KR20160069935A - 수평스위칭 액정 표시장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 러빙 공정을 이용한 수평스위칭 디스플레이에 3 전극 구조를 적용하고 배향막에 광 경화성 폴리머를 혼합하여 낮은 선경사각을 갖도록 한 수평스위칭 액정 표시장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 상판 통전극을 갖는 상부 기판;하판 통전극 및 하판 통전극과 절연층을 사이에 두고 형성되는 패턴 전극을 갖는 하부 기판;상부 기판과 하부 기판 사이에 위치하는 액정층;상기 상판 통전극을 갖는 상부 기판 및 패턴 전극을 갖는 하부 기판에 형성되어 액정을 수평 배열시킬 수 있는 배향막 층;을 포함한 것이다.

Description

수평스위칭 액정 표시장치 및 그 제조 방법{In-plane Switching Mode Liquid Crystal Display Device and Method of Fabrication}
본 발명은 액정 표시장치에 관한 것으로, 구체적으로 러빙 공정을 이용한 수평스위칭 디스플레이에 3 전극 구조를 적용하고 배향막에 광 경화성 폴리머를 혼합하여 낮은 선경사각을 갖도록 한 수평스위칭 액정 표시장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
액정표시장치는 평판표시장치 중 하나로, 전극에 전압을 인가하여 액정층의 액정 분자들을 재배열시킴으로써 투과되는 빛의 양을 조절하는 표시장치이다.
다양한 액정모드 중에서 높은 투과율과 광시야각 특성을 가진 액정모드기술로, FFS(Fringe Field Switching) 모드가 널리 사용되고 있다.
상기 FFS 모드는 하나의 기판 위에 공통전극과 화소 전극을 순차적으로 형성하여 수평 전기장을 이용해 액정 분자들을 회전시키는 방식이다.
도 1은 2 전극 구조를 사용한 수평스위칭 액정표시소자의 기본구조이다.
종래 기술의 수평스위칭 액정표시소자의 구조는 도 1에서와 같이, 각각 상부 기판(10)과 하판 통전극(60)이 증착된 하부 기판(70) 사이에 액정층(30)이 존재하는 구조이다.
이때, 하부 기판에는 패턴전극(40)을 추가로 증착하며, 하판 통전극(60)과 패턴전극(40) 사이에는 절연층(50)이 위치한다.
도 2는 도 1의 수평스위칭 액정표시소자의 액정 배향 방법을 나타낸다.
도시한 바와 같이, 수평 배향막(20)이 형성된 기판 위에 러빙 포가 감겨진 러빙 롤(100)이 회전을 하게 되는데, 이때 기판과 러빙 포 사이의 접촉으로 배향막(20) 표면에 그 내부적으로 형성된 고분자 사슬이 한 방향으로 정렬되게 된다.
이때 상,하 기판을 합착하게 되면 액정분자의 장축이 기판면과 이루는 각도로 정의되는 선경사각은 1-3도 정도의 각도를 가지게 된다.
종래 기술의 수평스위칭 액정표시소자는 도시한 바와 같이, 러빙 공정을 통해 배향하게 되면 선경사각을 1-3도 정도의 각도를 가지게 되는데, 이는 블랙(black) 상태에서 빛샘 현상을 야기한다.
선경사각으로 인한 빛샘은 보상필름을 이용한 시야각 보상으로도 개선이 불가능하여 디스플레이의 성능에 크게 악화시킨다.
특히, 고해상도 고성능 디스플레이의 수요 급증에 따라 광시야각을 얻기 위한 연구가 활발하게 진행중인데, 이때 액정의 선경사각이 시야각에 많은 영향을 미친다.
시야각 성능을 개선하기 위해, 시야각 보상 구조 설계와 함께 선경사각을 낮추고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있는데, 그 중의 하나로 강한 UV를 이용한 광배향이 연구되고 있지만, 여러 단점들로 인하여 아직까지 대량생산에 적용되지 못하고 있다.
이와 같이 현재 액정표시소자에서 시인성은 매우 중요한 부분이기 때문에 종래 기술의 수평스위칭 액정표시소자의 시야각 특성을 향상시킬 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.
특히, 다른 전기광학 특성의 저하 없이 시야각 특성을 향상시킬 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.
한국공개특허번호 10-2008-0078594호 한국공개특허번호 10-2011-0109840호
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 수평스위칭 액정표시소자의 문제를 해결하기 위한 것으로, 러빙 공정을 이용한 수평스위칭 디스플레이에 3 전극 구조를 적용하고 배향막에 광 경화성 폴리머를 혼합하여 낮은 선경사각을 갖도록 한 수평스위칭 액정 표시장치 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 러빙 공정을 이용한 수평스위칭 디스플레이에 3전극 구조를 적용하고 배향막에 광 경화성 폴리머를 혼합하여 낮은 선경사각을 갖도록 하여 다른 전기광학 특성의 저하 없이 시인성을 개선할 수 있도록 한 수평스위칭 액정 표시장치 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 배향막에 광 경화성 폴리머를 혼합하여 낮은 선경사각을 갖도록 하는 공정을 기존에 이용되던 러빙 공정을 그대로 이용하여 공정의 큰 변화 없이 성능을 개선할 수 있도록 한 수평스위칭 액정 표시장치 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수평스위칭 액정 표시장치는 상판 통전극을 갖는 상부 기판;하판 통전극 및 하판 통전극과 절연층을 사이에 두고 형성되는 패턴 전극을 갖는 하부 기판;상부 기판과 하부 기판 사이에 위치하는 액정층;상기 상판 통전극을 갖는 상부 기판 및 패턴 전극을 갖는 하부 기판에 형성되어 액정을 수평 배열시킬 수 있는 배향막 층;을 포함한 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 배향막 층은, 광 경화성 폴리머가 포함되어 선경사각이 제어되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 배향막 층은, 배향막 층 형성시에 인가되는 UV 인가 시간에 의해 선경사각을 제어하거나, 광 경화성 폴리머의 양에 따라 선경사각을 제어하는 것을 특징으로 한다.
그리고 수평스위칭 액정 표시장치는, 수직 전계와 수평 전계를 인가할 수 있는 전극구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
그리고 수평스위칭 액정 표시장치는, 상기 패턴 전극과 하판 통전극 사이의 전압차로 구동하거나, 패턴 전극 간의 전압차로 구동하거나, 상판 통전극, 하판 통전극, 패턴 전극 사이의 전압차로 구동하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 액정층은, 음의 유전율 이방성 값을 가지는 액정이 포함되는 것을 특징으로 한다.
그리고 수평스위칭 액정 표시장치의 화이트(white) 상태와 블랙(black) 상태 구동시에 상판 통전극 또는 하판 통전극, 또는 상, 하판 통전극 모두를 플로팅시키는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수평스위칭 액정 표시장치의 제조 방법은 광 경화성 폴리머를 포함한 배향막이 형성된 기판 위에 러빙 포가 감겨진 러빙 롤을 회전시키는 단계;러빙 롤을 회전시키는 단계에서 기판과 러빙 포 사이의 접촉으로 배향막 표면에 내부적으로 형성된 고분자 사슬이 한 방향으로 정렬되도록 하는 단계;상,하 기판을 합착하여 액정분자의 장축이 기판면과 이루는 각도로 정의되는 선경사각이 제 1 범위의 각도를 갖도록 하는 단계;상,하 기판의 합착 이후에 상, 하판 통전극 사이에 수직 전계를 인가한 후 UV 처리를 하여 선경사각이 제2 범위의 각도를 갖도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 선경사각의 제 1 범위의 각도는 1 ~ 3도이고, 제 2 범위의 각도는 제 1 범위의 각도보다 작은 범위의 크기인 것을 특징으로 한다.
그리고 상, 하 기판의 합착 이후에 상, 하판 통전극 사이에 수직 전계를 인가한 후 UV 처리를 하여, 수직 전계에 의해 유전율 이방성 값이 음의 값을 가지는 액정들은 기판면에 평행한 방향으로 정렬되도록 하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상, 하 기판의 합착 이후에 상, 하판 통전극 사이에 수직 전계를 인가한 후 UV 처리를 하여, 배향막에 혼합된 광 경화성 폴리머들이 UV 처리를 통해 경화되면서 수직 전계를 제거한 후에도 액정 분자들이 제 2 범위의 선경사각을 유지하도록 하는 것을 특징으로 한다.
그리고 선경사각을 인가되는 UV 인가 시간에 의해 제어하거나, 혼합되는 광 경화성 폴리머의 양에 따라 제어하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 수평스위칭 액정 표시장치 및 그 제조 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 단순한 공정으로 다른 전기광학 특성의 저하 없이 낮은 선경사각을 얻을 수 있어 디스플레이의 시야각 특성을 크게 개선할 수 있다.
둘째, 광 경화성 폴리머가 혼합된 배향제에 수직전압을 인가한 채 UV 처리를 하는 방식으로 공정의 큰 변화 없이 성능을 개선할 수 있다.
셋째, 공정의 큰 변화 없이 이전의 러빙 공정 프로세스를 그대로 유지하면서 높은 표면 고정 에너지(surface anchoring energy) 특성, 낮은 UV 큐어링 에너지 및 단순한 공정 프로세스 구현의 효과를 갖는다.
도 1은 일반적인 수평스위칭 액정 셀의 단면 구성도
도 2는 러빙 공정을 이용한 액정 배향 방법에 관한 모식도
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3전극 수평스위칭 액정 셀의 단면 구성도
도 4a내지 도 4d는 낮은 선경사각을 갖는 러빙 공정을 이용한 액정 배향을 통한 제조 공정 단면도
도 5는 전압에 따른 투과율 측정 그래프
도 6은 경화시간에 따른 선경사각 측정 그래프
도 7a와 도 7b는 시야각에 따른 블랙(black) 상태의 투과특성을 나타낸 측정 그래프
이하, 본 발명에 따른 수평스위칭 액정 표시장치 및 그 제조 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 수평스위칭 액정 표시장치 및 그 제조 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3전극 수평스위칭 액정 셀의 단면 구성도이고, 도 4a내지 도 4d는 낮은 선경사각을 갖는 러빙 공정을 이용한 액정 배향을 통한 제조 공정 단면도이다.
본 발명은 러빙 공정을 이용한 수평스위칭 디스플레이에 3전극 구조를 적용하고 배향막에 광 경화성 폴리머를 혼합하여 낮은 선경사각을 갖도록 하여 다른 전기광학 특성의 저하 없이 시인성을 개선할 수 있도록 한 것이다.
즉, 상,하판 통전극 사이의 수직전계를 인가한 상태에서 경화를 진행하여, 수직 전압을 제거한 후에도 낮은 선경사각을 유지하도록 하고, 구동시에는 하판의 통전극과 패턴 전극 사이의 수평전계를 이용하는 수평스위칭 액정 디스플레이에 관한 것이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 3전극 수평스위칭 액정표시소자의 기본구조이다.
상판과 하판의 전극은 수직 전계와 수평 전계를 인가할 수 있는 구조로 형성되며, 이 사이에 네마틱 액정을 주입하여 구동하는 형태를 가진다.
LCD는 전극 쌍을 포함하는 능동 매트릭스 구동전극(active matrix drive electrode)의 모드에 따라 IPS(in-plane-switching) 또는 super-IPS(super-in-plane-switching) 또는 FFS(fringe-field-switching)로 구별된다.
본 발명에서 수평스위칭 액정 셀이라 하면 IPS, super-IPS, FFS 등도 포함한다.
본 발명에 따른 수평스위칭 액정 표시장치는 수직 전계와 수평 전계를 인가할 수 있는 전극구조를 갖고, 액정을 수평 배열시킬 수 있는 배향막 층을 포함한다.
그리고 광 경화성 폴리머가 포함된 배향막 층을 구비하고, 패턴 전극과 하부 전극 사이의 전압차로 구동하거나, 패턴 전극 간의 전압차로 구동하거나, 상부 전극, 하부 전극, 패턴 전극 사이의 전압차로 구동할 수 있다.
그리고 음의 유전율 이방성 값을 가지는 액정이 포함된 액정층을 포함한다.
그리고 수직 전계를 인가한 채 UV 처리하여 낮은 선경사각 얻는 공정을 포함한다.
그리고 액정 표시장치의 화이트(white) 상태와 블랙(black) 상태 구동 시 상판 전극 또는 하판 전극, 또는 상, 하판 전극 모두를 플로팅시킬 수 있다.
또한, 수직 전계를 인가한 채 UV 처리하여 낮은 선경사각 얻는 공정시에 UV 시간에 따라 선경사각을 제어하거나, 광 경화성 폴리머의 양에 따라 선경사각을 제어한다.
본 발명에 의한 3전극 수평스위칭 액정표시소자의 구조는 도 3에서와 같이, 각각 상판 통전극(80)이 증착된 상부 기판(10)과 하판 통전극(60)이 증착된 하부 기판(70) 사이에 액정층(30)이 존재하는 구조이다.
이때, 하부 기판에는 패턴전극(40)을 추가로 증착하며, 하판 통전극(60)과 패턴전극(40) 사이에는 절연층(50)이 위치한다.
도 4는 도 3의 3전극 수평스위칭 액정표시소자의 액정 배향 방법을 나타낸다.
먼저, 광 경화성 폴리머를 포함한 배향막이 형성된 기판 위에 러빙 포가 감겨진 러빙 롤을 회전시키는 단계와, 러빙 롤을 회전시키는 단계에서 기판과 러빙 포 사이의 접촉으로 배향막 표면에 내부적으로 형성된 고분자 사슬이 한 방향으로 정렬되도록 하는 단계와, 상,하 기판을 합착하여 액정분자의 장축이 기판면과 이루는 각도로 정의되는 선경사각을 1-3도의 각도를 갖도록 하는 단계와,상,하 기판의 합착 이후에 상,하판 통전극 사이에 수직 전계를 인가한 후 UV 처리를 하는 단계를 포함한다.
광 경화성 폴리머를 포함한 수평 배향막(90)이 형성된 기판 위에 러빙 포가 감겨진 러빙 롤(100)이 회전하게 되는데, 이때 기판과 러빙 포 사이의 접촉으로 배향막(90) 표면에 그 내부적으로 형성된 고분자 사슬이 한 방향으로 정렬되게 된다.
이때 상, 하 기판을 합착하게 되면 액정분자의 장축이 기판면과 이루는 각도로 정의되는 선경사각은 1-3도 정도의 각도를 가지게 된다.
액정 셀의 합착 이후에 상, 하 통전극 사이에 수직 전계를 인가한 후 UV 처리를 거치게 되는데, 수직 전계에 의해 유전율 이방성 값이 음의 값을 가지는 액정들은 기판면에 평행한 방향으로 정렬하게 된다.
이때 선경사각은 0에 가까운 낮은 값을 가지게 되며, 배향막에 혼합된 광 경화성 폴리머들이 UV 처리를 통해 경화되면서 수직 전계를 제거한 후에도 액정 분자들이 낮은 선경사각을 유지하게 된다.
도 5은 도 1과 도 3의 수평스위칭 액정표시소자와 3전극 수평스위칭 액정표시소자의 전압에 따른 투과율 특성을 나타낸다.
종래 기술의 수평스위칭 액정표시소자와 비교해보면, 본 발명에서 제안한 3전극 수평스위칭 액정표시소자의 구동전압과 최대 투과율의 감소가 거의 없는 것을 보여주고 있다.
이는 낮은 선경사각을 유지하면서 다른 전기광학 특성을 저하시키지 않는 것을 보여주는 것이다.
도 6은 도 3의 구조의 경화시간에 따른 선경사각 측정 그래프로 UV처리 시간을 증가시킴에 따라 액정의 선경사각이 감소하는 것을 나타낸다.
UV 처리하지 않은 액정표시소자의 경우 2-3도의 선경사각을 가지게 되는데, 처리시간을 증가시킴에 따라 선경사각이 감소하고, 20분 이상 처리하게 되면, 선경사각이 0에 가까운 값을 가지는 것을 나타내고 있다.
그리고 도 7a 및 도 7b는 종래 및 본 발명에 의한 액정 셀의 블랙(black) 상태에서 시야각에 따른 투과특성을 보여주는 측정 결과이다.
도 7a에서 확인할 수 있듯이, 종래 기술의 수평스위칭 액정표시소자의 경우 서로 직교한 편광판들의 흡수축 사이에서 빛샘이 발생하는데, 그래프상에서 빛샘이 위, 아래로 비대칭인 것을 확인할 수 있다. 이는 1-3 사이의 액정이 갖는 선경사각 때문이다.
도 7b에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 3전극 수평스위칭 액정표시소자의 경우도 서로 직교한 편광판들의 흡수축 사이에서 빛샘이 발생하는데, 그래프상에서 빛샘이 위, 아래로 대칭인 것을 확인할 수 있다.
이는 0도에 가까운 낮은 선경사각 때문이다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 본 발명에 따른 수평스위칭 액정 표시장치 및 그 제조 방법은 러빙 공정을 이용한 수평스위칭 액정 디스플레이에 3전극 구조를 적용하고 배향막에 광 경화성 폴리머를 혼합하여 낮은 선경사각을 갖게 하는 것이다.
특히, 상, 하판 통전극 사이의 수직전계를 인가한 상태에서 경화를 진행하여, 수직 전압을 제거한 후에도 낮은 선경사각을 유지하도록 하고, 구동시에는 하판의 통전극과 패턴 전극 사이의 수평전계를 이용하는 수평스위칭 액정 디스플레이에 관한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10. 상부 기판 20. 배향막
30. 액정층 40. 패턴전극
50. 절연층 60. 하판 통전극
70. 하부 기판 80. 상판 통전극
90. 고분자가 혼합된 배향막 100. 러빙롤

Claims (12)

  1. 상판 통전극을 갖는 상부 기판;
    하판 통전극 및 하판 통전극과 절연층을 사이에 두고 형성되는 패턴 전극을 갖는 하부 기판;
    상부 기판과 하부 기판 사이에 위치하는 액정층;
    상기 상판 통전극을 갖는 상부 기판 및 패턴 전극을 갖는 하부 기판에 형성되어 액정을 수평 배열시킬 수 있는 배향막 층;을 포함한 것을 특징으로 하는 수평스위칭 액정 표시장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 배향막 층은,
    광 경화성 폴리머가 포함되어 선경사각이 제어되는 것을 특징으로 하는 수평스위칭 액정 표시장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 배향막 층은,
    배향막 층 형성시에 인가되는 UV 인가 시간에 의해 선경사각을 제어하거나, 광 경화성 폴리머의 양에 따라 선경사각을 제어하는 것을 특징으로 하는 수평스위칭 액정 표시장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 수평스위칭 액정 표시장치는,
    수직 전계와 수평 전계를 인가할 수 있는 전극구조를 갖는 것을 특징으로 하는 수평스위칭 액정 표시장치.
  5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 수평스위칭 액정 표시장치는,
    상기 패턴 전극과 하판 통전극 사이의 전압차로 구동하거나, 패턴 전극 간의 전압차로 구동하거나, 상판 통전극, 하판 통전극, 패턴 전극 사이의 전압차로 구동하는 것을 특징으로 하는 수평스위칭 액정 표시장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 액정층은,
    음의 유전율 이방성 값을 가지는 액정이 포함되는 것을 특징으로 하는 수평스위칭 액정 표시장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 수평스위칭 액정 표시장치의 화이트(white) 상태와 블랙(black) 상태 구동시에 상판 통전극 또는 하판 통전극, 또는 상, 하판 통전극 모두를 플로팅시키는 것을 특징으로 하는 수평스위칭 액정 표시장치.
  8. 광 경화성 폴리머를 포함한 배향막이 형성된 기판 위에 러빙 포가 감겨진 러빙 롤을 회전시키는 단계;
    러빙 롤을 회전시키는 단계에서 기판과 러빙 포 사이의 접촉으로 배향막 표면에 내부적으로 형성된 고분자 사슬이 한 방향으로 정렬되도록 하는 단계;
    상,하 기판을 합착하여 액정분자의 장축이 기판면과 이루는 각도로 정의되는 선경사각이 제 1 범위의 각도를 갖도록 하는 단계;
    상,하 기판의 합착 이후에 상, 하판 통전극 사이에 수직 전계를 인가한 후 UV 처리를 하여 선경사각이 제2 범위의 각도를 갖도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평스위칭 액정 표시장치의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 선경사각의 제 1 범위의 각도는 1 ~ 3도이고, 제 2 범위의 각도는 제 1 범위의 각도보다 작은 범위의 크기인 것을 특징으로 하는 수평스위칭 액정 표시장치의 제조 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상, 하 기판의 합착 이후에 상, 하판 통전극 사이에 수직 전계를 인가한 후 UV 처리를 하여,
    수직 전계에 의해 유전율 이방성 값이 음의 값을 가지는 액정들은 기판면에 평행한 방향으로 정렬되도록 하는 것을 특징으로 하는 수평스위칭 액정 표시장치의 제조 방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 상, 하 기판의 합착 이후에 상, 하판 통전극 사이에 수직 전계를 인가한 후 UV 처리를 하여,
    배향막에 혼합된 광 경화성 폴리머들이 UV 처리를 통해 경화되면서 수직 전계를 제거한 후에도 액정 분자들이 제 2 범위의 선경사각을 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 수평스위칭 액정 표시장치의 제조 방법.
  12. 제 8 항에 있어서, 선경사각을 인가되는 UV 인가 시간에 의해 제어하거나, 혼합되는 광 경화성 폴리머의 양에 따라 제어하는 것을 특징으로 하는 수평스위칭 액정 표시장치의 제조 방법.
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