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KR100343224B1 - 액정표시장치의 제조방법 - Google Patents

액정표시장치의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 (a) 전극층과 박막 트랜지스터가 형성되어 있는 제1기판에 스페이서를 분사하고, 이를 블랙 매트릭스, 칼라필터 및 전극층이 형성되어 있고, 그 표면에 실란트가 도포된 제2기판과 접합하여 공셀을 형성하는 단계 및 (b) 상기 공셀에 광중합성 모노머, 액정 모노머, 광중합개시제 및 가교제를 함유하는 고분자/액정 조성물을 주입한 다음, 광을 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 제조방법에 있어서, 상기 (b) 단계에서 상기 광경화성 모노머와 액정 모노머의 혼합비가 1:99 내지 10:90 중량비이고, 광조사시의 온도를 액정 모노머의 등방성 전이온도 범위로 유지하여 액정을 배향시키는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 별도로 배향막을 형성하는 공정이 불필요하므로 매우 간단하게 액정을 배향시킬 수 있을 뿐만 아니라, 셀의 상, 하를 연결하는 고분자기둥을 형성할 수 있어서 셀 두께를 지지하는 데 기여할 수 있다.

Description

액정표시장치의 제조방법
본 발명은 액정표시장치의 제조방법에 관한 것으로서, 상세하기로는 광을 이용한 새로운 액정 배향 방법으로 액정표시장치를 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.
액정표시장치(Liquid Crystal Display: LCD)는 음극선관을 이용한 표시장치에 비해 중량이 적게 나가고 크기가 작아서 휴대가 간편하며 인체에 유해한 전자파가 나오지 않는다는 장점이 있다. 따라서 액정표시장치는 휴대용 정보 단말기 및 개인용 컴퓨터를 중심으로 하여 그 수요가 점차저적으로 확대되고 있으며, 최근에는 작은 패널로 대면적의 고화질이 가능한 경량의 투사형 액정 TV에 대한 관심이 증가되고 있다.
현재 정보화시대에 대응하는 LCD로는 TN(Twisted Nematic) 및 STN(Super Twisted Nematic) 액티브 매트릭스 박막 트랜지스터 액정 표시장치가 그 주류를 이루고 있다. 그런데 상기 TN 및 STN LCD는 구동 및 패널의 구조면에서 차이를 보이고 있다. STN형은 단순한 매트릭스형의 상, 하 전극사이에 액정을 210-270°트위스트시켜 구동을 하고, TFT-TN형은 각각의 화소마다 TFT를 만들어 화소를 제어하고 상, 하 기판사이에 액정을 90° 트위스트시켜 액티브 구동을 한다. 이러한 소자의 차이에 의하여 STN형은 제조가 용이하고 가격이 저렴한 반면, 반응응답 속도가 늦고 화소의 수에 제한이 있어서 표시 특성이 우수하지 못하다. 반면, TFT-TN형은 표시 특성이 우수하지만 제조하기가 어렵고 가격이 비싸다.
표시 특성이 우수한 LCD를 개발하기 위해서는 액정의 배향을 균일하게 제어하는 것이 필요하다. 여기에서 배향이란 어떤 물질이 외부의 응력에 의해서 또는 자체의 배열로 선형의 구조로 서로 평행하게 일정방향으로 늘어서 부분적으로 질서있는 상태를 말한다. 일반적으로 액정의 물성은 분자 배열상태에 의하여 변하고 그 결과 전계 등 외력에 대한 응답속도도 크게 변화되므로 액정 소자를 제작함에 있어서 액정의 균일한 배향 제어는 중요한 핵심기술이다. 여기에서 액정을 균일하게 배열시키는 것은 단순히 액정을 상, 하기판사이에 끼우는 것만으로는 얻기 힘들다.
액정을 배향시키는 방법으로서, 투명전극층 표면에 폴리이미드 등과 같은 유기 고분자 재료를 코팅하여 배향막을 형성한 다음, 상기 배향막 표면을 물리적 방식으로 러빙처리함으로써 액정을 배향하는 방법이 알려져 있다. 이 방법에 의하면 외부에서 기계적인 힘을 가하여 액정을 일정 방향으로 배향시킬 수는 있지만, 러빙처리시 발생되는 먼지 등에 의하여 액정이 오염될 우려가 있으며, 특히 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor: TFT) 셀의 경우에는 TFT가 파괴되는 문제점이 있다.
액정을 배향시키는 다른 방법으로서, 투명전극층 표면에 폴리테트라플루오로에틸렌수지를 코팅하고 그 코팅 표면을 처리하는 방법과, 액정 조성물에 레시틴, 옥타데실말론산 등을 첨가하여 액정을 배향시키는 방법이 있다. 상기 방법중 전자 방법은 대형화가 곤란하다는 문제점이 있고, 후자 방법은 액정중에 레시틴과 같은 물질의 첨가로 액정의 물성이 달라짐으로써 전기광학 특성이 저하되고, 복굴절 방식의 액정셀을 만드는 경우 셀의 두께 조절이 어렵다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 투명전극층에 광경화성 물질을 코팅한 다음, 여기에 광을 조사하여 배향막을 형성하는 방법이 제안되었다. 그러나 이 방법은 셀에 액정을 주입하기 전에 투명전극층을 광경화성 물질로 처리하는 공정이 추가되어야 하고, 이러한 공정이 매우 복잡하여 제조하기가 어렵다는 단점이 있다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는, 상기 문제점을 해결하여 배향막 형성공정을 별도로 실시하지 않으면서 간편하게 액정을 배향시킬 수 있는 액정표시장치의 제조방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 제조된 액정표시장치의 개략적인 구조를 나타낸 단면도이고,
도 2는 포토마스크를 이용하여 완성된 액정표시장치의 개략적인 구조를 나타낸 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11, 21. 유리기판12, 22. 투명전극층
13, 23. 투명 고분자 수지층14, 24. 액정
15, 25. 편광판16, 26. 검광자
17. 고분자기둥
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명에서는 (a) 전극층과 박막 트랜지스터가 형성되어 있는 제1기판에 스페이서를 분사하고, 이를 블랙 매트릭스, 칼라필터 및 전극층이 형성되어 있고, 그 표면에 실란트가 도포된 제2기판과 접합하여 공셀을 형성하는 단계 및 (b) 상기 공셀에 광중합성 모노머, 액정 모노머, 광중합개시제 및 가교제를 함유하는 고분자/액정 조성물을 주입한 다음, 광을 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 제조방법에 있어서, 상기 (b) 단계에서 상기 광경화성 모노머와 액정 모노머의 혼합비가 1:99 내지 10:90 중량비이고, 광조사시의 온도를 액정 모노머의 등방성 전이온도 범위로 유지하여 액정을 배향시키는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 제조방법을 제공한다.
본 발명에서는 광경화성 모노머와 액정 모노머를 적당한 비율로 혼합한 조성물을 셀에 주입하고, 이 셀을 적당한 온도로 유지시킨 상태에서 광을 조사하여 광경화성 모노머가 투명전극층의 표면에서 연쇄적으로 흡착되면서 고분자화되어 투명전극층의 표면을 덮게 됨으로써 후에 액정을 배향시키게 된다. 이 때 액정의 배향상태는 사용된 광경화성 모노머와 액정 모노머의 종류, 상기 광경화성 모노머와 액정 모노머의 혼합비, 광조사시의 온도 및 광의 강도 등의 인자에 따라 결정된다.
상기 (b) 단계에서 광의 강도는 1 내지 3mw로 유지하는 것이 바람직하다. 광의 강도가 상기 범위보다 크면 광경화성 모노머의 중합이 지나치게 빨리 진행된다. 따라서 전극의 표면에서 중합이 이루어질 수 있도록 광경화성 모노머가 투명전극층으로 확산되기도 이전에 액정내에서 광경화성 모노머가 중합함으로써 목적하는 바대로 액정을 배향시킬 수 없기 때문이다.
본 발명에서의 광경화성 모노머는 경화된 후 액정과의 표면작용에 의하여 액정을 배향시키는 역할을 하는데, 투명성이 우수한 아크릴계의 모노머를 사용하는 것이 바람직하다. 이 때 광경화성 모노머의 물성을 개선하기 위하여 가교제를 더 첨가하여도 무방하다. 이 때 가교제의 함량은 상기 광경화성 모노머를 기준으로 하여 5내지 10중량%이다. 가교제로서 사용할 수 있는 물질로는 헥산디올 디아크릴레이트(hexandiol diacrylate), 에톡살레이티드 비스페놀 A 디아크릴레이트(ethoxalated bisphenol A diacrylate) 또는 디펜타에리트리톨 아크릴레이트(dipentaerythritol pentacrylate)를 사용할 수 있다.
본 발명에서 광경화성 모노머와 액정 모노머의 혼합비는 사용되는 광경화성 모노머 및 액정 모노머의 종류에 따라 약간식 차이가 있기는 하지만 일반적으로 1:99 내지 10:90 중량비, 바람직하기로는 2:98 내지 4:96 중량비이다. 광경화성 모노머의 함량이 상기 범위보다 큰 경우에는 경화된 고분자가 투명전극층의 표면에서 액정을 배향시키기 보다는 다음과 같은 현상이 일어난다. 즉, 액정과 고분자가 상분리된 3차원의 망상구조를 갖는 그물 모양의 고분자액정복합체에 의하여 액정의 다이렉터(director)가 비틀리거나 무질서하면서 불연속적으로 배열된다.
본 발명의 액정 모노머는 특별히 제한되지는 않지만 유전이방성이 부(-)인 액정재료를 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 화합물의 예로서 p-메톡시벤질리덴-p'-부틸아닐린(p-methoxybenzylidene-p'-butylaniline) 이나 벤조산 페닐 등이 있다.
광조사시의 온도는 투명전극층 상부에 표면배향을 일으키는가 아니면 액정과 고분자의 상분리적인 랜덤한 배향을 일으키는가를 결정하는 매우 중요한 인자로서, 본 발명의 과제를 이루기 위해서는 광조사시의 온도를 액정의 등방성 전이온도 범위내에서 행하는 것이 바람직하다. 그리고 광량은 전술한 바와 같이 자외선의 강도를 1 내지 3mw정도로 행하는 것이 바람직하다.
상기 (b)단계에서 포토마스크를 이용하여 광을 조사하면 셀의 상, 하 기판을 연결하는 고분자기둥을 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따라 제조된 액정표시장치의 개략적인 구조를 나타낸 단면도이고, 도 2는 고분자 기둥이 형성된 액정표시장치의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 여기에서, (1)은 투명 유리기판을, (2)는 투명전극층을, (3)은 광경화된 투명 고분자수지층을, (4)는 액정을, (5)는 편광판을, (6)은 검광자를, (7)은 고분자 기둥을 각각 나타낸다. 여기에서 고분자 기둥 (7)은 셀의 두께를 지지하는 역할을 한다.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명하기로 하되, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
중합개시제를 포함하는 아크릴 수지 PN393(머크사)와 가교제로서 트리메틸올 프로판 트리아크릴레이트(TriMethylol Propane TriAcrylate: TMPTA)를 혼합하여 얻은 조성물과 액정 MBBA(p-MethoxyBenzylidene-p'-ButylAniline)를 3:97 중량비로 혼합하여 고분자/액정 조성물을 준비하였다.
박막 트랜지스터 및 ITO전극이 형성되어 있는 유리기판과, 블랙 매트릭스, 칼라필터 및 ITO전극이 형성되어 있는 유리기판을 접합하여 공셀을 형성하였다. 이 공셀에 상기 고분자/액정 조성물을 상온에서 주입한 다음, 85℃에서 자외선(365nm)을 조사하여 액정표시판넬을 완성하였다. 상기 판넬에 편광판과 검광자를 크로스 상태로 부착하여 액정표시장치를 완성하였다.
완성된 셀을 편광현미경의 크로스 니콜 상태에서 관찰한 결과 완전한 블랙 상태를 나타내었고, 이 셀에 전장을 인가한 상태에서는 광이 투과되었다. 이 때 인가되는 전압의 크기에 따라서 투과되는 광의 간섭이 달라져서 광의 색이 변하는 현상을 관찰할 수 있엇다.
<실시예 2>
중합개시제를 포함하는 아크릴 수지 PN393(머크사)와 TMPTA를 혼합하여 얻은 조성물과 액정 MBBA를 5:95 중량비로 혼합하여 고분자/액정 조성물을 준비하였다.
박막 트랜지스터 및 ITO전극이 형성되어 있는 유리기판과, 블랙 매트릭스, 칼라필터 및 ITO전극이 형성되어 있는 유리기판을 접합하여 공셀을 형성하였다. 이 공셀에 상기 고분자/엑정 조성물을 상온에서 주입한 다음, 개구율이 약 50%인 포토마스크를 이용하여 85℃에서 자외선(365nm)을 조사하여 액정표시판넬을 완성하였다. 상기 판널에 편광판과 검광자를 크로스 상태로 부착하여 액정표시장치를 완성하였다.
액정의 배향 상태는 상기 실시예 1의 경우와 거의 같았으나, 셀내에 고분자 기둥이 부분적으로 형성되었다. 이 때 고분자 기둥이 형성되는 영역과 마스크의 위치와는 상관관계가 없었으며, 포토마스크에 의하여 광이 차단된 영역이나 직접적으로 광이 조사된 영역에서의 액정 배향상태는 거의 동일하였다. 이러한 현상은 포토마스크에 의하여 광이 차단된 영역은 액정에 의하여 산란된 빛이나 판넬의 하부에서 반사되는 빛에 의하여 모노머가 경화되기 때문에 동일한 배향상태를 얻을 수 있는 것으로 설명할 수 있다.
<실시예 3-5>
가교제로서 TMPTA대신 헥산디올 디아크릴레이트, 에톡살레이티드 비스페놀 A 디아크릴레이트 및 디펜타아크릴레이트를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
상기 실시예 3-5의 경우는 실시예 1과 마찬가지의 결과를 얻었다.
<비교예 1>
실온에서 자외선(365nm)을 조사한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
완성된 셀을 편광현미경의 크로스 니콜상태에서 관찰하면 액정의 배향이 균일하게 이루어지 않아서 산란에 의한 광이 새어나와 콘트라스트가 상당히 저하되었다.
<비교예 2>
광중합개시제를 포함하는 광경화성 모노머인 PN393(머크사)와 액정 모노머 MBBA를 20:80 중량비로 혼합하여 고분자/액정 조성물을 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
전자주사현미경으로 완성된 셀의 고분자 상태를 관측한 결과, 상기 고분자가 삼차원적 그물 모양을 하고 있음을 알 수 있었다. 이러한 사실로부터 고분자와 액정이 상분리되었음을 알 수 있었다.
본 발명에 따르면, 별도로 배향막을 형성하는 공정이 불필요하므로 매우 간단하게 액정을 배향시킬 수 있을 뿐만 아니라, 셀의 상, 하를 연결하는 고분자기둥을 형성할 수 있어서 셀 두께를 지지하는 데 기여할 수 있다.

Claims (6)

  1. (a) 전극층과 박막 트랜지스터가 형성되어 있는 제1기판에 스페이서를 분사하고, 이를 블랙 매트릭스, 칼라필터 및 전극층이 형성되어 있고, 그 표면에 실란트가 도포된 제2기판과 접합하여 공셀을 형성하는 단계 및 (b) 상기 공셀에 광중합성 모노머, 액정 모노머, 광중합개시제 및 가교제를 함유하는 고분자/액정 조성물을 주입한 다음, 광을 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 제조방법에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 상기 광경화성 모노머와 액정 모노머의 혼합비가 1:99 내지 10:90 중량비이고, 광조사시의 온도를 액정 모노머의 등방성 전이온도 범위로 유지하여 액정을 배향시키는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계에서 광의 강도가 1 내지 3mw로 유지하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광경화성 모노머가 아크릴수지인 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 (b)단계에서 포토마스크를 이용하여 광을 조사하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 가교제가 헥산디올 디아크릴레이트, 에톡살레이티드 비스페놀 A 디아크릴레이트 및 디펜타에리트리톨 아크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 가교제의 함량이 광경화성 모노머를 기준으로 하여 5 내지 10중량%인 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 제조방법.
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