액정표시소자 및 그 제조방법 document_id A220623010162

본 발명은 액정표시소자에 관한 것으로, 특히 광시야각/고휘도를 구현하고, 플리커 및 컬러쉬프트(color shift)를 개선할 수 있도록 한 액정표시소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 액정표시소자는 액정셀에 인가되는 전계를 제어하여 액정셀에 입사되는 광을 변조함으로써, 화상을 표시하는 것으로, 액정표시소자는 액정분자의 구동에 따라 TN모드(Twisted Nematic Mode)와 IPS모드(In Plane Switching Mode)로 구분될 수 있다. TN모드는 기판과 수평하게 배향된 액정분자가 액정패널(liquid crystal display panel)에 전압이 인가될 때 기판과 거의 수직방향을 기준으로하여 구동하기 때문에 시야각이 좁으며, IPS모드는 액정분자가 액정패널 전압이 인가될 때, 기판과 평행한 평면에서 구동하기 때문에 시야각을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 상기 IPS모드는 액정분자의 평면구동을 위해 동일 기판 상에 공통전극과 화소전극이 함께 존재하기 때문에, 개구율이 낮고 휘도가 떨어지는 단점이 있다. 한편, 상기 TN/IPS모드를 구현하는 액정표시소자에 이용되는 액정은 외부전계에 의해 유발분극이 발생된 후, 반응하기 때문에 외부전계에 대한 응답속도가 느린 단점이 있다. 따라서, 근래에는 강유전성 액정을 사용하여 광시야각 및 고휘도를 구현하고, 응답속도를 향상시킬 수 있는 강유전성 액정표시소자가 연구되고 있다. 강유전성 액정은 외부전계가 없어도 영구적인 분극, 즉 자발분극(Spontaneous Polarization)을 가지므로 마치 자석과 자석의 상호작용과 같이 외부전계가 인가되면 외부전계와 자발분극의 상호작용에 의해 빠르게 회전하게 되므로 다른모드의 액정에 비하여 응답속도가 수백배에서 수천배까지 빠르다. 또한, 강유전성 액정은 액정자체가 평면구동특성을 가지므로 특별한 전극구조나 보상필름의 필요없이 광시야각을 구현할 수 있다. 이러한 강유전성 액정에는 외부전계의 극성에 응답하여 반응하는 특성에 따라 브이-스위칭모드(V-Switching Mode)와 하프브이-스위칭모드(Half V-Switching Mode)로 나뉘어진다. 브이-스위칭모드는 온도가 낮아지면서 등방상(isotropic) → 스메틱A상(Smetic A Phase:SA) → 스메틱X*상(Smetic X* Phase:Sm X*) → 결정(Crystal)으로 강유전성 액정의 열역학적인 상전이가 이루어진다. 여기서, 등방상은 액정분자들이 방향성과 위치질서가 없는 상태이며, 스메틱A상은 액정분자들이 가상의 층으로 분리되며 그 가상의 층에 수직하게 정렬되고 위아래에서 대칭성을 가지게된다. 그리고, 스메틱X상은 스메틱A상과 결정상태의 중간상태이다. 스메틱X상으로 액정분자가 상전이된 브이-스위칭모드는 도 1에 도시된 바와 같이 정극성의 외부전압(+V)과 부극성의 외부전압(-V)에 반응하여 배열상태가 변화됨으로써 입사광의 광투과율(T)을 높이게된다. 그런데, 브이-스위칭모드는 고속응답특성과 광시야각특성이 있지만, 액정의 자발분극값이 크기 때문에 액정셀을 구동시키기 위한 유효전력이 크고, 재료의 특성상 전계배향시 인가한 전계방향과 자신의 자발분극방향이 전체적으로 불균일하여 단안정 상태(monostable state)가 어렵기 때문에 외부전계의 극성에 따라 휘도가 불균일한 문제가 있다. 이에 비하여, 하프브이-스위칭모드는 고속응답특성과 광시야각특성을 가질뿐 아니라 브이-스위칭모드의 액정의 자발분극값의 1/100 ~ 1/200 정도로 작기때문에 소비전력이 적고, 자발분극방향의 단안정 상태가 용이하므로 브이-스위칭모드에 비하여 균일한 휘도를 구현할 수 있다. 하프브이-스위칭모드는 도 2에 도시된 바와 같이, 방향성과 위치질서가 없는 등방상의 초기온도에서 평행 배향된 액정셀 내에 강유전성 액정이 주입되고, 이 등방상의 온도까지 낮아지게되면 강유전성 액정이 러빙방향에 대하여 평행하게 배향되는 네마틱상(N*)이 된다. 네마틱상(N*)에서 서서히 온도를 내리면서 액정셀 내부에 충분한 전계를 인가하면 네마틱상(N*)의 강유전성 액정은 스메틱C*상(Sm C*)으로 상전이하면서 강유전성 액정의 자발분극방향이 셀내부에 형성된 전계방향과 일치하게 배열된다. 그 결과, 액정셀내에서 강유전성 액정은 도 3에 도시된 바와 같이, 평행배향처리 되었을때 상판과 하판의 배향처리에 의해 의존하는 두가지 분자배열방향중에서 전계배향시 인가한 전계방향과 자신의 자발분극방향이 일치하게되며 그 전계방향에 의하여 전체적으로 균일한 배향상태(단안정 상태;monostable state)를 가지게 된다. 도 4는 하프브이-스위칭모드에서 전압에 따른 광투과율의 변화를 나타낸 것으로, 특히 부극성의 전압에 의해 전계배향된 경우의 광투과율 변화를 나타낸 것이다. 그래프에 도시된 바와 같이, 하프브이-스위칭모드의 강유전성 액정셀은 부극성의 전압에 의해 전계배향된 경우에 정극성의 전압(+V)이 인가된 경우에만 입사광의 편광방향을 90°변환함으로써 입사광을 투과시키고 부극성의 전압(-V)이 인가되면 입사광의 편광방향을 그대로 유지시켜 입사광을 거의 차단하게 된다. 이때, 광투과율은 정극성의 전압(+V)의 세기에 비례하여 증가되고, 그 정극성의 전압(+V)의 세기가 소정의 문턱치 이상으로 증가하면 최대값으로 유지된다. 한편, 그래프 상에 나타내지는 않았지만, 하프 스위칭모드의 강유전성 액정셀이 정극성의 전압(+V)에 의해 전계배향되면 부극성의 전압(-V)이 인가된 경우에만 입사광을 투과시키고 정극성의 전압(+V)이 인가되면 입사광을 차단하게 된다. 도 5은 부극성의 전계(-E)를 하프브이-스위칭모드의 강유전성 액정셀에 인가하여 전계배향할 때의 하프브이-스위칭모드의 강유전성 액정분자의 배열을 나타낸 것이고, 도 6a 및 도 6b는 부극성의 외부전계(-E) 및 정극성의 외부전계(+E)가 인가될때의 하프브이-스위칭모드의 강유전성 액정분자 배열의 변화를 나타낸 것이다. 먼저, 도 5에 도시된 바와 같이, 하프브이-스위칭모드의 강유전성 액정셀이 부극성의 외부전계(-E)에 의해 전계배향되면 강유전성 액정의 자발분극(PS)의 방향은 부극성의 외부전계(-E)와 일치하는 방향으로 균일하게 배향된다. 그렇게 전계배향된 후에, 도 6a에 도시된 바와 같이, 그 강유전성 액정셀에 부극성의 외부전계(-E)가 인가되거나 외부전계가 인가되지 않으면 액정분자들의 배열이 초기배열상태를 그대로 유지하여 입사광은 편광방향을 유지하여 상판의 판광자를 통과하지 못하게된다. 그러나, 도 6b에 도시된 바와 같이, 정극성의 외부전계(+E)가 인가되면 액정분자들의 배열이 바뀌면서도 그 자발분극(PS)의 방향이 정극성의 외부전계(+E)와 일치하게 된다. 이때 하판의 편광자를 경유하여 액정층에 입사된 입사광의 편광방향은 배열이 바뀐 액저분자들에 의해 상판의 편광자의 편광방향으로 변화되고 입사광은 상판의 편광자를 통하여 투과된다. 이와 같이, 종래 하프브이-스위칭모드의 강유전 액정셀은 전계배향시 인가되는 극성에 따라 선택적으로 광을 투과시키기 때문에, 외부전압의 극성이 바뀜에 따라 화면이 깜박거리는 플리커(fliker)현상이 발생하는 문제가 있다. 또한, 강유전성 액정표시소자는 IPS 및 TN모드의 장점만을 수용하여 광시야각과 고휘도를 구현할 수 있는 잇점이 있다. 그러나, 일반적으로, 액정표시소자의 셀갭은 3㎛ 이상을 유지해야하나, 강유전성 액정표시소자는 강유전성 액정층을 초기배향상태를 유지해주는 배향규제력이 약하기 때문에, 2㎛ 이상의 셀갭을 설계하는데 한계가 있다. 그리고, 종래 강유전성 액정표시소자는 IPS모드와 같이 액정분자의 평면구동에 의해서 광투과율을 제어하게 되는데, 이때, 액정분자의 단축방향에서 보는 화면은 노란색(yellow shift)을 띄게 되고, 장축방향에서 보는 화면은 파란색(blue shift)을 띄게 되는 컬러쉬프트(color shift) 현상이 발생하는 문제점이 있었다.