WO2013054962A1 - 배향막, 배향막 형성 방법, 액정 배향 조절 방법, 그리고 액정 표시 장치 - Google Patents

배향막, 배향막 형성 방법, 액정 배향 조절 방법, 그리고 액정 표시 장치 Download PDF

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김학린
박창섭
주경일
박민규
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    • Y10T428/24587—Oblique to longitudinal axis of web or sheet

Definitions

  • An embodiment of the present invention relates to a display device, and more particularly, to an alignment film, an alignment film forming method, and a liquid crystal alignment control method used in the display device.
  • LCDs liquid crystal displays
  • the liquid crystal display uses an electric signal to change an optical transmittance by electro-optic modulation in a state where a liquid crystal, which is an intermediate state material between a liquid and a crystal, is placed between a pair of polarizers according to an applied voltage. It transfers the image by changing the visual information. That is, a conventional liquid crystal display device is composed of two substrates provided with electrodes and liquid crystals injected between the substrates, and an electric field is applied to the liquid crystals by applying a voltage to the two substrates. The light transmittance between the pairs changes.
  • the arrangement of the liquid crystal changes depending on the electric field due to the dielectric anisotropy of the liquid crystal. That is, the liquid crystal molecules have different physical properties in the long axis direction and the short axis direction, and thus, when an electric field is applied, the electric forces acting in the long axis direction and the short axis direction of the liquid crystal molecules are different. It becomes a drive source to rotate.
  • the liquid crystal has positive dielectric anisotropy or negative dielectric anisotropy depending on the type. That is, based on the long axis direction of the liquid crystal, the former is arranged in parallel to the direction of the electric field when the electric field is applied, the latter is arranged perpendicular to the direction of the electric field.
  • Liquid crystals also have refractive index anisotropy, which causes the transmittance of light to vary depending on the arrangement of the liquid crystals.
  • the refractive anisotropy of the liquid crystal causes a problem that the viewing angle is narrow in the liquid crystal display device.
  • the viewing angle refers to a direction in which the viewer views the display screen, and the image of the liquid crystal display is distorted toward the side rather than the front, so that the viewing angle is narrower than that of other display devices.
  • a single pixel is divided into regions so that the liquid crystals may be inclined in different directions in each region. That is, multiple domains are formed according to the arrangement direction of the liquid crystal for each region of each pixel. For example, when the liquid crystals of the first region are arranged to be inclined in the first direction and the liquid crystals of the second region are arranged to be inclined in the second direction, even when light is not transmitted through the liquid crystal of the first region when viewed from one side, Since light may pass through the liquid crystal, the viewing angle of the liquid crystal display may be increased.
  • a multi-milt-stable liquid crystal display device in which multiple patterns of submicro size are formed in an alignment layer has been proposed.
  • This multi-stable liquid crystal display device has two stable states due to the submicro-sized parallel multi-array layer, which has the advantage of preserving contents without electric reproduction even when the power is turned off.
  • the sub-microphone size pattern is formed by a method such as multi-rubbing, multiple photo arrays, nanoimprints, and the like.
  • the method of forming such a submicro size pattern has a poor yield, is difficult to apply to a large area panel, and does not adjust the arrangement of the liquid crystal directors well.
  • An embodiment of the inventive concept provides an alignment layer and a method of forming the same.
  • An embodiment of the inventive concept provides a mold for imprinting an alignment layer and a method of forming the same.
  • An embodiment of the inventive concept provides a liquid crystal display device.
  • An embodiment of the inventive concept provides a liquid crystal alignment control method.
  • a method of forming an alignment layer may include a plurality of first grooves extending in a first direction and spaced apart from each other, and a plurality of first spaced apart from each other crossing the first grooves in a second direction It includes forming two grooves in the alignment film.
  • the first groove and the second groove are formed to have different width and depth dimensions.
  • a plurality of first protrusions extending in a first direction and spaced apart from each other are formed on an elastic film, and the first protrusions extend in a second direction.
  • the forming of the second protrusions may include expanding the elastic membrane on which the first protrusions are formed, performing a shrinkage control process for adjusting the contraction of the expanded elastic membrane, and shrinking the expanded elastic membrane.
  • a method of forming an alignment layer includes printing a plurality of first grooves and the plurality of first grooves corresponding to the first protrusions and spaced apart from each other by imprinting an elastic layer formed by the mold forming method for alignment layer imprint. Forming a plurality of second grooves corresponding to the two protrusions and spaced apart from each other.
  • An alignment layer may include a plurality of first grooves extending in a first direction and spaced apart from each other, and a plurality of second spaced apart from each other crossing the first grooves in a second direction Includes a groove.
  • the liquid crystal display according to the exemplary embodiment of the inventive concept may include a first alignment layer and a second substrate facing each other, and a first alignment layer and a first alignment layer formed on opposite surfaces of the first substrate and the second substrate. 2 alignment films.
  • Each of the first alignment layer and the second alignment layer may include a plurality of first grooves extending in a first direction and spaced apart from each other, and a plurality of second grooves spaced apart from each other to extend in a second direction and cross the first grooves.
  • a multi-stable liquid crystal display device includes a first alignment layer and a second substrate facing each other, and a first alignment layer formed on opposite surfaces of the first substrate and the second substrate. And a second alignment layer.
  • Each of the first alignment layer and the second alignment layer may include a plurality of first grooves extending in a first direction and spaced apart from each other, and a plurality of second grooves extending in a second direction and intersecting with the first grooves. And wherein the ratio of the azimuthal orientation energy by the first grooves and the azimuthal orientation energy by the second grooves is about one.
  • a multi-domain liquid crystal display device may include a first substrate and a second substrate disposed to face each other, a first alignment layer formed on a surface of the first substrate and the second substrate to face each other, and A second alignment layer is included.
  • Each of the first alignment layer and the second alignment layer may include a plurality of first grooves extending in a first direction and spaced apart from each other, and a plurality of second grooves extending in a second direction and intersecting with the first grooves. Wherein the ratio of the azimuthal orientation energy by the first grooves to the azimuthal orientation energy by the second grooves is about zero.
  • the liquid crystal alignment adjusting method applied to the liquid crystal display according to the exemplary embodiment of the inventive concept may include a plurality of first grooves extending in a first direction and spaced apart from each other in the alignment layer, and extending in the second direction. Forming a plurality of second grooves spaced apart from each other, the aspect ratio of the first grooves and the aspect ratio of the second grooves are selectively adjusted to enable multi-stable liquid crystal alignment or multi-domain liquid crystal alignment.
  • the alignment layer imprint mold may include a plurality of first protrusions extending in a first direction and spaced apart from each other, and a plurality of spaced apart from each other crossing the first protrusions in a second direction. And a second protrusion of the.
  • the height and width dimensions of the first protrusion are formed differently from the height and width dimensions of the second protrusion.
  • an alignment layer may be formed without a conventional rubbing process.
  • the alignment layer may be simply and economically formed by an imprint method by using an elastic layer having a double pattern engraved therein.
  • a large area multistable liquid crystal display device may be easily manufactured.
  • the azimuth orientation energy may be easily adjusted.
  • a multi-domain bistable liquid crystal display device may be easily manufactured.
  • FIG. 1 schematically illustrates an alignment layer having a double uneven structure according to an embodiment of the inventive concept.
  • FIG. 2 schematically illustrates an alignment layer having a double uneven structure according to still another embodiment of the inventive concept.
  • FIG 3 is a view for explaining a multi-stable liquid crystal array according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram for describing a multi-domain liquid crystal array according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view schematically illustrating formation of an alignment layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 schematically illustrates a structure of an imprint mold according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 to 12 illustrate a method of forming the imprint mold of FIG. 6 according to an embodiment of the inventive concept.
  • FIG. 13 to 15 illustrate a method of forming an imprint mold of FIG. 7 according to an embodiment of the inventive concept.
  • 16 is a view for explaining a method of forming a micro protrusion according to an embodiment of the inventive concept.
  • 17 to 19 illustrate a method of forming an alignment film using an imprint mold described with reference to FIGS. 8 to 12.
  • Figure 21 shows the correlation between the oxygen plasma treatment time and the bending period of the micro uneven structure.
  • FIG. 22 is a graph showing the amplitude and the bending period of the macro uneven structure and the micro uneven structure.
  • FIG. 23 is a graph showing the surface free energy density with respect to the azimuth angle function according to the variation of the alignment determination factor G in relation to FIG.
  • Fig. 24 is a graph showing an easy azimuth axis according to the alignment determining factor G, showing a simulation (expressed in triangle) and Experimental Example 2 (indicated in a circle) based on Equation (4).
  • 25 is a polarization microscope image of a liquid crystal according to a bending period of a macroconcave-convex structure according to an embodiment of the present invention.
  • a film when it is mentioned that a film is on another film or substrate, it means that it may be formed directly on another film or substrate or a third film may be interposed therebetween.
  • An embodiment of the inventive concept relates to a method of controlling liquid crystal alignment, an alignment layer according to the same, and a liquid crystal display device.
  • the alignment layer according to the embodiment has a double uneven structure.
  • the two kinds of irregularities forming the double uneven structure show different dimensions. For example, they have grooves of different depths and widths (widths). Or projections of different heights and widths (widths).
  • the arrangement direction of the liquid crystals can be controlled, and a multi-stable liquid crystal display device or a multi-domain liquid crystal display device can be selectively implemented.
  • FIG. 1 schematically illustrates an alignment layer having a double uneven structure according to an embodiment of the inventive concept.
  • the alignment layer 100 extends in a first direction (y-axis direction in the drawing) and extends in a plurality of first grooves 121 and a second direction (x-axis direction in the drawing) spaced apart from each other.
  • the first groove 121 includes a plurality of second grooves 141 spaced apart from each other.
  • the first groove 121 and the second groove 142 may be perpendicular to each other, for example. That is, the first groove 121 is periodically arranged along the second direction, and the second groove 141 is periodically disposed along the first direction while being perpendicular to the first groove 121. From the periodic arrangement of the grooves, protrusions can be defined between adjacent grooves.
  • a first protrusion 123 may be defined between adjacent first grooves
  • a second protrusion 143 may be defined between adjacent second grooves. That is, the first groove 121 and the first protrusion 123 are alternately disposed along the second direction (x axis), and the second groove 141 and the second protrusion 143 are in the first direction (y axis). Are placed alternately along.
  • the depth of the grooves corresponds to the height of the protrusions and the distance between adjacent grooves corresponds to the width of the protrusions, and likewise the distance between adjacent protrusions corresponds to the width of the grooves.
  • the first groove 121 and the second groove 141 may be formed in different dimensions.
  • the depth of the first groove (121) (M A) and a width (L M) may be formed to a larger dimension than the depth (A m) and a width (L m) of the second groove 141.
  • the height and width of the first protrusion 123 may be formed to have a size larger than the height and width of the second protrusion 143.
  • the relatively large first groove 121 is referred to as a macro groove
  • the relatively small second groove 141 is referred to as a micro groove for convenience of explanation and a better understanding in the description regarding the alignment layer. It may be called a micro-groove.
  • the relatively large first protrusion 123 between the macro grooves may be referred to as a macro protrusion
  • the relatively small second protrusion 143 between the micro grooves may be referred to as a micro protrusion.
  • the depth and width of the grooves or the height and width of the protrusions are not limited by the title.
  • a structure in which the macro grooves 121 and the macro protrusions 123 are alternately arranged is called a macro uneven structure 120
  • a structure in which the micro grooves 141 and the micro protrusions 143 are alternately arranged is referred to as a micro uneven structure ( 140).
  • the aspect ratio of the groove is defined as (depth of the groove) / (width of the groove).
  • the aspect ratio of the protrusions is defined as (height of protrusions) / (width of protrusions).
  • the arrangement of the liquid crystals in the alignment layer may be easily controlled by adjusting the aspect ratios of the macro grooves 121 and the micro grooves 141.
  • FIG. 2 schematically illustrates an alignment layer having a double uneven structure according to still another embodiment of the inventive concept.
  • the alignment film of FIG. 2 differs from the groove of FIG. 1, which is formed somewhat flat in that the bottom and sidewalls of the groove (the upper surface and the sidewall of the protrusion) are smoothly formed.
  • the arrangement of the liquid crystals in the alignment layer may be easily controlled by adjusting the aspect ratios of the first and second grooves.
  • the alignment of the liquid crystal is influenced by the surface topology of the alignment film on which the liquid crystal is placed.
  • the anisotropic interaction force that the liquid crystal receives by the alignment layer is represented by azimuthal anchoring energy between the liquid crystal and the surface of the alignment layer.
  • the arrangement of the liquid crystals can be determined by the azimuthal orientation energy.
  • the azimuthal orientation energy is related to the aspect ratio of the groove.
  • FIG 3 is a view for explaining a multi-stable liquid crystal array according to an embodiment of the present invention.
  • the alignment layer 100 includes a macro recessed and projected structure 120 and a micro recessed and projected structure 140 formed in the macro recessed and projected structure 120. That is, micro grooves 141 and micro protrusions 143 are formed in each of the macro grooves 121, and micro grooves 141 and micro protrusions 143 are formed in each of the micro protrusions 143.
  • Equation 1 A M is an amplitude of the macro uneven structure 120, and ⁇ M is a bending period of the macro uneven structure 120.
  • Equation 2 A m is the amplitude of the micro uneven structure 140, ⁇ m is the bending period of the micro uneven structure 140.
  • the amplitude of the uneven structure corresponds to the height of the groove or the depth of the protrusion
  • the bending period of the uneven structure corresponds to the overall width of the groove and the protrusion. Therefore, since the bending period ⁇ is related to the groove or protrusion width, the azimuthal orientation energy of the uneven structure is related to the aspect ratio of the groove.
  • Equation 1 the ratio of W and W ⁇ M from ⁇ m ( ⁇ M W / W ⁇ m) arranged to be defined by the determinant (G) can be obtained as shown in the following equation 3.
  • the alignment of the liquid crystal may be controlled in the alignment layer of the double uneven structure according to the exemplary embodiment of the inventive concept.
  • the factor G value depends on the ratio of the aspect ratio of the microgroove 141 to the aspect ratio of the macrogroove 121.
  • Azimuth orientation energy W of macro uneven structure 120 ⁇ M Orthogonal Orientation Energy W of the Micro-Concave-Convex Structure 140 ⁇ m If similar to (W ⁇ M ⁇ W ⁇ m ), The value of the factor G is close to 1 (G (A M 2 / ⁇ M 3 ) x ( ⁇ m 3 / A m 2 ⁇ 1), thus the liquid crystal 200 is arranged in a bistable state.
  • FIG. 4 is a diagram for describing a multi-domain liquid crystal array according to an exemplary embodiment of the inventive concept.
  • the liquid crystal 200 has a pretilt direction determined according to the geometry of the macro groove 121, and the micro groove 141.
  • the liquid crystals are arranged in a multi-domain state because they are arranged along the azimuthal orientation energy of.
  • a multi-domain liquid crystal alignment or a multi-stable liquid crystal alignment may be realized by forming an alignment layer having a double uneven structure and appropriately adjusting a ratio of aspect ratios of macro grooves and micro grooves.
  • the alignment layer may be formed in an imprint manner.
  • 5 is a view schematically illustrating formation of an alignment layer according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, the alignment layer first includes forming an imprint mold 300 having a double uneven structure, and imprinting the imprint mold 300 on the alignment layer 100 formed on the substrate 400. .
  • the imprint mold may have a double uneven structure so that the alignment film has a double uneven structure.
  • 6 schematically illustrates a structure of an imprint mold according to an embodiment of the present invention.
  • the imprint mold 300 includes a first protrusion 323 corresponding to the first groove 121 of the alignment layer of FIG. 1, and a second protrusion 321 corresponding to the second groove 123 of the alignment layer. .
  • a plurality of first protrusions 323 extending in a first direction (y-axis direction in the drawing) and spaced apart from each other, and a plurality of spaced apart mutually intersecting first protrusions in a second direction (x-axis direction in the drawing) And a second protrusion 343.
  • the first protrusion 323 and the second protrusion 343 may be orthogonal to each other, for example. That is, the first protrusion 323 is periodically arranged along the second direction, and the second protrusion 343 is periodically disposed along the first direction while being perpendicular to the first protrusion 323.
  • grooves defining the protrusions of the alignment layer can be defined between adjacent protrusions.
  • a first groove 321 may be defined between the adjacent first protrusions 323, and a second groove 341 may be defined between the adjacent second protrusions 343.
  • the height of the protrusions of the imprint mold 300 defines the depth of the grooves of the alignment layer, and the distance between adjacent protrusions of the imprint mold defines the width of the grooves of the alignment layer.
  • the first protrusion 323 and the second protrusion 343 of the imprint mold 300 may have different dimensions.
  • the height of the first projection (323) (M A) and a width (L M) may be formed to a larger dimension than the height (A m) and a width (L m) of the second projection (343).
  • the relatively large protrusions 323 and the grooves 321 are macro protrusions and grooves, respectively, and the relatively small protrusions 343 and grooves 341 are described in the following description of the alignment layer.
  • the structures of the macro protrusions 323 and the macro grooves 321 arranged alternately in the mold 300 are converted into the macro protrusions and protrusions 320 to the micro protrusions 343 and the micro grooves 341 arranged alternately.
  • the structure by this can be called the micro uneven structure 340.
  • the aspect ratio of the protrusions or of the imprint mold 300 may be adjusted, and thus the arrangement of the liquid crystals in the alignment layer may be adjusted.
  • FIG. 7 schematically illustrates an imprint mold according to another embodiment of the inventive concept.
  • the imprint mold according to the present embodiment is for manufacturing the alignment film of FIG. 2, which is the same in terms of showing a double uneven structure compared to the imprint mold of FIG. 6, but the shape of the protrusion or groove is somewhat different from that of FIG. 6. .
  • the upper surface and the sidewall of the protrusion are smoothly formed, which is different from the protrusion of FIG.
  • FIG. 8 to 12 illustrate a method of forming the imprint mold of FIG. 6 according to an embodiment of the inventive concept. It can be broadly divided into a step of forming a macro protrusion (Figs. 8 to 9) and a step of forming a micro protrusion (Figs. 10 to 12).
  • a method of forming a macro protrusion (which defines a macro groove of an alignment layer) will be described with reference to FIGS. 8 to 9.
  • a plurality of protrusions 610 are formed on the substrate 500 through a photolithography process.
  • a groove 620 is defined between the protrusions 610.
  • the protrusion 610 may be formed by spin-coating a photoresist on the substrate 500 and then performing an exposure and ashing process.
  • the protrusion 610 may be formed by etching a substrate or by patterning an insulating film or a conductive film.
  • the macro groove 321 and the groove corresponding to the protrusion 610 may be contacted by contacting the mold 300 with the substrate 500 on which the protrusion 610 and the groove 620 are formed.
  • a macro protrusion 323 corresponding to 620 is formed in the mold 300.
  • the mold 300 may be formed of, for example, an elastic and adhesive material.
  • the mold 300 may be formed of PDMS, polyurethane, silicone-containing polyurethane, poly (tetramethyloxide), poly (ethylene oxide), poly (oxetane), polyisoprene, polybutadiene, or a combination thereof. .
  • the mold in which the macro recessed and projecting structure is formed is expanded and then contracted anisotropically so that the micro recessed and projecting structure is spontaneously formed in the macro recessed and projected structure.
  • the mold 300 in which the macro recessed and projected structure 320 is formed is heat-treated.
  • the heat treatment is for expanding the mold.
  • the mold 300 having the macro recessed and projected structure 320 may be heated in an oven within about 45 minutes at 50 degrees to 250 degrees Celsius. This heating furnace mold 300 thermally expands.
  • an oxygen plasma process is performed on the expanded mold 300.
  • the oxygen plasma is for controlling the contraction of the mold 300.
  • the mold 300 is exposed to oxygen plasma at intervals of about 10-30 minutes.
  • the non-shrinkable oxide layer 700 is formed on the mold surface by the oxygen plasma treatment.
  • the oxide layer 700 on the surface of the mold may have a lower coefficient of thermal expansion than a mold that is not oxidized to act as a layer that suppresses shrinkage of the mold on the surface of the mold.
  • the mold heated by the heat treatment is expanded. Cooling is for shrinking the expanded mold. Plasma treated mold is left at room temperature for cooling.
  • the mold contracts anisotropically due to the macro recessed and projected structure due to the macro grooves and the macro protrusions arranged alternately with each other, and protrudes into the marks of the mold 300 due to the difference in the thermal expansion coefficient of the surface oxide layer 700 and the mold.
  • Micro-projection structure 420 is formed in structure 320.
  • anisotropic shrinkage of the mold means that there is a lot of shrinkage in one direction (the direction in which the protrusion extends) and very little or almost no contraction in the other direction (the vertical direction of the direction in which the protrusion extends). Low shrinkage).
  • FIG. 13 to 15 illustrate a method of forming an imprint mold of FIG. 7 according to an embodiment of the inventive concept.
  • This embodiment differs from the embodiment described with reference to FIGS. 8 through 12 in that a reflow process for a photoresist is performed. Therefore, in order to repeat the same description, description of overlapping contents will be omitted.
  • a photolithography process is performed on the substrate 100 to form a plurality of protrusions 610 formed of photoresist.
  • a groove 620 is defined between the protrusions.
  • a reflow process for the substrate is performed so that the edges of the photoresist protrusions become curved profiles.
  • the mold 300 is brought into contact with the substrate 400 on which the photoresist protrusion 610 and the groove 620 are formed.
  • the macro protrusion 323 corresponding to the photoresist groove 620 and the macro groove 321 corresponding to the photoresist protrusion 610 are formed in the mold 300.
  • the mold in which the macro protrusions and the grooves are formed, is heated to expand, to form a shrinkage control layer on the surface thereof, and to shrink the mold.
  • the mold 300 is formed of PDMS as an example.
  • ⁇ L in Fig. 16 One ⁇ L is the change rate in the direction orthogonal to the direction in which the macro protrusions 323 extend (that is, the direction in which the macro protrusions are arranged, in the x-axis direction in the drawing). 2 Denotes the rate of change in the direction in which the macro protrusion 323 extends (in the figure, the y-axis direction).
  • the PDMS 300 having the macro recessed and projected structure 320 is heat treated. The heat treatment expands the PDMS 300.
  • the heat treatment may apply anisotropic stress to the PDMS 300 due to the macro recessed and projected structure 320.
  • Heat Treatment L PDMS 300 One L than in the direction 2 Direction can be expanded relatively much ( ⁇ L One ⁇ L 2 ).
  • oxygen plasma treatment After the PDMS 300 is expanded, its surface is subjected to oxygen plasma treatment.
  • the molecular structure of the PDMS surface changes to a structure similar to a non-shrinkable stiff SiOx (shrinkage suppression layer is formed).
  • the PDMS 300 When the PDMS 300 is then left to cool to room temperature, the PDMS 300 is, for example, anisotropically contracted due to the macro recessed and projected structure 320 due to the macro grooves 321 and the macro protrusions 323 arranged alternately with each other. Do it.
  • the micro-concave-convex structure 420 is formed in the macro-concave-convex structure 320 due to the difference in the thermal expansion coefficient between the oxide layer, which is a shrinkage inhibiting layer, and the PDMS.
  • the oxygen plasma treatment may change the surface structure of the PDMS to form a surface oxide layer.
  • the surface oxide layer may function to control shrinkage of the PDMS due to the difference in coefficient of thermal expansion with the PDMS.
  • the surface oxide layer is for example the lower L 2 It is relatively L by macro uneven structure extending in the direction 2 L rather than direction One The shrinkage in the direction can be much more suppressed.
  • the PDMS when the PDMS cools, the PDMS is L One Look in the direction L 2 Can shrink much more in the direction ( ⁇ L One ⁇ ⁇ L 2 ).
  • L 2 L perpendicular to the projections extending in the direction One Micro protrusions extending in the direction are spontaneously formed.
  • the rate of change in expansion due to heat treatment is ⁇ L One ⁇ L 2
  • the change rate relationship in shrinkage due to cooling after oxygen plasma treatment is ⁇ L
  • One ⁇ ⁇ L 2 L 2 Micro protrusions are formed along the direction, that is, the direction in which the macro protrusions extend.
  • L due to expansion and contraction One L than the rate of change in the direction (x axis direction) 2 Since the rate of change in the direction (y-axis direction) is much larger, L 2 Micro protrusions are formed along the direction (y-axis direction).
  • any layer may be used as the layer for inhibiting shrinkage of the PDMS as long as the thermal expansion coefficient is lower than that of the PDMS instead of the oxide layer.
  • a metal layer may be formed on the PDMS surface to be used as a layer to suppress shrinkage.
  • a gold layer by electron beam deposition can be used as the metal layer.
  • the coefficient of thermal expansion of PDMS is more than 20 times greater than that of gold.
  • the oxygen plasma treatment or the metal layer may be performed or formed during the heat treatment.
  • FIG. 17 to 19 illustrate a method of forming an alignment film using an imprint mold described with reference to FIGS. 8 to 12.
  • an alignment layer 100 is formed on a substrate 400.
  • a polyimide polymer resin may be used as the alignment layer 300.
  • the imprint mold 300 having a double uneven structure is imprinted on the alignment film 100, and a curing process of the alignment film is performed.
  • the hardening process can apply photocuring using an ultraviolet-ray, for example.
  • the double uneven structures 320 and 340 provided in the mold are transferred to the alignment layer 100 by imprint. As a result, the alignment layer 100 has double uneven structures 120 and 140.
  • FIG. 20 illustrates a correlation between annealing temperature and an amplitude of a micro uneven structure according to an embodiment of the inventive concept
  • FIG. 21 illustrates a correlation between an oxygen plasma treatment time and a bending period of a micro uneven structure. do.
  • the bending period and amplitude of the micro-concave-convex structure can be controlled.
  • the amplitude the height of the protrusion or the depth of the micro grooves
  • the bending period the distance between adjacent micro protrusions or distance between adjacent micro grooves
  • Oxygen plasma treatment is related to the thickness of the oxide layer formed on the PDMS surface, and the heat treatment temperature is related to the amount of anisotropic stress.
  • the amplitude and the bending period of the macroconcave-convex structure can be easily controlled by appropriately controlling the photolithography process, for example, by appropriately adjusting the deposition thickness of the photoresist and the distance between adjacent photoresist patterns.
  • a multi-domain liquid crystal device and a bistable liquid crystal device can be formed.
  • the alignment film was formed by setting the amplitude of the macroconcave-convex structure to 1.6 ⁇ m, the bending period to 40 ⁇ m, the amplitude of the micro-concave-convex structure to 0.2 ⁇ m, and the bending period to 3 ⁇ m.
  • the alignment factor G (A M 2 / ⁇ M 3 ) x ( ⁇ m 3 / A m 2 ) ⁇ 0.027, and a multidomain liquid crystal device can be formed.
  • the amplitude of the macro recessed and projected structure was fixed at 0.81 ⁇ m, and the bending periods were variously set to 5 ⁇ m, 6 ⁇ m, and 7 ⁇ m to form the macro recessed and projected structure.
  • Macro irregularities were formed on the substrate through a photolithography process and then transferred to the PDMS substrate.
  • PDMS was heated to 180 ° C. within 1 hour and then subjected to oxygen plasma treatment (50 W, 30 sccm, 30 seconds). Then PDMS was left at room temperature. Thereafter, the double uneven structure formed in the PDMS was transferred to the alignment layer by imprint method.
  • FIG. 22 is a graph thereof.
  • the alignment determination factor G value can be easily controlled by adjusting the bending period of the macroconcave-convex structure, that is, by controlling the photolithography process.
  • FIG. 23 is a graph showing the surface free energy density with respect to the azimuth angle function according to the variation of the alignment determination factor G in relation to FIG.
  • the surface free energy density is given by the following equation.
  • the alignment determining factors G are 0.732, 1.036, and 2.080.
  • FIG. 24 is a graph showing an axis of easy azimuth according to the alignment determining factor G, which shows a simulation (shown with a triangle) and Experimental Example 2 (shown with a circle) based on Equation 4 above. Referring to Fig. 23, it can be seen that the experimental results and the simulation are almost identical.
  • the axis of easy azimuth of the liquid crystal changes accordingly.
  • the micro-concave-convex structure changes (amplitude and bending period change)
  • the azimuth-like easy axis fluctuation occurs.
  • the azimuthal easy axis of the liquid crystal director can be easily adjusted by changing the azimuthal fixing force of the double uneven structure.
  • FIG. 25 is a polarization microscope image of a liquid crystal according to a bending period of a macroconcavo-convex structure according to an embodiment of the present invention.
  • the easy axis of the azimuth angle of the liquid crystal director changed with the bending period of the macroconcave-convex structure.

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Abstract

액정 배향을 제어하는 방법이 제공된다. 배향막에 제1 방향으로 신장되고 서로 이격된 복수의 제1 홈과 제2 방향으로 신장하여 상기 제1 홈들과 교차하는 서로 이격된 복수의 제2 홈을 형성한다. 제1 홈의 종횡비 및 상기 제2 홈의 종횡비를 조절하여 다중안정 액정 배향 또는 다중 도메인 액정 배향을 선택적으로 가능하게 할 수 있다.

Description

배향막, 배향막 형성 방법, 액정 배향 조절 방법, 그리고 액정 표시 장치
본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예는 표시 소자에 관련된 것으로서, 더욱 상세하게는 표시 소자에 사용되는 배향막, 배향막 형성방법, 그리고 액정 배향 조절 방법에 관련된 것이다.
최근 노트북 컴퓨터나 핸드폰과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 증가함에 따라서 두께가 두껍지 않고 가벼운 평판표시장치(FPD; Flat Panel Display)에 대한 요구가 증대되고 있다. 상기 평판표시장치 중 특히 액정 표시 장치(LCD; Liquid Crystal Display)는, 동일한 화면 크기를 갖는 다른 표시장치에 비하여 무게가 가볍고 부피가 작으며 작은 전력으로 동작하여 최근 널리 보급되고 있다.
액정 표시 장치는, 액체와 결정의 중간 상태 물질인 액정(liquid crystal)이 인가전압에 따라 편광자쌍 사이에 놓인 상태에서 전기광학적 변조에 의해 광투과도가 변화하는 특성을 이용하여, 입력되는 전기 신호를 시각 정보로 변화시켜 영상을 전달한다. 즉, 통상의 액정 표시 장치는 전극이 구비된 두 개의 기판과 상기 기판 사이에 주입되는 액정으로 구성되는데, 두 기판에 전압을 인가하여 액정에 전계를 가하게 되고 이 때 액정 분자들의 배열이 변경되면서 편광자쌍 사이의 광투과도가 변하게 된다.
액정이 전계에 따라 배열이 변경되는 것은 액정이 갖는 유전율 이방성 때문이다. 즉, 액정 분자는 장축 방향과 단축 방향에 대한 유전율이 상이한 물성을 갖는데, 이로 인하여 전계가 걸렸을 때 액정 분자의 장축 방향과 단축 방향으로 작용하는 전기력이 상이하게 되고, 이러한 전기력의 차이는 액정 분자를 회전시키는 구동원이 된다. 액정은 종류에 따라 양의 유전율 이방성을 갖거나 음의 유전율 이방성을 갖는다. 즉, 액정의 장축 방향을 기준으로, 전자는 전계가 걸렸을 때 액정이 전계의 방향에 평행하게 배열되며 후자는 전계의 방향에 대해 수직으로 배열된다.
액정은 또한 굴절률 이방성을 가지며, 이는 액정의 배열 상태에 따라 빛에 대한 투과도가 달라지도록 작용하는 원인이 된다. 그런데 이러한 액정의 굴절률 이방성은 액정 표시 장치에 있어서 시야각이 좁아지는 문제를 초래한다. 시야각(viewing angle)이란 시청자가 디스플레이 화면을 보는 방향을 의미하며, 액정 표시 장치의 영상은 정면에 비해 측면으로 갈수록 왜곡되어 다른 디스플레이 장치에 비해 시야각이 좁다. 이는 액정이 정면에 대해 경사지게 배열된 경우, 정면에서는 일정한 빛이 투과되어 올바른 영상이 나타나더라도, 액정의 굴절률 이방성으로 인해 액정이 경사진 측면 방향으로는 빛이 투과되지 못하고 영상이 왜곡될 수 있기 때문이다.
이러한 액정 표시 장치의 시야각 문제를 해소하기 위해, 단일 화소를 영역별로 구분하여 각 영역에서 액정이 상이한 방향으로 경사지게 배열될 수 있도록 한다. 즉, 각 화소의 영역별로 액정의 배열 방향에 따른 다중 도메인을 형성한다. 가령, 제1 영역의 액정은 제1 방향으로 경사지게 배열되고 제2 영역의 액정은 제2 방향으로 경사지게 배열되면, 일측면에서 보았을 때 제1 영역의 액정으로 빛이 투과되지 못하더라도 제2 영역의 액정으로는 빛이 투과될 수 있으므로, 액정표시장치의 시야각이 증대될 수 있게 된다.
다중 도메인(multi-domain) 액정 표시 소자에서는 시야각이 우수한 장점은 있지만, 방위각상 배향 에너지(azimuthal anchoring energy)가 형성되지 않는다.
한편, 최근에 서브마이크로(submicro size) 사이즈의 다중 패턴을 배향막에 형성하는 다중 안정(milti-stable) 액정 표시 소자가 제안되었다. 이 다중 안정 액정 표시 소자는 서브마이크로 사이즈의 평행한 다중-배열층으로 인해 안정한 두 상태를 가져 전력이 꺼지더라도 전기적 재생없이 내용을 보존할 수 있는 장점이 있다. 서브마이크 사이즈의 패턴은 다중 러빙(multi-rubbing), 다중 광배열, 나노임프린트 등의 방법으로 형성된다.
그러나 이 같은 서브마이크로 사이즈 패턴을 형성하는 방법은 수율이 좋지 않고 대면적 패널에 적용이 어려우며 액정 디렉터(director)의 배열을 잘 조절하지 못한다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예는 배향막 및 그 형성 방법을 제공한다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예는 배향막 임프린트용 몰드 및 그 형성 방법을 제공한다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예는 액정 표시 장치를 제공한다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예는 액정 배향 조절 방법을 제공한다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에 따른 배향막 형성 방법은, 제1 방향으로 신장하고 서로 이격된 복수의 제1 홈 및 제2 방향으로 신장하여 상기 제1 홈들과 교차하는 서로 이격된 복수의 제2 홈을 배향막에 형성하는 것을 포함한다. 상기 제1 홈과 상기 제2 홈은 폭과 깊이의 치수가 다르게 형성된다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에 따른 배향막 임프린트용 몰드 형성 방법은, 탄성막에 제1 방향으로 신장하고 서로 이격된 복수의 제1 돌출부를 형성하고, 제2 방향으로 신장하여 상기 제1 돌출부들과 교차하는 서로 이격된 복수의 제2 돌출부를 형성하는 것을 포함한다. 상기 제2 돌출부들을 형성하는 것은 상기 제1 돌출부들이 형성된 탄성막을 팽창시키고, 상기 팽창한 탄성막의 수축을 조절하기 위한 수축조절처리를 수행하고, 상기 팽창된 탄성막을 수축시키는 것을 포함한다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에 따른 배향막 형성 방법은 상기 배향막 임프린트용 몰드 형성 방법에 의해서 형성된 탄성막을 배향막에 임프린트하여 상기 제1 돌출부들에 대응하고 서로 이격된 복수의 제1 홈 및 상기 제2 돌출부들에 대응하고 서로 이격된 복수의 제2 홈을 형성하는 것을 포함한다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에 따른 배향막은, 제1 방향으로 신장하고 서로 이격된 복수의 제1 홈, 그리고 제2 방향으로 신장하여 상기 제1 홈들과 교차하는 서로 이격된 복수의 제2 홈을 포함한다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에 따른 액정 표시 장치는, 마주하여 배치된 제1 기판 및 제2 기판, 그리고, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 마주하는 면에 형성된 제1 배향막 및 제2 배향막을 포함한다. 상기 제1 배향막 및 상기 제2 배향막은 각각, 제1 방향으로 신장하고 서로 이격된 복수의 제1 홈, 그리고 제2 방향으로 신장하여 상기 제1 홈들과 교차하는 서로 이격된 복수의 제2 홈을 포함한다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에 따른 다중안정 액정 표시 장치는, 마주하여 배치된 제1 기판 및 제2 기판, 그리고, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 마주하는 면에 형성된 제1 배향막 및 제2 배향막을 포함한다. 상기 제1 배향막 및 상기 제2 배향막은 각각, 제1 방향으로 신장하고 서로 이격된 복수의 제1 홈, 그리고, 제2 방향으로 신장하여 상기 제1 홈들과 교차하는 서로 이격된 복수의 제2 홈을 포함하며, 상기 제1 홈들에 의한 방위각상 배향 에너지와 상기 제2 홈들에 의한 방위각상 배향 에너지의 비가 약 1이다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에 따른 다중 도메인 액정 표시 장치는, 마주하여 배치된 제1 기판 및 제2 기판, 그리고 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 마주하는 면에 형성된 제1 배향막 및 제2 배향막을 포함한다. 상기 제1 배향막 및 상기 제2 배향막은 각각, 제1 방향으로 신장하고 서로 이격된 복수의 제1 홈, 그리고, 제2 방향으로 신장하여 상기 제1 홈들과 교차하는 서로 이격된 복수의 제2 홈을 포함하며, 상기 제1 홈들에 의한 방위각상 배향 에너지와 상기 제2 홈들에 의한 방위각상 배향 에너지의 비가 약 0이다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에 따른 액정 표시 장치에 적용되는 액정 배향 조절 방법은, 배향막에 제1 방향으로 신장되고 서로 이격된 복수의 제1 홈과 제2 방향으로 신장하여 상기 제1 홈들과 교차하는 서로 이격된 복수의 제2 홈을 형성하되, 상기 제1 홈의 종횡비 및 상기 제2 홈의 종횡비를 조절하여 다중안정 액정 배향 또는 다중 도메인 액정 배향을 선택적으로 가능하게 한다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에 따른 배향막 임프린트용 몰드은, 제1 방향으로 신장하고 서로 이격된 복수의 제1 돌출부, 그리고 제2 방향으로 신장하여 상기 제1 돌출부들과 교차하는 서로 이격된 복수의 제2 돌출부를 포함한다. 상기 제1 돌출부의 높이와 폭의 치수는 상기 제2 돌출부의 높이와 폭의 치수와 다르게 형성된다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에 따르면, 종래의 러빙 공정 없이 배향막을 형성할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에 따르면, 패턴이 이중 패턴이 새겨진 탄성막을 사용하여 임프린트 방식으로 배향막을 간단하고 경제적으로 형성할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에 따르면, 대면적 다중 안정 액정 표시 소자를 용이하게 제조할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에 따르면, 방위각상 배향 에너지를 용이하게 조절할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에 따르면, 다중 도메인 쌍안정 액정 표시 소자를 용이하게 제조할 수 있다.
도1은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에 따른 이중 요철 구조를 갖는 배향막을 개략적으로 도시한다.
도2는 본 발명의 사상의 또 다른 실시 예에 따른 이중 요철 구조를 갖는 배향막을 개략적으로 도시한다.
도3은 본 발명의 기술적 상의 일 실시 예에 따른 다중 안정 액정 배열을 설명하기 위한 도면이다.
도4는 본 발명의 기술적 상의 일 실시 예에 따른 다중 도메인 액정 배열을 설명하기 위한 도면이다.
도5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배향막 형성을 개략적으로 설명하는 도면이다.
도6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 임프린트용 몰드의 구조를 개략적으로 도시한다.
도7은 본 발명의 기술적 사상의 다른 실시 예에 따른 임프린트용 몰드를 개략적으로 도시한다.
도8 내지 도12는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에 따른 도6의 임프린트용 몰드를 형성하는 방법을 설명하는 도면이다.
도13 내지 도15는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에 따른 도7의 임프린트용 몰드를 형성하는 방법을 설명하는 도면이다.
도16은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에 따른 마이크로 돌출부 형성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도17 내지 도19는 도8 내지 도12를 참조하여 설명을 한 임프린트용 몰드를 사용하여 배향막을 형성하는 방법을 설명한다.
도20은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에 따른 열처리 온도와 마이크로 마이크로 요철 구조의 진폭과의 상관관계를 도시한다.
도21은 산소 플라즈마 처리 시간과 마이크로 요철 구조의 굴곡주기 사이의 상관관계를 도시한다.
도22는 마크로 요철 구조 및 마이크로 요철 구조의 진폭 및 굴곡주기를 나타낸 그래프이다.
도23은 도22와 관련한 정렬 결정 인자 G의 변동에 따른 표면 자유 에너지 밀도를 방위각상 각도함수에 대해서 나타낸 그래프이다.
도24는 정렬 결정 인자 G에 따른 방위각상 용이 축을 나타낸 그래프로서, 수학식 4에 근거한 시뮬레이션(세모로 표시) 및 실험예 2(원으로 표시)를 함께 보여준다.
도25는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마크로 요철 구조의 굴곡주기에 따른 액정의 편광 현미경 이미지이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적인 사전들에 의해 정의된 용어들은 관련된 기술 그리고/혹은 본 출원의 본문에 의미하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있고, 그리고 여기서 명확하게 정의된 표현이 아니더라도 개념화되거나 혹은 과도하게 형식적으로 해석되지 않을 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다' 및/또는 이 동사의 다양한 활용형들 예를 들어, '포함', '포함하는', '포함하고', '포함하며' 등은 언급된 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 본 명세서에서 '및/또는' 이라는 용어는 나열된 구성들 각각 또는 이들의 다양한 조합을 가리킨다.
또한, 본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예는 액정 배향을 제어하는 방법, 그에 따른 배향막 그리고 액정 표시 소자에 관한 것이다. 일 실시 예에 따른 배향막은 이중 요철 구조를 나타낸다. 이중 요철 구조를 형성하는 두 종류의 요철은 서로 다른 치수를 나타낸다. 예를 들어 서로 다른 깊이 및 너비(폭)의 홈을 갖는다. 또는 서로 다른 높이 및 너비(폭)의 돌출부를 갖는다. 홈 또는 돌출부의 종횡비를 적절하게 조절함으로써 액정의 배열 방향을 제어할 수 있고, 다중 안정 액정 표시 소자 또는 다중 도메인 액정 표시 소자를 선택적으로 구현할 수 있다.
이하 도면을 참조하여 더 상세히 설명한다.
도1은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에 따른 이중 요철 구조를 갖는 배향막을 개략적으로 도시한다.
도1을 참조하면, 배향막(100)은 제1 방향(도면에서는 y축 방향)으로 신장하고 서로 이격된 복수의 제1 홈(121) 및 제2 방향(도면에서는 x축 방향)으로 신장하여 제1 홈들(121)과 교차하는 서로 이격된 복수의 제2 홈(141)을 포함한다. 제1 홈(121)과 제2 홈(142)은 예를 들어 서로 직교할 수 있다. 즉, 제1 홈(121)이 제2 방향을 따라 주기적으로 배열되고 제1 홈(121)에 직교하면서 제2 홈(141)이 제1 방향을 따라 주기적으로 배치된다. 홈의 주기적인 배열로부터, 인접한 홈들 사이에는 돌출부가 정의될 수 있다. 예를 들어 인접한 제1 홈들 사이에는 제1 돌출부(123)가 정의되고 인접한 제2 홈들 사이에는 제2 돌출부(143)가 정의될 수 있다. 즉, 제1 홈(121)과 제1 돌출부(123)가 제2 방향(x축)을 따라 번갈아 가면서 배치되고 제2 홈(141)과 제2 돌출부(143)가 제1 방향(y축)을 따라 번갈아 가면서 배치된다. 홈의 깊이는 돌출부의 높이에 대응하고 인접한 홈들 사이의 거리는 돌출부의 폭에 대응하며, 마찬가지로 인접한 돌출부들 사이의 거리는 홈의 폭에 대응한다.
제1 홈(121)과 제2 홈(141)은 서로 다른 치수로 형성될 수 있다. 예를 들어 제1 홈(121)의 깊이(AM) 및 폭(LM)은 제2 홈(141)의 깊이(Am) 및 폭(Lm) 보다 큰 치수로 형성될 수 있다. 그리고, 제1 돌출부(123)의 높이 및 폭은 제2 돌출부(143)의 높이 및 폭보다 큰 치수로 형성될 수 있다. 이하에서는 배향막과 관련한 설명에서 단지 설명의 편의 및 보다 나은 이해를 위해서, 상대적으로 큰 제1 홈(121)을 마크로 홈(macro-groove)이라 칭하고, 상대적으로 작은 제2 홈(141)을 마이크로 홈(micro-groove)이라고 칭할 수 있다. 마찬가지로 마크로 홈들 사이의 상대적으로 큰 제1 돌출부(123)를 마크로 돌출부라 칭하고, 마이크로 홈들 사이의 상대적으로 작은 제2 돌출부(143)를 마이크로 돌출부라 칭할 수 있다. 하지만 홈의 깊이 및 폭 또는 돌출부의 높이 및 폭이 그 칭호에 의해 한정되는 것은 아니다. 또 마크로 홈(121) 및 마크로 돌출부(123)가 교대로 배열된 구조를 마크로 요철 구조(120)라 칭하고, 마이크로 홈(141) 및 마이크로 돌출부(143)가 교대로 배열된 구조를 마이크로 요철 구조(140)라 칭할 수 있다.
홈의 종횡비는 (홈의 깊이)/(홈의 폭)으로 정의된다. 마찬가지로 돌출부의 종횡비는 (돌출부의 높이)/(돌출부의 폭)으로 정의된다. 본 발명의 기술적 사상에 따른 일 실시 예에서는 마크로 홈(121) 및 마이크로 홈(141)의 종횡비를 조절함으로써 배향막에서 액정의 배열을 용이하게 제어할 수 있다.
도2는 본 발명의 사상의 또 다른 실시 예에 따른 이중 요철 구조를 갖는 배향막을 개략적으로 도시한다. 이중 홈 구조를 나타내는 점에서 도1의 배향막과 동일하나, 홈 및 돌출부의 형상이 도1과 다소 상이하다. 도2의 배향막에서는 홈의 바닥 및 측벽(돌출부의 상부면 및 측벽)이 부드럽게 형성되는 점에서 다소 평탄하게 형성되는 도1의 홈과 차이를 보인다. 하지만 본 실시 예에서도 제1 홈 및 제2 홈의 종횡비를 조절함으로써 배향막에서 액정의 배열을 용이하게 제어할 수 있다.
이하에서는 액정의 배열을 제어하는 방식에 대해서 설명을 한다. 액정의 배향은 액정이 놓이는 배향막의 표면 토폴로지(topology)에 영향을 받는다. 액정이 배향막에 의해 받는 비등방적 상호작용력은 액정과 배향막 표면간의 방위각상 배향 에너지(azimuthal anchoring energy)로 나타난다. 액정의 배열은 방위각상 배향 에너지에 의해 결정될 수 있다. 그리고, 방위각상 배향 에너지는 홈의 종횡비와 관련이 있다.
이중 홈 패턴에 의한 다중 안정 액정 배열
도3은 본 발명의 기술적 상의 일 실시 예에 따른 다중 안정 액정 배열을 설명하기 위한 도면이다.
배향막(100)은 마크로 요철 구조(120)와 마크로 요철 구조(120)에 형성된 마이크로 요철 구조(140)를 구비한다. 즉, 마크로 홈(121) 각각에 마이크로 홈들(141) 및 마이크로 돌출부들(143)가 형성되고, 마이크로 돌출부(143) 각각에 마이크로 홈들(141) 및 마이크로 돌출부들(143)가 형성된다.
방위각상 배향 에너지는 요철 구조의 진폭 제곱에 비례하고 굴곡주기의 세제곱에 반비례하며 마크로 요철 구조의 방위각상 에너지(WφM) 및 마이크로 요철 구조의 방위각상 에너지(Wφm)는 각각 아래 수학식 1 및 수학식 2로 주어진다.
수학식 1
Figure PCTKR2011007672-appb-M000001
위 수학식 1에서 AM 은 마크로 요철 구조(120)의 진폭이고, λM은 마크로 요철 구조(120)의 굴곡주기이다.
수학식 2
Figure PCTKR2011007672-appb-M000002
위 수학식 2에서, Am은 마이크로 요철 구조(140)의 진폭, λm은 마이크로 요철 구조(140)의 굴곡주기 이다.
요철 구조의 진폭은 홈의 높이 또는 돌출부의 깊이에 대응하고, 요철 구조의 굴곡주기는 홈과 돌출부의 전체 폭에 대응한다. 따라서, 굴곡주기(λ)는 홈 또는 돌출부 폭과 관련이 있으므로 결국 요철 구조의 방위각상 배향 에너지는 홈의 종횡비와 관련이 있다.
위 수학식 1 및 수학식 2로부터 WφM와 Wφm의 비율 (WφM/Wφm)로 정의되는 정렬 결정 인자(G)를 아래 수식 3과 같이 얻을 수 있다.
수학식 3
Figure PCTKR2011007672-appb-M000003
인자 G 값에 따라서 본 발명의 사상의 일 실시 예에 따른 이중 요철 구조의 배향막에서 액정의 배향을 제어할 수 있다. 인자 G 값은 마크로 홈(121)의 종횡비 대비 마이크로 홈(141)의 종횡비의 비에 의존한다.
마크로 요철 구조(120)의 방위각상 배향 에너지 WφM가 마이크로 요철 구조(140)의 방위각상 배향 에너지 Wφm 와 유사할 경우 (WφM ≒ Wφm), 인자 G 값은 1에 근접하고(G = (AM 2 / λM 3) x (λm 3 / Am 2 ) ≒ 1), 따라서 액정(200)은 쌍안정 상태로 배열된다.
이중 홈 패턴에 의한 다중 도메인 액정 배열
도4는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에 따른 다중 도메인 액정 배열을 설명하기 위한 도면이다.
마크로 요철 구조(120)의 방위각상 배향 에너지 WφM 가 마이크로 요철 구조(140)의 방위각상 배향 에너지 Wφm 보다 월등히 작을 경우(WφM≪Wφm), 인자 G 값은 0에 근접하고 (G = (AM 2 / λM 3) x (λm 3 / Am 2 ) ≒ 0), 액정(200)은 마크로 홈(121)의 기하학적 구조에 따라 선경사각 방향이 결정되고, 마이크로 홈(141)의 방위각상 배향 에너지를 따라 배열되기 때문에 액정은 다중 도메인 상태로 배열된다.
이중 요철 구조의 배향막을 형성하고 마크로 홈 및 마이크로 홈의 종횡비의 비를 적절이 조절하여 다중 도메인 액정 배향 또는 다중 안정 액정 배향을 구현할 수 있다.
이중 홈 구조의 배향막 형성
본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에 따르면 배향막은 임프린트 방식으로 형성될 수 있다. 도5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배향막 형성을 개략적으로 설명하는 도면이다. 도5를 참조하면, 배향막은 먼저 이중 요철 구조를 갖는 임프린트용 몰드(mold)(300)를 형성하고, 임프린트용 몰드(300)를 기판(400)위에 형성된 배향막(100)에 임프린트하는 것을 포함한다.
임프린트용 몰드
배향막이 이중 요철 구조를 가지도록, 임프린트용 몰드는 이중 요철 구조를 가질수 있다. 도6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 임프린트용 몰드의 구조를 개략적으로 도시한다. 임프린트용 몰드(300)는 도1의 배향막의 제1 홈(121)에 대응하는 제1 돌출부(323)를, 그리고 배향막의 제2 홈(123)에 대응하는 제2 돌출부(321)를 포함한다. 제1 방향(도면에서는 y축 방향)으로 신장하고 서로 이격된 복수의 제1 돌출부(323) 및 제2 방향(도면에서는 x축 방향)으로 신장하여 제1 돌출부들과 교차하는 서로 이격된 복수의 제2 돌출부(343)를 포함한다. 제1 돌출부(323)와 제2 돌출부(343)는 예를 들어 서로 직교할 수 있다. 즉, 제1 돌출부(323)가 제2 방향을 따라 주기적으로 배열되고 제1 돌출부(323)에 직교하면서 제2 돌출부(343)가 제1 방향을 따라 주기적으로 배치된다.
돌출부들의 주기적인 배열로부터, 인접한 돌출부들 사이에는 배향막의 돌출부를 정의하는 홈이 정의될 수 있다. 예를 들어 인접한 제1 돌출부(323)들 사이에는 제1 홈(321)이 정의되고 인접한 제2 돌출부(343)들 사이에는 제2 홈(341)이 정의될 수 있다. 결국 임프린트용 몰드(300)의 돌출부들의 높이는 배향막의 홈의 깊이를 정의하고, 임프린트용 몰드의 인접한 돌출부들 사이의 거리는 배향막의 홈의 폭을 정의한다.
임프린트용 몰드(300)의 제1 돌출부(323)와 제2 돌출부(343)는 서로 다른 치수로 형성될 수 있다. 예를 들어 제1 돌출부(323)의 높이(AM) 및 폭(LM)은 제2 돌출부(343)의 높이(Am) 및 폭(Lm)보다 큰 치수로 형성될 수 있다. 홈과 마찬가지로 설명의 편의 및 보나 나은 이해를 위해서 이하의 배향막과 관련된 설명에서 상대적으로 큰 돌출부(323) 및 홈(321)을 각각 마크로 돌출부 및 홈으로, 상대적으로 작은 돌출부(343) 및 홈(341)을 각각 마이크로 돌출부 및 홈으로 칭할 수 있으나, 돌출부의 크기가 이들 호칭에 한정되는 것은 아니다. 또, 몰드(300)에서 교대로 배열된 마크로 돌출부(323) 및 마크로 홈(321)에 의한 구조를 마크로 요철 구조(320)로, 교대로 배열된 마이크로 돌출(343) 및 마이크로 홈(341)에 의한 구조를 마이크로 요철 구조(340)로 칭할 수 있다.
임프린트용 몰드(300)의 돌출부 또는 의 종횡비를 조절함으로써, 배향막의 홈 또는 돌출부의 종횡비를 조절할 수 있고 결국 배향막에서 액정의 배열을 조절할 수 있다.
도7은 본 발명의 기술적 사상의 다른 실시 예에 따른 임프린트용 몰드를 개략적으로 도시한다. 본 실시 예에의 임프린트용 몰드는 도2의 배향막을 제조하기 위한 것으로서, 도6의 임프린트용 몰드와 비교해서 이중 요철 구조를 나타내는 점에서 동일하나, 돌출부 또는 홈의 형상이 도6과 다소 상이하다. 본 실시 예의 임프린트용 몰드에서는 돌출부의 상부면 및 측벽이 부드럽게 형성되는 점에서 다소 평탄하게 형성되는 도6의 돌출부와 차이를 보인다.
이하에서는 임프린트용 몰드 형성에 대해서 설명을 한다.
도8 내지 도12는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에 따른 도6의 임프린트용 몰드를 형성하는 방법을 설명하는 도면이다. 크게 마크로 돌출부를 형성하는 공정(도8 내지 도9)과 마이크로 돌출부를 형성하는 공정(도10 내지 도12)으로 나눌 수 있다.
먼저 도8 내지 도9를 참조하여 마크로 돌출부(배향막의 마크로 홈을 정의함)를 형성하는 방법에 대해서 설명을 한다. 도8을 참조하면, 기판(500)에 사진식각공정을 통해서 복수의 돌출부(610)를 형성한다. 돌출부(610) 사이에는 홈(620)이 정의된다. 돌출부(610)는 기판(500)에 포토레지스트를 스핀-코팅한 후 노광 및 애싱 공정을 진행하여 형성할 수 있다. 또는 돌출부(610)은 기판이 식각되어 형성되거나 혹은 절연막 또는 도전막을 패터닝하여 형성될 수 있다.
도9를 참조하면, 몰드(300)를 준비한 후 돌출부(610) 및 홈(620)이 형성된 기판(500)에 몰드(300)를 접촉시켜 돌출부(610)에 대응하는 마크로 홈(321) 및 홈(620)에 대응하는 마크로 돌출부(323)를 몰드(300)에 형성한다.
몰드(300)는 예를 들어 탄성력이 있고 접착력이 있는 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 몰드(300)는 PDMS, 폴리우레탄, 실리콘 함유 폴리우레탄, 폴리(테트라메틸옥사이드), 폴리(에틸렌옥사이드), 폴리(옥세탄), 폴리이소프렌, 폴리부타디엔 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다.
도10 내지 도12를 참조하여 마크로 돌출부(323) 및 마크로 홈(321)을 갖는 마크로 요철 구조(320)가 형성된 몰드(300)에 마이크로 요철 구조를 형성하는 방법을 설명한다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 마크로 요철 구조가 형성된 몰드가 팽창된 후 비등방성으로 수축되어 마크로 요철 구조에 마이크로 요철 구조가 자발적으로 형성된다.
도10을 참조하면, 마크로 요철 구조(320)가 형성된 몰드(300)를 열처리한다. 열처리는 몰드를 팽창시키기 위한 것이다. 예를 들어 마크로 요철 구조(320)가 형성된 몰드(300)는 섭씨 50도 내지 250도에서 약 45분 이내로 오븐에서 가열될 수 있다. 이 같은 가열로 몰드(300)는 열적으로 팽창한다.
도11을 참조하면, 팽창한 몰드(300)에 대해 산소 플라즈마 처리를 진행한다. 산소 플라즈마는 몰드(300)의 수축을 제어하기 위한 것이다. 예를 들어 몰드(300)는 약 10 내지 30분 간격으로 산소 플라즈마에 노출된다. 산소 플라즈마 처리에 의해 몰드 표면에 비-수축성 산화층(700)이 형성된다. 이 같은 몰드 표면의 산화층(700)은 열팽창계수가 산화되지 않은 몰드에 비해 낮아 몰드의 표면에서 몰드의 수축을 억제하는 층으로 작용할 수 있다.
다음 도12를 참조하여 열처리로 인해 가열되어 팽창한 몰드를 냉각시킨다. 냉각은 팽창한 몰드를 수축하기 위한 것이다. 냉각을 위해 플라즈마 처리를 한 몰드를 상온에 방치시킨다. 몰드가 수축될 때, 서로 교대로 배열된 마크로 홈 및 마크로 돌출부로 인한 마크로 요철 구조로 인해 몰드가 비등방성으로 수축하며, 표면 산화층(700)과 몰드의 열팽창계수 차이 때문에 몰드(300)의 마크로 돌출 구조(320)에 마이크로 돌출 구조(420)가 형성된다. 여기서 몰드의 비등방성 수축이란 상대적으로 한 방향(돌출부가 신장하는 방향)으로 수축을 많이 하고 다른 쪽 방향(돌출부가 신장하는 방향의 수직 방향)으로는 수축을 아주 조금 하거나 또는 거의 하지 않는다는 것(상대적으로 낮은 수축을 한다는 것)을 의미할 수 있다.
도13 내지 도15는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에 따른 도7의 임프린트용 몰드를 형성하는 방법을 설명하는 도면이다. 본 실시 예에서는 포토레지스트에 대한 리플로 공정을 진행한다는 점에서 도8 내지 도12를 참조하여 설명을 한 실시 예와 다르다. 따라서 동일한 설명의 반복을 위해서 중복되는 내용의 설명은 생략하기로 한다.
도13을 참조하면, 기판(100)에 대한 사진식각공정이 진행되어 포토레지스트로 구성된 복수의 돌출부(610)가 형성된다. 돌출부들 사이에는 홈(620)이 정의된다.
도14를 참조하면, 기판에 대한 리플로 공정을 진행하여 포토레지스트 돌출부의 모서리가 곡선 프로파일이 되게 한다.
도15를 참조하면, 몰드(300)를 준비한 후, 포토레지스트 돌출부(610) 및 홈(620)이 형성된 기판(400)에 몰드(300)를 접촉시킨다. 이로써, 포토레지스트 홈(620)에 대응하는 마크로 돌출부(323) 및 포토레지스트 돌출부(610)에 대응하는 마크로 홈(321)이 몰드(300)에 형성된다.
이후의 공정은 도10 내지 도12를 참조하여 설명을 한 방법과 동일하다. 마크로 돌출부 및 홈이 형성된 몰드를 가열하여 팽창시키고 그 표면에 수축 제어층을 형성하고 몰드를 수축시킨다.
마이크로 요철 구조(320)의 형성에 대해서 도16을 참조하여 더 상세히 설명하기로 한다. 설명을 위해서 몰드(300)가 PDMS로 형성된 것을 예로 사용한다. 도16에서 △L1 은 마크로 돌출부(323)가 신장하는 방향과 직교하는 방향(즉, 마크로 돌출부들이 배열된 방향, 도면에서는 x축 방향)으로의 변화율을, △L2 는 마크로 돌출부(323)가 신장하는 방향(도면에서는 y축 방향)으로의 변화율을 나타낸다. 도16을 참조하면, 마크로 요철 구조(320)가 형성된 PDMS(300)를 열처리 한다. 열처리는 PDMS(300)를 팽창시킨다. 예컨대, 열처리는 마크로 요철 구조(320)로 인해서, PDMS(300)에 비등방성 스트레스를 인가할 수 있다. 열처리는 PDMS(300)를 L1 방향으로보다 L2 방향으로 상대적으로 많이 팽창시킬 수 있다(△L1 < △L2). PDMS(300)를 팽창시킨 후 그 표면을 산소 플라즈마 처리한다. PDMS(300)가 산소 플라즈마 처리를 받으면 PDMS 표면의 분자 구조가 비-수축성의 뻣뻣한 SiOx 와 유사한 구조로 바뀐다(수축 억제층이 형성된다). PDMS(300)를 이어서 상온에 방치하여 냉각시키면 PDMS(300)는, 서로 교대로 배열된 마크로 홈(321) 및 마크로 돌출부(323)로 인한 마크로 요철 구조(320)로 인해 예를 들어 비등방성 수축을 한다. PDMS(300)가 비등방성 수축할 때, 수축 억제층인 산화층과 PDMS의 열팽창계수의 차이로 인해서 마크로 요철 구조(320)에 마이크로 요철 구조(420)가 형성된다.
산소 플라즈마 처리로 인해 PDMS의 표면 구조가 변화되어 표면 산화층이 형성될 수 있다. 표면 산화층은 PDMS와의 열팽창계수 차이로 인해서 PDMS의 수축을 제어하는 기능을 할 수 있다. 표면 산화층은 예를 들어 하부의 L2 방향으로 신장하는 마크로 요철 구조에 의해서 상대적으로 L2 방향보다는 L1 방향으로의 수축을 훨씬 많이 억제할 수 있다. 따라서, PDMS가 냉각될 때 PDMS는 L1 방향으로 보다 L2 방향으로 상대적으로 훨씬 더 많이 수축할 수 있다(△L1 << △L2). 이로써, L2 방향으로 신장하는 마크로 돌출부들에 수직하는 L1 방향으로 신장하는 마이크로 돌출부들이 자발적으로 형성된다.
열처리로 인한 팽창에서의 변화율 관계는 △L1 < △L2 이고 산소 플라즈마 처리후 냉각에 의한 수축에서의 변화율 관계는 △L1 << △L2 이므로 L2 방향 즉 마크로 돌출부가 신장하는 방향을 따라 마이크로 돌출부들이 형성된다. 환언하면, 팽창과 수축에 따른 L1 방향(x 축방향)에서의 변화율보다 L2 방향(y축 방향)에서의 변화율이 훨씬 더 크기 때문에, L2 방향(y축 방향)을 따라 마이크로 돌출부들이 형성된다.
PDMS의 수축을 억제하는 층으로서 산화층을 대신해서 PDMS 보다 열팽창율이 작은 층이라면 어느 것이라도 사용될 수 있다. 예를 들어 금속층이 PDMS 표면에 형성되어 수축을 억제하는 층으로 사용될 수 있다. 금속층으로서, 전자빔증착법에 의한 금층이 사용될 수 있다. PDMS의 열팽창계수는 금의 열팽창계수보다 20배 이상 크다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에서, 산소 플라즈마 처리 혹은 금속층은 열처리를 진행하는 중에 수행되거나 형성될 수 있다.
이하에서는 임프린트용 몰드를 이용한 배향막 형성 방법에 대해서 설명을 한다.
도17 내지 도19는 도8 내지 도12를 참조하여 설명을 한 임프린트용 몰드를 사용하여 배향막을 형성하는 방법을 설명한다. 도17을 참조하면, 먼저 기판(400)에 배향막(100)을 형성한다. 배향막(300)으로 예를 들어 폴리이미드계 고분자 수지가 사용될 수 있다.
도18을 참조하여, 이중 요철 구조의 임프린트용 몰드(300)를 배향막(100)에 임프린트하고 배향막에 대한 경화 공정을 진행한다. 경화공정은 예를 들어 자외선을 이용한 광경화를 적용할 수 있다. 몰드에 제공된 이중 요철 구조(320, 340)가 임프린트에 의해서 배향막(100)에 전달된다. 이로써 배향막(100)은 이중 요철 구조(120, 140)를 갖는다.
도19를 참조하여 몰드를 제거한다.
실험예 1
열처리의 온도 및 플라즈마 처리의 시간을 조절하면서 마이크로 요철 구조를 형성하였다. 도20은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에 따른 열처리 온도와 마이크로 요철 구조의 진폭과의 상관관계를 도시하고, 도21은 산소 플라즈마 처리 시간과 마이크로 요철 구조의 굴곡주기 사이의 상관관계를 도시한다.
실험결과로부터 열처리 및/또는 산소 플라즈마 처리의 조건을 조절하면 마이크로 요철 구조의 굴곡주기 및 진폭을 조절할 수 있음을 확인할 수 있다. 산소 플라즈마 처리 전의 열처리의 온도가 증가할 수 록 형성되는 마이크로 요철 구조의 진폭(돌출부의 높이 또는 마이크로 홈의 깊이)이 증가한다. 그리고, 산소 플라즈마 처리의 시간이 증가할수록 마이크로 요철 구조의 굴곡주기(인접한 마이크로 돌출부들 사이의 거리 또는 인접한 마이크로 홈들 사이의 거리)이 증가한다.
산소 플라즈마 처리는 PDMS 표면에 형성되는 산화층의 두께와 관련이 있고, 열처리 온도는 비등방성 스트레스의 양과 관련이 있다.
한편, 마크로 요철 구조의 진폭 및 굴곡주기는 사진식각공정을 적절히 제어하여, 예를 들어 포토레지스트의 증착 두께, 인접한 포토레지스트 패턴 사이의 거리를 적절히 조절하는 것에 의해서 용이하게 제어할 수 있다.
따라서 열처리 및/또는 산소 플라즈마 처리의 온도/시간, 사진식각공정을 적절히 조절하면 다중 도메인 액정 소자, 쌍 안정 액정 소자를 형성할 수 있다.
예를 들어, 마크로 요철 구조의 진폭을 1.6㎛로, 굴곡주기를 40㎛로 하고, 마이크로 요철 구조의 진폭을 0.2㎛로, 굴곡주기를 3㎛로 형성하여 배향막을 형성하였다. 이 경우, 정렬 인자 G = (AM 2 / λM 3) x (λm 3 / Am 2 ) ≒ 0.027 이 되고, 다중 도메인 액정 소자를 형성할 수 있다.
실험예 2
쌍안정 액정 소자 형성
사진식각공정을 제어하여 마크로 요철 구조의 진폭을 0.81㎛로 고정하고, 굴곡주기를 5㎛, 6㎛, 7㎛로 다양하게 설정하여 마크로 요철 구조를 형성하였다. 마크로 요철 구조는 사진식각공정을 통해 기판에 형성된 후 PDMS 기판에 옮겨졌다. PDMS는 180℃에서 1시간 이내로 가열된 후 산소 플라즈마 처리(50W, 30sccm, 30초)가 가해졌다. 그리고 나서 상온에서 PDMS를 방치시켰다. 이후 PDMS에 형성된 이중 요철 구조를 배향막에 임프린트 방식으로 전사시켰다.
아래 <표1>은 마크로 요철 구조 및 마이크로 요철 구조의 진폭 및 굴곡주기를 정리한 것이고 도22는 그에 대한 그래프이다.
표 1
λM 5 3㎛ 6㎛ 7㎛
λm 1.07㎛ 0.91㎛ 1.052㎛
Am 0.0556㎛ 0.0470㎛ 0.0555㎛
AM 2/λm 3 0.00252㎛ 0.00242㎛ 0.00264㎛
AM = 0.81㎛ 로 고정
표 1 및 도22를 참조하면, 마크로 요철 구조의 서로 다른 굴곡주기에서 마이크로 요철 구조의 방위각상 배향 에너지는 큰 차이가 없음을 알 수 있다. 따라서, 정렬 결정 인자 G값을 마크로 요철 구조의 굴곡주기를 조절하여, 즉 사진식각공정의 제어를 통해 용이하게 제어할 수 있다.
도23은 도22와 관련한 정렬 결정 인자 G의 변동에 따른 표면 자유 에너지 밀도를 방위각상 각도 함수에 대해서 나타낸 그래프이다.
표면 자유 에너지 밀도는 하기 수학식 4로 주어진다.
수학식 4
Figure PCTKR2011007672-appb-M000004
상기 수학식 4에서 q p 는 액정 디렉터와 마크로 홈 신장 방향 사이의 각도이고, k 3 =(K 2 /K 24 )/K 3 , p i (q p )={cos 2 q p +(K 3 /K i )sin 2 q p }1/2, q i (q p )={sin 2 q p +(K 3 /K i )cos 2 q p }1/2(i=1,2), G=(A m /A M )2(l M /l m )3이고, A M 및 l M 그리고, A m 및 l m 은 각각 마크로 요철 구조 및 마이크로 요철 구조의 진폭 및 굴곡주기이고, K 1 , K 2 , K 3 , 및 K 24 는 각각 스플레이(splay), 트위스트(twist), 밴드(bend) 및 새들-스플레이(saddle-splay) 탄성 계수이다.
도23을 참조하면, 마크로 돌출 구조의 굴곡주기가 각각 5㎛, 6㎛, 7㎛ 일때, 정렬 결정 인자 G는 0.732, 1.036, 2.080이다.
도24는 정렬 결정 인자 G에 따른 방위각상 용이 축을 나타낸 그래프로서, 위 수학식 4에 근거한 시뮬레이션(세모로 표시) 및 실험예 2(원으로 표시)를 함께 보여준다. 도23을 참조하면, 실험결과와 시뮬레이션이 거의 일치하는 것을 확인할 수 있다.
위 수학식 4로부터 액정의 쌍안정 용이 축은 K 3 / K 1 =1.3, K 3 / K 2 =2.2, k 3 ≒0.07 에서 각각 ±39.56, ±45.55, ±56.88이다. 마크로 요철 구조의 굴곡주기를 감소시켜 마크로 돌출 구조의 고정 힘을 감소시킴으로써, 액정의 방위각상 용이 축이 그에 따라 변한다. 또한 마이크로 요철 구조가 변하는 경우(진폭 및 굴곡주기가 변하는 경우), 비슷하게 방위각상 용이 축의 변동이 발생한다. 이는 액정 디렉터의 방위각상 용이 축이 이중 요철 구조의 방위각상 고정력을 변경하는 것에 의해 용이하게 조절될 수 있다는 것을 의미한다. 일 예로서, G=1.036이고, l M = 6㎛, K3 9*10-12 일때, 방위각상 배향 에너지 W≒2.04*10-5J/cm2 이다.
액정 디렉터의 쌍안정 용이 축을 실험적으로 확인하기 위해서, 4-n-펜틸 4' 시아노바이페닐(5CB)로 채워진 혼성 액정 셀을 실제로 제작하였다. 상부 배향막은 러빙 공정 없이 수직 액정 배향층으로 코팅되었고 하부 배향막은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중 요철 구조의 배향막이 사용되었다. 도25는 이 같은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마크로 요철 구조의 굴곡주기에 따른 액정의 편광 현미경 이미지이다. 액정 디렉터의 방위각상 용이 축은 마크로 요철 구조의 굴곡주기에 따라 변화하였다.
이상에서 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

Claims (31)

  1. 액정 배향을 위한 배향막 형성 방법으로,
    상기 방법은:
    제1 방향으로 신장하고 서로 이격된 복수의 제1 홈 및 제2 방향으로 신장하여 상기 제1 홈들과 교차하는 서로 이격된 복수의 제2 홈을 배향막에 형성하는 것을 포함하고,
    상기 제1 홈과 상기 제2 홈은 폭과 깊이의 치수가 다른 것을 특징으로 하는 배향막 형성 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 홈의 폭과 깊이의 치수는 각각 상기 제2 홈의 폭과 깊이의 치수보다 큰 것을 특징으로 하는 배향막 형성 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 직교하는 것을 특징으로 하는 배향막 형성 방법.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 홈의 종횡비와 상기 제2 홈의 종횡비를 조절하여 액정의 방위각상 배향 에너지를 조절하는 것을 특징으로 하는 배향막 형성 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 홈들에 의한 방위각상 배향 에너지가 상기 제2 홈들에 의한 방위각상 배향 에너지 보다 더 작도록 상기 제1 홈들 및 상기 제2 홈들이 형성되는 것을 특징으로 하는 배향막 형성 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 홈들에 의한 방위각상 배향 에너지와 상기 제2 홈들에 의한 방위각상 배향 에너지의 비가 약 0이 되도록 상기 제1 홈들 및 상기 제2 홈들이 형성되는 것을 특징으로 하는 배향막 형성 방법.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 홈들에 의한 방위각상 배향 에너지와 상기 제2 홈들에 의한 방위각상 배향 에너지가 거의 동일하도록 상기 제1 홈들 및 상기 제2 홈들이 형성되는 것을 특징으로 하는 배향막 형성 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 홈들에 의한 방위각상 배향 에너지와 상기 제2 홈들에 의한 방위각상 배향 에너지의 비가 약 1이 되도록 상기 제1 홈들 및 상기 제2 홈들이 형성되는 것을 특징으로 하는 배향막 형성 방법.
  9. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 홈과 상기 제2 홈은:
    상기 제1 홈들 및 상기 제2 홈들에 각각 대응되는 제1 돌출부들 및 제2 돌출부들이 구비된 몰드를 형성하고;
    상기 제1 돌출부들 및 상기 제2 돌출부들이 형성된 몰드를 배향막에 임프린트하는 것을 포함하는 배향막 형성 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 돌출부들은 기재에 형성된 패턴을 몰드로 전사하여 형성되고;
    상기 제2 돌출부들은 상기 제1 돌출부들이 형성된 몰드를 가열하여 팽창시키고 상기 팽창된 몰드 표면에 수축 제어층을 형성하고 상기 수축 제어층이 형성된 몰드를 냉각하여 수축시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 배향막 형성 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 수축 제어층은 산화층 또는 금속층인 것을 특징으로 하는 배향막 형성 방법.
  12. 배향막 임프린트용 몰드 형성 방법으로,
    탄성막에 제1 방향으로 신장하고 서로 이격된 복수의 제1 돌출부를 형성하고; 그리고,
    제2 방향으로 신장하여 상기 제1 돌출부들과 교차하는 서로 이격된 복수의 제2 돌출부를 형성하는 것을 포함하고,
    상기 제2 돌출부들을 형성하는 것은:
    상기 제1 돌출부들이 형성된 몰드를 팽창시키고,
    상기 팽창한 몰드의 수축을 조절하기 위한 수축조절처리를 수행하고,
    상기 팽창된 몰드를 수축시키는 것을 포함하는 배향막 임프린트용 몰드 형성 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 몰드의 팽창은 상기 몰드를 열처리하는 것을 포함하고,
    상기 팽창한 몰드의 수축을 조절하기 위한 수축조절처리는 상기 팽창한 몰드 표면에 수축 제어층을 형성하는 것을 포함하고,
    상기 팽창된 몰드의 축소는 냉각처리하는 것을 포함하는 배향막 임프린트용 몰드 형성 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 수축 제어층을 형성하는 것은 팽창한 몰드 표면을 산소 플라즈마 처리하는 것을 포함하는 배향막 임프린트용 몰드 형성 방법.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 수축 제어층을 형성하는 것은 팽창한 몰드 표면 상에 금속 박막을 형성하는 것을 포함하는 배향막 임프린트용 몰드 형성 방법.
  16. 제12 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 돌출부와 상기 제2 돌출부는 높이 및 폭의 치수가 서로 다르게 형성되는 것을 특징으로 하는 배향막 임프린트용 몰드 형성 방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 제1 돌출부의 높이 및 폭의 치수는 각각 상기 제2 돌출부의 높이 및 폭의 치수보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 배향막 임프린트용 몰드 형성 방법.
  18. 제16 항의 배향막 임프린트용 몰드 형성 방법에 의해서 형성된 탄성막을 배향막에 임프린트하여 상기 제1 돌출부들에 대응하고 서로 이격된 복수의 제1 홈 및 상기 제2 돌출부들에 대응하고 서로 이격된 복수의 제2 홈을 형성하는 배향막 형성 방법.
  19. 액정 표시 장치의 액정을 배향하기 위한 배향막으로,
    상기 배향막은:
    제1 방향으로 신장하고 서로 이격된 복수의 제1 홈; 그리고,
    제2 방향으로 신장하여 상기 제1 홈들과 교차하는 서로 이격된 복수의 제2 홈을 포함하는 배향막.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 제1 홈의 폭과 깊이의 치수는 각각 상기 제2 홈의 폭과 깊이의 치수보다 큰 것을 특징으로 하는 배향막.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 제1 홈들에 의한 방위각상 배향 에너지가 상기 제2 홈들에 의한 방위각상 배향 에너지 보다 작은 특징으로 하는 배향막.
  22. 제21 항에 있어서,
    다중 도메인 액정 소자를 위해 상기 제1 홈들에 의한 방위각상 배향 에너지와 상기 제2 홈들에 의한 방위각상 배향 에너지의 비가 약 0인 것을 특징으로 하는 배향막.
  23. 제20 항에 있어서,
    상기 제1 홈들에 의한 방위각상 배향 에너지와 상기 제2 홈들에 의한 방위각상 배향 에너지가 거의 동일한 것을 특징으로 하는 배향막.
  24. 제23 항에 있어서,
    다중안정 액정 소자를 위해 상기 제1 홈들에 의한 방위각상 배향 에너지와 상기 제2 홈들에 의한 방위각상 배향 에너지의 비가 약 1인 것을 특징으로 하는 배향막.
  25. 마주하여 배치된 제1 기판 및 제2 기판; 그리고,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 마주하는 면에 형성된 제1 배향막 및 제2 배향막을 포함하고,
    상기 제1 배향막 및 상기 제2 배향막은 각각:
    제1 방향으로 신장하고 서로 이격된 복수의 제1 홈; 그리고,
    제2 방향으로 신장하여 상기 제1 홈들과 교차하는 서로 이격된 복수의 제2 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  26. 마주하여 배치된 제1 기판 및 제2 기판; 그리고,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 마주하는 면에 형성된 제1 배향막 및 제2 배향막을 포함하고,
    상기 제1 배향막 및 상기 제2 배향막은 각각:
    제1 방향으로 신장하고 서로 이격된 복수의 제1 홈; 그리고,
    제2 방향으로 신장하여 상기 제1 홈들과 교차하는 서로 이격된 복수의 제2 홈을 포함하며,
    상기 제1 홈들에 의한 방위각상 배향 에너지와 상기 제2 홈들에 의한 방위각상 배향 에너지의 비가 약 1인 것을 특징으로 하는 다중안정 액정 표시 장치.
  27. 마주하여 배치된 제1 기판 및 제2 기판; 그리고,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 마주하는 면에 형성된 제1 배향막 및 제2 배향막을 포함하고,
    상기 제1 배향막 및 상기 제2 배향막은 각각:
    제1 방향으로 신장하고 서로 이격된 복수의 제1 홈; 그리고,
    제2 방향으로 신장하여 상기 제1 홈들과 교차하는 서로 이격된 복수의 제2 홈을 포함하며,
    상기 제1 홈들에 의한 방위각상 배향 에너지와 상기 제2 홈들에 의한 방위각상 배향 에너지의 비가 약 0인 것을 특징으로 하는 다중 도메인 액정 표시 장치.
  28. 액정 표시 장치에 적용되는 액정 배향 제어 방법으로,
    상기 액정 배향 제어 방법은:
    배향막에 제1 방향으로 신장되고 서로 이격된 복수의 제1 홈과 제2 방향으로 신장하여 상기 제1 홈들과 교차하는 서로 이격된 복수의 제2 홈을 형성하되, 상기 제1 홈의 종횡비 및 상기 제2 홈의 종횡비를 조절하여 다중안정 액정 배향 또는 다중 도메인 액정 배향을 선택적으로 가능하게 하는 액정 배향 제어 방법.
  29. 제28 항에 있어서,
    다중안정 액정 배향을 위해서 상기 제1 홈의 방위각상 배향 에너지와 상기 제2 홈의 방위각상 배향 에너지의 비가 약 1이 되도록 상기 제1 홈의 종횡비 및 상기 제2 홈의 종횡비를 조절하는 것을 특징으로 하는 액정 배향 제어 방법.
  30. 제28 항에 있어서,
    다중 도메인 액정 배향을 위해서 상기 제1 홈들에 의한 방위각상 배향 에너지와 상기 제2 홈들에 의한 방위각상 배향 에너지의 비가 약 0이 되도록 상기 제1 홈의 종횡비 및 상기 제2 홈의 종횡비를 조절하는 것을 특징으로 하는 액정 배향 제어 방법.
  31. 배향막 임프린트용 몰드로서,
    상기 탄성막은:
    제1 방향으로 신장하고 서로 이격된 복수의 제1 돌출부; 그리고,
    제2 방향으로 신장하여 상기 제1 돌출부들과 교차하는 서로 이격된 복수의 제2 돌출부를 포함하고,
    상기 제1 돌출부의 높이와 폭의 치수는 상기 제2 돌출부의 높이와 폭의 치수와 다른 것을 특징으로 하는 배향막 임프린트용 몰드.
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