KR100467513B1 - 보상필름을이용한수직배향액정표시장치및제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 액정 표시 장치는 마주 보고 있는 양쪽의 편광판, 편광판 중 어느 하나의 안쪽면에 부착되어 있는 보상 필름, 편광판 중 나머지 하나의 안쪽면과 보상 필름의 안쪽면에 부착되어 있는 한 쌍의 투명 기판, 두 투명 기판의 안쪽면에 각각 도포되어 있으며 각각의 투명 기판을 두 개의 미소 영역으로 나누는 수직 배향막, 수직 배향막 사이에 주입되어 있으며 전압이 인가되지 않을 때 수직 배향된 액정과 선경사각을 가지는 액정을 포함하고, 액정은 전압이 인가될 때 각각의 미소 영역에서 서로 다른 방향의 선경사각을 가진다.

Description

보상 필름을 이용한 수직 배향 액정 표시 장치 및 제조 방법

이 발명은 액정 표시 장치에 관한 것으로서, 특히 수직 배향과 화소 분할 및 보상 필름을 이용한 광시야각 액정 표시 장치 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

액정은 분자의 장축 방향과 단축 방향으로의 굴절률이 서로 다른 복굴절성을 갖는데, 이 복굴절성에 의해 액정 표시 장치를 보는 위치에 따라 빛이 느끼는 굴절률이 차이가 생기므로 선편광된 빛이 액정을 통과하면서 편광 상태가 바뀌는 비율에 차이가 생겨 정면에서 벗어난 위치에서 볼 때의 빛의 양과 색특성이 정면에서 볼 경우와는 달라진다. 따라서 비틀린 네마틱(TN ; twisted nematic) 구조를 갖는 액정 표시 장치는 시야각에 따라 대비비(contrast ratio)의 변화, 색상 변이(color shift), 계조 반전(gray inversion) 등의 현상이 발생한다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 보상 필름을 이용해 특성을 향상시킨 TN, 화소를 분할하거나 화소 단위별 러빙을 하여 시야각을 향상시킨 다중 영역 TN(multi domain TN) 등이 개발되었으며, 최근에는 평면내 스위칭 모드(IPS; in-plane switching mode) 기술이 개발되었다. 그러나, 음의 위상차 보상 필름을 사용한 TN LCD의 경우, 편광판의 투과축과 45도의 각을 이루는 방향에서 보는 경우의 계조 특성만을 개선시킬 수 있고, 계조 반전 등의 문제점이 여전히 존재하여 다른 방향에서 볼 경우 계조 특성이 더 나빠지는 경우도 있다. IPS 기술은 아직 개발의 초기 단계에 있어, 해결해야 할 많은 문제점들을 가지고 있다. 다중영역 TN은 80년대에 들어와서 개발되었는데, 이의 요지는 LCD의 각 화소를 여러개의 액정 분자의 배열이나 광학적 특성이 다른 영역으로 나누는 것이다. 적절히 디자인한 다중 영역 TN에서는 각도에 따른 빛의 특성이 서로 보상되어 넓은 시야각과 계조 표시 성능의 향상을 가져올 수 있다.

광학적 시뮬레이션의 결과는 4영역(4-D ; four domain) TN이 최적의 시야각 특성을 얻을 수 있음을 보여 준다. 그러나, 이러한 구조를 안정화시키기 위해서는 매우 높은 선경사각을 유지하는 것이 필요하기 때문에, 높은 선경사각을 가지면서 사진식각공정에 적합한 배향막 재료를 찾는 것이 중요한 과제로 되고 있다. 수직배향의 4-D TN 구조를 갖는 액정 표시 장치를 위해서는 사방 SiOx 증착법을 사용할 수 있는데, 이 방법은 매우 복잡하여 대량 생산에 적용하기에는 어려움이 있다.

본 발명의 과제는 4-D VATN-LCD에 보상 필름을 사용함으로써 시야각을 넓힐 수 있는 액정 표시 장치를 제공하고, 이러한 액정 표시 장치에 사용되는 배향막의 형성 방법을 포함하는 액정 표시 장치의 제조 방법을 제공하고자 하는 데 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 액정 표시 장치는 마주 보고 있는 양쪽의 편광판, 편광판 중 어느 하나의 안쪽면에 부착되어 있는 보상 필름, 편광판 중 나머지 하나의 안쪽면과 보상 필름의 안쪽면에 부착되어 있는 한 쌍의 투명 기판, 두 투명 기판의 안쪽면에 각각 도포되어 있으며 각각의 투명 기판을 두 개의 미소 영역으로 나누는 수직 배향막, 수직 배향막 사이에 주입되어 있으며 전압이 인가되지 않을 때 수직 배향된 액정과 선경사각을 가지는 액정을 포함하고, 액정은 전압이 인가될 때 각각의 미소 영역에서 서로 다른 방향의 선경사각을 가진다.

여기서 보상 필름은 단축성 보상 필름 또는 이축성 보상 필름인 것이 바람직하다.

그리고 보상 필름은 음의 지연치(retardation)를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 보상 필름은 액정 물질의 복굴절에 의한 지연치와 보상 필름의 음의 지연치(retardation)의 차가 액정 물질의 복굴절에 의한 지연치의 40%를 넘지 않는 것이 바람직하다.

상기한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액정 표시 장치의 제조 방법은 마주하는 두 개의 투명 기판 상에 각각 수직 배향막을 형성하는 단계, 투명기판 상의 각 화소는 두 개의 미소 영역으로 나누어지며 두 개의 미소 영역 중 한개의 영역에만 선편광된 자외선을 1차 조사하는 단계, 1차 조사 방향과 방위각이 어긋난 방향에서 자외선을 2차 조사하는 단계, 각 투명 기판의 미소 영역의 경계선이 서로 90도의 각도를 이루도록 조합하는 단계를 포함하고, 화소에 전압이 인가될 때 두 미소 영역의 액정 분자의 선경사 방향이 어긋나도록 형성한다.

여기서 자외선의 2차 조사 방향은 1차 조사 방향과 180도의 각을 이루는 것이 바람직하다.

그러면, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예의 개략적인 구조를 나타낸 것이다. 수직 배향 4-D TN 액정 셀(20)을 가운데에 두고 셀의 한쪽 면에 보상 필름(30)이 부착되어 있고, 보상 필름(30)이 부착된 셀의 양쪽면에 전면 편광판(40)과 후면 편광판(10)이 부착되어 있다. 액정 셀(20)은 양쪽의 투명 기판(21)과 투명 기판(21)의 안쪽에 도포된 수직 배향막(22) 및 수직 배향막(22) 사이에 봉입된 액정 물질(23)을 포함한다. 전면 편광판(40)과 후면 편광판(10)은 편광판의 투과축이 서로 수직을 이루도록 부착되며, 보상 필름(30)은 액정 셀(20)과 전면 편광판(40) 사이 또는 액정 셀(20)과 후면 편광판(10) 사이의 어느 쪽에 부착되더라도 관계없다.

도 2에는 본 발명의 실시예에 따른 수직 배향 4-D TN의 단위 화소의 구조가 나타나 있다. 실선으로 표시된 화살표와 점선으로 표시된 화살표는 각각 위쪽 기판과 아래쪽 기판에서의 선경사의 방향을 표시한다.

아래쪽 기판은 세로 방향으로 두 영역으로 분리되어, 왼쪽 영역의 선경사 방향은 오른쪽에서 왼쪽을 향하고 있고, 오른쪽 영역의 선경사 방향은 왼쪽에서 오른쪽을 향하고 있다. 위쪽 기판은 가로 방향으로 두 영역으로 분리되어 위쪽 영역의 선경사 방향은 위쪽에서 아래쪽을 향하고 있고, 아래쪽 영역의 선경사 방향은 아래쪽에서 위쪽을 향하고 있다. 이처럼 두 개의 서로 다른 영역으로 분리된 두 개의 기판을 90도의 각도를 이루도록 조합함으로써 4개의 서로 다른 비틀림 방향을 갖는 영역으로 나뉘어진 액정 셀을 구성할 수 있게 된다.

또한 도면에서 영문자로 표시된 R과 L은 각각 전압이 인가되었을 때 각 영역의 비틀림 방향을 나타낸다. 도면상에서 오른쪽 위에 위치한 영역 1과 왼쪽 아래의 영역 3은 전압이 인가되었을 때 액정 분자들이 오른쪽으로 비틀리게 되고, 반대로 오른쪽 아래의 영역 4와 왼쪽 위의 영역 2의 액정 분자들은 왼쪽으로 비틀리게 된다.

카이랄 도펀트가 첨가되지 않은 액정의 경우 액정분자의 비틀림 방향은 선경사의 방향에 의해서만 정해진다. 여기서 사용되는 액정은 음의 유전 이방성을 갖는 액정으로, ZLi-2806이나 MJ9511-52와 같은 물질들이 이용될 수 있다.

전압이 인가되지 않은 상태(off-state)와 전압이 인가된 상태(on-state)에서 액정 분자들이 어떠한 형태를 취하게 되는지가 도 3과 도 4에 나타나 있다. 도 3과 도 4의 영역 1 내지 영역 4는 각각 도 2에서의 영역 1 내지 영역 4와 대응한다. 전압이 인가되지 않은 상태에서 각 영역의 액정 분자들은 수직으로 일어선 구조를 갖는다(도 3). 이 때, 후면 편광판을 통과한 빛은 그 편광이 영향을 받지 않고 액정층을 투과하므로 투과축이 후면 편광판과 90도를 이루는 전면 편광판을 통과할 수 없으므로 액정 표시 장치는 어두운 상태가 된다. 액정 셀에 전압이 인가되면, 액정 분자의 배열은 도 4에 도시한 바와 같이 비틀린 모양으로 바뀌게 된다. 그러면, 입사한 빛은 그 편광이 액정 분자의 비틀린 배열을 따라 회전하면서 액정층을 통과한다. 이 빛은 편광의 회전 정도에 따라 전면 편광판을 지나갈 수 있게 되고 이 때 액정 표시 장치는 밝은 상태가 된다.

도 2에서 알 수 있는 것처럼, 한 개의 화소는 두 개의 왼쪽으로 비틀린 영역과 두 개의 오른쪽으로 비틀린 영역으로 나누어진다. 도 3 및 도 4에서 보면, 영역 1에서는 상판의 선경사 방향이 지면에서 나오는 방향이고, 하판의 선경사 방향은 왼쪽에서 오른쪽이다. 영역 2에서는 상판의 선경사 방향은 영역 1과 동일하게 지면에서 나오는 방향이고, 하판은 오른쪽에서 왼쪽이다. 영역 3은 상판의 선경사 방향이 지면으로 들어가는 방향이고, 하판의 경우는 영역 2와 동일하게 오른쪽에서 왼쪽 방향이다. 영역 4는 상판은 지면으로 들어가는 방향, 하판은 왼쪽에서 오른쪽이다. 이러한 선경사의 방향을 갖는 기판 사이에서는 영역 1과 영역 3에서 오른쪽으로 액정 분자가 비틀리게 되고, 영역 2와 영역 4에서는 왼쪽 방향으로 액정 분자가 비틀리게 된다. 같은 비틀림 방향을 갖는 두 개의 영역은 하나의 영역이 다른 하나에 대해 180도 회전된 상태로 배치된다. 이렇게 함으로써 4개의 영역이 서로의 광학적 특성을 보상하게 되고 넓은 시야각과 계조 특성의 향상을 가져올 수 있다.

적당한 음의 지연치를 갖는 단축성 또는 이축성 보상 필름을 액정 표시 장치에 부착하게 되면 더욱 개선된 시야각 특성과 대비비를 얻을 수 있다. 특히, 편광판의 투과축과 45도를 이루는 방향에서 본 대비비와 계조 반전은 현저히 개선된다. 보상 필름의 음의 지연치는 각각의 경우에 따라 최적화되어야 하지만, 액정 물질의 복굴절에 의해서 발생하는 빛의 지연치와 거의 같은 값이 되는 것이 일반적으로 적당하고 보상 필름에 의한 지연치의 합과 액정 물질의 복굴절에 의한 지연치의 차가 액정 물질의 복굴절에 의한 지연치의 40%를 넘지 않는 것이 좋다.

선경사각이 서로 다른 영역을 얻기 위해서는 자외선 조사의 방법을 이용하는데, 이 과정이 도 5a 내지 5d에 나타나 있다.

먼저, 수직 배향막(52)을 투명 기판(51)에 회전코팅하고, 적당한 온도에서 경화한다(도 5a). 여기서 사용되는 수직배향막은 폴리이미드로 이의 구조가 도 6에 나타나 있다. 물론 이와 다른 배향막 재료가 사용될 수도 있다. 다음 배향막이 입혀진 기판에 화소의 1/2만 조사되도록 설계된 마스크(53)를 사용하여 선편광된 자외선을 기판 법선에 대해 45도 경사진 방향에서 조사한다(도 5b). 1차 조사가 끝나면 화소의 나머지 1/2 영역이 노출되는 마스크(54)를 사용하여 1차 조사 방향과 방위각이 180도 차이가 나는 방향에서 자외선을 다시 조사한다(도 5c). 이렇게 하면 도 5d와 같은 선경사각이 다른 두 개의 영역을 갖는 기판을 형성할 수 있게 된다. 이와 같이 형성된 두 개의 기판을 앞서 살펴 본 도 2와 같이 90도의 각도를 이루도록 조합하여 통상의 TN 셀과 동일하게 4-D TN 셀을 만들 수 있게 된다.

보상필름을 사용한 수직 배향 4-D TN 액정 표시 장치의 전기광학적 시뮬레이션 결과가 도 7 내지 도 9에 나타나 있다. 시뮬레이션에 사용된 기하학적 구조와 매개변수들은 다음과 같다.

표 1 광학적 시뮬레이션에 사용된 TN 셀의 매개변수

도 6은 보상 필름을 사용한 수직 배향 4-D TN 액정 표시 장치의 시야각 특성을 보여준다. 매우 균일한 시야각 특성과 높은 대비비를 갖고 있으며, 편광판의 투과축과 45도의 각도를 이루는 방향(45도, 135도)에서의 시야각 특성이 매우 개선되었음을 알 수 있다. 도 7은 수평 방향에서 본 보상 필름을 사용한 수직 배향 4-D TN 액정 표시 장치의 8 계조 표시 성능을 보여준다. 도 8은 편광판의 투과축과 45도 또는 135도를 이루는 방향에서 본 8계조 표시 성능을 나타낸 것이다. 그래프의 가로축은 시야각이고, 세로축은 투과율을 나타낸다. 도 7 내지 도 8에서 보는 바와 같이 (+-)60도 내부의 영역에서는 계조 반전은 일어나지 않는다.

본 발명의 실시예에 따른 수직 배향 액정 표시 장치는 노멀리 블랙 모드(normally black mode)를 취하도록 구성하는데, 이는 노멀리 화이트 모드(normally white mode)보다 대비비가 좋을 뿐 아니라 전압이 인가될 때 밝게 표시되므로 화소 분할을 할 경우 분할면에서 빛이 새는 것에 의해 대비비가 낮아지지 않는다는 장점이 있다. 또한 이 경우 누설광은 밝은 상태에서만 발생하고 어두운 상태에서는 생기지 않으므로 이를 막기 위한 블랙 매트릭스(BM ; black matrix)가 필요하지 않다. 세번째로, 수직 배향된 TN 액정 표시 장치의 주요한 약점인 편광판의 투과축으로부터 45도를 이루는 방향에서의 낮은 대비비의 문제를 보상 필름을 사용함으로써 해결할 수 있다. 네번째로, 광배향 기술을 이용하여 선경사각을 형성함으로써 먼지 입자나 정전기 등에 의한 배향막의 손상이 일어나지 않으며 사진 식각(photolithography) 공정도 필요하지 않다.

이와 같이 본 발명에서는 음의 유전 이방성을 갖는 액정과 수직 배향막을 사용하여 화소를 4분할하며, 보상 필름을 부착하는 방법을 이용하여 액정 표시 장치를 구성함으로써 시야각을 넓힐 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수직 배향 4영역 비틀린 네마틱 액정 표시 장치(TN-LCD)의 개략적인 구조를 나타낸 것이고,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수직 배향 4영역 TN-LCD의 각 미소 영역의 선경사 방향을 나타낸 것이고,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수직 배향 4영역 TN-LCD에 전압이 인가되지 않은 상태(off-state)의 액정 분자의 배열 상태를 나타낸 것이고,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수직 배향 4영역 TN-LCD에 전압이 인가된 상태(on-state)의 액정 분자의 배열 상태를 나타낸 것이고,

도 5a 내지 5d는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치용 기판의 제조 공정을 나타낸 것이고,

도 6은 본 발명의 실시예에서 사용되는 수직 배향제의 화학식을 나타낸 것이고,

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 보상 필름을 사용한 수직 배향 4영역 TN-LCD의 시야각 특성을 나타낸 것이고,

도 8 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 보상 필름을 사용한 수직 배향 4영역 TN-LCD의 3가지 각도에서의 8계조 표시 성능을 나타낸 그래프이다.

Claims (7)

1. 마주 보고 있는 양쪽의 편광판,

   상기 편광판 중 어느 하나의 안쪽면에 부착되어 있는 보상 필름,

   상기 편광판 중 나머지 하나의 안쪽면과 상기 보상 필름의 안쪽면에 부착되어 있는 한 쌍의 투명 기판,

   상기 두 투명 기판의 안쪽면에 각각 도포되어 있으며 상기 각각의 투명 기판을 두 개의 미소 영역으로 나누는 수직 배향막,

   상기 수직 배향막 사이에 주입되어 있으며 전압이 인가되지 않을 때 수직 배향된 액정과 선경사각을 가지는 액정을 포함하고,

   상기 액정은 전압이 인가될 때 상기 각각의 미소 영역에서 서로 다른 방향의 선경사각을 가지는 액정 표시 장치.
2. 제1항에서,

   상기 보상 필름은 단축성 보상 필름인 액정 표시 장치.
3. 제1항에서,

   상기 보상 필름은 이축성 보상 필름인 액정 표시 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,

   상기 보상 필름은 음의 지연치(retardation)를 갖는 액정 표시 장치.
5. 제4항에서,

   상기 보상 필름은 상기 액정 물질의 복굴절에 의한 지연치와 상기 보상 필름의 음의 지연치(retardation)의 차가 상기 액정 물질의 복굴절에 의한 지연치의 40%를 넘지 않는 액정 표시 장치.
6. 마주하는 두 개의 투명 기판 상에 각각 수직 배향막을 형성하는 단계,

   상기 투명 기판 상의 각 화소는 두 개의 미소 영역으로 나누어지며 상기 두개의 미소 영역 중 한 개의 영역에만 선편광된 자외선을 1차 조사하는 단계,

   상기 1차 조사 방향과 방위각이 어긋난 방향에서 자외선을 2차 조사하는 단계,

   상기 각 투명 기판의 미소 영역의 경계선이 서로 90도의 각도를 이루도록 조합하는 단계를 포함하고,

   상기 화소에 전압이 인가될 때 상기 두 미소 영역의 액정 분자의 선경사 방향이 어긋나도록 형성하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
7. 제6항에서,

   상기 자외선의 2차 조사 방향은 상기 1차 조사 방향과 180도의 각을 이루는 액정 표시 장치의 제조 방법.

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