KR20130040112A - 액정 표시 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생산성이 높고 저비용으로 제조 가능함과 아울러 표시 성능이 뛰어난 액정 표시 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 액정 표시 장치는 한 쌍의 기판 사이에 형성된 액정층을 갖고, 상기 액정층이 액정에 에어로겔 분말을 첨가하는 것에 의해 겔화되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

액정 표시 장치 및 그 제조 방법{LIQUID CRYSTAL DISPLAY AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}

본 발명은 액정 표시 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

투과 및 산란 모드의 액정 표시 장치는 액정 분자의 배향에 따라 광 산란 상태와 광 투과 상태를 변환하는 장치이다. 이러한 액정 표시 장치로는 고분자 분산형, 금속 산화물 분산형 등이 일반적으로 알려져 있다.

고분자 분산형의 액정 표시 장치는 한 쌍의 기판 사이에 형성된 고분자층 안에 액정 방울(drop)을 형성하여, 전압을 인가하지 않으면 액정 방울 내의 액정 분자가 랜덤에 배향하여 광 산란 상태를 나타내고, 전압을 인가하면 액정 방울 내의 액정 분자가 일정한 방향으로 배향하여 광 투과 상태를 나타내도록 구성되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1~4 참조).

금속 산화물 분산형의 액정 표시 장치는 한 쌍의 기판 사이에 형성된 금속 산화물층 안에 액정 방울을 형성하여, 고분자 분산형의 액정 표시 장치와 같은 원리에 의해 광산란 상태와 광투과 상태를 나타내도록 구성되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 5 참조)

그러나, 고분자 분산형의 액정 표시 장치는 고분자 선구체와 액정을 혼합하여 한 쌍의 기판 사이에 주입한 후 광조사 또는 가열을 실시하는 것으로 고분자 선구체를 중합시켜 고분자층을 형성함과 동시에 고분자층 안에 액정 방울을 형성해야 한다. 따라서, 고분자층이나 액정 방울을 형성하기 위한 재료나 프로세스가 필요하고, 제조 코스트가 상승하는 문제점이 있다. 또한, 고분자층 안에 액정 방울이 균일하게 형성되지 않는 경우가 있어서 표시 특성도 충분치 않은 문제점이 있다

금속 산화물 분산형의 액정 표시 장치는 금속 알콕시드 화합물 및 물의 혼합물을 광조사에 의해 가수분해하여 형성된 수용성의 집합체의 졸에 액정을 혼합하여 분산하고, 이것을 더 광조사 및 가열하여 탈수 축합 반응시키는 것으로 금속 산화물층을 형성함과 동시에 금속 산화물층 내에 액정 방울을 형성해야 한다. 따라서, 이 장치에서도 금속 산화물층이나 액정 방울을 형성하는데 필요로 하는 재료나 프로세스를 위해서 제조 코스트가 상승하고, 금속 산화물층 안에 액정 방울이 균일하게 형성되지 않기 때문에 표시 특성도 충분치 않은 문제점이 있다.

한편, 액정 표시 장치의 생산성을 높이기 위한 방법으로 롤-투-롤(Roll to Roll) 방법이 있지만, 상기와 같은 고분자 분산형이나 금속 산화물 분산형의 액정 표시 장치에 상기 롤-투-롤 방법을 응용하는 것이 곤란한 문제점이 있다.

특허문헌1: 일본특허공개 특개2002-182186호 특허문헌2: 일본특허공개 특개평6-235908호 특허문헌3: 일본특허공개 특개평5-107524호 특허문헌4: 일본특허공개 특개평6-235942호 특허문헌5: 일본특허공개 특개평5-072512호

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로 생산성이 높고 저비용으로 제조 가능함과 아울러 표시 성능이 뛰어난 액정 표시 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자는 상기와 같은 문제를 해결할 수 있도록 연구한 결과, 염가의 에어로겔(aerogel) 분말을 액정에 첨가하여 겔화시킨 것을 액정층에 이용하는 것으로, 고분자 분산형이나 금속 산화물 분산형의 액정 표시 장치와 같이 전압의 인가에 의해 액정 분자의 배향을 제어할 수 있는 것을 알아내고 본 발명을 완성하였다.

즉, 본 발명에 따른 액정 표시 장치는 한 쌍의 기판 사이에 형성된 액정층을 갖고, 상기 액정층이 액정에 에어로겔 분말을 첨가하는 것에 의해 겔화되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 액정 표시 장치의 제조 방법은 액정에 에어로겔 분말을 첨가하는 것에 의해 겔화시키는 제1 단계와; 겔화된 액정을 한 쌍의 기판 사이에 배치하는 제2 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제2 단계는 상기 한 쌍의 기판 중 하나의 기판 상에 상기 겔화된 액정을 도포하여 액정층을 형성하고, 상기 액정층이 형성된 기판 상에 다른 기판을 적층하여 합착하는 단계를 포함한다.

상기 제1 단계는 상기 액정에 상기 에어로겔을 첨가한 후 초음파를 조사하는 단계를 추가로 포함한다.

상기 제2 단계는 잉크젯 방법을 이용하여 상기 겔화된 액정을 상기 하나의 기판 상에 인쇄하는 단계를 포함한다.

상기 액정층에서 상기 에어로겔 분말의 첨가량은 2~6 질량%이다. 상기 에어로겔 분말의 평균 입경이 100nm 이하이다. 상기 에어로겔 분말은 친수성이다. 상기 에어로겔 분말은 실리카 에어로겔 분말이다. 상기 액정은 포지티브형 네마틱 액정이다. 상기 액정에서 액정 분자의 단축 방향의 굴절율이 상기 에어로겔 분말의 굴절율과 유사하다. 상기 액정 분자의 굴절율과 상기 에어로겔 분말의 굴절율의 차이가 0.05 이상이다. 상기 기판은 플렉서블 기판이다.

본 발명에 의하면, 생산성이 높고 저비용으로 제조 가능함과 아울러 표시 성능이 뛰어난 액정 표시 장치 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 액정 표시 장치의 단면도이다.

본 발명에 따른 액정 표시 장치는 한 쌍의 기판 사이에 형성된 액정층을 갖는다. 상기 액정층은 액정에 에어로겔 분말을 첨가하는 것에 의해 겔화되고 있다. 에어로겔 분말은 습윤 겔을 초임계 상태로 건조하는 것에 의해서 얻을 수 있는 초미세 구조를 갖는 다공질체(에어로겔)를 분말 상으로 한 것을 의미한다. 에어로겔 분말은 용매 등에 첨가하면 용이하게 겔화되는 특성을 갖고 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 액정 표시 장치에 대해 상세하게 설명한다. 본 발명에 따른 액정 표시 장치는 액정층의 구성 이외는 공지의 액정 표시 장치의 구성을 채용할 수 있으므로 이하의 구성으로 한정되는 것은 아니다.

도 1은 평면 전극을 이용한 본 발명에 따른 액정 표시 장치의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 제1 기판(1a)과 제2 기판(1b) 사이에 액정층(2)이 협지되어 있다. 제1 기판(1a) 및 제2 기판(1b) 상에는 평면 전극(3)이 형성되어 있고, 스페이서(5)에 의해서 셀갭이 균일하게 유지되고 있다. 액정층(2)은 실링재(4)에 의해 봉지되고 있다. 평면 전극 구조는 트위스티드 네마틱 모드 등에 일반적으로 채용되고 있다.

액정층(2)은 액정에 에어로겔 분말을 첨가하는 것에 의해 겔화되어 있다. 에어로겔 분말로는 특별히 한정되지 않고 예를 들면, 실리카 에어로겔 분말이나 카본 에어로겔 분말 등을 이용할 수 있다. 그 중에서도 에어로겔 분말은 실리카 에어로겔 분말인 것이 바람직하다. 그 이유는 실리카 에어로겔 분말의 굴절률은 약 1.46으로 액정 분자의 단축 방향의 굴절률(no)과 거의 유시하고, 전압을 인가하여 액정층(2)의 액정 분자를 일정한 방향으로 배향시켰을 때 산란이 일어나지 않아 양호한 광투과 상태를 나타내기 때문이다.

실리카 에어로겔 분말은 알콕시실란(alkoxysilane)의 가수분해와 중합 반응에 의해서 얻어진 실리카 골격으로 구성되는 습윤 상태의 겔상 화합물을, 알코올 혹은 이산화탄소 등의 용매(분산매)의 존재하에서, 그 용매의 임계점 이상의 초임계 상태로 건조하는 것에 의해 제조할 수 있다. 또한, 실리카 에어로겔 분말로는 일반적으로 시판되고 있는 예를 들면, 일본 아에로질 주식회사 제품인 AEROSIL(아에로질) 시리즈를 이용할 수 있다.

에어로겔 분말은 친수성인 것, 구체적으로 수산기를 표면에 가지고 있는 것이 바람직하다. 에어로겔 분말이 친수성이면 액정의 겔화가 용이하게 된다. 친수성의 에어로겔 분말로는 예를 들면, 일본 아에로질 주식회사 제품인 AEROSIL 50, 130, 150, 200, 300, 380 등을 이용할 수 있다.

에어로겔 분말의 첨가량은 액정을 겔화시킬 수 있는 범위이면 특별히 한정되지 않고, 에어로겔 분말의 평균 입경에 따라 적합하게 조정하면 된다. 액정층(2)에서 에어로겔 분말의 첨가량은 일반적으로 2~6 질량%, 바람직하게는 3~5 질량%이다. 에어로겔 분말의 첨가량이 2 질량% 미만이면 액정의 겔화가 충분치 않게 된다. 에어로겔 분말의 첨가량이 6 질량%을 초과하면 단단해지고 겔상이 아니게 되므로, 전압의 인가에 의해 액정 분자의 배향을 제어하는 것이 곤란하다.

에어로겔 분말의 평균 입경은 액정을 겔화시킬 수 있는 범위이면 특별히 한정되지 않는다. 에어로겔 분말의 평균 입경은 일반적으로 100nm 이하, 바람직하게는 1nm~30nm 이하이다. 에어로겔 분말의 평균 입경이 100nm를 초과하면 에어로겔 분말이 액정층(2) 중에 그대로 잔존하게 된다. 여기서 평균 입경은 레이저 회절 및 산란법에 따라 측정된 것을 의미한다.

액정층(2)에 이용되는 액정으로는 특별히 한정되지 않지만, 2종 이상의 액정 성분을 포함한 혼합 액정인 것이 바람직하다. 이 혼합 액정은 사용 용도에 맞추어 원하는 물성(예를 들면, 굴절률 이방성, 유전율 이방성, 점도, 상전이 온도 등)을 만족하도록 복수의 액정 성분을 혼합하는 것에 의해 조제되기 때문에 하나로 정의하는 것은 어렵지만, 불소계 혼합 액정이나 시아노계 혼합 액정 등과 같이 일반적으로 칭해지는 혼합 액정이면 좋다. 여기서 불소계 혼합 액정은 1종 이상의 불소계 액정을 포함한 혼합 액정을 의미하고, 시아노계 혼합 액정은 1종 이상의 시아노계 액정을 포함한 혼합 액정을 의미한다. 이러한 혼합 액정은 일반적으로 공지임과 동시에 상업적으로 이용 가능하다.

이중에서도 바람직한 액정은 포지티브형 네마틱 액정이다. 포지티브형 네마틱 액정의 예로는 머크(Merk) 주식회사 제품인 ZLI-4792 및 MLC-6608, 칫소(Chisso) 석유 화학 주식회사 제품인 JC-5066 XX 등을 이용할 수 있다.

액정에 에어로겔 분말을 첨가하여 겔화시키는 방법은 특별히 한정되지 않고 공지의 방법을 이용하여 실시할 수 있다. 예를 들면, 액정에 에어로겔 분말을 첨가한 후, 공지의 혼합 수단을 이용하여 혼합하면 된다. 특히, 액정에 에어로겔 분말을 첨가한 후, 초음파를 조사하면 액정을 균일하게 겔화시키는 것이 용이하게 된다. 초음파를 조사할 때 조건은 액정 및 에어로겔 분말의 종류나 양에 따라 적합하게 설정하면 되므로 특별히 한정되지 않는다. 일반적으로는, 실온(25℃) 하에서 100~1000W의 초음파를 1~60분간 조사하면 된다.

본 발명에서는 전술한 바와 같이 겔화시킨 액정을 액정층(2)으로 이용한다. 상기 액정층(2)에 전압을 인가하지 않으면 액정 분자는 랜덤에 배향하여 광 산란 상태가 된다. 따라서, 양호한 광 산란 상태를 얻기 위해서는 액정 분자의 굴절률(ne와 no의 평균)과 에어로겔 분말의 굴절률과의 차이가 0.05 이상인 것이 바람직하다. 해당 굴절률의 차이가 0.05 미만이면 광 산란이 불충분하여 원하는 표시 성능을 얻을 수 없게 된다. 반면에, 상기 액정층(2)에 전압을 인가하면 액정 분자가 전계에 따라서 배향하여 광 투과 상태가 된다. 따라서, 양호한 광 투과 상태를 얻기 위해서는 액정 분자의 단축 방향의 굴절률(no)과 에어로겔 분말의 굴절률이 거의 유사한 것이 바람직하다. 해당 굴절률의 차이가 크면 광산란이 발생하여 원하는 표시 성능을 얻을 수 없다.

겔화된 액정을 제1 기판(1a)과 제2 기판(1b) 사이에 배치하는 방법은 특별히 한정되지 않고, 액정 적하 방법(ODF) 등의 공지의 방법을 이용하여 실시할 수 있다. 겔화된 액정을 잉크젯 방법 등으로 인쇄하면 롤-투-롤 방식을 이용할 수 있으므로 액정 표시 장치의 생산성을 향상시키는 것이 가능하게 된다. 또한 잉크젯 방법 및 롤-투-롤 방법은 향후 주류가 되는 플렉서블 기판에 대해서도 적용할 수 있다.

구체적으로, 겔화된 액정을 제2 기판(1b) 상에 도포(또는 인쇄)하여 액정층(2)을 형성한 후 액정층(2) 상에 제1 기판(1a)을 적층하여 합착하면 된다.

상기와 같이 제조되는 본 발명에 따른 액정 표시 장치는 염가의 에어로겔 분말을 소량 이용하는 것으로 제조할 수 있기 때문에 종래보다 저비용으로 제조할 수 있다. 또한, 겔화시킨 액정을 액정층(2)으로 이용할 수 있기 때문에 잉크젯 방법 등에 의한 인쇄가 가능하므로 생산성이 높은 롤-투-롤 방법을 응용할 수 있다. 또한, 균일하게 겔화시킨 액정을 액정층(2)으로 이용하고 있기 때문에 표시 성능도 우수하다.

본 발명의 액정 표시 장치는 상기 특성을 가지고 있으므로 각종 디스플레이 이외에도 조명기구나 셔터 유리 등에 이용할 수 있다.

실시예

이하, 실시예에 의해 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 이 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시예에서, 액정으로 포지티브형 네마틱 액정 ZLI-4792(머크 주식회사 제품의 불소계 혼합 액정)를 이용하고, 에어로겔 분말로 AEROSIL 300 및 130(일본 아에로질 주식회사 제품의 실리카 에어로겔 분말)을 이용했다. 포지티브형 네마틱 액정 ZLI-4792의 굴절률(ne와 no의 평균)은 1.53, 단축 방향의 굴절률(no)은 1.48이다. 또, AEROSIL 300 및 130의 굴절률은 1.46이다. AEROSIL 300의 평균 입경은 7nm, AEROSIL 130의 평균 입경은 16nm이다.

우선, 바이알(vial) 병에 포지티브형 네마틱 액정 및 에어로겔 분말을 혼합하여 교반한 후, 실온하의 워터 버스 내에서 600W의 초음파를 10분간 조사했다. 이 혼합 후 상태를 육안으로 확인한 결과를 아래의 표 1에 나타낸다. 표 1에서 액정이 겔화되지 않거나 겔화가 불충분한 것을 ×, 겔화된 것을 ○, 점토 형태가 되어 유동성을 얻을 수 없었던 것을××로 나타낸다.

다음에, 투명 전극(ITO)을 형성한 하나의 유리 기판 상에 에어로겔 분말을 첨가한 포지티브형 네마틱 액정을 도포하고, 그 액정층 위에 다른 하나의 유리 기판을 적층하여 액정셀을 형성했다. 여기서, 액정셀의 셀갭은 5㎛로 했다.

제조된 액정셀에 대하여 전압(60V)의 온(ON) 및 오프(OFF)를 반복적으로 인가하여 광 산란 상태와 광 투과 상태의 변환 상태를 육안으로 확인했다. 그 결과를 아래의 표 2에 나타낸다. 표 2에서 광 산란 상태와 광 투과 상태의 변환이 불가능한 것을 ×, 광 산란 상태와 광 투과 상태의 변환이 발생한 것을 ○, 광 산란 상태와 광 투과 상태의 변환이 양호한 것을 ◎로 나타낸다.

상기 표 1 및 표 2의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 겔화된 액정을 액정층으로 이용한 것은 광 산란 상태와 광 투과 상태의 변환이 가능하였고, 겔화되지 않은 액정을 액정층으로 이용한 것은 광 산란 상태와 광 투과 상태의 변환이 불가능하였다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 생산성이 높고 한편 저비용으로 제조 가능함과 아울러 표시 성능이 뛰어난 액정 표시 장치 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

1a: 제1 기판 1b: 제2 기판
2: 액정층 3: 평면 전극
4: 실링재 5: 스페이서

Claims (21)

1. 한 쌍의 기판 사이에 형성된 액정층을 구비하고;
   상기 액정층이 액정에 에어로겔 분말을 첨가하는 것에 의해 겔화되어 있는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 액정층에서 상기 에어로겔 분말의 첨가량은 2~6 질량%인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 에어로겔 분말의 평균 입경이 100nm 이하인 것을 특징으로 하는 액정 표시장치.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 에어로겔 분말이 친수성인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
5. 청구항 4에 있어서
   상기 에어로겔 분말은 실리카 에어로겔 분말인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 액정은 포지티브형 네마틱 액정인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 기판은 플렉서블 기판인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 액정에서 액정 분자의 단축 방향의 굴절율이 상기 에어로겔 분말의 굴절율과 유사한 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 액정 분자의 굴절율과 상기 에어로겔 분말의 굴절율의 차이가 0.05 이상인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
10. 액정에 에어로겔 분말을 첨가하는 것으로 상기 액정을 겔화시키는 제1 단계와;
    상기 겔화된 액정을 한 쌍의 기판 사이에 배치하는 제2 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제2 단계는
    상기 한 쌍의 기판 중 하나의 기판 상에 상기 겔화된 액정을 도포하여 액정층을 형성하고, 상기 액정층이 형성된 기판 상에 다른 기판을 적층하여 합착하는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
12. 청구항 10 또는 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 단계는
    상기 액정에 상기 에어로겔을 첨가한 후 초음파를 조사하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
13. 청구항 11에 있어서,
    상기 제2 단계는
    잉크젯 방법을 이용하여 상기 겔화된 액정을 상기 하나의 기판 상에 인쇄하는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
14. 청구항 10에 있어서,
    상기 액정층에서 상기 에어로겔 분말의 첨가량은 2~6 질량%인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
15. 청구항 10에 있어서,
    상기 에어로겔 분말의 평균 입경이 100nm 이하인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
16. 청구항 10에 있어서,
    상기 에어로겔 분말이 친수성인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법..
17. 청구항 16에 있어서
    상기 에어로겔 분말은 실리카 에어로겔 분말인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법..
18. 청구항 10에 있어서,
    상기 액정은 포지티브형 네마틱 액정인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
19. 청구항 10에 있어서,
    상기 기판은 플렉서블 기판인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
20. 청구항 10에 있어서,
    상기 액정에서 액정 분자의 단축 방향의 굴절율이 상기 에어로겔 분말의 굴절율과 유사한 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
21. 청구항 20에 있어서,
    상기 액정 분자의 굴절율과 상기 에어로겔 분말의 굴절율의 차이가 0.05 이상인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.

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