KR20130079052A - 액정 표시 장치의 제조 방법 - Google Patents

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KR20130079052A
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홍성규
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이세현
이혁진
장재수
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동국대학교 산학협력단
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Abstract

액정 표시 장치의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 제조 방법은 서로 마주보는 두 개의 기판과 상기 두 기판 사이에 게재된 액정층을 포함하는 액정 패널을 형성하는 단계 그리고 상기 액정 패널에 전압을 인가한 상태에서 상기 액정층을 광 조사하는 단계를 포함하고, 상기 액정층은 액정 분자와 반응성 모노머를 포함하고, 상기 액정 패널에 인가되는 전압은 교류 전압이고, 상기 액정 분자는 전압이 인가되지 않은 상태에서는 등방성이며, 전압이 인가된 상태에서는 이방성이다.

Description

액정 표시 장치의 제조 방법{MANUFACTURING MEHTOD FOR LIQUID CRYSTAL DISPLAY}
본 발명은 액정 표시 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
액정 표시 장치는 액정 물질의 광학적 특성(굴절률 이방성 또는 복굴절)과 전기적 특성(유전율 이방성)을 이용하여 영상을 표시한다. 액정 표시 장치는 CRT(cathode ray tube), PDP(plasma display panel) 등과 같은 다른 종류의 표시 장치에 비하여, 두께가 얇고, 구동 전압이 낮고, 소비 전력이 낮은 장점이 있다.
액정 표시 장치의 액정은 주로 네마틱 상을 사용하여 왔다. 하지만, 네마틱 상의 액정의 경우 전기장에 의한 응답 시간이 3D 디스플레이 장치나 고해상도 디스플레이 장치에 적용하기에 한계에 도달하고 있다.
따라서, 네마틱 상과는 다른 액정 상을 이용하려는 시도가 있었고, 그 예로 액정들이 자발적으로 격자 구조를 형성하여 전압을 인가하지 않았을 때 광학적으로 등방성을 이루는 청색 상의 액정을 액정 표시 장치의 액정으로 사용하게 되었다.
청색 상의 액정은 인가되는 전압의 크기에 따라 등방성에서 이방성을 갖도록 변하는 특성을 가져 액정 표시 장치의 응답 속도를 향상시킬 수 있으나, 높은 구동 전압을 필요로 하는 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 넓은 온도 범위에 걸쳐 안정화된 청색 상의 액정을 구현하면서 구동 전압을 감소하고 이력 현상을 개선할 수 있는 액정 표시 장치의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 제조 방법은 서로 마주보는 두 개의 기판과 상기 두 기판 사이에 게재된 액정층을 포함하는 액정 패널을 형성하는 단계 그리고 상기 액정 패널에 전압을 인가한 상태에서 상기 액정층을 광 조사하는 단계를 포함하고, 상기 액정층은 액정 분자와 반응성 모노머를 포함하고, 상기 액정 패널에 인가되는 전압은 교류 전압이고, 상기 액정 분자는 전압이 인가되지 않은 상태에서는 등방성이며, 전압이 인가된 상태에서는 이방성이다.
상기 교류 전압이 갖는 주파수를 선택하는 단계를 더 포함하고, 상기 교류 전압이 갖는 주파수를 선택하는 단계는 상기 교류 전압의 극성이 변하는 시점에서 투과율 변화가 최소가 되는 주파수를 선택하며, 상기 선택된 주파수를 갖는 전압이 인가된 상태에서 상기 액정층을 광 조사할 수 있다.
상기 교류 전압의 크기를 선택하는 단계를 더 포함하고, 상기 교류 전압의 크기를 선택하는 단계는 상기 액정층을 광 조사하는 단계 이전에 상기 액정 패널의 전압-투과율 곡선을 측정하여 첫번째 변곡점이 발생하는 지점의 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압 이하의 크기를 갖는 교류 전압을 선택하며, 상기 선택된 크기를 갖는 전압이 인가된 상태에서 상기 액정층을 광 조사할 수 있다.
상기 교류 전압은 삼각파 또는 구형파일 수 있다.
상기 액정층은 청색 상 액정 분자와 반응성 모노머를 포함할 수 있다.
상기 반응성 모노머는 상기 액정층을 광조사할 때 고분자화될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 한 실시예에 따르면, 액정 분자와 혼합된 반응성 모노머를 교류 전압이 인가된 상태에서 광조사함으로써 구동 전압을 감소하고 이력 현상을 개선할 수 있다.
도 1은 청색 상 구조를 나타낸다.
도 2는 청색 상 I 구조 및 청색 상 II 구조를 나타낸다.
도 3은 카이랄 네마틱(chiral nematic) 액정의 분자 구조의 온도와 키랄성(chirality)에 대한 의존성을 나타낸다.
도 4 내지 도 7는 상온에서 청색 상 구조를 유지하는 방법을 나타낸다.
도 8은 본 실시예에 따른 인가 전압과 투과율 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 실시예에 따른 인가 전압에 따른 투과율의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10은 전압을 상승 또는 하강하면서 측정한 투과율을 나타내는 그래프이다.
첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
도 1은 청색 상(blue phase) 액정 구조를 나타낸다. 청색 상 액정 구조는 도 1에서 사각형으로 나타내는 입방 격자 구조로 이루어진다. 하나의 입방 격자 구조 단위체는 복수의 원통 구조를 포함한다. 그리고 각 원통 구조는 뒤틀린(twisted) 액정 분자들로 이루어진다. 이러한 원통 구조는 이중 비틀린 실린더(double twist cylinder)라고 한다.
청색 상 구조에서는 전압이 오프된 상태에서 광학적 등방성을 가진다. 청색 상 액정에 적절한 전기장이 가해지면, 액정 분자들의 유전율 이방성에 따라 액정 분자들은 가해진 전기장에 평행하거나 수직으로 배열된다.
청색 상 구조에는 여러 종류가 있다. 도 2는 청색 상 I(BP I) 구조와 청색 상 II(BP II) 구조를 나타낸다. 청색 상 I(BP I)는 체심 입방(body centered cubic; BCC) 격자 구조를 가지고, 청색 상 II(BP II)는 단순 입방 격자(simple cubic lattice structure) 구조를 가진다.
도 3은 카이랄 네마틱(chiral nematic) 액정의 분자 구조의 온도와 키랄성(chirality)에 대한 의존성을 나타낸다. 수평축은 키랄성을 나타내고, 수직축은 온도를 나타낸다. 액정 분자들은 높은 키랄성을 가질수록 청색 상 액정 분자에 가까와지고, 낮은 키랄성을 가질수록 네마틱 상(nematic phase) 액정 분자에 가까와진다. 높은 온도에서 액정 분자들은 등방성(isotropic)을 가지고, 낮은 온도에서는 네마틱(nematic) 액정의 성향을 가진다. 그래프에서는 세 종류의 청색 상 액정, 구체적으로 BP 1(BP I), BP 2(BP II), BP 3(BP III)을 도시한다. BP 3는 등방상과 동일한 대칭성을 갖는 구조를 나타낸다.
액정의 키랄성이 높을수록 넓은 청색 상 온도 범위를 가진다. 따라서, 액정의 키랄성을 적절히 조절하면 액정은 상온에서도 청색 상을 나타낼 수도 있다. 그러나, 실용화되고 있는 액정 물질의 경우, 상온에서는 청색 상을 가지기 어렵고, 카이랄 네마틱 또는 콜레스테릭(cholesteric) 구조를 가진다.
따라서, 청색 상의 발현 온도 범위가 제한되는 것을 극복하기 위해 청색 상을 갖는 카이랄 네마틱 액정에 광 조사하여 고분자를 형성하는 반응성 모노머를 첨가할 수 있다.
도 4 내지 도 7은 상온에서 청색 상 구조를 유지하는 방법을 나타낸다. 이러한 방법의 한 예로 광 특히 자외선에 의해 중합되는 반응성 모노머를 액정 물질에 산포하는 것이다. 광 중합 물질에 해당하는 반응성 모노머가 산포되어 있는 액정 물질을 액정 패널에 주입한 후에, 액정 물질을 청색 상 구조를 가지는 온도까지 가열하고, 액정 물질을 노광함으로써, 액정 물질에 산포되어 있는 반응성 모노머를 광중합한다.
청색 상 액정 물질 내의 취약부(weak area)가 도 7에 도시되어 있다. 이중 비틀린 실린더가 단순 입방 격자 또는 체심 입방 격정 구조에 배치되면, 실린더 사이에 취약부가 존재하게 되고, 이러한 취약부에서는 액정 분자들이 불안정한 상태로 배열된다. 이러한 취약부에 의해 도 4의 중앙부와 같이 물질 내에 결함선(disclination line)이 형성된다. 도 5에는 결함선들의 축을 나타낸다. 만일 청색 상 액정에 다른 물질이 산포되면, 다른 물질들은 취약부에 쉽게 유입되기 때문에, 다른 물질들은 결함선을 향해 이동한다.
액정 패널 내의 액정 물질이 광에 노출되면, 산포되어 있는 물질은 광중합 된다. 액정 내의 다른 물질들은 취약부에 쉽게 유입되기 때문에, 산포되어 있는 광중합 물질 역시 취약부에 유입되고, 그 위치에서 광중합 되어, 도 6에 도시한 바와 같이, 취약부에서 중합 결합을 형성하게 된다. 광중합에 의하여 형성된 중합체 고리(polymer chain)는 프레임을 형성하여, 중합체 고리는 액정 물질이 상온까지 냉각되는 경우에도, 청색 상 구조를 유지한다.
이와 같이 청색 상 구조의 액정층을 포함하는 청색 상 모드 표시 장치(a blue phase mode display)는 전기장 변화에 대한 응답 속도가 빠르고, 넓은 범위의 시야각에서 고품질의 영상을 표시할 수 있다.
하지만, 상온을 포함한 넓은 범위에서 청색 상 구조를 유지하기 위해 위와 같은 고분자 안정화 방법에 의해 형성된 액정층을 갖는 액정 표시 장치는 청색 상 재료의 본질적인 특성으로 인해 일반적인 광시야각 액정 모드의 액정 표시 장치보다 높은 구동 전압으로 인해 소비전력이 커지고, 이력 현상(Hysteresis)과 같은 전기 광학 특성의 불안정성을 야기할 수 있다. 여기서, 이력 현상은 전압-투과율 그래프에서 구동 전압을 상승시킬 때 나타나는 전압-투과율 곡선과 구동 전압을 감소시킬 때 나타나는 전압-투과율 곡선이 달라짐으로써 화면 끌림 현상이 발생하게 되고, 이에 따라 응답 시간이 느린 것처럼 나타난다.
본 발명의 실시예에 따르면, 서로 마주보는 두 개의 기판과 상기 두 개의 기판 사이에 청색 상 구조의 액정 물질과 반응성 모노머를 포함한 혼합물을 주입하여 액정 패널을 형성한다. 여기서, 청색 상 구조의 액정 물질은 전압이 인가되지 않은 상태에서는 광학적으로 등방성이며, 전압이 인가된 상태에서는 광학적으로 이방성으로 변화한다.
그리고, 앞에서 설명한 고분자 안정화 방법을 이용하여 청색 상 구조를 유지하기 위해 액정 물질을 노광할 때 특정 전압을 인가한다. 구체적으로, 인가되는 전압은 교류 전압이고 교류 전압의 주파수는 사용되는 액정의 종류와 특성에 따라 액정에 인가되는 전압의 극성의 변화에 수반될 수 있는 투과율 변화가 최소화되는 주파수를 선택한다. 다시 말해, 교류 전압의 주파수에 따라 전압의 극성 변화 시 발생하는 투과율 변화 정도가 달라질 수 있고, 투과율 변화 정도가 가장 작은 교류 주파수를 갖는 전압을 인가한 상태에서 액정 물질을 노광한다.
또한, 전압의 크기 역시 사용되는 액정의 특성에 따라 바뀔 수 있는데 일반적으로 고분자 안정화 하기 전의 전압-투과율 곡선을 측정하여 전압-투과율 곡선의 변곡점에 해당하는 전압 이하의 크기를 이용하여 고분자 안정화 이후 다크(Dark) 상태의 휘도가 최소가 되는 전압을 선택한다.
SVA모드의 액정 표시 장치에서 프리틸트를 형성하기 위해 액정 물질에 반응성 모노머를 혼합하여 광조사하는 경우가 있다. 하지만, SVA 모드의 액정 표시 장치의 반응성 모노머는 액정층의 표면에서 액정 분자의 선경사를 형성해 주면 되기 때문에 소량이 혼합될 수 있다. 하지만, 본 실시예에 따른 반응성 모노머는 청색 상의 액정 분자와 함께 액정층을 이루는 것이므로 훨씬 많은 양이 혼합되고, 액정층 전체에 분포해야 한다.
도 8은 본 실시예에 따른 인가 전압과 투과율 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8을 참고하면, 인가 전압이 양의 극성에서 음의 극성으로 변하는 시점에 투과율의 변화(ΔT)가 생긴다. 이러한 투과율 변화(ΔT)는 교류 전압 주파수에 따라 다를 수 있고, 본 실시예에 따르면 교류 전압 주파수 가운데 투과율 변화(ΔT)를 최소화할 수 있는 주파수를 선택한다.
도 9는 본 실시예에 따른 인가 전압에 따른 투과율의 변화를 나타내는 그래프이다. 구체적으로 도 9는 고분자 안정화 이전의 전압-투과율 곡선을 측정한 것이다.
도 9를 참고하면, 인가되는 전압과 투과율 곡선에서 변곡점(P)이 발생한다. 본 실시예에 따르면 도 9의 변곡점(P)에서의 전압 이하의 크기를 갖는 범위에서 교류 전압을 인가한다. 변곡점(P) 이상의 전압을 인가하게 되면 청색 상 구조가 깨질 수 있다.
도 10은 전압을 상승 또는 하강하면서 측정한 투과율을 나타내는 그래프이다.
구체적으로 도 10은, 비교예(A)로써 6CB 액정 물질과 반응성 모노머의 혼합물에 무전계 상태에서 자외선을 조사하여 형성된 액정층을 갖는 액정 표시 장치의 투과율을 나타내고, 본 발명의 실시예(B)로써 6CB 액정 물질과 반응성 모노머의 혼합물에 10V의 전계를 가한 상태에서 자외선을 조사하여 형성된 액정층을 갖는 액정 표시 장치의 투과율을 나타낸다.
도 10을 참고하면, 본 발명의 실시예(B)에 따른 액정 표시 장치에서, 전계를 상승시킬 때의 투과율 곡선과 전계를 하강시킬 때의 투과율 곡선 사이의 폭이 비교예(A) 대비하여 훨씬 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 액정 표시 장치에서 이력 현상(Hysteresis)이 감소한다.
또한, 본 발명의 실시예(B)에서 전압을 상승시킬 때의 투과율 변화를 나타내는 곡선은 비교예(A)에서 전압을 상승시킬 때의 투과율 변화를 나타내는 곡선 쪽으로 시프트(Shift)되는 것으로 볼 때, 구동 전압이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
앞에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 제조 방법에 따라 제조된 액정 표시 장치는 교류 전압이 인가된 상태에서 광조사함으로써 무전계에서 등방성을 갖는 청색 상 구조가 어느 정도 방향성을 가진 상태(구동 전압 인가시 액정이 기울어지는 방향)에서 고분자 안정화되기 때문에 구동 전압을 감소할 수 있고, 이력 현상을 감소시킬 수 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 (11)

  1. 서로 마주보는 두 개의 기판과 상기 두 기판 사이에 게재된 액정층을 포함하는 액정 패널을 형성하는 단계 그리고
    상기 액정 패널에 전압을 인가한 상태에서 상기 액정층을 광 조사하는 단계를 포함하고,
    상기 액정층은 액정 분자와 반응성 모노머를 포함하고,
    상기 액정 패널에 인가되는 전압은 교류 전압이고,
    상기 액정 분자는 전압이 인가되지 않은 상태에서는 등방성이며, 전압이 인가된 상태에서는 이방성인 액정 표시 장치의 제조 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 교류 전압이 갖는 주파수를 선택하는 단계를 더 포함하고,
    상기 교류 전압이 갖는 주파수를 선택하는 단계는 상기 교류 전압의 극성이 변하는 시점에서 투과율 변화가 최소가 되는 주파수를 선택하며,
    상기 선택된 주파수를 갖는 전압이 인가된 상태에서 상기 액정층을 광 조사하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  3. 제2항에서,
    상기 교류 전압의 크기를 선택하는 단계를 더 포함하고, 상기 교류 전압의 크기를 선택하는 단계는 상기 액정층을 광 조사하는 단계 이전에 상기 액정 패널의 전압-투과율 곡선을 측정하여 첫번째 변곡점이 발생하는 지점의 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압 이하의 크기를 갖는 교류 전압을 선택하며,
    상기 선택된 크기를 갖는 전압이 인가된 상태에서 상기 액정층을 광 조사하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  4. 제3항에서,
    상기 교류 전압은 삼각파 또는 구형파인 액정 표시 장치의 제조 방법.
  5. 제4항에서,
    상기 액정층은 청색 상 액정 분자와 반응성 모노머를 포함하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  6. 제5항에서,
    상기 반응성 모노머는 상기 액정층을 광조사할 때 고분자화되는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  7. 제1항에서,
    상기 액정층은 청색 상 액정 분자와 반응성 모노머를 포함하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  8. 제7항에서,
    상기 반응성 모노머는 상기 액정층을 광조사할 때 고분자화되는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  9. 제1항에서,
    상기 교류 전압의 크기를 선택하는 단계를 더 포함하고, 상기 교류 전압의 크기를 선택하는 단계는 상기 액정층을 광 조사하는 단계 이전에 상기 액정 패널의 전압-투과율 곡선을 측정하여 첫번째 변곡점이 발생하는 지점의 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압 이하의 크기를 갖는 교류 전압을 선택하며,
    상기 선택된 크기를 갖는 전압이 인가된 상태에서 상기 액정층을 광 조사하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  10. 제9항에서,
    상기 액정층은 청색 상 액정 분자와 반응성 모노머를 포함하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  11. 제10항에서,
    상기 반응성 모노머는 상기 액정층을 광조사할 때 고분자화되는 액정 표시 장치의 제조 방법.
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