KR100321255B1

KR100321255B1 - 고분자분산형액정표시소자의제조방법

Info

Publication number: KR100321255B1
Application number: KR1019950001708A
Authority: KR
Inventors: 노창호
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1995-01-28
Filing date: 1995-01-28
Publication date: 2002-06-20
Also published as: KR960029878A

Abstract

본 발명은 TFT 소자층과 블랙 매트릭스가 각각 있는 대향된 ITO(Indium Tin Oxide) 양전극층을 포함하는 두 매의 기판 사이에 액정과 광경화성수지 혼합물을 주입하고 자외선으로 경화시켜 고분자 분산형 액정표시소자를 제조함에 있어서, TFT소자층을 갖는 상부 ITO전극 기판의 상부에 하부면에 요철이 형성된 2 개 이상의 다면을 갖는 석영 블록을 위치시키고, 각 면으로부터 자외선을 조사하여 액정고분자수지 복합체를 형성케 함을 특징으로 하는 고분자 분산형 액정표시 소자의 제조방법을 제공하는 것으로, 본 발명에 의해 제조되는 액정표시소자는 액정고분자수지 복합체의 상분리 정도가 균일하고 안정하여 판넬의 장기 사용성등의 신뢰성 향상 및 콘트라스트의 향상 효과를 얻을 수 있다.

Description

고분자분산형 액정표시소자의 제조방법

본 발명은 고분자분산형 액정표시소자의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기적인 조작에 의해 광의 투과 및 차단을 조절하는 조광기능 및 장기 사용에 따른 신뢰성이 매우 우수하여 문자, 도형 및 동적화면의 표시가 가능한 고분자분산형 액정표시소자의 제조방법에 관계한다.

본 발명에 의해 제조되는 고분자분산형 액정표시소자는 빌딩의 창 또는 쇼우윈도우에서의 시야차단용 스크린 또는 조광용 커텐으로 유용하고, 그 위에 문자 또는 도형이 표시되고 빠른 응답시간내에 전기적으로 변화될 수 있는 광고판, 안내판, 장식전시판등과 같은 각종 디스플레이로 응용될 수 있다.

액정을 전자 탁상시계에 응용하면서 시작된 액정제품사업은 활발한 연구개발에 힘입어 급속도로 발전되어, 급기야는 1970년대말에 액정이 디스플레이에까지 응용되게 되었으며 TN(트위스티드 네마틱), STN(수퍼트위스티드 네마틱)등 단순 매트릭스 구동방식에서 점차 발달하여 고정세 화면을 제공하고자 최근에 활발히 개발되어지고 있는 TFT(Thin Film Transistor) 구동소자를 이용한 액티브 매트릭스 구동방식이 각광을 받고 있다. 고정세화, 낮은 구동전압, 자연색에 가까운 색상표현, 넓은 시야각등 인간의 눈으로 보아서 양질의 화면을 표현할 수 있는 디스플레이를 구현하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

현재 디스플레이 분야에서 주류를 이루고 있는 TN형(Twisted Nematic Liquid Crystal Display)이나 STN(Super Twisted Nematic Liquid Crystal Display)형의 액정표시소자는 저소비전력 및 저구동 전압등의 장점을 지니고 있어 전기전자 분야에서 표시소자로서 광범위하게 이용되고 있으나, 편광판을 사용함에 따라 광의 이용 효율이 적어 콘트라스트가 나쁘고, 표면 배향이 필요하여 화소 밀도가 높아지면 TFT(Thin Film Transistor)소자 주위의 배향처리가 어려워지게 되며, 시야각이 20°내외로 좁다. 따라서 편광을 이용하지 않고 광의 투과 산란 모드를 이용하여 디스플레이에 이용하려는 많은 노력들이 시도되어 왔다. 즉, 최근 고분자에 액정을 분산시킨 광산란 모드의 고분자분산형 액정표시소자(PDLCD : Polymer Dispersed Liquid Crystal Display)나 고분자망형 액정표시소자(PNLCD : Polymer Network Liquid Crystal Display)의 액정표시가 등장하게 되었다.

이러한 고분자분산형 액정표시소자(PDLCD : Polymer Dispersed Liquid Crystal Display)는 전압 인가시와 전압 비인가시의 액정과 고분자의 굴절률의 차이를 이용하는 원리로서, 보다 상세하게는 투명 고분자수지의 굴절율을 n_p, 액정의 상광 굴절율을 n_o, 이상광 굴절율을 n_e라고 할 때, 전계를 인가하지 않는 경우 액정분자는 무질서하게 되어 n_e와 n_p의 굴절율이 다르게 되어 입사광이 산란되므로 셀(Cell)은 불투명하게 나타나고, 전계를 인가하면 액정은 전계 방향으로 배열되므로 n_o와 n_p가 일치하게 되어 입사광이 투과되므로 셀(Cell)은 투명하게 나타난다. 이와 같이 고분자분산형 액정표시소자는 광의 산란 및 투과를 이용하는 원리에 의해 편광판을 사용하지 않기 때문에 종전의 액정표시소자보다 광의 이용효율이 높아 고휘도의 화상을 표현할 수 있고, 시야각이 우수하여 조광표시가 가능해진다.

이러한 고분자분산형 액정표시소자(PDLCD : Polymer Dispersed Liquid Crystal Display) 기술로서 가장 먼저 발표된 것은 제이엘 페가슨등의 액정구적을 마이크로 캡슐화하여 투명 고분자수지 사이에 기계적이고 물리적인 방법으로 분산시킨 NCAP(Nematic Curveliner Aligned Phase )(미국특허 4,435,047 호)이다. 이 방식은 젤라틴이나 아라비아 고무, 또는 폴리비닐알코올 수용액 중에서 액정을 고르게 분산시킨 후, 투명도전성 지지체상에 5-20㎛ 두께로 균일하게 코팅한 뒤, 물을 증발시켜 또 다른 투명도전성 지지체를 접착시켜 고분자액정 복합체를 제조하는 것이다. 이 밖에도 제이 도안등이 에폭시수지등의 고분자수지연속상에 액정을 분산시켜 경화시킨 방식(일본 특개소 61-502128 호)이 잘 알려져 있다.

한편 쿠마이 등은 일본 특개평 3-107819 호에서 모노머, 올리고머계의 자외선경화 고분자 구성요소를 사용하여 액정과의 혼합물로부터 스피노달 상분리방법에 의한 정밀한 모폴로지 조절에 의해 고분자수지 상에 액정이 균일하게 분산되어 있는 액정 고분자수지 복합체의 제조 방법을 소개하고 있다. 이와 같은 방식에 의해 수득된 액정고분자수지 복합체는 구동전압 및 콘트라스트 특성이 매우 양호한 것으로 알려져 있다. 이와는 달리 타카쯔 등(유럽특허 제 313,053 호)은 액정이 연속상을 이루며 자외선 경화수지로부터 형성된 고분자수지가 3차원 상의 그물상 구조를 갖는 구동전압이 낮고 응답속도가 빠른 액정소자를 제안하고 있다. 이와 같이 고분자액정복합체의 수준이 높아짐에 따라 액티브 매트릭스 표시소자 방식의 구동이 가능하게 되어 이를 상업화하기 위한 시도가 활발하게 이루어지고 있다.

종래의 액정/고분자 복합막의 표시소자는 제 3도에 도시된 바와 같이, 일방의 ITO 기판(1)에 백라이트(back light)에 의해 TFT 소자(3)의 오프전류(off current)가 증가되어 PDLCD의 콘트라스트가 저하되는 것을 방지하기 위해 화소간 차폐층을 이루는 블랙 매트릭스(2)를 설장하고 칼라화를 위해 칼라필터(6)를 설치하고, 블랙 매트릭스(2)에 대향하는 타방의 ITO기판(1') 내면에 능동회로부를 이루는 TFT소자층(3)을 적층한 후, 양 ITO기판(1, 1') 사이에 액정고분자수지복합체(4)를 주입하여 자외선(UV)에 의해 경화함으로써 제조된다.

상술한 액정/고분자 복합막의 표시소자를 판넬에 수직인 방향으로 자외선(UV)을 조사하는 기존의 자외선조사 방식에 의해 제조할 경우 칼라필터(6)측에서는 자외선 투과율이 적어 경화가 불가능하므로 TFT 방향에서 자외선을 조사해야 하는데, 이 경우에 TFT소자층(3) 및 블랙 매트릭스(2) 하부의 화소부분에는 자외선(UV)이 도달하지 않기 때문에 이 부분의 자외선경화수지가 미경화된 채 남는 문제점이 있다. 미경화된 부분의 액정, 자외선 경화수지 조성물은 시간의 경과에 따라 인근의 경화된 액정고분자수지복합체에 침투하여 전체적인 특성을 변화시킨다.

이에 따라 블랙 매트릭스 하부의 조성물을 경화시키는 방법들이 개발되었는바, 이러한 방법으로는 블랙 매트릭스 중간에 작은 구멍을 만드는 방법(일본 특개평 4-251220 호), 제 4도에 도시된 바와 같이 자외선을 경사진 방향으로부터 조사하는 방법(요시다 외, '93 EURODISPLAY 자료집, FRANCE, 1993)등이 알려져 있다.

그러나, 이러한 방법들 역시 자외선 조사 장지의 제작이 용이하지 않고 완전한 경화가 곤란한 단점을 여전히 갖는다. 즉, 상술한 방법들에 의해 액정고분자 복합막의 표시소자를 제조하면 자외선이 많이 닿는 화소의 중앙 부분에는 액정구적이 작게 형성되어 광산란이 크나 자외선의 양이 상대적으로 부족한 화소의 가장자리에는 액정구적이 크게(약 7∼10mm이상) 형성되어 빛의 산란이 급격히 감소된다. 이에 따라 표시소자의 구동시 콘트라스트의 국부적 차이와 불균일성이 초래되어 화질이 현격하게 저하되며 장시간 사용시 미경화 부분의 잔류물에 의해 순도가 저하되어물성이 열화되는 문제점이 발생한다.

본 발명의 목적은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, TFT 라인 하부의 재료까지 광이 입사되도록 하여 고분자의 미경화를 해소함으로써 액정/고분자 복합막의 상분리 정도가 균일하고 안정하여 판넬의 장기사용성등의 신뢰성 및 콘트라스트가 향상된 고분자분산형 액정표시소자의 제조방법을 제공하는 것이다.

상술한 목적은 2 매의 ITO(Indium Tin Oxide) 기판 사이에 주입되어 있는 액정, 자외선경화수지 혼합물을 자외선으로 경화시킬 때, TFT소자층이 패턴된 ITO 기판의 상부에 자외선의 광로를 변경하여 광을 발산시킬 수 있도록 하부면에 요철이 형성된 다면의 석영블록를 안착하여, 상부에서 다면으로 자외선을 조사할 수 있게 함으로써 ITO 기판의 상부로부터 다면의 자외선이 TFT소자의 하부에까지 효과적으로 전달되어 액정 셀 내부의 액정고분자수지 복합체 재료가 전체적으로 균일한 상분리형태를 얻게하는 본 발명에 의하여 달성된다.

즉 본 발명은 각각 TFT 소자층과 블랙 매트릭스를 포함하는 대향된 ITO(Indium Tin Oxide) 양전극층을 갖는 기판 사이에 액정과 광경화성수지 혼합물을 주입하고 자외선으로 경화시켜 고분자 분산형 액정표시소자를 제조함에 있어서, TFT소자층을 갖는 상부 ITO전극 기판의 상부에 하부면에 요철이 형성된 2 개 이상의 다면을 갖는 석영 블록을 위치시키고, 각 면으로부터 자외선을 조사하여 액정고분자수지 복합체를 형성케 함을 특징으로 하는, 고분자 분산형 액정표시 소자의 제조방법을 제공하는 것이다.

이하 본 발명을 제 1 도의 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서는 상부의 ITO 기판(1')의 위에 하부면에 요철이 형성된 다면의 석영블록(12)을 안치시켜 각 면으로부터 자외선을 조사하여 자외선 강도의 증가 및 보다 효율적인 자외선 조사 방향을 설정하게 함으로써 전체적으로 상분리 정도가 균일한 고분자액정 복합막(4)를 얻을 수 있게 된다. 이와 같은 고분자액정 복합막(4)은 콘트라스트 값이 높으며 장기 사용시의 경시 변화에 안정한 액정고분자수지 복합체의 액정표시소자를 제조할 수 있다.

본 발명에서 액정표시소자의 개구부 직경은 표시소자 판넬의 크기 및 용도에 따라 다르지만 통상적으로 50㎛에서 300㎛정도의 크기를 지니며, ITO기판(1')의 상부에는 2면 이상의 다면을 갖는 석영 블록(12)을 안치시켜 각 면으로부터 자외선(UV)을 조사하면 액정과 자외선 경화수지의 혼합용액이 주입되어진 액정 표시소자용 판넬 내부에 자외선(UV)이 TFT 소자(3)의 하부에까지 균일하게 조사되어 액정구적(droplet)의 상분리 정도가 매우 균일하고 장시간 사용에 따른 경시 변화에 안정한 액정고분자 수지 복합체의 액정 표시소자를 제조하게 된다.

본 발명에서 사용되는 액정에는 네마틱 액정, 스메틱 액정, 강유전성 액정, 콜레스테릭 액정등이 있고 단독 또는 혼합상태로 쓰여질 수 있다.

특히 네마틱 액정 중에 콜레스테릭 액정, 강유전성 액정/콜레스테릭 액정등의 혼합 액정이 도판트(dopant)로서 첨가되어 비틀림 력(twisting power)이 작용되어 포칼코닉 구조등 콜레스테릭 액정상으로 유도될 경우 액정 고분자수지 복합체의산란성이 강해질 수 있다. 액정 선정 시에는 정(+)의 유전이방성을 갖는 것이 좋으며 동작온도범위, 동작전압등 각종의 요구 특성을 충족하는 조성물을 쓸 필요가 있다.

본 발명에 사용되는 광경화성수지로서는 미경화 상태에서 액정 조성물과 상용성이 좋아 잘 혼합되고 경화후에는 액정과 상용성이 없어 액정/고분자의 2성분으로 완전히 상분리되는 광경화성수지가 이용된다. 이러한 광경화성수지로서는 그 자신이 광반응성을 지니거나, 광조사에 의해 생성된 물질에 의해 경화가 유기되는 일반적인 광경화성수지가 이용될 수 있으며 그중 광경화성 비닐계 수지가 적합하다.

광경화성수지가 액정과의 혼합물 상태에서 광중합되어 적절한 형태의 상분리 구조 및 접착성등의 안정성을 갖기 위해서는 고분자 성분은 광경화성 비닐기를 갖는 단량체와 올리고머 화합물의 복수의 혼합물로서 이용하는 것이 좋다.

고분자 조성물 중의 광경화성 비닐기를 갖는 단량체로서는 N-비닐피를리돈, 스타이렌 및 그 유도체등의 비닐 벤젠계 화합물, 비닐클로라이드등의 비닐 할로겐 화합물, 단일관능기(mono functional) 아크릴레이트 화합물 및 다관능기 아크릴레이트 화합물등이 이용된다. 이 때 아크릴레이트 화합물은 불소등의 할로겐족 화합물, 하이드록시기나 지방족기 혹은 방향족기등의 치환기를 갖는 탄화수소 화합물의 아크릴 혹은 메타아크릴레이트 화합물을 말한다. 이들 단량체 화합물들은 일반적으로 고점도인 올리고머 화합물의 점도를 저하시켜주는 희석제 및 액정과의 상용성을 향상시켜 주는 역할을 하며 액정의 종류 및 조성비에 따라 적절한 상용성을 나타내는 단량체 화합물을 단독으로 혹은 이성분계 이상의 혼합 상태로 사용할 수가 있다.

올리고머 화합물로서는 폴리에스테르아크릴레이트, 에폭시아크릴레이트, 폴리올아크릴레이트, 실리콘아크릴레이트등의 화합물이 이용되며 이관능기 이상의 다관능기 화합물들이다.

광경화수지를 중합시키기 위한 광경화 개시제는 벤조인에테르계, 벤조페논계, 아세토페논계등이 이용되어질 수 있으며 중합체 성분의 0.01 에서 5중량% 정도로 이용될 수 있다. 개시제 함량이 많을 경우 광조사 전에 광경화수지가 중합되어 버리므로 좋지 않다.

액정 재료는 전체 조광층 구성 재료의 10중량% 이상, 99중량% 이하의 비율, 바람직하기로는 30중량%에서 90중량% 이하의 조성비를 갖는 것이 액정고분자 수지 복합체의 제조에 유리하다. 액정재료의 배율이 너무 적으면 액정과 고분자수지의 연속상을 형성하기 곤란한 경향이 있다.

상기와 같은 조건으로 조성된 액정고분자 수지 복합체를 In₂O₃-SnO₂(ITO), SnO₂등의 투명전극이 처리된 기판 사이에 도입시켜 액정 표시소자를 구성하게 한다. 사용되는 기판의 재질은 유리나 투명한 폴리에스테르 필름과 같은 플라스틱 등이 이용될 수 있다. 두 매의 기판중의 편면 혹은 양면에 폴리이미드등의 액정배향막이 코팅되어질 수도 있다. 이 때 기판간의 간격은 5~50㎛ 정도의 직경을 갖는 스페이서(제 1 도에서는 그 도시를 생략함)에 의해 조정되며 전압인가, 비인가 시의 콘트라스트를 고려하면 7~15㎛로 조절하는 것이 적당하다.

이와 같이 액정고분자 수지조성물을 두 매의 기판 사이에 도입시킨 후, 제 1 도에 나타낸 바와 같은 방식으로 상부의 하부면에 요철이 형성된 다면석영 블럭(유리)(11)을 통하여 2 면 이상의 방향으로 부터 자외선(UV)을 조사시킨다. 자외선 경화시에는 기판의 표면을 일정한 세기를 갖는 자외선으로 균일하게 조사하는 것이 바람직하고, 자외선 조사는 1회로 실시하거나 여러차례로 나누어 실시할 수도 있다. 이 때 석영블럭(11)과 ITO 기판(1')사이의 계면에서의 표면 반사정도를 저감시키기 위해 세다오일(ceda oil)등의 오일류를 계면에 도포하여 사용하는 것이 바람직하다.

결국 기존의 액정고분자 수지 복합체의 액정표시소자는 제조시 자외선을 조사해도 TFT소자부분 및 블랙 매트릭스 사이 부분의 광경화수지가 미경화된 채로 남아 콘트라스트비의 저하 및 장기 사용에 따른 액정고분자수지 복합체의 물성변화등의 문제가 있었으나, 본 발명에 의해 제조되어진 액정표시소자는 액정고분자수지복합체의 상분리 정도가 균일하고 안정하여 판넬의 장기 사용성등의 신뢰성 향상 및 콘트라스트의 향상 효과를 얻을 수 있다.

이와 같은 우수한 특성으로 인해 기존의 액정표시 소자의 단점인 편광판에 의한 투과광 손실을 해결할 수 있는 액정표시 소자의 제조가 가능하며, 한편으로 배향처리 공정등의 제조공정이 단축되어 비용 절감 및 수율증대 효과를 기대할 수 있게 되었다.

이하 실시예에 의해 본 발명을 구체적으로 설명하나, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되지는 않는다.

실시예 1

한 쌍의 ITO부착 TFT 유리기판(1, 1')에 미쯔이도아쯔 사의 마이크로퍼얼 10㎛스페이서를 산포시켜 두께를 균일하게 하였다. 액정으로서 BDH사의 불소계 액정 TL-205 80중량%, 광경화성수지 조성물로서는 단량체 2-에틸헥실아크릴레이트, 우레탄아크릴레이트, 올리고머로서 사토머사제 CN-972, 다관능기단량체로서 트리메틸올프로판트리아크릴레이트(TMPTA)가 7/2/1의 비율로서 이루어진 화합물을 19.8중량%, 광중합 개시제로서 시바가이기사의 다로큐어-1173 0.2중량%를 균일하게 혼합하여 두 기판 사이에 상온에서 등방성 액체 상태로 주입하였다. 주입 후 상부기판(1')위에 세다(Cedar)오일을 바르고 제 2도에 도시된 바와 같은 삼각형 프리즘 형태의 석영블록(11)을 위치시킨 다음 다면에서 365nm의 자외선(UV) 램프를 3분간 조사하였다.

이와 같이 하여 수득된 액정셀은 편광 현미경에 의한 관찰시 개구부중의 액정고분자수지 복합체 재료의 상분리 정도 및 TFT소자층(3)과 블랙 매트릭스(2) 사이의 재료의 상분리 정도가 거의 차이가 없이 균일하게 형성 되었다. 이와 같은 셀은 전압유지율(Voltage Holding Ratio)이 95%이상에다 7V의 인가 전압하에서 80%의 광투과율, 스크린 위에 투사시 100이상의 높은 콘트라스트비를 나타내었으며 판넬 전체적으로 매우 균일한 특성을 나타내었다. 응답속도의 경우 액정의 라이징(rising) 시간 및 디케잉(decaying) 시간을 합한 값이 50ms전의 값을 나타내었다. 신뢰성 평가에 있어 80℃에서 1000시간 이상 경과하거나, -40℃~80℃ 영역의 열 이력 테스트(heat cycle test)에 있어서도 500회 반복 후에 100이상의 콘트라스트비 및 기타 구동특성을 유지하였다.

비교예 1

상기 실시예 1에 있어 자외선 조사시 석영 블록을 사용하지 않고 3분간 자외선을 조사한 것을 제외한 모든 조건을 실시예 1과 동일하게 하여 액정셀을 제조하였다.

수득된 액정셀은 콘트라스트 비가 10 이하로 떨어지는 등 현저한 물성의 열화가 발생하였다.

비교예 2

상기 실시예 1에 있어 자외선 조사시 제 4도에 도시된 하부면에 요철이 형성되지 않은 단순한 형태의 석영 블록을 사용하여 3분간 자외선을 조사한 것을 제외한 모든 조건을 실시예 1과 동일하게 하여 액정셀을 제조하였다.

수득된 액정셀은 콘트라스트 비가 80 이하로 저하되었으며 스크린상의 각 화소에 광의 누출현상이 발생하는등 물성의 저하가 발생하였다.

제 1도는 본 발명의 고분자분산형 액정표시소자의 제조원리도,

제 2도는 본 발명에 사용되는 석영블록의 구조도,

제 3도는 종래의 고분자분산형 액정표시소자의 제조원리도,

제 4도는 종래의 자외선을 경사진 방향으로 조사하는 고분자분산형 액정표시소자의 제조원리도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1,1' : ITO 기판 2 : 블랙 매트릭스

3 : TFT 4 : 고분자/액정복합막

5 : 세다오일 6 : 칼라필터

10 : 기재 11 : 석영블록

Claims

TFT 소자층과 블랙 매트릭스가 각각 있는 대향된 ITO(Indium Tin Oxide) 양전극층을 포함하는 두 매의 기판 사이에 액정과 광경화성수지 혼합물을 주입하고 자외선으로 경화시켜 고분자 분산형 액정표시소자를 제조함에 있어서, TFT소자층를 갖는 상부 ITO전극 기판의 상부에 하부면에 요철이 형성된 2 개 이상의 다면을 갖는 석영 블록을 위치시키고, 각 면으로부터 자외선을 조사하여 액정고분자수지 복합체를 형성케 함을 특징으로 하는 고분자 분산형 액정표시 소자의 제조방법.