광경화성 고분자를 이용한 고속 응답 수직 배향 액정표시 소자의 제조방법 Download PDF

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전북대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 전극 패턴을 이용한 광시야각 수직 배향 액정 표시 소자에 소량의 광경화성 고분자를 혼합한 액정을 주입하고 특정 조건에서 기판의 표면에서만 광경화성 고분자를 중합시켜 일정한 선경사각을 갖도록 함으로써 응답 시간을 향상시킨 액정 표시 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 둘 이상의 방향으로 수직 전기장을 형성하는 수직 배향 액정 모드 패널에 소량의 광경화성 고분자를 혼합한 유전율 이방성이 음인 액정을 주입하고, 수직 전기장을 형성 시키면, 초기 기판에 수직이던 패널 내부의 액정들은 둘 이상의 방향으로 기울어지며 배열되고, 특정한 조건의 UV를 조사하면, 액정에 혼합된 광경화성 고분자들이 기판의 표면에서 둘 이상의 방향으로 기울어진 액정 배열을 따라서 경화된다. 경화된 광경화성 고분자들은 전기장이 제거된 후에도 기울어진 상태를 유지하고 있으며, 표면의 액정 방향자들에게 강한 배향 효과를 준다. 이는 표면의 액정 방향자들이 멀티 선경사각을 갖도록 하며, 선경사각의 영향으로 수직 배향 액정 표시 소자는 문턱전압과, 구동전압이 낮아지며, 응답 시간이 단축되는 특징을 보여준다.
이러한 본 발명이 달성될 경우, 소형 액정 표시 소자의 저전압 화를 실현할 수 있으며, 고 응답시간을 통해 자연스러운 고화질 동화상 구현이 가능하다.
수직 배향 액정 표시 소자, 광시야각, 고속응답, 광경화성 고분자.

Description

광경화성 고분자를 이용한 고속 응답 수직 배향 액정 표시 소자의 제조방법{Fabrication Method of Vertical Alignment Liquid Crystal Display with Fast Response Time using UV Curable polymer}
도 1은 상??하부 기판의 전극이 쉐브론 구조로 패턴된 종래의 액정 표시 소자의 배치도.
도 2a는 전기장이 형성되지 않은 상태에서 도 1의 a-a`에 따른 단면도.
도 2b는 수직 전기장이 형성된 상태에서 도 1의 a-a`에 따른 단면도.
도 3a는 전기장이 형성되지 않은 상태에서 광경화성 고분자가 포함된 액정이 주입되었을 때 도 1의 a-a`에 따른 단면도.
도 3b는 도 3a에 수직 전기장을 형성시켰을 때의 단면도.
도 3c는 도 3b에 UV를 조사할 때의 단면도.
도 3d는 도 3c에서 조사된 UV와 수직 전기장을 제거했을 때의 단면도.
도 4a는 도 3b에 UV를 양쪽 기판에서 조사할 때의 단면도.
도 4b는 도 4a에서 조사된 UV와 수직 전기장을 제거했을 때의 단면도.
종래의 수직 배향 계열에서 광시야각 효과를 내는 액정 표시 소자는 상??하부의 전극의 패턴을 통해서 수직으로 발생하는 전기장을 조절하여 특정 방향으로 경사지게 함으로써 둘 이상의 방향으로 액정 방향자를 배열시켰다. 잘 알려진 상??하부 기판의 전극이 패턴이 사용된 수직 배향(Patterned Vertical Alignment: PVA) 모드는 전극 패턴을 통해 단위 화소에서 수직 전기장을 둘 이상의 방향으로 발생시켜 액정 방향자의 배열을 둘 이상 방향으로 유도함으로써 상호 보상을 이용해 광시야각 효과를 냈다. 도 1은 쉐브론 형태로 상??하부 기판의 전극이 패턴된 PVA 모드 패널의 단위 화소 배치도이다. 상??하부 기판의 전극을 쉐브론(Chevron) 형태로 패턴한 PVA에서는 네 방향으로 경사 전기장을 발생시키며, 액정 배열 또한 각 전기장에 수직이 되도록 네 방향으로 일어난다. 쉐브론 형태의 PVA 단위 화소의 기본 구 성은 상부의 패턴된 전극(101)과 하부의 패턴된 전극(201), 게이트 전극(211), 캐패시터(212), 데이터 전극(213), 그리고 TFT부분인 드레인 전극(214)과 소스 전극(215), 반도체 층(216) 등으로 이루어진다. 도 2a는 전기장이 형성되지 않은 상태에서 도 1의 a-a` 단면을 통해 본 액정 배열이다. 상??하부의 전극 위에 형성된 수직 배향막(102, 202)의 영향으로 상??하부 기판에 수직으로 배열되어 있으며, 구동 시에 수직 전기장의 형성 방향에 수직으로 액정을 배열 시킨다. 하지만 전기장에 의해서만 액정의 배열이 이루어지기 때문에, 전기장 의존도가 크며, 특히 전기장의 세기가 달라지는 각 계조 표시는 그 응답 시간이 차이가 크게 난다. 뿐만 아니라, 문턱전압과 구동전압이 높으며, 네 방향으로 발생하는 전기장에 의해 배열된 액정들의 각 배열 간 경계 영역에서 충돌이 발생하며, 이러한 충돌들은 액정이 기울어지며 각각의 도메인을 가지고 배열될 때, 순간적으로 불안정한 액정 배열을 보여준다. 이는 PVA 모드의 느린 응답 시간에 원인이기도 하다.
이러한 문제들을 개선하기 위하여, 외부의 강제적인 장치나 방법들을 통해 이를 개선하려하고 있으며, 이 중 일부 기술들은 상용화에 적용되고 있다. 대표적으로는"오버 드라이빙" 기술로서 계조 표시에 요구되는 전압 보다 높은 전압을 순간적으로 인가하여 응답 시간을 단축시키는 기술이 있다.
그러나, 이러한 기술을 적용하기 위해서는 추가적인 장치가 필요하며, 이러한 장치들은 여전히 추가 비용으로 이어진다. 뿐만 아니라, 전기장만을 이용한 구조에서는 저전압화가 어려우며, 각 계조 표시 간 응답시간이 달라 동화상 재생 시 자연스러운 색 표현에 한계가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기 문제점들을 해결하기 위해 광경화성 고분자를 이용하여 수직 배향 액정 표시 소자에 멀티 선경사각을 갖도록 하였다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 소량의 광경화성 고분자와 유전율 이방성이 음인 액정이 둘 이상의 방향으로 수직 전기장이 형성 될 수 있도록 상??하부 기판의 전극이 패턴된 수직 배향 액정 패널에 주입시키고, 패널에 특정 전압을 인가한 상태에서 UV를 조사하여 기울어진 액정을 따라 기판의 표면에만 광경화성 고분자들을 경화시키면, 둘 이상의 방향으로 기울기를 가지며 경화된다. 특정 방향들로 기울어져 경화된 광경화성 고분자들은 배향막 위에서 멀티 선경사각을 갖는 배향 층을 이루고, 수직 배향 액정 표시 소자에서 문턱전압과, 구동전압이 낮추며, 응답 시간을 빠르게 하는 특징을 보여준다.
이하, 본 발명은 둘 이상의 방향으로 수직 전기장을 형성 시키는 수직 배향 액정 모드에 적용될 수 있으나, 본 발명에서 설명하고자 하는 제작 방법을 쉽게 설명하기 위하여 도 1에서 도시된 바와 같이, 합착 후 상??하부에 마주보는 면의 전극이 네 방향으로 수직 전기장을 형성하도록 패턴 된 수직 배향 액정 표시 소자를 이용하여 광경화성 고분자를 이용한 선경사각을 형성하는 방법을 상세히 설명하고자 한다.
도 1과 같은 화소 구조를 갖는 수직 배향 액정 표시 소자에 광경화성 고분자와 광개시제가 혼합되어 있는 솔벤트를 유전율 이방성이 음인 액정에 광경화성 고분자의 양이 2wt% 미만이 되도록 혼합하여 주입하거나, 분말 상태의 광경화성 고분자를 유전율 이방성이 음인 액정에 2wt% 미만으로 혼합하고 광개시제를 광경화성 고분자 양의 1wt% 미만으로 혼합하여, 주입하게 되면 전압 무인가 상태에서 도 1의 a-a` 단면은 도 3a과 같은 형태를 갖는다. 도 3a는 기존과 같이 상??하부 기판(100, 200)에 각각 전극이 패턴되어 있고(101, 201) 각각 수직 배향막(102, 202)이 코팅되어 있는 수직 배향 액정 표시 소자에 광경화성 고분자(301)와 광개시제(도시 되지 않음) 가 혼합된 액정(300)으로 구성되어 있다. 광경화성 고분자와 광개시제가 혼합된 액정은 액정의 무결정 상을 보여주기 시작하는 Tni 이상의 온도에서 1분 이상 유지하여 고주파음으로 1분 이상 진동시켜 완전 혼합시키고, 상온에서 냉각 시킨다.
도 3b는 광경화성 고분자(301)와 광개시제가 주입된 수직 배향 액정 패널(도 3a)에 전압을 인가하여 상??하부 패턴된 전극에 의해 형성된 수직 전기장의 세기가 문턱전압 이상의 전위차를 발생할 때, 액정의 배열을 보여주는 단면도이다. 그림과 같이 액정(300)은 수직 전기장(303)과 직각을 이루는 방향으로 배열하게 되며, UV광원이 차단된 상태이기 때문에 광경화성 고분자(301)들은 광개시제에 의해 반응이 시작되지 않는다.
도 3c는 광경화성 고분자(301)와 광개시제가 주입된 수직 배향 액정 패널(도 3a)에 전압을 인가한 상태(도 3b)에서 광경화성 고분자가 완전히 경화될 수 있을 만큼 300 ~ 400nm 파장대의 UV(400)를 조사해 줄 때, 광개시제(도시 되지 않음)에 의해 배향막 위쪽에서 기울어진 액정 배열을 따라 광경화성 고분자(301)의 경화를 보여주는 단면도이다. 광경화성 고분자의 개시 반응은 광개시제가 UV(400)에 의해 radical을 만들고, radical에 의해 광경화성 고분자들의 말단 사슬이 활성화되며 활성화된 광경화성 고분자들이 상호간 연결되며 중합이 일어난다. 중합반응은 말단 사슬이 활성화되어 성장한 또 다른 광경화성 고분자들의 말단 사슬끼리 만날 때까지 계속되며 경화된 광경화성 고분자들(302)은 도 3d와 같이 전압을 제거해도 원래 상태로 돌아가지 않고, 표면의 액정 방향자가 일정 기울기를 갖도록 하는 역할을 한다. 결과적으로 여러 방향으로 기울기를 갖으며 경화된 광경화성 고분자들(302)은 수직 배향 액정 표시 소자에서 멀티 선경사각을 형성하며 강한 배향 효과를 나타낸다.
상기에서에서 기술한 내용에 의해 제작된 수직 배향 액정 표시 소자는 초기에 기판 표면의 액정들이 다양한 방향으로 기울어져 경화된 광경화성 고분자들(302)에 의해 멀티 선경사각을 갖으며, 이는 소자의 구동 시 표면에서 기울어져 있는 액정들이 패널 내부의 나머지 액정들을 수직 전기장에 빠르게 반응하도록 한다. 하지만 적용되는 수직 배향 액정 표시 모드에 따라서 광경화성 고분자의 양이 조절되어야 하며 충분히 표면에서 배향 효과를 낼 수 있는 최소량의 광경화성 고분자가 첨가되어야 한다. 뿐만 아니라, 전압이 인가된 상태에서 UV(400)를 조사하여 광경화성 고분자를 경화시키는 동안 실제로 상??하부 패턴된 전극에 의해 형성된 수직 전기장의 세기는 문턱전압 이상의 전위차가 발생할 때, 기판 표면의 액정에 기울기를 줄 수 있으며, 수직 전기장의 세기에 따라 표면의 액정이 기울어지는 정도에 따라서 경화되는 광경화성 고분자의 기울기도 달라진다. 일부 수직 배향 액정 표시 모드는 문턱전압의 전위차로 수직 전기장을 형성할 경우 그 세기가 약하기 때문에, 상??하부 기판의 전극에 의해 발생하는 수직 전기장 외에 하부 기판에 사용되는 다른 전극과 전기장을 형성 시킬 수 있으며, 이러한 외부 전기장들은 액정 배열에 간섭하여 액정을 원치 않는 방향으로 기울일 수 있다. 특히, 이 상태에서 UV가 조사될 경우, 광경화성 고분자도 원치 않는 방향으로 경화되어 전기장 제거 후 표면의 액정들은 원치 않는 방향으로 선경사각을 갖으며 배열 될 수 있기 때문에, 외부 전기장을 무시하고 원하는 방향으로 액정이 배열될 수 있을 정도의 강한 수직 전기장이 형성된 상태에서 UV가 조사되어야 한다. 광경화성 고분자에 의해 표면의 액정이 갖는 멀티 선경사각은 그 각이 작으면 작을수록 소자의 응답 시간을 향상 시키는 효과가 적게 나타나는 반면에 형성된 수직 전기장이 셀수록 액정이 많이 기울어진 상태에서 광경화성 고분자의 경화가 이루어지기 때문에 큰 선경사각을 갖게 할 수 있다. 선경사각이 커질수록 액정이 전기장에 반응하는 시간은 단축되며, 문턱전압과 구동전압도 낮아진다. 하지만 선경사각이 너무 커지면 명암 대비율을 떨어뜨릴 수 있다.
도 4a는 일부 수직 배향 액정 표시 소자에 있어서 상기와 같은 제작 과정 간 문턱전압 이상으로 수직 전기장이 형성된 상태에서 광경화성 고분자가 완전히 경화 될 수 있도록 300 ~ 400nm 파장대를 갖는 UV(400)를 상??하부 기판 양쪽에서 충분히 조사하여 광경화성 고분자(302)를 배향막 위에 경화시켜 기판의 양쪽 면 액정들이 멀티 선경사각을 갖도록 하는 구조를 나타낸 것이다. 이와 같이 제작된 수직 배향 액정 표시 소자는 전압을 제거해도 도 4b와 같이 경화된 광경화성 고분자들(302)이 양기판(100, 200)의 배향막(102, 202) 위에서 멀티 선경사각을 갖는다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 제조 방법은 상??하부에 전극이 패턴 되어 둘 이상의 방향으로 수직 전기장이 형성되는 액정 표시소자에, 광경화성 고분자와 광개시제를 유전율 이방성이 음인 액정에 혼합하고, 전압을 인가하여 액 정 방향자들이 일정한 기울기를 갖은 상태에서 UV 조사를 통해 광경화성 고분자를 경화시키면 둘 이상의 방향으로 기울기를 갖으며 경화되는 광경화성 고분자를 층을 형성함으로써, 기판 표면의 액정들이 멀티 선경사각을 갖도록 제작하는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명이 달성되는 경우, 액정 표시 소자의 응답시간을 빠르게 할 수 있으며, 구동전압을 낮출 수 있어 소형 액정 표시 소자의 저전압 화를 실현할 수 있으며, 계조 표시 간 응답 시간을 빠르게 함으로써, 동화상 재생 시 자연스러운 색표현이 가능하다.

Claims (5)

  1. 합착 후 마주보는 면에 전극이 둘 이상의 방향으로 전기장을 형성 할 수 있도록 패턴 되고 배향막이 도포된 상부 기판과 하부 기판을 소정의 갭을 두고 합착하는 단계와;
    상기 상부 기판과 하부 기판 사이에 광경화성 고분자와 광개시제를 유전율 이방성이 음인 액정에 혼합하여 주입하는 단계와;
    상기 상부 기판과 하부 기판에 특정 전압을 인가하여 둘 이상의 방향으로 특정한 세기의 수직 전기장을 형성시키는 단계와;
    상기 둘 이상의 방향으로 형성된 수직 전기장에 의해 패널 내부의 액정들이 둘 이상의 방향으로 눕게 되면 특정한 조건의 UV를 하부 기판 또는 상??하부 기판에 동시 조사하는 단계와;
    상기 상부 기판과 하부 기판 내부에서 기울어진 액정 방향자 중 기판의 표면 부근에서 기울어져 배열된 액정들을 따라서 광경화성 고분자들이 중합되면서, 기판의 표면에서 기울어진 채 경화되는 단계와;
    상기 경화된 광경화성 고분자가 전압 제거 후에도 배향막 위에 둘 이상의 방향으로 기울어져 있는 단계와;
    상기 경화된 광경화성 고분자의 영향으로 UV를 조사 받은 기판의 내부 표면에 위치하는 액정 방향자들은 둘 이상의 방향으로 기울어지며 멀티 선경사각을 가지게 되는 단계와;
    상기 멀티 선경사각을 갖는 기판 표면의 액정 방향자들에 의해 패널에 형성되는 수직 전기장에 반응하는 상부 기판과 하부 기판 내부의 나머지 액정들의 반응 시간 이 짧아지는 것을 특징으로 하는 광경화성 고분자를 이용한 고속 응답 수직 배향 액정 표시 소자의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 액정에 혼합되는 광경화성 고분자의 양은 액정 양의 2wt%미만으로하고, 광개시제를 광경화성 고분자 양의 1wt%미만으로 혼합하는 것을 특징으로 하는 광경화성 고분자를 이용한 고속 응답 수직 배향 액정 표시 소자의 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서, 혼합물들은 액정이 무결정 상을 나타내는 Tni이상의 온도에서 1분 이상 방치하고, 고주파음으로 1분 이상 진동 시켜 완전 혼합 시키고 상온으로 냉각하여 패널에 주입 하는 것을 특징으로 하는 광경화성 고분자를 이용한 고속 응답 수직 배향 액정 표시 소자의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상??하부 전극에 의해 형성된 수직 전기장의 세기는 문턱전압 이상의 전위차가 되어야하며, 외부 전기장의 간섭을 받을 수 있는 수직 배향 액정 표시 소자일 경우 외부 전기장이 충분히 무시될 수 있는 정도로 강한 전기장을 형성해야 하며, 수직 전기장의 세기가 셀수록 표면 액정 방향자가 갖는 멀티 선경사각을 크게 할 수 있으며 멀티 선경사각이 클수록 수직 배향 액정 표시 소자의 문턱전압과 구동전압은 낮아지며, 응답 시간이 빨라지는 것을 특징으로 하는 광경화성 고분자를 이용한 고속 응답 수직 배향 액정 표시 소자의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서, 300 ~ 400nm의 파장대를 가지는 UV가 충분히 조사되어 광경화성 고분자가 수직 전기장에 반응하여 패널 내부에서 기울어진 액정들 중 기판 표면의 기울어진 액정 배열을 따라 일정한 기울기를 갖으며 경화되는 것을 특징으로 하는 광경화성 고분자를 이용한 고속 응답 수직 배향 액정 표시 소자의 제조방법.
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