KR20160009172A - 광배향막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 액정표시패널 - Google Patents

광배향막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 액정표시패널 Download PDF

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KR20160009172A
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강석훈
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Abstract

본 발명은 일방향에 대해 광학 이방성을 가진 광배향 물질로 이루어진 섬유들이 장축이 상기 일방향으로 배열된 상태에서 적층되어 섬유층을 형성하고, 상기 섬유층은 상기 섬유들의 적층 높이 차이에 따른 굴곡진 표면을 가진 광배향막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 액정표시패널을 제공한다.

Description

광배향막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 액정표시패널{PHOTOALIGNMENT FILM, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME AND LIQUID CRYSTAL DISPLAY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 광배향막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 액정표시패널에 관한 것이다.
액정표시패널은 현재 가장 널리 사용되고 있는 평판표시패널 중 하나로서, 화소전극과 공통전극 등 전기장 생성 전극(field generating electrode)이 형성되어 있는 두 장의 표시판과 그 사이에 들어 있는 액정층을 포함하여 구성될 수 있다. 액정표시패널은 전기장 생성 전극에 전압을 인가하여 액정층에 전기장을 생성하고, 이를 통하여 액정층의 액정들의 방향을 결정하고 입사광의 편광을 제어함으로써 영상을 표시할 수 있다.
표시판의 안쪽에는 액정층의 액정들을 배향하기 위한 배향막이 형성되어 있다. 전계 비 인가시에, 액정들은 배향막에 의하여 일정한 방향으로 배열되어 있으며, 전계 인가 시에, 전기장의 방향에 따라 액정들이 회전한다.
액정 배향 방법에는 크게 접촉식 배향 방법과 비 접촉식 배향 방법이 있다.
접촉식 배향 방법은 말 그대로 표면에 직접적인 접촉을 통해 이방성을 부여하는 방법이다. 접촉식 배향 방법에는 러빙(rubbing) 방법, 스탬핑(stamping) 방법, AFM(atomic force microscope)을 이용한 나노 패터닝(nano-patterning) 방법 등이 있다. 그 중 가장 넓게 사용되고 있는 방법은 러빙 방법이고, 이는 폴리이미드계 배향막이 코팅된 기판을 면이나 나일론계 천으로 문질러 폴리머 체인들을 일정한 방향으로 정렬시키는 방법이다.
비 접촉식 방법에는 광배향(photo-alignment) 방법, 이온 빔(ion beam) 방법 등이 있다. 접촉식 방법은 공통적으로 표면에 물리적인 접촉을 가함으로써 발생되는 분진, 정전기 발생 등의 문제들이 존재하기 때문에 비 접촉식 방법이 차세대 액정 배향 방법으로 주목 받아 연구가 계속 진행되었다.
광배향 방법은 자외선(UV)에 반응하는 광반응기를 가지는 배향막을 이용하여 표면에 직선 편광된 자외선을 조사해 표면의 광학적 이방성을 유도하는 방법이다.
러빙 방법에서는 고분자의 측쇄가 일정방향으로 정렬되므로 측쇄와 액정 분자간의 화학적 상호작용(chemical interaction)에 의해 액정의 배향이 조절될 뿐만 아니라, 러빙에 의해 배향막 표면에 규칙적인 다수의 홈(groove)이 생성되기 때문에, 홈과 액정 간의 기계적인 상호작용(mechanical interaction)에 의해서도 액정의 배향이 조절된다.
이에 반하여, 광배향법에서는 배향막 표면에 홈이 생성되지 않고, 오직 광반응에 의한 고분자막과 액정 간의 화학적 상호작용에 의해서만 액정의 배향이 조절된다. 따라서, 광배향법은 러빙 방법에 비해 앵커링 에너지가 낮으며, 이는 잔상의 원인이 된다.
본 발명은 전기 방사법을 이용하여 표면에 다수의 주기적인 홈들을 가진 광배향막 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 표면에 다수의 주기적인 홈들이 형성된 섬유층으로 이루어진 광배향막을 포함하는 액정 표시 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광배향막은, 일방향에 대해 광학적 이방성을 가진 광배향 물질을 포함하는 섬유들이 상기 섬유의 장축이 상기 일방향으로 배열된 상태에서 적층되어 섬유층을 형성할 수 있다. 상기 섬유층은 상기 섬유들의 적층 높이 차이에 따른 굴곡진 표면을 가질 수 있다.
상기 섬유들은 상기 장축이 제1 방향으로 배열되어 있을 수 있고, 상기 굴곡진 표면은 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향을 따라 주기적으로 굴곡된 스트라이프(stripe) 패턴의 요철 구조를 형성할 수 있다.
상기 섬유는 고분자 사슬의 주쇄(main chain)와 상기 주쇄에 결합되어 상기 일방향으로 배향된 측쇄(side chain)로 구성될 수 있다. 상기 주쇄와 측쇄의 결합각은 0 ° 초과 내지 90 ° 이하일 수 있다.
상기 측쇄는 광배향 물질을 포함할 수 있다. 상기 광배향 물질은 고리형 이미드(imide)계 물질, 신나메이트(cinnamate)계 물질, 칼콘(chalcone)계 물질, 쿠마린(coumarine)계 물질 및 아조(azo)계 물질로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 섬유층은 전기 방사(electrospining)법으로 제조할 수 있다. 섬유층의 굴곡진 표면은 방사되는 고분자 섬유의 방사양, 방사위치 등을 조절하여 형성할 수 있다.
구체적으로, 기판에 광배향 물질을 포함하는 고분자 섬유를 전기 방사법으로 제1 방향으로 연속적으로 방사하여 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 주기적으로 마루와 골을 가지는 요철 구조의 스트라이프 패턴이 형성되도록 섬유층을 형성할 수 있다. 그 결과, 섬유층의 표면은 상기 고분자 섬유들의 적층 높이에 따라 굴곡진 형상을 가질 수 있다.
상기 광학 이방성은 광배향법을 이용하여 제공할 수 있다. 광배향법은 광중합 배향법, 광이성화 배향법, 광분해 배향법 등일 수 있다.
정리하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광배향막의 제조방법은, 전기 방사법을 이용하여 기판에 광배향 물질을 포함하는 고분자 섬유를 연속적으로 방사하여 표면이 상기 고분자 섬유들의 적층 높이에 따라 굴곡진 섬유층을 형성하는 단계; 및 상기 섬유층에 직선 편광된 자외선을 조사하여 일방향에 대해 광학 이방성을 부여하는 광배향 단계;를 포함할 수 있다.
상기 고분자 섬유는, 고분자 사슬의 주쇄(main chain)와 상기 주쇄에 결합되어 상기 일방향으로 배향된 측쇄(side chain)로 구성될 수 있다. 상기 주쇄와 상기 측쇄의 결합각은 0 ° 초과 내지 90 ° 이하일 수 있다.
상기 측쇄는 광배향 물질을 포함할 수 있고, 상기 광배향 물질은 광중합성(photo dimerization)성 물질, 광이성화(photo isomerization)물질 및 광분해성(photo decompostition)물질로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 광중합성 물질은 일례로 시나메이트(cinnamate)계 물질일 수 있고, 상기 광이성화 물질은 일례로 아조계 물질일 수 있으며, 상기 광분해성 물질은 일례로 시클로부탄 무수물(cyclobutane dianhydride: CBDA)을 포함하는 고리형 이미드(polyiminde)계 물질일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 광배향막의 제조방법은 광배향 단계 이전에 상기 섬유층을 제1 베이킹(baking)하는 단계;와 상기 광배향 단계 이후에 상기 섬유층을 제2 베이킹(baking)하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시패널은 상기한 광배향막을 포함하여 구성될 수 있다.
일례로, 본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시패널은 제1 기판, 제2 기판, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 사이에 개재된 액정층, 상기 제1 기판과 상기 액정층의 사이와 상기 제2 기판과 상기 액정층의 사이에는 각각 개재된 상기 광배향막을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 광배향막은 일방향에 대해 광학 이방성을 가진 광배향 물질로 이루어진 섬유들이 장축이 상기 일방향으로 배열된 상태에서 적층되어 섬유층을 형성하고, 상기 섬유층은 표면이 상기 섬유들의 적층 높이 차이에 따른 주기적인 홈들을 가질 수 있다.
상기 액정층의 액정들은, 전계 비인가 시에 상기 섬유층의 표면의 주기적인 홈들에 수용되어 상기 일방향으로 배향될 수 있다.
상기 섬유들은 상기 장축이 제1 방향으로 배열되어 있을 수 있고, 상기 주기적인 홈들은 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향을 따라 반복될 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광배향막의 제조방법은 표면에 다수의 주기적인 홈들을 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 광배향막은, 광배향막과 액정 간의 화학적 상호작용 뿐만 아니라 상기 홈과 액정들 간의 기계적인 상호작용에 의해서도 액정들의 배향을 조절할 수 있는 바, 액정 배향력을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시패널은 그루브 효과로 인해서 AC 잔상을 개선할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 방사법을 이용하여 고분자 섬유들을 초기 방사하는 단계를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 초기 방사 단계 이후에 고분자 섬유들이 섬유층을 형성하는 단계를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 III-III'선에 따른 단면도이다.
도 4는 도 2의 섬유층 형성 단계 이후에 섬유층에 자외선을 조사하는 단계를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 UV 미조사 영역에서의 광분해 반응 물질의 사슬들의 결합 상태를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 6은 도 4의 UV 조사 영역서의 광분해 반응 물질의 사슬들의 결합 상태를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 7은 도 6과 같이 섬유층에 UV가 조사된 이후에 액정이 배열된 상태를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 8은 도 7의 액정 배열 상태를 사시도로 모식적으로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시패널의 일부의 단면도를 모식적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참고하면 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.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위 뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
이하, 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 전기 방사법을 이용하여 고분자 섬유들을 초기 방사하는 단계를 모식적으로 도시한 도면이다. 전기 방사법은 연속적인 유기/무기(organic/inorganic) 나노 섬유가 높은 전기장 하에서 연신이 되어 접지된 하부 기판 위에 형성되는 것이 기본 원리이다.
도 1을 참고하면, 전기 방사장치(100)는 전극(10), 기판(20), 토출부(30), 전압 발생기(40), 이송부(50)를 포함하여 구성될 수 있다.
전극(10)은 평판의 형태로서 기판(20)의 하면에 배치도리 수 있고, 전압 발생기(40)와 전기적으로 연결될 수 있다.
기판(20)은 전극(10)의 상면에 배치될 수 있고, 고분자 섬유(60a)들이 적층되는 대상이다. 기판(20)은 후술할 박막트랜지스터(TFT) 기판 또는 칼라필터(CF) 기판일 수 있다.
토출부(30)는 방사용액(미도시)을 전기 방사함으로써 노즐(31)을 통해 기판(20)에 고분자 섬유(60a)를 토출하는 기능을 하고, 기판(20)으로부터 소정의 간격으로 이격되어 배치될 수 있다. 즉, 토출부(30)는 기판(20)의 상면으로부터 소정의 간격으로 이격되어 배치될 수 있다.
토출부(30)는 지지기판(31)과 지지기판(31)에 장착되어 있는 복수의 노즐부(32)들을 포함하여 구성될 수 있다. 복수의 노즐부(32)들은 소정의 간격으로 이격된 상태에서 지지기판(31)의 하면에 장착되어 있을 수 있다. 복수의 노즐부(32)들은 기판(20)의 상면과 지지기판(31)의 하면의 사이에 배치될 수 있다.
각각의 노즐부(32)는 실린지 펌프(미도시)와 대향전극(미도시)을 포함할 수 있다. 실린지 펌프는 방사용액을 기판(20)으로 밀어내고, 대향전극은 방사용액과 접하도록 배치되는 전극으로서, 전압 발생기(40)와 연결될 수 있다.
방사용액(미도시)은 액적(droplet)과 같이 단속 구간을 포함하여 토출되는 형태가 아니라 연속적인(continuously)으로 토출될 수 있도록 높은 점도(viscosity)의 용액이 이용되는 것이 바람직하며, 본 실시예에서의 방사용액(미도시)은 점도가 1000 cP 이상의 고점도 용액일 수 있다.
방사용액은 주쇄와 상기 주쇄에 결합된 측쇄를 포함하여 이루어진 고분자 화합물을 포함할 수 있다. 고분자 화합물은 측쇄에 결합된 광반응성 물질에 따라 광분해성 고분자 화합물, 광이성화 고분자 화합물 또는 광중합성 고분자 화합물로 구분될 수 있다.
상기 주쇄는 폴리이미드(polyimide), 폴리아믹산(polyamic acid), 폴리아미드(polyamide), 폴리아믹이미드(polyamicimide), 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 폴리스티렌 등 다양한 종류가 하나 이상 포함될 수 있다. 상기 주쇄가 이미드기 등의 고리 구조를 더 많이 포함할수록, 주쇄의 강직도가 강화될 수 있다. 따라서 액정 표시 장치를 장기간 구동했을 때 발생하는 얼룩이 감소하고, 배향막의 선경사(pretilt)에 대한 안정성이 강화될 수 있다.
상기 측쇄는 광반응성 물질을 포함할 수 있다.
광반응성 물질은 광분해(photo decompostition)반응 물질, 광중합(photo dimerization)반응 물질 및 광이성화(photo isomerization)반응 물질로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
광분해 반응은 고분자 섬유(60a)에 직선 편광된 자외선(UV)을 조사하여 특정한 방향의 분자 결합을 선택적으로 절단하는 것이다. 광분해 반응 물질의 일례로서, 시클로부탄 무수물(cyclobutane dianhydride: CBDA)을 포함하는 고리형 이미드계 물질을 들 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 따라서, 당해 업계에서 알려진 광분해 반응 물질들은 모두 본 발명의 범위에 포함될 수 있다.
CBDA를 포함하는 고리형 이미드계 물질은 직선 편광된 자외선이 조사되면, 하기 화학식 1에서와 같이 편광 방향에 위치한 CBDA 링(ring)이 분해될 수 있다. 따라서, 편광방향에 수직한 방향의 분자 결합만이 남게 되어, 편광 방향에 수직한 방향을 따라 액정 분자가 배향될 수 있다.
Figure pat00001
<화학식 1>
광중합 반응은 고분자 섬유(60a)에 직선 편광된 자외선을 조사하여 특정 방향의 분자만을 반응시켜 비등방성을 유도하는 것으로, 광중합 반응 물질의 일례로서 신나모일(cinnamoyl)기, 칼콘(chalcone)계 물질, 쿠마린(coumarine)계 물질 등을 들 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 또한, 신나모일기를 포함하는 광중합 반응 물질의 대표적인 예로서, 폴리비닐신나메이트(polyvinylcinnamate)를 들 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 따라서, 당해 업계에서 알려진 광중합성 고분자 화합물들은 모두 본 발명의 범위에 포함될 수 있다.
광중합 반응 물질에 직선 편광된 자외선을 조사할 경우, 하기 화학식 2에서와 같이, 고분자 측쇄에 포함된 신나메이트계 물질 내의 탄소 이중결합의 방향과 자외선의 편광 방향이 일치하였을 때 중합반응이 선택적으로 일어나게 된다. 따라서, 이러한 특성을 이용하여 신나메이트계 물질을 포함하는 고분자를 선형 광중합시키면 고분자막에 비등방적인 특성을 부여할 수 있다.
Figure pat00002
<화학식 2>
광이성화 반응은 고분자 섬유(60a)에 직선 편광된 광을 조사함으로써, 시스형(cis-state)의 고분자 화합물을 트랜스형(trans-state)의 고분자 화합물로 전환시키거나, 트랜스형의 고분자 화합물을 시스형 고분자 화합물로 전환시켜 액정 분자의 배향 방향을 결정하는 것이다. 시스형 고분자 화합물의 경우에는 측쇄가 기판에 평행하게 배열되어 액정 분자가 기판에 평행하게 배열(homogeneous alignment)되며, 트랜스형 고분자 화합물의 경우에는 측쇄가 기판에 수직하게 배열되어 액정 분자가 기판에 수직하게 배열(homeotropic alignment)된다.
광이성화 반응 물질의 일례로서 폴리아조벤젠(polyazobenzene)을 들 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 따라서, 당해 업계에서 알려진 광이성화 반응 물질들은 모두 본 발명의 범위에 포함될 수 있다.
광이성화 반응 물질에 직선 편광된 자외선을 조사할 경우, 하기 화학식 3에서와 같이, 질소 이중결합을 중심으로 시스형 폴리아조벤젠이 중간체를 거쳐 트랜스형 폴리아조벤젠으로 이성질화될 수 있다.
Figure pat00003
<화학식 3>
전압 발생기(40)는 전극(10)과 토출부(30)의 대향전극에 각각 전기적으로 연결되며, 전극(10)과 토출부(30)의 대향전극에 상호 반대되는 극성의 전압을 각각 인가하도록 구성할 수 있다.
이송부(50)는 전극(10)과 기판(20)을 소정의 이송 경로를 따라서 왕복 이송시킴으로써, 토출부(30)로부터 방사되는 고분자 섬유(60a)들이 소정의 경로를 따라 적층되도록 할 수 있다. 본 실시예에서는 이송부(50)가 전극(10)과 기판(20)을 이송시키는 것으로 설명되었으나, 전극(10)과 기판(20)을 이송시키는 대신에 토출부(30)를 이송시킬 수도 있다.
복수의 노즐부(32)들로부터 방사되는 고분자 섬유(60a)들은 복수의 노즐부(32)들이 상호 이격되어 있는 간격에 대응하도록 상호 이격된 선 패턴을 형성하면서 기판(20)에 쌓일 수 있다.
전기 방사법에 의해 연속적인 섬유상의 고부자 섬유(60a)들이 선 패턴을 형성하면서 기판(20)에 쌓이는 과정은 다음과 같이 설명할 수 있다. 고점도의 방사용액이 토출부(30)에 공급되면, 전압 발생기(40)는 전극(10)과 대향전극에 서로 다른 극성의 전압을 인가할 수 있다. 전극(10)과 대향전극 사이의 전압차로 인해 방사용액은 노즐부(32)의 끝에서 반구형의 방울로 형성될 수 있다. 계속되는 전압 인가로 인해 방사용액은 노즐부(32)의 끝에서 테일러 콘(Taylor Cone)으로 알려진 원추형 모양으로 늘어나게 되고, 임계 전기장 세기에서 하전된 방사용액이 연속적인 섬유상으로 테일러 콘 끝에서 방출될 수 있다. 이러한 과정을 거쳐 노즐부(32)의 끝에서 연속적인 고분자 섬유(60a)들이 방출되어 기판(20) 상에 쌓일 수 있다.
도 2는 도 1의 초기 방사 단계 이후에 고분자 섬유(60a)들이 적층되어 표면이 굴곡진 섬유층을 형성하는 과정을 모식적으로 도시한 도면이다. 도 2는 도 1의 초기 고분자 섬유(60a)들의 방사 단계 이후, 이송부(50)가 제1 방향으로 전극(10)과 기판(20)을 수차례 왕복 이송시킴으로써 고분자 섬유(60a)들이 쌓여 섬유층(60)을 형성한 단계를 모식적으로 도시한 것이다. 제1 방향은 이송부(50)가 전극(10)과 기판(20)을 직선 왕복 운동시키는 방향일 수 있다.
도 2를 참고하면, 기판(20) 상에는 장축이 제1 방향으로 배열된 복수의 고분자 섬유(60a)들이 연속적으로 적층되어 있고, 섬유층(60)의 표면에는 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 요철 구조가 형성될 수 있다. 즉, 섬유층(60)의 표면은 제2 방향으로 골(trough)과 마루(crest)가 연속된 굴곡진 형상을 가질 수 있다. 다시 말하면, 섬유층(60)의 표면은 제1 방향으로 복수의 고분자 섬유(60a)의 장축이 배열되고 제2 방향으로 골과 마루로 구분되는 스트라이프(stripe) 패턴의 요철 구조를 가질 수 있다.
도 3은 도 2의 III-III'선에 따른 단면도이다.
도 3을 참고하면, A 영역의 복수의 고분자 섬유(60a)들과 C 영역의 복수의 고분자 섬유(60a)들은 마루를 형성하고, B 영역의 복수의 고분자 섬유(60a)들은 골을 형성하고 있다. A 영역의 복수의 고분자 섬유(60a)들과 C 영역의 복수의 고분자 섬유(60a)들의 최상층을 기준으로 B 영역의 복수의 고분자 섬유(60a)들의 최상층은 홈(groove)을 형성하는 것으로 이해할 수 있다. 또한, B 영역의 복수의 고분자 섬유(60a)들의 최상층을 기준으로 A 영역의 복수의 고분자 섬유(60a)들과 C 영역의 복수의 고분자 섬유(60a)들의 최상층은 돌출부를 형성하는 것으로 이해할 수 있다. 홈들과 돌출부들은 제2 방향을 따라 주기적으로 교차 배열될 수 있다.
도 4는 도 2의 섬유층 형성 단계 이후에 섬유층에 자외선을 조사하여 광배향막을 형성하는 단계를 모식적으로 도시한 것이다.
도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 직선 편광 조사 장치(200)는 지지판(110), 기판(20), 광조사부(120)을 포함하여 구성될 수 있다.
지지판(110)은 섬유층(60)이 형성된 기판(20)을 지지하기 위한 평판일 수 있다. 지지판(110)은 기판(20)을 지지하기 위해서 기판(20)의 면적에 비해 큰 면적을 가질 수 있다.
기판(20)은 지지판(110)의 상면에 배치되어 섬유층(60)이 형성된 평판일 수 있다.
광조사부(120)는 램프(미도시), 반사경(122), 편광 소자(121)을 포함하여 구성될 수 있다.
램프(미도시)는 선형상의 광원인 고압 수은 램프나, 수은에 금속을 더한 메탈할라이드램프 등의 봉 형상의 램프일 수 있다.
반사경(122)은 램프(미도시)로부터의 광을 반사하는 홈통 형상일 수 있다. 반사경(122)은 램프(미도시)를 감싸도록 구성되어, 램프(미도시)로부터 상부로 방출되는 광을 섬유층(60)으로 반사될 수 있도록 한다.
편광 소자(121)는 직선 편광을 만들어내기 윈한 것으로서 선 격자 편광 소자일 수 있다. 램프(미도시)로부터 방출된 광 또는 반사경(122)에 반사된 광은 편광 소자(121)를 통과하면서 직선 편광으로 변할 수 있다.
직선 편광된 광은 섬유층(60)에 입사하여 전술한 광분해 반응, 광중합 반응, 광이성화 반응을 통해, 섬유층(60)에 광학적 이방성을 제공할 수 있다.
도 5는 도 4의 UV 미조사 영역에서의 광분해 반응 물질의 사슬들의 결합 상태를 모식적으로 도시한 도면이고, 도 6은 도 4의 UV 조사 영역에서의 광분해 반응 물질의 사슬들의 결합 상태를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 5를 참고하면, UV 미조사 영역에서는 광분해 반응 물질의 모든 사슬(PC)들이 분해되지 않은 상태로 랜덤(random)하게 배열될 수 있다. UV 미조사 영역에서는 광분해 반응이 발생하지 않았음을 의미한다.
도 6을 참고하면, UV 조사 영역에서는 편광 방향에 대략 수직인 제1 방향으로 배향된 광분해 반응 물질의 사슬(PC)들은 분해되지 않은 상태로 유지되지만, 편광 방향에 대략 평행인 방향으로 배향되는 광분해 반응 물질의 사슬(DPC)들은 분해되었다.
광분해 반응 물질이 CBDA를 포함하는 고리형 이미드계 물질인 경우를 예를 들면, 편광 방향에 대략 평행인 방향으로 배향된 CBDA링이 분해될 수 있다. 반면에, 편광 방향에 대략 수직인 방향으로 배향된 CBDA 링은 분해되지 않을 수 있다. 광분해 반응 물질이 CBDA를 포함하는 고리형 이미드계 물질인 경우, UV 조사 이후에는 측쇄에 고리형 이미드계 물질이 존재할 수 있다.
도 7은 섬유층(60)에 UV가 조사된 이후에 액정(300)이 배열된 상태를 모식적으로 도시한 도면이다. 도 8은 도 7의 액정(300) 배열 상태를 사시도로 모식적으로 도시한 도면이다.
도 7을 참고하면, 편광방향에 대략 수직한 제1 방향으로 배향된 사슬(PC)들과의 화학적 결합에 의해 액정(300)들은 사슬(PC)의 배향방향과 동일한 제1 방향으로 배향될 수 있다. 따라서, 섬유층(60)은 UV 조사 이후에 액정(300)들이 편광 방향에 수직한 제1 방향으로 배향되는 광학적 이방성을 가질 수 있다.
도 8을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광배향막은 전술한 바와 같이 복수의 고분자 섬유(60a)들이 적층되어 표면이 굴곡진 섬유층(60)으로 이루어져 있는 바, 섬유층(60)의 표면의 굴곡진 표면을 따라 액정(300)들이 배열될 수 있다.
따라서, 종래 광배향법만을 이용하여 제조한 광배향막과는 달리 본 발명의 일 실시예에 따른 광배향막은 러빙 배향법에서와 같이 홈(groove)과 액정들 간의 기계적 상호 작용에 의해 액정들의 배향력을 향상시키는 그루브(groove) 효과를 가질 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 일 실시예에 따른 광배향막은 다수의 고분자 섬유(60a)들이 적층된 섬유층을 구성되어 있으므로, 고분자막으로 이루어진 종래의 광배향막에 비해 유연한 장점이 있다. 따라서, 플렉서블 디스플레이용 배향막으로 활용성이 우수한 장점이 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시패널(400)의 일부의 단면도를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 9를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시패널(400)은 컬러필터 기판(410), 컬러필터 기판(410)과 대향된 박막트랜지스터 기판(430) 및 이들 두 기판들(410, 430) 사이에 개재된 액정층(470)을 포함할 수 있다.
컬러필터 기판(410)은, 제1 광 투과성 기판(411), 컬러필터층(414), 오버코트층(416), 공통전극(418) 및 제1 배향막(420)을 포함하여 구성될 수 있다.
제1 광 투과성 기판(411)은 투명한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 제1 광 투과성 기판(111)은 유리로 이루어질 수 있다.
제1 광 투과성 기판(111) 상에는 일정 간격 이격되어 패터닝된 블랙매트릭스들(Black Matrix; BM)이 제공될 수 있다. 블랙매트릭스들은 빛샘 차단을 위해 박막트랜지스터 기판(430)의 박막트랜지스터(TFT), 게이트 배선(gate line, 미도시) 및 데이터 배선(data line, 미도시)과 대응되는 영역에 제공될 수 있다. 또한, 블랙매트릭스들은 컬러필터층(414)들 사이에 제공되어 컬러필터층(414)들 사이의 혼색을 방지할 수 있다.
블랙매트릭스들은 금속으로 이루어질 수 있으며, 예를 들면, Cr, CrOx 또는 이들의 이중층으로 이루어질 수 있다.
블랙매트릭스들 사이에는 특정 파장대의 빛만을 걸러주는 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 컬러필터층들(414)이 제공될 수 있다. 컬러필터층들(414)은 아크릴 수지(arcyl resin)와 안료를 포함할 수 있다. 컬러필터층들(414)은 색상을 구현하는 안료의 종류에 따라서 적색(R), 녹색(G), 청색(B)으로 구분할 수 있다.
블랙매트릭스들 및 컬러필터층들(414) 상에는 오버코트층(overcoat layer, 416)이 추가적으로 제공될 수 있다. 오버코트층(416)은 컬러필터층들(414)의 보호와 표면 평탄화 및 공통전극(418)과의 접착력 향상을 위해 제공되며, 예를 들어, 아크릴 계열 수지로 이루어질 수 있다.
오버코트층(416) 상에는 공통전극(418)이 제공될 수 있다. 공통전극(418)은 투명 도전성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 공통전극(418)은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide)로 이루어질 수 있다. 공통전극(418) 상에는 액정의 배열을 용이하게 유도하기 위해 제1 배향막(420)이 제공될 수 있다.
공통전극(418) 상에는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 광배향막(420)이 제공될 수 있다.
도면으로 제시하지는 않았으나, 컬러필터 기판(410)에는 컬러필터 기판(410)과 박막트랜지스터 기판(430) 사이의 일정한 셀 갭(Cell Gap)을 유지하는 역할을 하는 스페이서(Spacer, 미도시)가 추가적으로 제공될 수 있다. 스페이서는 유기 고분자 물질 중 일반적으로 수지로 이루어질 수 있다.
박막트랜지스터 기판(430)은 제2 광 투과성 기판(431), 박막트랜지스터, 제1 절연막(444), 제2 절연막(446), 화소전극(450), 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 광배향막(452)를 포함하여 구성될 수 있다.
제2 광 투과성 기판(431)은 투명한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 제2 광 투과성 기판(431)은 유리로 이루어질 수 있다.
제2 광 투과성 기판(431) 상의 표시 영역에는 게이트 전극(432), 반도체층(436), 오믹 콘택층(438), 소스 전극(440) 및 드레인 전극(442)을 포함하는 박막트랜지스터(TFT)가 형성될 수 있다. 박막트랜지스터(TFT)는 액정에 신호를 인가하고 차단하는 스위칭 소자이다.
구체적으로, 게이트 전극(432)은 금속과 같은 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 게이트 전극(432)은 알루미늄(Al), 알루미늄합금(AlNd), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 티타늄(Ti) 및 몰리브덴(Mo) 등으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
게이트 전극(432)과 반도체층(436) 사이에는 게이트 절연막(434)이 제공될 수 있다. 게이트 절연막(434)은 비표시 영역의 제2 광투과성 기판(431) 상으로 연장된다. 게이트 절연막(434)은 실리콘 산화막(SiO2)으로 이루어질 수 있다.
반도체층(436)은 게이트 전극(432)에 대응되는 게이트 절연막(434) 상에 제공되며, 순수 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 이루어질 수 있다. 오믹 콘택층(438)은 반도체층(436) 상에 제공되며, 불순물이 주입된 비정질 실리콘(n+ a-Si:H)으로 이루어질 수 있다. 오믹 콘택층(438)에 의해 반도체층(436)의 표면 일부가 노출된다.
소스 전극(440) 및 드레인 전극(442)은 오믹 콘택층(438) 상에 서로 이격되어 제공된다. 소스 전극(440) 및 드레인 전극(442)은 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 텅스텐몰리브덴(MoW), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 알루미늄(Al) 및 알루미늄합금(AlNd) 등으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 반도체층(436)의 표면 일부가 노출된 소스 전극(440) 및 드레인 전극(442) 간의 이격 구간에는 소스 전극(440) 및 드레인 전극(442)을 도통시키는 채널(Channel, 미도시)이 형성된다.
따라서, 게이트 전극(432)에 하이 레벨(high level)의 전압이 인가되고, 소스 전극(440)에 데이터 전압이 인가되면, 게이트 전극(432)으로 인가된 하이 레벨의 전압에 의해 소스 전극(440)으로 인가된 데이터 전압이 반도체층(436)을 경유하여 드레인 전극(442)으로 공급되게 된다.
도면으로 제시하지는 않았지만, 게이트 전극(432)과 연결되어 제3 방향으로 게이트 배선이 제공되고, 제3 방향과 교차하는 제4 방향으로 소스 전극(440)과 연결되는 데이터 배선이 제공된다. 게이트 배선 및 데이터 배선이 교차되는 영역은 화소 영역으로 정의된다.
박막트랜지스터(TFT) 상에 차례로 적층된 제1 절연막(444) 및 제2 절연막(446)이 제공될 수 있다. 제1 절연막(444)은 박막트랜지스터(TFT)를 보호하고, 제2 절연막(446)의 미충진(unfilling)을 방지하기 위한 것으로, 비표시 영역의 게이트 절연막(434) 상으로 연장될 수 있다. 제1 절연막(444)은 실리콘 산화막(SiO2), 실리콘 질화막(SiNx) 또는 이들의 이중층으로 이루어질 수 있다.
제2 절연막(446)은 게이트 배선(미도시)과 화소전극(450) 간 기생 커패시턴스를 줄이기 위한 것으로, 유기물로 이루어질 수 있다. 제2 절연막(446)은, 예를 들어, 아크릴 수지(acryl resin) 또는 벤조싸이클로부텐(Benzocyclobutene; BCB) 등과 같이 유전율이 낮은 물질로 이루어질 수 있다. 제2 절연막(446)은 비표시 영역의 제1 절연막(444) 상으로 연장될 수 있다.
표시 영역에서 제2 절연막(446) 및 제1 절연막(444)에는 드레인 전극(442)의 표면 일부를 노출시키는 콘택홀(448)이 제공될 수 있다. 표시 영역의 제2 절연막(446) 상에는 콘택홀(448)을 통해 드레인 전극(442)과 전기적으로 연결되는 화소전극(450)이 제공될 수 있다. 화소전극(450)은 컬러필터층들(414)과 대응되는 영역에 제공될 수 있다. 화소전극(450)은 투명 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 화소전극(450)은 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어질 수 있다.
화소전극(450) 및 제2 절연막(446) 상에는 액정의 배열을 용이하게 유도하기 위해 제2 광배향막(452)이 제공될 수 있다. 제2 광배향막(452)은 제2 절연막(446)과 화소 전극(450)을 덮고 있을 수 있다.
도시하지는 않았지만, 컬러필터 기판(410)과 박막트랜지스터 기판(430)은 비표시 영역에서 씰 라인(seal line)에 의해 합착된다. 컬러필터 기판(410)과 박막트랜지스터 기판(430) 사이의 일정한 셀 갭이 발생된 영역에는 액정층(470)이 제공될 수 있다. 액정층(470)은 광학적 이방특성을 갖는 액정(300)을 포함할 수 있다.
액정표시패널(400)은 드레인 전극(442)을 통해 화소전극(450)으로 전압이 인가되고, 공통 전극(418)으로 전압이 인가되어 액정 셀을 구동시켜 영상을 표시하게 된다.
광분해 반응을 통해 섬유층(60)에 광학적 이방성을 제공하는 경우, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광배향막의 제조방법은 광배향 단계 이전에 상기 섬유층을 제1 베이킹(baking)하는 단계;와 광배향 단계 이후에 상기 섬유층을 제2 베이킹(baking)하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
제2 베이킹 단계는 UV 조사 이후 저분자 물질들을 승화시킴으로써 광배향 물질을 재배열할 수 있다. 따라서, 제2 베이킹 단계는 액정 배향력을 향상시킬 수 있다. 제2 베이킹 단계는 200 ℃ 이상 내지 250 ℃이하의 온도에서 25 분 이상 내지 35 분 이하의 범위 내에서 수행될 수 있다.
또한, 광이성화 반응을 통해 섬유층(60)에 광학적 이방성을 제공하는 경우, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광배향막의 제조방법은 광배향 단계 이후에 베이킹(baking)단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 광중합 반응을 통해 섬유층(60)에 광학적 이방성을 제공하는 경우, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광배향막의 제조방법은 광배향 단계 이전에 베이킹(baking)단계를 더 포함할 수 있고, 액정 적하 단계 이후에 제2 광배향 단계를 더 포함할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
60a: 고분자 섬유
60: 섬유층
100: 전기 방사 장치
200: 광조사 장치
PC: 사슬
DPC: 분해된 사슬

Claims (14)

  1. 일방향에 대해 광학적 이방성을 가진 광배향 물질을 포함하는 섬유들이 장축이 상기 일방향으로 배열된 상태에서 적층되어 섬유층을 형성하고,
    상기 섬유층은 상기 섬유들의 적층 높이 차이에 따른 굴곡진 표면을 가진 광배향막.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 섬유들은 상기 장축이 제1 방향으로 배열되어 있고,
    상기 굴곡진 표면은 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향을 따라 주기적으로 굴곡된 스트라이프(stripe) 패턴의 요철 구조를 형성하는 광배향막.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 섬유는 고분자 사슬의 주쇄(main chain)와 상기 주쇄에 결합되어 상기 일방향으로 배향된 측쇄(side chain)로 구성되는 광배향막.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 측쇄는 광배향 물질을 포함하고,
    상기 광배향 물질은 고리형 이미드(imide)계 물질, 신나메이트(cinnamate)계 물질, 칼콘(chalcone)계 물질, 쿠마린(coumarine)계 물질 및 아조(azo)계 물질로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질인 광배향막.
  5. 기판에 광배향 물질을 포함하는 고분자 섬유를 연속적으로 방사하여 표면이 상기 고분자 섬유들의 적층 높이에 따라 굴곡진 섬유층을 형성하는 단계; 및
    상기 섬유층에 직선 편광된 자외선을 조사하여 일방향에 대해 광학 이방성을 부여하는 광배향 단계;를 포함하는 광배향막 제조방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 고분자 섬유는 전기방사(electrospining)법을 이용하여 제조하는 광배향막 제조방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 고분자 섬유는, 고분자 사슬의 주쇄(main chain)와 상기 주쇄에 결합되어 상기 일방향으로 배향된 측쇄(side chain)로 구성되는 광배향막 제조방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 측쇄는 광배향 물질을 포함하고,
    상기 광배향 물질은 광중합성(photo dimerization)성 물질, 광이성화(photo isomerization)물질 및 광분해성(photo decompostition)물질로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 광배향막 제조방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 광중합성 물질은 시나메이트(cinnamate)계 물질이고,
    상기 광이성화 물질은 아조계 물질이며,
    상기 광분해성 물질은 시클로부탄 무수물(cyclobutane dianhydride: CBDA)을 포함하는 고리형 이미드(polyiminde)계 물질인 광배향막 제조방법.
  10. 제5 항에 있어서,
    광배향 단계 이전에 상기 섬유층을 제1 베이킹(baking)하는 단계;와
    광배향 단계 이후에 상기 섬유층을 제2 베이킹(baking)하는 단계;를 더 포함하는 광배향막 제조방법.
  11. 제1 기판과 제2 기판의 사이에 액정층이 개재되고,
    상기 제1 기판과 상기 액정층의 사이와 상기 제2 기판과 상기 액정층의 사이에는 각각 광배향막이 개재되며,
    상기 광배향막은 일방향에 대해 광학 이방성을 가진 광배향 물질로 이루어진 섬유들이 장축이 상기 일방향으로 배열된 상태에서 적층되어 섬유층을 형성하고, 상기 섬유층은 표면이 상기 섬유들의 적층 높이 차이에 따른 주기적인 홈들을 가지며,
    전계 비인가 시에, 상기 액정층의 액정들이 상기 섬유층의 표면의 주기적인 홈들에 수용되어 상기 일방향으로 배향되는 액정표시패널.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 섬유들은 상기 장축이 제1 방향으로 배열되어 있고,
    상기 주기적인 홈들은 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향을 따라 반복되는 광배향막.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 섬유는 고분자 사슬의 주쇄(main chain)와 상기 주쇄에 결합되어 상기 일방향으로 배향된 측쇄(side chain)로 구성되는 광배향막.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 측쇄는 광배향 물질을 포함하고,
    상기 광배향 물질은 고리형 이미드(imide)계 물질, 신나메이트(cinnamate)계 물질, 칼콘(chalcone)계 물질, 쿠마린(coumarine)계 물질 및 아조(azo)계 물질로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질인 광배향막.


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