KR0138157B1 - 액정표시장치 및 액정광학장치 - Google Patents

액정표시장치 및 액정광학장치

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테쯔야 카네코
슈조 카네코
타케오 쯔카모토
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미타라이 하지메
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Abstract

본 발명의 액정광학장치는, 한쌍의 대향전극을 각각 가지는 복수개의 화소와, 상기 대향전극사이에 배치된 강유전체액정층으로 이루어진 것으로써, 특히 상기 적어도 하나의 대향전극은 30~300Å의 평균입자크기를 가지는 도전성 초미세입자를 함유하는 미세입자분산층과, 강유전체액정층과 미세입자분산층을 국부적으로 직접 접촉하도록 배치된 배향제어층으로 피복되어 있다.

Description

액정표시장치 및 액정 광학장치
본 발명은 텔리비젼 수상기, 컴퓨터 터미널, 비디오 파인더(view finder)등의 표시장치에 사용되는 액정표시장치에 관한 것으로서 계조표시특성이 개선된 액정표시장치에 관한 것이다.
종래의 액정표시장치의 일예로서, TN(비틀림네마틱)액정을 사용한 활성매트릭스 구동구성에 의거한 액정표시장치가 공지되어 있다. 이러한 종류의 장치에는, 대체적으로 박막트랜지스터(TFT)가 각각의 화소에 배치되어 매트릭스형상으로 되어 있다. 구동하기 위해, TFT의 게이트에 구동펄스를 인가하고 소스와 드레인이 도통하여 드레인쪽상의 커패시터에서 소스를 통해 인가된 화상신호를 축적함으로써, 화소에서의 TN액정분자는 축적된 화상신호에 따라 액정분자의 방향이 변화되어 광의 투과율이 변환된다. 결과적으로, 화상신호의 전압을 변조하여 회색스케일(계조)표시를 행한다.
그러나, TN액정을 사용한 이와같은 활성매트릭스구동구조의 장치는, 복잡한 구조를 각각 가지고 또한 많은 수의 생산공정이 필요한 TFT의 매트릭스배열이 요구되기 때문에, 높은 제작단가를 필요로 한다. 또한, 전 영역에 대해서 균일한 특성을 가지는 TFT를 구성하는 단결정실리콘 또는 비정질실리콘의 반도체박막을 형성하기 어렵다.
한편, 비용을 절감하여 생산할 수 있는 액체표시장치에 대해서는, TN액정을 사용한 수동매트릭스구동구조중 하나가 공지되어 있다. 그러나, 상기 종류의 액정표시장치(패널)에서는 선택적인 화소가 1화상(프레임)주사시에 유효전계를 수신하는 시간의 비율(튜티율)이, 패널을 구성하는 주사선의 수(N)가 증가함에 따라 1/N의 비율로 감소된다. 따라서, 크로스토크가 발생하고 높은 콘트라스트의 화상을 얻을 수 없다고 하는 어려움이 있다. 또한, 튜티율이 감소하기 때문에, 전압변조에 의한 각 화소의 계조변화를 제어하기 어렵다. 이와같은 방식으로, TN액정을 사용한 수동매트릭스구성의 액정표시장치를, 액정텔레비젼패턴과 같이 고밀도의 많은 선을 가지는 표시장치로 간주하기 어렵다.
한편, 종래의 TN액정의 기본적인 문제를 해결하는 장치로서 쌍안정성을 나타내는 강유전체 액정을 사용한 액정장치가 공지되어 있다. 강유전체의 액정소자의 액정분자는 이상적으로 쌍안정상태중 어느 하나에 대해서도 안정하고 중간위치를 추측할 수 없기 때문에, 강유전체의 액정소자는 계조표시에 부적합한 것으로 고려되었다. 상기 이유 때문에 강유전체의 액정장치를 사용한 계조표시는 화소분할구성에 의해 나타나는 바와같은 디지틀기술에 의존하엿다.
상기한 바와같은 디지틀기술을 이용한 계조표시방법에서는, 1프레임을 복수의 화소로 각각 구성된 복수의 서브프레임으로 분할하고, 1프레임의 기록시에 구동을 위해 서브프레임내에 있는 각각의 화소에 상이한 튜티율의 전계를 인가한다. 이 경우에는, 많은 수의 계조레벨을 얻기 위하여, 1개의 서브프레임이 증가된 수의 화소로 구성되어야 하기 때문에, 각 화소의 튜티율은, 표시화면이 대형화됨에 따라 극히 작게 된다. 따라서, 액정재료는 높은 콘트라스트를 얻기 위해 고속응답성이 나타나는 것이 요구된다. 또한, 1서브프레임은 계조, 표시를 위한 다수의 구동전극이 요구된다. 또한, 복잡한 작동회로가 요구된다. 상기 기술은, 고선명텔레비젼(HDTV)세트와 같은 다수의 계조레벨의 표시장치를 위한 계조표시방법을 채택하기 위해, 상당히 요구된다.
강유전체의 액정(FLC)을 사용한 다른 계조표시구성이 일본국특개소 59-193427호 공보, 61-166590호 공보, 62-131225호 공보, 64-77023호 공보등에 의해 개시되어 있다.
강유전체액정을 포함한 광학변조재료로 사용되는 계조표시의 적절한 방법중 하나가 가네꼬등이 제출한 미국특허 공보 제 4,796,980호의 “핵결정 및 변환을 개시하기 위한 화소내에 영역을 가진 강유전체액정의 광학변조장치”에 개시되어 있다. 상기 방법에서는, 반전영역과 비반전영역이 화소내에 형성되고, 화소의 투과율은 영역사이의 면적율에 의거하여 제어된다. 국부적인 반전영역을 형성하기 위하여, 상이한 단일축배향제어력을 가지는 배향막을 사용하거나 국부적으로 상이한 전계를 화소내에 인가한다.
그러나, 이와같은 방식으로 강유전체액정을 사용할 때에, 강유전체액정도 급준한 드레숄드특성을 가지고 있기 때문에, 고정밀도로 인가된 전압을 제어하여야 한다. 또한, 인가된 전압에 의존하는 화소내에서 국부적으로 발생하는 극성반전영역의 위치와 성장 방향이 임의로 되는 경향이 있고, 따라서 선형의 인가전압대 투과율특성을 얻기가 쉽지 않다.
또한, 강유전체액정의 반전드레숄드는 온도의존성 때문에, 소정의 계조(階調 gradation)를 어느 경우에도 요구하는 바와같이 재현할 수 없다. 또한, 표시화상은 선행의 표시화상에 의해 영향을 받고 또한 이러한 관점에서 개선된 재현성이 요구되는 것을 알았다.
상기한 기술문제의 관점으로부터, 본 발명의 목적은 종래의 것보다 많은 수의 계조레벨을 실현할 수 있는 단순한 구조를 가지는 액정표시장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 선형전압대 투과율특성과 안정한 계조표시를 용이하게 실현할 수 있는 액정표시장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 양호한 온도특성과 양호한 화상표시재현성을 가지는 액정표시장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 따르면, 복수의 대향전극을 각각 가지고 대향배치된 한쌍의 기판과, 대향하는 한쌍의 전극과 이 전극사이에 배치된 강유전체액정의 조합에 의해 각각 구성된 복수의 화소를 형성하도록 기판사이에 배치된 강유전체액정을 포함하는 액정표시장치에 있어서, 상기 각 화소에는 상이한 극성반전 드레숄드전압의 영역을 가지고, 상기 한쌍의 대향전극중 적어도 하나에는, 하강한 극성반전 드레숄드전압의 영역에 대응하는 고밀도의 불균일한 현상을 가지는 영역과, 상승한 극성반전 드레숄드전압의 영역에 대응하는 저밀도의 불균일한 현상을 가지는 영역을 포함하는 상이한 밀도의 불균일한 형상을 가지는 복수의 영역이 형성되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치를 제공한다.
본 발명의 다른측면에 따르면, 한쌍의 대향하는 전극과 이 대향전극사이에 배치된 강유전체액정을 포함하는 액정표시장치에 있어서, 상기 대향전극중 적어도 하나에는 선의 형태로 강유전체액정의 극성반전 드레숄드전압이 낮아지도록 하는 수단을 가지고, 또한 상기 대향전극 중 적어도 하나에는 하강한 극성반전 드레숄드전압의 선방향으로 극성반전영역의 형태로 변화를 일으키는 수단을 가진 것을 특징으로 하는 액정표시장치를 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 한쌍의 대향전극을 각각 가지는 복수개의 화소와, 쌍안정상태를 전개하도록 대향전극사이에 배치된 강유전체스메틱(smectic)액정과 대향전극사이에 해프톤(halftone)신호를 인가하는 해프톤신호인가수단을 구비하며,
상기 각화소에는 액정의 스메틱층에 대략 평행한 줄무늬 패턴으로 해프톤신호에 대응하여 극성반전영역을 전개하도록 국부적으로 상이한 반전 드레숄드전압이 형성되는 액정장치를 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 한쌍의 대향전극을 각각 가지는 복수의 화소와, 쌍안정상태를 전개하도록 대향전극사이에 배치된 강유전체스메틱액정을 포함한 액정 장치에 있어서,
상기 대향전극중 적어도 하나에는, 액정의 쌍안정상태에서 두개의 분자배향방향으로 예각을 형성하도록 하는 방향으로 연장되는 줄무늬형상의 오목볼록을 가지도록 형성되고, 가장 작은 예각의 절대치는 키럴스메틱상(chiral smectic phase)으로 강유전체액정의 원추각을 초과하지 않는것을 특징으로 하는 액정장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 한쌍의 대향전극을 가지는 복수의 화소와 대향전극사이에 배치된 강유전체액정층으로 이루어진 액정광학장치에 있어서, 적어도 하나의 대향전극은 30~300Å의 평균입자크기를 가지는 도전성초미세입자를 함유하는 미세입자분산층으로 피복하고, 또한 배향제어층은 강유전체액정층과 미세한 입자분자층의 국부적인 직접접촉을 하도록 배치된 것을 특징으로 하는 액정광학장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 한쌍의 대향전극을 각각 가지는 복수의 화소와 대향전극사이에 배치된 강유전체액정층으로 이루어진 액정광학장치에 있어서, 적어도 하나의 대향전극에는 30~300Å의 평균단차를 형성하는 미세한 오목볼록층으로 피복되고, 오목볼록형성수단은, 미세한 오목볼록형상의 단차보다 큰 단차를 가지고 또한 강유전체액정층의 평균 두께보다 더 큰 피치로 배치된 오목볼록형상을 형성하는 수단이 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 액정광학장치를 제공한다.
본 발명의 상기 목적과 기타목적, 특징 및 이점은, 첨부된 도면에 관련된 본 발명이 바람직한 실시예에 대한 이하 설명을 고려함으로써, 한층 더 명확하게 된다.
도 1은 본 발명에 의한 액정장치의 개략적인 단면도.
도 2(a)~도 2(d)는 본 발명에 의한 액정장치의 화소의 개략적인 평면도.
도 3은 본 발명에 의한 액체장치의 화소의 다른 예의 개략적인 평면도.
도 4는 본 발명에 의한 인가전압대 투과율특성을 나타내는 그래프
도 4(A)와, 도 5(B)는 액정장치의 영역형성의 상태를 도시한 액정장치의 개략적인 평면도와 단면도.
도 6(a)~도 6(d)는 영역성장의 상태를 나타내는 액정장치의 개략적인 평면도.
도 7은 1차원적 성장영역과 2차원적 성장영역의 개략적인 설명도.
도 8(A)와 도 8(B)는 자유에너지변환을 도시한 그래프.
도 9(a)와 도 9(b)는 영역의 시간에 대한 변화를 나타내는 개략적인 도면.
도 10은 1차원적 영역과 2차원적 영역의 인가전압대투과율 특성을 도시한 그래프.
도 11은 본 발명의 실시예에 의한 액정장치의 표시상태를 도시한 개략적인 평면도.
도 12는 액정장치의 표시상태를 도시한 개략적인 평면도.
도 13(a), 도 13(b), 도 13(c)는 본 발명의 실시예에 의한 액정장치를 도시한 개략적인 도면.
도 14(a)~도 14(d)는 액정장치의 표시상태를 도시한 개략적인 평면도.
도 15(A)와 도 15(B)는 액정표시장치의 영역성장을 도시한 개략적인 도면.
도 16은 본 발명의 실시예에 의한 액정장치의 액정분자의 포텐셜도.
도 17은 본 발명에서 사용되는 액정장치의 반전드레숄드전압 및 돌출한 줄무늬피치사이의 보정을 도시한 그래프.
도 18(A)~도 18(B)는 본 발명에 의한 액정의 개략적인 단면도와 부분확대도.
도 19는 액정장치의 등가회로도.
도 20(a)와 도 20(b)는 액정표시장치의 러빙방향의 개략적인 도면.
도 21 내지 도 23은 액정장치의 인가전압대 투과율특성을 도시한 그래프.
도 24(a)와 도 24(b)는 본 발명의 실시예에 의한 액정장치를 나타내는 개략적인 도면.
도 25는 본 발명의 제1실시예의 아일랜드(island)패턴을 나타내는 평면도.
도 26은 도 25의 AA-AA' 단면의 단면도.
도 27(a)와 도 27(b)는 액정장치의 러빙방향을 도시한 도면.
도 28은 액정장치에 인가되는 구동전압의 파형도.
도 29는 본 발명의 제 1실시예에 의한 상이한 인가전압에 의존하는 여러 종류의 반전영역을 도시한 도면.
도 30은 제 1실시예의 인가전압대 투과율특성을 도시한 그래프.
도 31은 본 발명의 제 2실시예에서 채택된 아일랜드패턴의 단면도.
도 32는 본 발명의 제 3실시예에서 사용된 줄무늬 패턴의 설명도.
도 33은 도 32의 B-B' 단면의 단면도.
도 34는 상이한 전압을 인가하여 형성된 영역을 나타내는 화소의 도면.
도 35는 본 발명의 제 4실시예에 의한 화소의 개략적인 도면.
도 36은 제 5실시예에 사용된 화소패턴의 도면.
도 37은 도 36의 AB-AB' 단면의 단면도.
도 38은 제 5실시예에서 관측된 극성반전영역의 도면.
도 39는 제 6실시예에서 사용된 화소패턴의 도면.
도 40은 도 39의 BB-BB' 단면의 단면도.
도 41은 제 6실시예에서 관측된 극성반전영역의 도면
도 42는 제 7실시예의 화소의 단면도.
도 43은 제 7실시예의 화소의 평면도.
도 44는 제 7실시예에서의 관측된 극성반전영역의 도면.
도 45는 제 8실시예의 화소의 단면도.
도 46은 제 9실시예의 액정표시장치에 사용되는 줄무늬 패턴의 개략적인 평면도.
도 47은 도 46의 C-C' 단면의 단면도.
도 48은 러빙방향의 개략적인 도면.
도 49는 제 9실시예의 상이한 전압에서의 반전영역의 개략적인 도면.
도 50은 제 11실시예의 액정표시장치에 사용된 줄무늬 패턴의 개략적인 평면도.
도 51은 제 11실시예의 상이한 전압에서의 반전영역의 개략적인 도면.
도 52는 인가전압대 투과율특성을 도시한 그래프.
도 53은 제 13실시예의 액정표시장치에 사용된 줄무늬 패턴의 개략적인 평면도.
도 54는 제 13실시예의 상이한 전압에서의 반전영역의 개략적인 도면.
도 55는 제 13실시예의 상이한 전압에서의 반전영역의 다른 예의 개략적인 도면.
도 56은 액정표시장치의 셀구조를 도시한 1세트의 개략적인 도면.
도 57은 인가전압대 투과율특성곡선의 다른예를 도시한 그래프.
도 58은 액체표시장치를 포함한 표시장치의 블록도(패널).
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1, 1201, 1202, 1701 : 화소3a, 3b : 미세입자분산층
4a, 4b, 13a, 14a, 1102, 1604, 1607, 1904 : 배향층
7, 21, 1101, 1203, 1204, 1303, 1702, 1903, 1916 : 돌기
10a, 10b : 전극판
11, 12, 1104, 1301 : 기판
13, 14, 1103, 1302, 1602, 1606, 1902, 1906, 1907 : 전극
15 : 액정분자축
22 : 흑색영역
23 : 백색영역
1601, 1901 : 상부기판
1605, 1905 : 하부기판
1802 : 클록펄스발생기
1803 : 동기화회로
1804 : 시프트레지스터
1805 : 주사신호파형발생기
1807 : 프레임메모리
1808 : 데이터신호발생기
본 발명의 적절한 실시예에 따르면, 미세반전영역은 단위화소내의 영역에 의거하여 형성되고 회색스케일(gray-scale) 또는 중간계조레벨은 반전영역의 면적을 제어함으로써 표시된다.
보다 상세하게는, 본 발명의 제 1실시예에 따르면, 복수의 대향전극을 각각 가지는 한쌍의 대향배치된 기판과, 한쌍의 대향전극과 이 대향전극사이에 배치된 강유전체액정의 조합에 의해 각각 구성된 복수의 화소를 형성하도록 기판사이에 배치된 강유전체액정을 포함하는 액정표시장치에 있어서,
각 화소는 상이한 극성반전 드레숄드전압의 영역을 형성하고, 한개 이상의 한쌍의 대향전극은, 하강한 극성반전 드레숄드전압의 영역에 대응하는 고밀도의 불균일한 형상을 가지는 영역과, 상승한 극성반전 드레숄드전압의 영역에 대응하는 저밀도의 불균일한 형상을 가지는 영역을 포함하는 상이한 밀도로 불균일한 형상을 가지는 복수의 영역을 형성하는 액정표시장치를 제공한다.
본 발명에서는, 상기한 불균일한 형상을 양기판에 형성하는 것이 바람직하고 불균일한 형상(패턴)은 돌출한 아일랜드(island) 또는 돌출한 줄무늬로 되는 것이 바람직하고 이에 제한되지 않는다. 상기 불균일한 형상이 투명막전극에 직접 형성되거나 투명전극위에 형성된 도체 또는 절연체에 형성될 수 있다. 각각의 불균일한 형상은 5~1000㎚의 높이를 가지는 것이 바람직하고, 50~300㎚의 높이를 가지는 것은 더욱 바람직하다. 각각의 화소는 고농도의 불균일한 형상을 가지는 영역과 저농도의 불균일한 형상을 가지는 영역을 가진다. 불균일한 형상(돌기 또는 홈)은 서로 2~1000㎛의 간격으로 떨어진 것이 바람직하고, 5~100㎛인 것은 더욱 바람직하다.
본 발명에서는 고밀도와 저밀도의 불균일한 형상을 가지는 상기한 영역은 고밀도와 저밀도반전 드레숄드전압을 가지는 영역에 각각 대응한다.
도 1 내지 도 4를 참조하면서 계조표시의 이론에 대하여 이하 설명한다.
도1은 투명막 전극(13), (14)으로 각각 피복된 유리등의 한쌍의 기판(11), (12)과, 폴리이미드등의 배향막(13a), (14a)과, 화살표(15)로 나타낸 축을 가진 분자를 포함하는 기판사이에 배치된 강유전체액정을 가지는 액정표시장치의 개략적인 단면도이다. 투명층(13), (14)이 불균일하게 형성된 경우, 액정분자축(15)은 불균일한 형상의 에지(edge)에서 불규칙하게 된다. 즉, 상기 에지(접선의 원에 의해 포위되어 있는 영역)에서 분자축(15)은 기판의 표면에 대해서 큰 각도로 경사지게되어 자발적인 편광과 전계사이에 상호작용이 증가하게 된다. 특히, 상기 현상은, 에지형상이 예민하게 형성된 경우에 주목할만하게 관찰된다.
도 2(a) 내지 도 2(d)는 액정장치의 개략적인 평면도로서, 상이한 피치(간격)으로 일정한 크기의 아일랜드형상의 돌기를 가지는 투명막 전극을 포함하는 셀 내에서 영역 반전상태를 도시한다. 상기 피치는 도 2(a)로 부터 도 2(c)까지 점차적으로 증가하고, 도 2(d)는 돌기가 없는 경우를 도시한다. 모든 경우에, 셀도 초기에 흑색 영역(22)으로 점유하는 것으로 가정한다. 상기 4종류의 셀에 동일한 전압을 공급할 때에, 각각의 셀은, 면적이 (a)(b)(c)(d)의 순으로 되는 반전 영역(23)을 형성한다. 또한, 셀(a)~(c)에서는, 반전영역이 돌기에 대응하는 위치에 형성되지만, 셀(d)에서는, 반전영역(23)이 임의로 형성된다. 도 2(a)~도 2(d)로 부터 불균일한 형상을 가지는 표면 변형은 변형된 부분에서 하강한 드레숄드전압을 형성하고, 또한 높은 밀도의 변형을 가지는 영역에서는, 드레숄드전압이 돌기에서 뿐만아니라 돌기사이의 중앙부분에서도 하강한 것으로 이해된다. 이것은, 드레숄드전압이 낮아져서 돌기에서 보다 작은 셀갭에 의해 유효전압을 증가시킬 뿐만아니라 변형부분의 근처에서 액정의 동적 특성을 변화시킨 것을 의미한다. 따라서, 상기와 같이 도시된 돌기 뿐만아니라 홈에서 상기의 불균일한 변형을 얻을 수 있다. 이와 같은 방식으로, 투명막전극에 불균일한 패턴을 형성함으로써, 반전영역의 위치를 제어하는 것이 가능하게 되고, 불균일형상의 밀도를 제어함으로써, 전압대 투과율 특성을 변경시킬 수 있다.
도 2에 도시된 셀의 변동에 따라서, 도 3은 즉시 반전의 상태에 따라 국부적으로 상이한 밀도로 아일랜드형의 돌기(21)가 배치되는 단위화소를 도시한다.
보다 상세하게는, 도 3에 도시된 화소에서, 좌상영역에서 보다 고밀도로 돌기를 형성하고, 우하영역에서 보다 저밀도로 돌기를 형성하였다.
도 4는 Vth. aVth. bVth. cVth. d를 만족하는 드레숄드전압(Vth. a), (Vth. b), (Vth. c), (Vth. d)과 Vs. aVs. bVs. cVs. d를 만족하는 포화전압(Vs. a), (Vs. b), (Vs. c), (Vs. d)을 각각 나타내는, 도 2의 4개의 셀(a)~(d)에 대응하는 4개의 점선곡선(LA), (LB), (LC), (LD)으로 표시된 전압 대투과율곡선을 도시한다. 여기에서, 드레숄드전압차(예를들면 Vth. b-Vth. a)는 이에 대응하는 포화전압차(예를들면, Vs. b-Vs. a)보다 크다. 따라서, 계조표시 특성이 계수 r=포화전압/드레숄드전압(Vs/Vth), 예를 들면 ra=Vs. a/Vth. a, rb=Vs. b/Vth. b, rc=Vs. c/Vth. c, rd=Vs. d/Vth. d등으로 각각 나타내면, 도 2의 셀(a)(d)에 대해서 rarbrcrd의 관계가 유지된다. 따라서, 1화소가 도 3에 도시된 바와 같이 국부적으로 상이한 밀도로 배치된 불균일한 형상을 형성하면, 반전영역의 위치를 제어할 수 있을 뿐만아니라 도 4의 실선으로 나타난 소정의 r-특성을 형성할 수도 있다. 또한, 예를 들면, (Vth. d-Vth. c)(Vth. c-Vth. b)(Vth. b-Vth. a)의 관계를 유지하기 때문에, 드레숄드전압의 보다 큰 변동을 보다 높은 불균일한 형상의 밀도영역에서 달성하고, 소정의 계조 특성을 1화소내에 있는 상이한 불균한 형상의 밀도를 가지는 영역을 형성함으로써 소영역내에서 달성할 수 있고, 따라서 1화소의 영역을 감소시킨다. 100㎲이하의 기록펄스, 바람직하게는 40㎲이하의 기록펄스를 인가할 때에 특히 드레숄드전압변동이 현저하게 발생하고, 따라서 주사선의 수를 증가하는 경우에도 충분한 계조특성을 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 대하여 이하 설명한다. 본 실시예에서는, 전압대 투과율특성(r-특성)과 그 재현성을 개선하도록 영역의 성장을 제어한다. 특히, 반전영역은 특정의 방향으로 바람직하게 확대되도록 설계되어 있다.
도 5(A)와 도 5(B)는 평면의 임의 방향으로 연장된 영역의 상태를 도시한 액정셀의 평면도와 단면도(도 5(A)의 A-A' 단면)이다. 도면에서, 셀은 예를 들면 폴리이미드의 투명 도전층과 배향층(13a), (14a) 대향 전극(13), (14)을 각각 형성한 한쌍의 유리판(11), (12)을 포함한다. 광학적으로 흑색영역(22)은 도 5(B)의 백색 화살표 방향으로 상부방향의 자발적인 편광을 가지는 액정분자로 형성되고, 공학적으로 백색영역(23)은 도 5(B)의 흑색 화살표 방향으로 하부방향의 자발적인 편광을 가지는 액정분자로 형성된다.
도 5(B)에 도시된 바와 같이, 백색 또는 흑색영역은 기판(11), (12)에 수직방향으로 거의 균일하게 되고, 상부방향으로 자발적인 편광을 가지는 분자수에 대한 하부방향으로 자발적인 편광을 가지는 분자수 사이의 비율(광학적으로, 화소를 통한 전투과율)은 백색영역과 흑색영역사이의 2차원적인 면적비율에 대응한다.
도 6(a)~도 6(d)는 셀이 계속해서 한 방향으로 전압이 인가될 때에 4점의 시간(t=Δt-4Δt)에서 셀의 4개의 투영을 나타낸다.
제6도에 도시한 바와 같이, 백색(또는 흑색)영역은, 외부전압이 계속해서 인가되는 동안, 성장(수축)한다. 따라서, 인가전압의 양 또는 주기를 제어함으로써, 1화소내에서 백색 영역/흑색 영역의 면적율을 제어할 수 있고, 따라서 계조표시를 행할 수 있다.
또한, 영역성장(수축)의 출현에 의해 2차원적인 형상변화 또는 1차원적인 형상변화를 수반하는지를 크게 변동한다.
도 7은 1차원영역의 변화와 2차원영역변화를 개략적으로 도시한다.
직선방향의 경우를 참조하면서 설명하면, 1차원영역의 변화는, 폭(D)이 길이(L)만큼 현저하게 증가하지 않는 동안, 길이(L)의 성장/수축을 주로하여 또는 이것만으로 발생되는 형상변화이다. 한편, 2차원영역변화는 제7도에 표시된 R의 변화에 의해 나타나는 형상변화이다.
이제부터, 전압인가 상태에서 각 영역에 의해 점유된 자유에너지(G)를 고려한다. 경계 벽에서 영역의 탄성에너지가 경계벽의 면적에 비례하고, 전기 에너지는 영역의 체적에 비례하고, α, β, k1, r' 및 r를 가지는 다음 방정식은
G＝αL-βL＝k1×L(1차원)
G＝α'R-rR2 (2차원)
으로 부여된다.
도 8(A)와 도 8(B)는 자유에너지 변환을 도시한 그래프이다. 도 8(A)로 부터 알 수 있는 바와같이, 2차원 영역변환에 따르면, 한계값(R0)보다 작은 반경을 가지는 영역은 계속적인 전압인가 상태에서 소멸된다.
또한, 저전압인가 상태(a)와 고전압인가 상태(b)하에서 1차원영역변화와 2차원영역변화를 모두 도시한 도 7에서, 1차원 영역의 수는 초기상태부터 안정상태까지, 저전압인가와 고전압인가 상태에서 모드, 실질적으로 변화하지 않는다. 그러나, 2차원적인 단일영역에 대해서는, 특히 저전압인가의 초기상태에 나타나는 소영역이, 전압이 계속인가된 상태에서 소멸된다. 이와 같은 방식으로, 2차원적인 영역에 드레숄드전압부근의 전압을 인가하는 경우, 투과율은 용이하게 변화하지 않지만, 제10도의 점선으로 나타난 바와 같은 전압대 투과율특성을 형성한다. 상기 특성은 1차원적인 영역에 비해 계조표시에 대해 바람직하지 않다.
상기로부터 강유전체액정을 사용하여 계조표시를 행하기 위하여, 2차원 변화영역보다 1차원 변화영역을 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명의 본실시예에 따르면, 1차원 변화영역은 계조표시를 행하도록 제어된다.
상기 목적을 위하여, 강유전체액정의 극성반전 드레숄드전압은, 선을 따라서 극성반전을 이용할 수 있도록 선의 형태로 감소되고, 따라서 상기한 바와 같이 1차원 영역변화를 개선한다.
선의 형태로 강자성체액정의 극성반전 드레숄드전압을 낮추도록 하는 수단은, 예를 들면 직선으로 배치된 아일랜드형상의 오목볼록 또는 병렬로 배치된 줄무늬형상의 오목볼록을 포함한다.
이와 같이 형성된 불균일한 형상은 특히 모퉁이의 근처에서 강유전체액정의 배향혼란을 일으키도록 기능하여 그 부분이 불안정하고, 따라서 드레숄드전압이 감소된다. 아일랜드형의 불균일한 형상의 경우에는, 불균일한 형상사이의 근접성에 의거하여 상기한 배향의 혼란부분이 불연속적으로 나타나고, 따라서 낮은 드레숄드전압의 선을 형성한다. 한편, 줄무늬의 불균일한 형상의 경우에는, 낮은 드레숄드전압이 줄무늬의 불균일한 형상을 따라서 형성된다.
각각의 아일랜드형상 또는 줄무늬 형상의 오목볼록은 50~10000Å의 높이를 가지는 것이 바람직하고, 500~3000Å은 더욱 바람직하고, 인접한 불균일한 형상은 서로 1~50㎛의 간격으로 떨어져 있는 것이 바람직하다. 아일랜드 형상의 오목볼록은 예를 들면 측면길이 또는 직경이 1~50㎛인 사각형상, 원 또는 기타형상을 가지는 것이 바람직하다. 줄무늬 형상의 오목볼록은 1~50㎛의 폭을 가지는 것이 바람직하다.
한편, 낮은 드레숄드의 라인방향으로 극성반전영역의 형상의 변화시키는 수단은 라인의 형태로 극성반전 드레숄드전압을 낮추는 상기수단과 조합하여 1차원변화를 일으키도록 기능하고, 예를 들면 다음 사항을 포함한다.
우선, 상기 수단은 라인 또는 감소된 드레숄드전압의 라인 따라서 아일랜드형상 또는 줄무늬 형상의 오목볼록을 포함한다. 이 경우에, 감소된 드레숄드전압의 라인의 방향으로 바람직하게 전압을 인가할 수 있고, 따라서 줄무늬형상의 영역변환을 전개한다.
아일랜드형상 또는 줄무늬형상의 오목볼록은 일반적으로 50~10000Å의 높이를 가지고, 바람직하게는 500~10000Å의 높이를 가진다.
다른 조치로서, 감소된 드레숄드전압의 선을 따라서 강유전체액정에 인가된 전압의 경도를 서서히 증가하거나 감소하여 형성하는 것이 바람직하다. 대향전극에 대해 상기 조치를 행하면, 보다 높은 전기영역으로부터 감소된 드레숄드전압의 선을 따라서 보다 낮은 전기영역으로 극성반전영역을 서서히 연장할 수 있다. 이와 같은 조치로 채택된 대향전극의 일예는, 감소된 드레숄드전압의 선을 따라서 상기한 공간, 예를들면 소에서 밀로 또는 밀에서 소로 배치된 아일랜드형상 또는 줄무늬 형상의 오목볼록을 포함할 수 있다. 상기 대향전극의 다른예는, 감소된 드레숄드전압의 선을 따라서 경사를 가지는 것 또는 감소된 드레숄드전압의 선을 따라서 바이어스전압을 인가하는 수단을 갖춘것이 있다.
상기 아일랜드형상 또는 줄무늬형상의 오목볼록을 가지는 대향전극은 보다 높은 전계인가 영역을 고밀도의 불균일한 형상으로 형성하고, 보다 낮은 전계인가영역을 저밀도의 불균일한 형상으로 형성한다. 또한, 경사를 가지는 대향전극은 보다 높은 돌기를 형성한 부분에 보다 높은 전계인가 영역을 형성하고, (예를 들면, 역전극으로 작은 공간을 형성한 부분), 또한 보다 낮거나 오목한 부분을 형성하는 부분에서 보다 낮은 전계인가영역을 형성한다(예를 들면, 역전압으로 큰 공간을 형성한 부분). 또한, 바이어스 전압인가수단을 갖춘 대향전극은 바이어스 전압을 인가하는 방향에 의존하느 강유전체액정에 인가된 전계강도를 서서히 증가하거나 감소하도록 한다.
본 발명의 또다른 실시예를 이하 설명한다. 본 실시예에서는, 양호한 재현성을 가지는 화상표시를, 액정재료의 배열특성을 개선함으로써, 실현할 수 있다.
쌍안정상태를 전개하도록 한쌍의 대향전극과 이 대향전극사이에 배치된 강유전체스메틱액정으로 이루어진 본 실시예에 따른 액정표시장치를 사용하고, 또한 강유전체액정의 스메틱층에 대략 평행한 줄무늬패턴으로 대향전극사이에 인가된 해프톤에 대응하는 극성반전영역을 전개함으로써, 해프톤표시(계조표시)를 행한다.
보다 상세하게는, 본 실시예에 따른 액정표시장치는, 쌍안정상태를 전개하도록 한쌍의 대향전극과 이 대향전극사이에 배치된 강유전체 스메틱액정을 각각 포함하는 복수의 화소를 포함하고,
액정표시장치는 대향전극사이에 해프톤신호를 인가하는 해프톤신호인가수단을 갖추고, 각 화소는 액정의 스메틱층에 대략 평행한 스트라이프패턴으로 해프톤신호에 대응하는 극성반전영역을 전개하도록, 국부적으로 상이한 반전 드레숄드전압을 형성한다.
보다 바람직하게는, 1개이상의 전극은, 예각의 절대치에 대해 가장 작은 각이 키럴스메틱상으로 강유전체액정의 원추각으로 설정되도록 액정의 쌍안정상태에서 2개의 분자의 배향으로 예각을 형성하는 줄무늬형상의 불균일한 패턴을 형성한다.
본 실시예에 따르면, 영역의 크기와 밀도는 인가전압에 대해 양호하게 응답하고 양호한 재현성을 가지도록 하고, 따라서 선형의 전압대투과율 특성을 용이하고 안정하게 얻을 수 있으므로, 우수한 계조표시를 할 수 있다.
액정배열상태의 설정과 불균일한 패턴의 형성의 신뢰할 수 있는 기술의 조합에만 거의 의존함으로써 인가전압에 양호하게 응답하는 영역을 형성할 수 있고, 따라서 양호한 제어성을 가지는 애널로그계조표시를 얻을 수 있다.
도 11은 본 실시예에 의한 액정표시장치를 도시한 개략도이다.
보다 상세하게는, 초기상태로 양안정상태중 어느 한 상태에서 액정분자를 포함하는 영역(흑색영역)(22)과 액정분자의 쌍안정의 다른 상태로, 극성반전된 복수의 줄무늬 형상영역(백색영역)(23)으로 구성된 화소(1)를 개략적으로 도시한다. 한편, 도 12는, 극성반전영역(23)을 줄무늬형상으로 형성되지 않고 무질서한 방식으로 형성된 화소(1)를 도시한다. 줄무늬형상의 영역(23)의 경우에는, 동일영역이 동일신호의 인가에 응답하여 극히 높은 확률로 나타난다. 또한, 줄무늬영역의 길이와 밀도는 신호의 파고나 펄스주기에 다라 선형적으로 변화한다. 따라서, 계조표시에 대해서 투과율의 양호한 제어를 알맞게 행할 수 있다.
본 실시예에서는, 상기한 1차원변환영역은 특정의 수까지 나타나고, 다음에 폭을 증가하도록 영역이 성장한다. 보다상세하게는, 낮은 전압을 인가할 경우 작은 수의 영역이 나타난다. 높은 전압을 인가할 경우, 영역의 수는 증가하고 영역의 폭은 확대된다. 상기 영역성장을 하도록, 이하 설명하는 바와 같은 방식으로 줄무늬의 세로방향과 액정분자배향방향을 적정하게 설정하는 것이 특히 바람직하다.
한편, 도 12의 경우에는, 동일신호를 반복인가함으로써 각 인가신호에 따라 상이한 형상과 크기를 가지는 영역을 전개할 수 있고, 따라서 불량한 재현성을 초래한다. 따라서, 합성영역은 인가된 신호의 파고나 펄스폭에 완전하게 대응하지 않는다.
본 발명에서 사용된 강유전체액정은 키럴스메틱 C상, H상, I상등으로 가정한 액정을 바람직하게 포함하고, 특히 바람직하게 키럴스메틱 C상을 포함한다.
본 발명의 액정셀의 화소를 구성하는 한쌍의 대향전극에 대해서는, 한개 이상의 대향전극은 투명도전체를 포함하고, 이 투명도전체의 적정한, 예로서는 산화주석, 산화인듐, 인듐산화주석(ITO)등이 있다.
본 발명에 사용되는 해프톤 또는 계조신호는 변조파고(펄스높이), 변조펄스폭을 가진신호(변조펄스수를 포함)또는 파고와 펄스폭을 모두 변조한 신호이다. 상기 해프톤신호를 발생하는 해프톤신호발생수단은 반도체집적회로에 의해 준비된다. 신호의 조합으로 해프톤신호를 제공하도록 독립적인 신호를 한쌍의 전극에 인가하는 시스템을 사용하는 것이 바람직하다.
액정재료전극재료 및 셀의 배열상태를 적정하게 선택함으로써, 인가된 해프톤신호에 응답하는 극성변환영역을, 강유전체액정의 스메틱층의 방향에 대략 평행한 줄무늬 형상의 영역으로 전개한다.
본 발명의 본 실시예에서는, 적어도 한쪽 전극의 액정쪽에 줄무늬형상의 불균일한 형상(바람직하게는, 돌기)을 제공하는 것이 바람직하다. 상기 줄무늬형상의 불균일한 형상을 균일한 형상으로 또는 1화소내의 불균일한 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 각각의 서브화소내에서 균일한 형상의 줄무늬를 형성하도록 1화소를 서브화소로 분할할 수 있고, 상이한 서브화소에 상이한 줄무늬의 형상을 형성할 수 있다. 상기 줄무늬의 불균일한 형상은 전극자체 또는 배향막에 의해서 형성되거나 상기 줄무늬를 형성하는 부가적인 부재에 의해 형성된다. 어느 경우에는, 막형성의 조합과 패터닝에 의해서 줄무늬를 용이하게 형성할 수 있다.
예각의 절대값에 대해 가장 작은 값은 강유전체액정의 원추각이하로 되도록 두분자 배향방향이 액정의 쌍안정상태로 되는 예각을 형성하기 위해 줄무늬방향을 설정한다. 쌍안정상태의 분자배향방향(n1, n2)은, 메모리상태의 셀이 크로스니콜(cross nicol) 편광자를 통하여 관측될 때에, 소멸위치로 부터 결정될 수 있다. 원추각
Figure kpo00002
Figure kpo00003
Figure kpo00004
Figure kpo00005
Figure kpo00006
Figure kpo00007
A B A B B A A B B A
Figure kpo00008
Figure kpo00009
2 2 3 A PS A LC A LC A LC A LC A A LC PS A PS PS A LC 4 9 7 2 2 2 2 2 3 2 2 2 2 2 2 * 2

Claims (12)

  1. 한쌍의 대향전극(13, 14)을 각각 가지는 복수개의 화소와, 상기 대향전극사이에 배치된 강유전체액정층(5)으로 이루어진 액정광학장치에 있어서,
    상기 적어도 하나의 대향전극은, 30~300Å의 평균입자크기를 가지는 도전성 초미세 입자분자를 함유하는 미세입자 분산층(3a, 3b)과, 강유전체 액정층(5)과 미세입자분산층(3a, 3b)을 국부적으로 직접 접촉하도록 배치된 배향제어층(4a, 4b)으로 피복된 것을 특징으로 하는 액정광학장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 배향제어층은, 초미세입자의 평균입자 크기보다 작은 평균두께를 층유지부분에 가지는 것을 특징으로 하는 액정광학장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 배향제어층은, 20~100Å층 유지부분에 평균두께를 가지는 것을 특징으로 하는 액정광학장치.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 한쌍의 대향전극은 역평행배향제어방향을 가지는 배향제어층을 각각 형성하는 것을 특징으로 하는 액정광학장치.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 미세입자 분산층은 매트릭스 중합체로 이루어진 것을 특징으로 하는 액정장치.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 강유전체 액정에는, 대향전극 사이에 액정을 배치한 후 AC전계의 인가에 의해 의견상 증가된 경사각이 형성되는 것을 특징으로 하는 액정장치.
  7. 한쌍의 대향전극을 각각 가지는 복수개의 화소와, 대향전극 사이에 배치된 강유전체 액정층으로 이루어진 액정광학장치에 있어서,
    적어도 하나의 대향전극에는, 30~300Å의 평균단차를 형성하는 미세불균일한 층과, 미세불균일한 형상보다 더 큰 단차를 가지며, 강유전체 액정층의 평균두께보다 더 큰 피치로 배치된 불균일한 형상을 형성하는 수단이 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 액정광학장치.
  8. 제 7항에 있어서, 미세불균일한 형상의 층은 미세입자로 이루어진 층에 의해 구성된 것을 특징으로 하는 액정광학장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 미세입자는 전도성을 가진 것을 특징으로 하는 액정광학장치.
  10. 제 7항에 있어서, 상기 불균일한 형상을 형성하는 수단은 불균일한 형상을 형성하기 위해 패턴화하는 것을 특징으로 하는 액정광학장치.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 불균일한 형상을 형성하는 수단은 불균일하게 분산된 미세입자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액정광학장치.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 미세입자는 분산도포시에 자기배열특성을 가지는 것을 특징으로 하는 액정광학장치.
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