KR20110136553A - 액정 표시 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따르면, 기판 위에 수평 배향막과 수직 배향막을 포함하는 배향막을 이용하여 강유전성 액정을 배향함으로써, 강유전성 액정 분자의 운동 궤적의 회전축이 기판의 표면에 대하여 90도±12도를 이루도록 액정을 배열시킬 수 있다. 이에 의하여, 기판 전면에 균일한 배향을 제공할 수 있고, 이에 의하여 높은 대비비를 가지고 연속적인 계조 표시가 가능하고, 빠른 응답 속도를 가지는 액정 표시 장치를 제공할 수 있다.

Description

액정 표시 장치{LIQUID CRYSTAL DISPLAY}
본 발명은 액정 표시 장치에 관한 것이다.
액정 표시 장치 중, 강유전성 액정을 이용하는 경우, 다른 모드의 액정 표시 장치에 비하여 높은 응답 속도가 매우 짧아 고속 구동이 가능하다. 그러나, 기판 전면에 균일한 배향을 얻기 어렵고 화질이 저하되는 문제점이 있다.
특히, 강유전성 액정 표시 장치에서, 강유전성 액정의 회전축이 기판 면에 수직한 축을 중심으로 비대칭적으로 배열되기 때문에, 기판 면에 수직한 축을 중심으로 경사진 방향에서의 방위각의 변화에 따른 대비비의 변화가 비대칭적으로 나타나게 된다. 따라서, 화질이 저하되고, 균일한 계조 표시가 불가능하다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 균일한 계조 표시가 가능하고, 우수한 시야각을 가지고, 빠른 응답 속도를 가지는 강유전성 액정 표시 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 기판 위에 수평 배향막과 수직 배향막이 적층된 배향막을 이용하여 강유전성 액정을 배향함으로써, 강유전성 액정 분자의 운동 궤적의 회전축이 기판의 표면에 대하여 수직을 이루도록 액정을 배열시킬 수 있다.
본 발명의 다른 한 실시예에 따르면, 기판 위에 수평 배향막과 수직 배향막을 혼합한 배향막을 이용하여 강유전성 액정을 배향할 수 있다. 이에 의하여, 강유전성 액정 분자의 회전축이 기판의 표면에 대하여 수직을 이루도록 액정을 배열시킬 수 있다.
따라서, 기판 전면에 균일하고 안정된 배향을 제공할 수 있고, 이에 의하여 높은 대비비를 가지고 연속적인 계조 표시가 가능하고, 빠른 응답 속도를 가지는 액정 표시 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기판 위에 수평 배향막과 수직 배향막을 포함하는 배향막을 이용하여 강유전성 액정을 배향함으로써, 강유전성 액정 분자의 회전축이 기판의 표면에 대하여 수직을 이루도록 액정을 배열시킬 수 있다. 이에 의하여, 기판 전면에 균일한 배향을 제공할 수 있고, 이에 의하여 높은 대비비를 가지고 연속적인 계조 표시가 가능하고, 빠른 응답 속도를 가지는 액정 표시 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치를 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 액정 표시 장치를 도시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 액정 표시 장치를 도시하는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 액정 표시 장치를 도시하는 단면도이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 실험예에 따른 액정 표시 장치의 배향막의 선경사의 결과를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.
먼저, 도 1을 참고하여 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치를 도시하는 단면도이다.
도 1을 참고하면, 본 실시예에 따른 액정 표시 장치는 서로 마주보는 두 표시판(100, 200)과 그 사이에 주입되어 있는 액정층(3)을 포함한다.
하부 표시판(100)은 제1 절연 기판(110) 위에 배치되어 있는 제1 전극(120) 및 제2 전극(130), 그리고 그 위에 배치되어 있으며, 제1 수평 배향막(1a), 제1 수평 배향막(1a) 위에 배치되어 있는 제1 수직 배향막(1b)을 포함하는 제1 배향막(11a)을 포함한다. 제1 수평 배향막(1a) 및 제1 수직 배향막(1b)은 PI, 광배향막, 나일론(nylon), PVC, PVA 등의 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 전극(120)과 제2 전극(130)은 서로 다른 전위가 인가될 수 있고, 투명한 도전체로 형성될 수 있다.
상부 표시판(200)은 제2 절연 기판(210) 위에 배치되어 있으며, 제2 수평 배향막(2a), 제2 수평 배향막(2a) 위에 배치되어 있는 제2 수직 배향막(2b)을 포함 제2 배향막(21a)을 포함한다. 제2 수평 배향막(2a) 및 제2 수직 배향막(2b)은 PI, 광배향막, 나일론(nylon), PVC, PVA 등의 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
하부 표시판(100)의 제1 배향막(11a)과 상부 표시판(200)의 제2 배향막(21a)은 서로 다른 방향으로 러빙되어 있을 수 있다.
하부 표시판(100)의 제1 기판(110) 위에 제1 수평 배향막(1a)을 적층한 후, 러빙하지 않고, 그 위에 제1 수직 배향막(1b)을 적층할 수 있고, 또는 제1 기판(110) 위에 제1 수평 배향막(1a)을 적층한 후, 원하는 방향으로 러빙한 후, 그 위에 제1 수직 배향막(1b)을 적층할 수도 있다.
상부 표시판(200)의 제2 수평 배향막(2a) 및 제2 수직 배향막(2b)도 유사하게, 제2 기판(210) 위에 제2 수평 배향막(2a)을 적층한 후, 러빙하지 않고, 그 위에 제2 수직 배향막(2b)을 적층할 수 있고, 또는 제2 기판(210) 위에 제2 수평 배향막(2a)을 적층한 후, 원하는 방향으로 러빙한 후, 그 위에 제2 수직 배향막(2b)을 적층할 수도 있다.
수직 배향막(1b, 2b)은 수직 배향물질을 용매(NMP: BL: BC)에 섞어서 코팅한다. 수직 배향막 물질의 함량(용량 백분율: wt%)에 따라 수직 배향(130)의 두께가 달라진다.
제1 배향막(11a) 및 제2 배향막(21a)은 광배향 물질을 포함하고, 광배향될 수 있다. 구체적으로 광배향 물질은 광에 대한 반응의 종류에 따라 광분해 물질, 광이성화 물질, 광경화 물질 및 광중합 물질 등으로 나눌 수 있다. 광분해 물질의 경우에는 편광된 UV에 의해 폴리머 사슬의 분해를 비등방적으로 일으켜 이에 의해 생성된 구조적 비등방성을 이용하여 광배향될 수 있다. 예를 들어, 폴리이미드에 편광된 UV를 조사하면, 사슬이 끊어지고 산화반응이 동반된다. 위와 같은 물질은 높은 열적 안정성을 가질 수 있다. 광이성화 물질은 광에 의해 cis/trans isomer로 변화가 일어나며 이에 의해 생성된 방향으로 광배향된다. 광경화 물질은 편광된 UV에 의해 편광방향으로 배향되어 있는 광반응기들이 선택적으로 반응하여 이방성을 갖음으로써 광배향된다.
광중합 물질은 광조사시, 광중합이 되어 선경사를 갖는 폴리머를 형성한다.
광배향물질은 폴리이미드(Polyimide), 폴리아믹산(Polyamic acid), 폴리노보넨, 페닐 말레이미드 공중합체, 폴리비닐신나메이트(polyvinylcinnamate), 폴리아조벤젠(polyazobenzene), 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine), 폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol), 폴리아미드(Polyamide), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리스틸렌(Polystylene), 폴리페닐렌프탈아미드(Polyphenylenephthalamide), 폴리에스테르(Polyester), 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리실록산에시나메이트(Polysiloxanecinnamate), 셀룰로세신나메이트(cellulosecinnamate)계 화합물 및 폴리메틸 메타크릴 레이트(Polymethyl methacrylate)계 화합물로 구성된 군에서 선택된 고분자물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 모든 배향막은 그 위에 배치되는 액정 분자가 일정한 선경사(pre-tilt)를 가지도록 러빙되어 있는데, 본 명세서에서 선경사는 각도(angle)와 방향(direction)을 가질 수 있으며, 이하에서는 이를 각각 극각(polar angle, 0-180) 및 방위각(azimuthal angle, 0-360)으로 정의하도록 한다. 즉, 선경사는 방위각(azimuthal angle, 0도 내지 360) 및 극각(polar angle, -90도 내지 +90도)을 모두 포함하는 의미로 해석될 수 있다. 여기서, 방위각은 배향막 또는 액정의 기판 면상으로의 투영이 액정 표시 장치의 신호선, 예를 들어 게이트 라인 또는 데이터 라인을 기준으로 하여 기울어진 각도를 의미한다. 극각은 배향 조절제 또는 액정이 기판의 수평면에 대하여 수직을 이루는 선(기판 면의 법선)을 기준으로 기울어진 각도를 의미한다.
액정층(3)은 복수의 강유전성 액정 분자(31)를 포함하는데, 강유전성 액정 분자(31)는 기판(110, 210) 표면에 거의 수직한, 예를 들어 약 90도±12도의 범위의 각도를 이루는 축을 중심으로 소정 각도, 예를 들어, 360도 회전하여 나선형으로 꼬여있다. 본 실시예에 따른 액정 표시 장치의 경우, 액정 분자(31)가 약 360도 회전하여 나선형으로 꼬여 있는 경우를 예로 들었지만, 액정이 회전한 각도는 액정층(3)의 피치와 셀 간격에 의하여 변화 가능하다. 액정 분자(31)는 원추 형태(400)의 운동 궤적을 따라 회전 등의 운동을 하게 되는데, 액정 분자(31)의 한 끝은 원추(400)의 꼭지점에 고정이 되고, 다른 한쪽은 원추(400)의 원주상에서 일정한 방향으로 회전하는 형태로 운동하게 된다. 이때, 액정 분자(31)의 운동 방향을 나타내는 원추(400)의 원추 각도(cone angle)를 제1 각도(θ1)라고 할 때, 기판에 수직을 이루는 면을 기준으로 액정 분자가 회전 운동하는 회전 축이 이루는 각도, 액정 분자(31)의 운동 방향을 나타내는 원추(400)의 원추 각도(θ1), 그리고 기판의 수평면을 기준으로 액정 분자(31)가 기울어진 각도(θ2),의 합은 약 90도일 수 있다.
즉, 강유전성 액정 분자(31)는 운동 궤적을 나타내는 원추(400)의 중심 축이 기판(110, 210)의 수평면에 대하여 약 90도±12도의 범위 내의 각도를 이루도록 선경사를 가지도록 배향되어 있다. 이에 의하여, 액정 분자는 기판의 수평면에 대하여 수직에 가까운 각도를 이루는 축을 중심으로 대칭적으로 운동할 수 있다.
도시한 실시예에서는, 하부 표시판(100)과 상부 표시판(200) 모두 수평 배향막과 수직 배향막을 포함하였지만, 두 표시판(100, 200) 중 적어도 하나의 표시판이 수평 배향막과 수직 배향막의 적층 구조를 이루는 배향막을 포함할 수도 있다.
도시하지는 않았지만, 제1 기판(110) 또는 제2 기판(210) 위에는 게이트선, 데이터선 등의 신호선과 신호선에 연결되어 있는 스위칭 소자, 예를 들어 박막 트랜지스터(TFT), 그리고 색필터, 차광 부재 등이 형성되어 있을 수 있다. 제1 전극(120)과 제2 전극(130) 중 적어도 하나는 스위칭 소자에 연결되어 있을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 경우, 수평 배향막과 수직 배향막을 포함하는 배향막을 이용하여, 액정을 배향하기 때문에, 수평 배향막과 수직 배향막의 앵커링 에너지(anchoring energy)의 조합에 의해 수평 배향막과 수직 배향막의 극각의 중간 값을 가지는 극각을 구현할 수 있다. 구체적으로 수평 배향막의 경우 약 4-5ㅀ의 선경사의 극각을 가지고, 수직 배향막은 약 89-90ㅀ의 선경사의 극각을 가진다. 따라서, 본 실시예에 따른 액정 표시 장치의 경우, 원하는 각도의 선경사의 극각을 가지도록 액정을 배향할 수 있다. 예를 들어, 수평 배향막에 비하여 수직 배향막의 두께를 증가할 경우, 선경사의 극각은 커지고, 그 반대의 경우 선경사의 극각은 작아질 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 경우, 액정 분자가 원하는 극각을 가지도록 배향할 수 있다. 즉, 강유전성 액정 분자가 운동하는 원추의 원추 각과 액정 분자의 극각이 서로 같도록 액정 분자의 선경사 각을 조절할 수 있다.
그러면, 도 2를 참고하여, 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 액정 표시 장치에 대하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 단면도이다.
도 2를 참고하면, 본 실시예에 따른 액정 표시 장치는 도 1에 도시한 실시예에 따른 액정 표시 장치와 유사하다.
도 2를 참고하면, 본 실시예에 따른 액정 표시 장치는 서로 마주보는 두 표시판(100, 200)과 그 사이에 주입되어 있는 액정층(3)을 포함한다.
하부 표시판(100)은 제1 절연 기판(110) 위에 배치되어 있는 제1 전극(120) 및 제2 전극(130), 그리고 그 위에 배치되어 있으며, 수평 배향막과 수직 배향막이 혼합되어 있는 제3 배향막(11b)을 포함한다. 제3 배향막(11b)은 PI, 광배향막, 나일론(nylon), PVC, PVA 등의 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 전극(120)과 제2 전극(130)은 서로 다른 전위가 인가될 수 있고, 투명한 도전체로 형성될 수 있다.
상부 표시판(200)은 제2 절연 기판(210), 그리고 제2 절연 기판(210) 위에 배치되어 있으며, 수평 배향막과 수직 배향막을 포함하는 제4 배향막(21b)을 포함한다. 제4 배향막(21b)은 PI, 광배향막, 나일론(nylon), PVC, PVA 등의 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
하부 표시판(100)의 제3 배향막(11b)과 상부 표시판(200)의 제4 배향막(21b)은 서로 다른 방향으로 러빙되어 있을 수 있다.
제3 배향막(11b)과 제4 배향막(21b)은 광배향 물질을 포함하고, 광배향될 수 있다. 구체적으로 광배향 물질은 광에 대한 반응의 종류에 따라 광분해 물질, 광이성화 물질, 광경화 물질 및 광중합 물질 등으로 나눌 수 있다. 광분해 물질의 경우에는 편광된 UV에 의해 폴리머 사슬의 분해를 비등방적으로 일으켜 이에 의해 생성된 구조적 비등방성을 이용하여 광배향될 수 있다. 예를 들어, 폴리이미드에 편광된 UV를 조사하면, 사슬이 끊어지고 산화반응이 동반된다. 위와 같은 물질은 높은 열적 안정성을 가질 수 있다. 광이성화 물질은 광에 의해 cis/trans isomer로 변화가 일어나며 이에 의해 생성된 방향으로 광배향된다. 광경화 물질은 편광된 UV에 의해 편광방향으로 배향되어 있는 광반응기들이 선택적으로 반응하여 이방성을 갖음으로써 광배향된다.
광중합 물질은 광조사시, 광중합이 되어 선경사를 갖는 폴리머를 형성한다.
광배향물질은 폴리이미드(Polyimide), 폴리아믹산(Polyamic acid), 폴리노보넨, 페닐 말레이미드 공중합체, 폴리비닐신나메이트(polyvinylcinnamate), 폴리아조벤젠(polyazobenzene), 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine), 폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol), 폴리아미드(Polyamide), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리스틸렌(Polystylene), 폴리페닐렌프탈아미드(Polyphenylenephthalamide), 폴리에스테르(Polyester), 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리실록산에시나메이트(Polysiloxanecinnamate), 셀룰로세신나메이트(cellulosecinnamate)계 화합물 및 폴리메틸 메타크릴 레이트(Polymethyl methacrylate)계 화합물로 구성된 군에서 선택된 고분자물질을 포함할 수 있다.
도시하지는 않았지만, 제1 절연 기판(110)과 제3 배향막(11b) 사이에는 게이트선, 데이터선 등의 신호선과 신호선에 연결되어 있는 스위칭 소자, 예를 들어 박막 트랜지스터(TFT) 등이 형성되어 있을 수 있고, 제2 절연 기판(210)과 제4 배향막(21b) 사이에는 색필터, 차광 부재, 공통 전극 등이 형성되어 있을 수 있다.
그러나, 도 1에 도시한 실시예에 따른 액정 표시 장치와는 다르게, 본 실시예에 따른 액정 표시 장치의 제3 배향막(11b)과 제4 배향막(21b)은 수평 배향 물질과 수직 배향 물질이 혼합된 배향막이다.
제3 배향막(11b)과 제4 배향막(21b)은 수직 배향물질을 용매(NMP: BL: BC)에 섞어서 수평 배향막에 혼합하여 형성할 수 있다. 수직 배향막 물질의 함량(용량 백분율:wt%)에 따라 제3 배향막(11b)과 제4 배향막(21b)에 의한 선경사의 극각이 달라진다.
액정층(3)은 복수의 강유전성 액정 분자(31)를 포함하는데, 강유전성 액정 분자(31)는 기판(110, 210) 표면에 거의 수직한, 예를 들어 약 90도±12도의 범위의 각도를 이루는 축을 중심으로, 소정 각도, 예를 들어, 360도 회전하여 나선형으로 꼬여있다. 본 실시예에 따른 액정 표시 장치의 경우, 액정 분자(31)가 약 360도 회전하여 나선형으로 꼬여 있는 경우를 예로 들었지만, 액정이 회전한 각도는 액정층(3)의 피치와 셀 간격에 의하여 변화 가능하다. 액정 분자(31)는 원추 형태(400)로 회전 등의 운동을 하게 되는데, 액정 분자(31)의 한 끝은 원추(400)의 꼭지점에 고정이 되고, 다른 한쪽은 원추(400)의 원주상에서 일정한 방향으로 회전하는 형태로 운동하게 된다. 이때, 액정 분자(31)의 운동 방향을 나타내는 원추(400)의 원추 각도(cone angle)를 제1 각도(θ1)라고 할 때, 기판에 수직을 이루는 면을 기준으로 액정 분자가 회전 운동하는 회전 축이 이루는 각도, 액정 분자(31)의 운동 방향을 나타내는 원추(400)의 원추 각도(θ1), 그리고 기판의 수평면을 기준으로 액정 분자(31)가 기울어진 각도(θ2),의 합은 약 90도일 수 있다.
즉, 강유전성 액정 분자(31)는 운동 방향을 나타내는 원추(400)의 중심 축이 기판(110, 210)의 수평면에 대하여 약 90도±12도의 범위 내의 각도를 이루도록 선경사를 가지도록 배향되어 있다. 이에 의하여, 액정 분자는 기판의 수평면에 대하여 수직에 가까운 각도를 이루는 축을 중심으로 대칭적으로 운동할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 경우, 수평 배향막과 수직 배향막을 혼합한 배향막을 이용하여 액정을 배향하기 때문에, 수평 배향막과 수직 배향막의 앵커링 에너지(anchoring energy)의 조합에 의해 수평 배향막과 수직 배향막의 극각의 중간 값을 가지는 극각을 구현할 수 있다.
그러면, 도 3을 참고하여, 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 액정 표시 장치에 대하여 설명한다. 본 실시예에 따른 액정 표시 장치는 도 2에 도시한 실시예에 따른 액정 표시 장치와 유사하다.
도 3을 참고하면, 본 실시예에 따른 액정 표시 장치는 서로 마주보는 두 표시판(100, 200)과 그 사이에 주입되어 있는 액정층(3)을 포함한다.
하부 표시판(100)은 제1 절연 기판(110) 위에 배치되어 있는 제1 전극(120) 및 제2 전극(130), 그리고 그 위에 배치되어 있으며, 제1 배향 기저막(1c)과 제1 배향 기저막(1c)으로부터 뻗어 나와 있는 제1 배향 조절층(1d)을 포함하는 제5 배향막(11c)을 포함한다. 제5 배향막(11c)은 PI, 광배향막, 나일론(nylon), PVC, PVA 등의 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 전극(120)과 제2 전극(130)은 서로 다른 전위가 인가될 수 있고, 투명한 도전체로 형성될 수 있다.
상부 표시판(200)은 제2 절연 기판(210), 그리고 제2 절연 기판(210) 위에 배치되어 있으며, 제2 배향 기저막(2c)과 제2 배향 기저막(2c)으로부터 뻗어 나와 있는 제2 배향 조절층(2d)을 포함하는 제6 배향막(21c)을 포함한다. 제6 배향막(21c)은 PI, 광배향막, 나일론(nylon), PVC, PVA 등의 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
하부 표시판(100)의 제5 배향막(11c)과 상부 표시판(200)의 제6 배향막(21c)은 서로 다른 방향으로 러빙되어 있을 수 있다.
도시하지는 않았지만, 제1 절연 기판(110)과 제5 배향막(11c) 사이에는 게이트선, 데이터선 등의 신호선과 신호선에 연결되어 있는 스위칭 소자, 예를 들어 박막 트랜지스터(TFT) 등이 형성되어 있을 수 있고, 제2 절연 기판(210)과 제6 배향막(21c) 사이에는 색필터, 차광 부재, 공통 전극 등이 형성되어 있을 수 있다.
그러나, 도 2에 도시한 실시예에 따른 액정 표시 장치와는 다르게, 본 실시예에 따른 액정 표시 장치의 배향막(11c, 21c)은 배향 기저막(1c, 2c)과 함께 배향 기저막(1c, 2c)으로부터 뻗어 나와 있는 배향 조절층(1d, 2d)을 포함한다.
제1 배향 기저막(1d)과 제2 배향 기저막(2d)은 광배향 물질을 포함하고, 광배향될 수 있다. 구체적으로 광배향 물질은 광에 대한 반응의 종류에 따라 광분해 물질, 광이성화 물질, 광경화 물질 및 광중합 물질 등으로 나눌 수 있다. 광분해 물질의 경우에는 편광된 UV에 의해 폴리머 사슬의 분해를 비등방적으로 일으켜 이에 의해 생성된 구조적 비등방성을 이용하여 광배향될 수 있다. 예를 들어, 폴리이미드에 편광된 UV를 조사하면, 사슬이 끊어지고 산화반응이 동반된다. 위와 같은 물질은 높은 열적 안정성을 가질 수 있다. 광이성화 물질은 광에 의해 cis/trans isomer로 변화가 일어나며 이에 의해 생성된 방향으로 광배향된다. 광경화 물질은 편광된 UV에 의해 편광방향으로 배향되어 있는 광반응기들이 선택적으로 반응하여 이방성을 갖음으로써 광배향된다.
광중합 물질은 광조사시, 광중합이 되어 선경사를 갖는 폴리머를 형성한다.
광배향물질은 폴리이미드(Polyimide), 폴리아믹산(Polyamic acid), 폴리노보넨, 페닐 말레이미드 공중합체, 폴리비닐신나메이트(polyvinylcinnamate), 폴리아조벤젠(polyazobenzene), 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine), 폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol), 폴리아미드(Polyamide), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리스틸렌(Polystylene), 폴리페닐렌프탈아미드(Polyphenylenephthalamide), 폴리에스테르(Polyester), 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리실록산에시나메이트(Polysiloxanecinnamate), 셀룰로세신나메이트(cellulosecinnamate)계 화합물 및 폴리메틸 메타크릴 레이트(Polymethyl methacrylate)계 화합물로 구성된 군에서 선택된 고분자물질을 포함할 수 있다.
배향 조절층(1d, 2d)은 광중합성 모노머 또는 올리고머를 광중합하여 형성된 것이다. 광중합성 모노머 또는 올리고머로는 리액티브 메조겐(RM: Reactive Mesogen), 노어랜드(Norland)사의 NOA series 등이 있다. 리액티브 메조겐(RM)은 중합성 메조겐성 화합물을 의미한다. "메조겐성 화합물" 또는 "메조겐성 물질"은 하나 이상의 막대 모양, 판 모양 또는 디스크 모양 메조겐성 기, 즉 액정상 거동을 유도할 수 있는 능력을 가진 기를 포함하는 물질 또는 화합물을 포함한다. 막대 모양 또는 판모양 기를 가진 액정 화합물은 캘라미틱(calamitic) 액정으로서 당분야에 공지되어 있고, 디스크 모양 기를 가진 액정 화합물은 디스코틱 액정으로서 당분야에 공지되어 있다. 메조겐성 기를 포함하는 화합물 또는 물질은 필수적으로 그 자체로서 액정상을 나타낼 필요는 없다. 또한, 다른 화합물과의 혼합물에서만, 또는 메조겐성 화합물 또는 물질, 또는 그들의 혼합물의 중합 시 액정상 거동을 나타내는 것이 가능하다.
리액티브 메조겐은 자외선 등의 광에 의하여 중합되며, 인접한 물질의 배향 상태에 따라 배향되는 물질이다. 리액티브 메조겐의 예로는 아래의 식으로 표현되는 화합물을 들 수 있다:
P1-A1-(Z1-A2)n-P2,
여기서, P1과 P2는 아크릴레이트(acrylate), 메타크릴레이트(methacrylate), 비닐(vinyl), 비닐옥시(vinyloxy) 및 에폭시(epoxy) 그룹 중에서 독립적으로 선택되는 것이고, A1과 A2는 1,4-페닐렌(phenylen)과 나프탈렌(naphthalene)-2,6-다일(diyl) 그룹 중에서 독립적으로 선택되는 것이며, Z1은 COO-, OCO- 및 단일 결합 중의 하나이고, n은 0, 1 및 2 중의 하나이다.
좀 더 구체적으로는 아래의 식 중 하나로 표현되는 화합물을 들 수 있다:
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
여기서, P1과 P2는 아크릴레이트(acrylate), 메타크릴레이트(methacrylate), 비닐(vinyl), 비닐옥시(vinyloxy) 및 에폭시(epoxy) 그룹 중에서 독립적으로 선택되는 것이다.
제1 배향 기저막(1c)과 제2 배향 기저막(2c)은 수평 배향 물질과 수직 배향 물질이 혼합된 배향막이다. 제1 배향 기저막(1c)과 제2 배향 기저막(2c)은 수직 배향물질을 용매(NMP: BL: BC)에 섞어서 수평 배향막에 혼합하여 형성할 수 있다. 수직 배향막 물질의 함량(용량 백분율:wt%)에 따라 제1 배향 기저막(1d)과 제2 배향 기저막(2d)에 의한 선경사의 극각이 달라진다.
그러나, 본 발명의 다른 실시예에 따른 액정 표시 장치에 따르면, 제1 배향 기저막(1c)과 제2 배향 기저막(2c)은 수평 배향 물질과 수직 배향 물질을 포함할 수 있고, 수평 배향 물질층과 수직 배향 물질층이 적층된 구조를 가질 수 있다.
배향 조절층(1d, 2d)는 액정 분자(31)의 초기 배향 상태에 따라 광중합되어, 액정 분자(31)의 선경사를 강화하여, 배향 상태를 안정화한다.
액정층(3)은 복수의 강유전성 액정 분자(31)를 포함하는데, 강유전성 액정 분자(31)는 기판(110, 210) 표면에 거의 수직한, 예를 들어 약 90도±12도의 범위의 각도를 이루는 축을 중심으로 소정 각도, 예를 들어, 360도 회전하여 나선형으로 꼬여있다. 본 실시예에 따른 액정 표시 장치의 경우, 액정 분자(31)가 약 360도 회전하여 나선형으로 꼬여 있는 경우를 예로 들었지만, 액정이 회전한 각도는 액정층(3)의 피치와 셀 간격에 의하여 변화 가능하다. 액정 분자(31)는 원추 형태(400)로 회전 등의 운동을 하게 되는데, 액정 분자(31)의 한 끝은 원추(400)의 꼭지점에 고정이 되고, 다른 한쪽은 원추(400)의 원주상에서 일정한 방향으로 회전하는 형태로 운동하게 된다. 이때, 액정 분자(31)의 운동 방향을 나타내는 원추(400)의 원추 각도(cone angle)를 제1 각도(θ1)라고 할 때, 기판에 수직을 이루는 면을 기준으로 액정 분자가 회전 운동하는 회전 축이 이루는 각도와, 액정 분자(31)의 운동 방향을 나타내는 원추(400)의 원추 각도(θ1), 그리고 기판의 수평면을 기준으로 액정 분자(31)가 기울어진 각도(θ2)의 합은 약 90도일 수 있다.
즉, 강유전성 액정 분자(31)는 운동 방향을 나타내는 원추(400)의 중심 축이 기판(110, 210)의 수평면에 대하여 약 90도±12도의 범위 내의 각도를 이루도록 선경사를 가지도록 배향되어 있다. 이에 의하여, 액정 분자는 기판의 수평면에 대하여 수직에 가까운 각도를 이루는 축을 중심으로 대칭적으로 운동할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 경우, 수평 배향막과 수직 배향막을 혼합한 배향막을 이용하여 액정을 배향하기 때문에, 수평 배향막과 수직 배향막의 앵커링 에너지(anchoring energy)의 조합에 의해 수평 배향막과 수직 배향막의 극각의 중간 값을 가지는 극각을 구현할 수 있다.
도시한 실시예에서는 배향 기저막(1c, 2c)이 수평 배향막과 수직 배향막이 혼합된 배향 물질을 이용하였지만, 도 1에 도시한 실시예에 따른 액정 표시 장치와 같이, 수평 배향층과 수직 배향층이 적층된 구조를 가질 수도 있다.
그러면, 도 4를 참고하여, 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 동작에 대하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 동작을 나타내는 단면도이다.
도 4를 참고하면, 액정 표시 장치의 액정 분자(31)는 배향막(11, 21)에 의하여, 그 운동 궤적을 이루는 원추의 축이 기판(110, 210) 표면에 수직을 이루도록 배향되어 있다. 액정 표시 장치의 두 전극(120, 130)에 서로 다른 전압을 인가하면, 두 전극(120, 130) 사이에 전기장이 생성된다. 전기장이 생성되면 액정 분자(31)는 액정 분자(31)의 분극 모멘트와 전기장 사이의 극성 상호 작용에 의해 전기장의 극성에 따라 원추 형태의 운동 면을 따라 회전하게 된다. 도 4의 (a)에서는 전기장과 액정 분자(31)의 분극 모멘트에 의해, 액정 분자(31)는 모두 후방으로 이동하고, 도 4의 (b)에서는 액정 분자(31)는 모두 전방으로 이동한다.
이처럼, 본 실시예에 따른 액정 표시 장치의 액정 분자(31)는 기판(110, 210) 면과 거의 수직을 이루는 축을 중심으로 대칭적으로 운동하게 된다. 따라서, 액정 분자(31)의 비대칭적 운동에 따른 화질 저하를 방지할 수 있고, 한 화소 내에서 액정 분자(31)의 운동 방향을 다양하게 함으로써, 계조 표시가 가능하고, 응답 속도도 빨라질 수 있다.
그러면, 도 5 내지 도 8을 참고하여, 본 발명의 실험예에 따른 액정 표시 장치의 배향막의 선경사 결과에 대하여 설명한다. 도 5 내지 도 8은 본 발명의 실험예에 따른 액정 표시 장치의 배향막의 선경사의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5를 참고하면, 도 1에 도시한 실시예에 따른 액정 표시 장치와 같이, 수평 배향막 위에 수직 배향막을 적층한 배향막의 경우, 수직 배향막의 두께에 따라 선경사의 극각을 조절할 수 있음을 알 수 있었다. 구체적으로, 수직 배향막이 두꺼우면 선경사각(90도-극각)은 커지고, 수직 배향막이 얇아지면 선경사각(90도-극각)은 작아짐을 알 수 있었다. 이에 의해, 강유전성 액정 분자(31)의 운동 궤적을 이루는 원추의 원추 각도와 거의 동일한 선경사 극각을 가지도록 액정 분자(31)를 배향할 수 있고, 이에 의하여, 액정 분자가 기판 표면에 대하여 거의 수직을 이루는 축을 중심으로 대칭적으로 운동할 수 있게 할 수 있다.
도 6을 참고하면, 도 2에 도시한 실시예에 따른 액정 표시 장치와 같이, 수평 배향막과 수직 배향막을 혼합한 배향막의 경우, 수직 배향 물질의 함량에 따라 선경사의 극각을 조절할 수 있음을 알 수 있었다. 구체적으로, 수직 배향 물질의 함량이 많을수록 선경사각(90도-극각)은 커지고, 수직 배향 물질의 함량이 적어질수록 선경사각(90도-극각)은 작아짐을 알 수 있었다. 이에 의해, 강유전성 액정 분자(31)의 운동 궤적을 이루는 원추의 원추 각도와 거의 동일한 선경사 극각을 가지도록 액정 분자(31)를 배향할 수 있고, 이에 의하여, 액정 분자가 기판 표면에 대하여 거의 수직을 이루는 축을 중심으로 대칭적으로 운동할 수 있게 할 수 있다.
도 7을 참고하면, 도 1에 도시한 실시예에 따른 액정 표시 장치와 같이, 수평 배향막 위에 수직 배향막을 적층한 배향막을 광배향한 경우, 자외선의 조사 시간 또는 수직 배향막의 두께를 조절함으로써, 선경사각을 조절할 수 있음을 알 수 있었다. 구체적으로, 자외선의 조사 시간을 증가하거나, 수직 배향막의 두께를 얇게 하면, 선경사각(90도-극각)은 작아지고, 자외선의 조사 시간이 감소하거나, 수직 배향막의 두께를 두껍게 하면, 선경사각(90도-극각)은 커짐을 알 수 있었다.
도 8을 참고하면, 도 2에 도시한 실시예에 따른 액정 표시 장치와 같이, 수평 배향막과 수직 배향막을 혼합한 배향막을 광배향한 경우, 자외선의 조사 시간 또는 수직 배향막의 두께를 조절함으로써, 선경사각을 조절할 수 있음을 알 수 있었다. 구체적으로, 자외선의 조사 시간을 증가하거나, 수직 배향 물질의 함량이 적어지면, 선경사각(90도-극각)은 작아지고, 자외선의 조사 시간이 감소하거나, 수직 배향 물질의 함량이 많아지면, 선경사각(90도-극각)은 커짐을 알 수 있었다.
이처럼, 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치는 기판 위에 수평 배향막과 수직 배향막을 포함하는 배향막을 이용하여 강유전성 액정을 배향함으로써, 강유전성 액정 분자의 운동 궤적의 회전축이 기판의 표면에 대하여 수직을 이루도록 액정을 배열시킬 수 있다. 이에 의하여, 기판 전면에 균일한 배향을 제공할 수 있고, 이에 의하여 높은 대비비를 가지고 연속적인 계조 표시가 가능하고, 빠른 응답 속도를 가지는 액정 표시 장치를 제공할 수 있다.
앞서 설명한 실시예에서는 제1 전극과 제2 전극이 서로 동일한 기판 위에 형성되어 있는 구조를 설명하였지만, 제1 전극 및 제2 전극은 서로 다른 기판 위에 형성될 수 있고, 서로 다른 층에 형성될 수도 있으며, 선형 또는 판형의 평면 형태를 가질 수도 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (17)

  1. 제1 기판,
    상기 제1 기판 위에 배치되어 있는 제1 전극 및 제2 전극,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 위에 배치되어 있으며, 수평 배향 물질과 수직 배향 물질을 포함하는 제1 배향막,
    상기 제1 기판과 마주보는 제2 기판,
    상기 제2 기판 위에 배치되어 있으며, 수평 배향 물질과 수직 배향 물질을 포함하는 제2 배향막, 그리고
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 배치되어 있으며, 강유전성 액정 분자를 포함하는 액정층을 포함하는 액정 표시 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 배향막은 적층되어 있는 제1 수평 배향층과 제1 수직 배향층을 포함하는 액정 표시 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 제2 배향막은 적층되어 있는 제2 수평 배향층과 제2 수직 배향층을 포함하는 액정 표시 장치.
  4. 제3항에서,
    상기 액정 분자는 상기 제1 기판의 표면에 대하여 약 90도±12도의 범위의 각도를 이루는 축을 중심으로 회전하여 꼬여 있는 액정 표시 장치.
  5. 제4항에서,
    상기 액정 분자는 상기 제1 기판의 표면에 대하여 수직을 이루는 축을 중심으로 회전하여 꼬여 있는 액정 표시 장치.
  6. 제4항에서,
    상기 액정 분자의 운동 방향을 나타내는 원추의 원추 각도와 상기 액정 분자의 선경사 각도(90도-극각), 그리고 상기 액정 분자의 회전 운동의 회전 축이 상기 제1 기판의 표면에 대하여 수직을 이루는 면과 이루는 각도의 합은 약 90도인 액정 표시 장치.
  7. 제69항에서,
    상기 액정 분자의 운동 방향을 나타내는 원추의 원추 각도와 상기 액정 분자의 선경사 각도(90도-극각)의 합은 90도인 액정 표시 장치.
  8. 제1항에서,
    상기 제1 배향막은 제1 배향 기저막과 상기 제1 배향 기저막으로부터 뻗어 나온 제1 배향 조절층을 포함하는 액정 표시 장치.
  9. 제8항에서,
    상기 제2 배향막은 제2 배향 기저막과 상기 제2 배향 기저막으로부터 뻗어 나온 제2 배향 조절층을 포함하는 액정 표시 장치.
  10. 제8항에서,
    상기 액정 분자는 상기 제1 기판의 표면에 대하여 약 90도±12도의 범위의 각도를 이루는 축을 중심으로 회전하여 꼬여 있는 액정 표시 장치.
  11. 제10항에서,
    상기 액정 분자는 상기 제1 기판의 표면에 대하여 수직을 이루는 축을 중심으로 회전하여 꼬여 있는 액정 표시 장치.
  12. 제10항에서,
    상기 액정 분자의 운동 방향을 나타내는 원추의 원추 각도와 상기 액정 분자의 선경사 각도(90도-극각), 그리고 상기 액정 분자의 회전 운동의 회전 축이 상기 제1 기판의 표면에 대하여 수직을 이루는 면과 이루는 각도의 합은 약 90도인 액정 표시 장치.
  13. 제12항에서,
    상기 액정 분자의 운동 방향을 나타내는 원추의 원추 각도와 상기 액정 분자의 선경사 각도(90도-극각)의 합은 90도인 액정 표시 장치.
  14. 제1항에서,
    상기 액정 분자는 상기 제1 기판의 표면에 대하여 약 90도±12도의 범위의 각도를 이루는 축을 중심으로 회전하여 꼬여 있는 액정 표시 장치.
  15. 제14항에서,
    상기 액정 분자는 상기 제1 기판의 표면에 대하여 수직을 이루는 축을 중심으로 회전하여 꼬여 있는 액정 표시 장치.
  16. 제14항에서,
    상기 액정 분자의 운동 방향을 나타내는 원추의 원추 각도와 상기 액정 분자의 선경사 각도(90도-극각), 그리고 상기 액정 분자의 회전 운동의 회전 축이 상기 제1 기판의 표면에 대하여 수직을 이루는 면과 이루는 각도의 합은 약 90도인 액정 표시 장치.
  17. 제16항에서,
    상기 액정 분자의 운동 방향을 나타내는 원추의 원추 각도와 상기 액정 분자의 선경사 각도(90도-극각)의 합은 90도인 액정 표시 장치.
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