KR0141984B1 - 강유전성 스멕틱 액정 재료를 사용하는 스멕틱 액정장치 - Google Patents

강유전성 스멕틱 액정 재료를 사용하는 스멕틱 액정장치

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KR0141984B1
KR0141984B1 KR1019870701132A KR870701132A KR0141984B1 KR 0141984 B1 KR0141984 B1 KR 0141984B1 KR 1019870701132 A KR1019870701132 A KR 1019870701132A KR 870701132 A KR870701132 A KR 870701132A KR 0141984 B1 KR0141984 B1 KR 0141984B1
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로버트 윌리엄 베크햄
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Abstract

내용없음

Description

강유전성 스멕틱 액정 재료를 사용하는 스멕틱 액정장치
지금부터는 첨부한 도면을 참조하여, 일례로, 본 발명의 한 가지 태양을 설명한다:
제1도는 및 제2도는 액정 표시 장치의 평면도 및 단면도이다.
제3도는 제1도의 부분 확대도이다.
제4a도, 제4b도 및 제4c도는 서로 다른 재료의 온도에 대한 콜레스테릭 피치(cholesteric pitch)의 그래프이다.
대부분의 표시 장치에 대한 주위온도 범위는 0 내지 40℃일 수 있다.그러나, 기기 또는 기타 장비에 장차된 디스플레이에 대한 주위 작동온도는 100℃에 이를 수 있다.
본 발명은 강유전성 스멕틱 재로(ferro-electric smectic material)을 사용한 스멕틱 액정장치(smectic liquid crystal devices)에 관한 것이다.
액정장치는 일반적으로 두개의 유리판 또는 유리벽 사이에 함유된 박층의 액정재료로 이루어진다. 상기 2개의 유리벽의 내부 표면에는 투명 전극이 부착된다. 액정층, 2개의 유리벽 및 전극을 조합시킨 것을 흔히 액정 셀(liquid crystal cell)이라고 부른다. 두 전극 사이에 전계가 인가되면, 액정 분자가 전계내에서 회전하여 온(ON) 상태로 된다. 전계를 제거하면, 분자는 역회전하여 오프(OFF) 상태로 되며, 이 오프 상태는 셀의 조립 전에 벽에 대하여 적용된 표면 처리 및 액정 재료의 종류에 의해서 결정된다. 온 상태와 오프 상태의 광학적 투과 특성은 상이하다. 몇몇 장치에는 온 상태와 오프 상태를 가시적으로 구별하기 위하여 1 또는 그 이상의 편광자 및/또는 염료를 필요로 한다.
액정 재료는 크게 구분하여, 네마틱(nematic), 콜레스테릭(cholesteric) 및 스멕틱(smectic)의 3 종류의 상이한 상이 존재하며, 이들 각각의 상은 상이한 분자 배열상태에 의해 분류된다.
이와 같은 재료가 고체 상(solid phasses)과 등방성 액정상(isotropic liquid phases) 사이의 단지 한정된 온도 범위 동안 액정 상(liquid crystal phase)을 나타낸다. 액정 상 온도 범위내에서, 액정 재료는 네마틱 상, 콜레스테릭 상 또는 스멕틱 상 중 하나 이상의 상을 나타낼 수 있다. 일반적으로, 액정 재료의 작동 온도 범위 동안 단지 한 종류의 액정 상만을 형성하도록 액정 재료가 선택된다.
본 발명은 강유전성 스멕틱 액정재료를 사용하는 장치에 관한 것이다.
표시장치는 한쪽의 벽애 행(row)상으로 형성하고 다른쪽 벽에 열(column)상으로 전극들을 형성하여 구성된다. 상기 전극들은 공유하여 대형 표시 장치상에 개별적으로 어드레스 가능한(addressable) 소자의 x,y 매트릭스(matrix)를 형성한다.
이와 같은 표시 장치에 어드레싱하는 한 방법이 멀티플렉싱방식, 즉 전체 표시장치가 어드레스될 때까지 각 행을 순차적으로 어드레싱하는 방법이다. 이 방법은 표시 장치가 요구될 때마다 항상 반복된다. 또 다른 형태의 표시 장치는 온상태 및 오프 상태를 사용하여 전기적으로 스위칭 가능한 광 셔터(switchable optical shutter)를 형성한다. 그외에, 또 다른 형태의 표시 장치가 광학 기억 장치로서 사용된다. 이와 같은 장치에 네마틱, 콜레스테릭 및 스멕틱 액정 재료가 사용되어 왔다. 많은 표시 장치가 갖고 있는 문제점은 두가지 상태간에 스위칭 하는데 걸리는 시간, 즉 응답시간(response time)을 들 수 있다. 대부분의 표시 장치에 있어서는 고속 응답시간이 요구된다.
90°트위스트 구조(twisted structure)로 배열된 네마틱 재료는 전형적으로 응답시간이 100msec 걸린다.
스멕틱 재료로 이루어진 장치는 네마틱 또는 콜레스테릭 재료로된 장치만큼 광범위하게 사용되지 않았다. 스멕틱 재료를 기초로한 유용한 표시 장치는 필요한 특성을 갖지 않고 있었다. 그러나, 최근에 고속 스위칭 특성과 쌍안정성 특성(bistability characteristics)을 갖는 스멕틱 강유전성 특성이 중요하게 되었다.[참조:예를 들면, N.A.Clark S.T.Lagerwall, App. Phys. Letters 36(11) 1980, pp 899 내지 901]. 경사진 액정 스메틱 상의 키락 재료(chiral material), 예를 들면, Sc*, SI *, SF *, SJ *, SG *및 SH *가 강유전성을 나타내는 것으로 알려져 있다. 이러한 사실은 문헌[참조:R.B. Meyer, L. Liebard, L. Strzelecki 및 P. Keller, J. de Physique(Lett.), 36, L-69(1975)]에 기술되어 있다.
강유전성 재료 또는 키랄 스멕틱(S*)재료를 사용하는 장치의 단점은 셀의 불균일성이다: 즉, 이들은 조화되지 않은 상태로 나타난다. 트위스트 네마틱 장치에 사용된 것처럼 러빙된 폴리이미드 재료와 같은 종래의 정렬층을 사용하는 셀에서 발생되는 한 가지 특별한 문제점은 현미경 검사로 볼 수 있으며 콘트라스트(contrast) 및 투시각의 상이한 레벨을 나타내는 셀의 영역을 분리시키는 지그 재그(zig zag) 결함으로 특징지워 진다. 이러한 결함은 스멕틱 C 재료를 사용하는 표시장치 또는 셔터에 있어서 바람직하지 않은 시각 영상을 생성시킨다.본 발명에 따르면, 접촉하는 액정 분자에 고경사(high tilt)를 제공하는 셀 벽 표면처리를 사용함으로써 상기 문제점이 해결된다.
본 발명에 따르면, 액정장치는 스페이서(spacer)에 의해 이격된 2개의 셀 벽, 상기 두 벽 사이에 함유된 키랄 스멕틱 액정 재로 층, 상기 셀 벽의 내부 대향 표면의 전극 구조체, 적어도 한쪽 벽의 내부 대향 표면상에 설치되고, 접촉하는 액정 재료에 대하여 정렬 방향과 5°이상의 표면 경사각 양쪽을 제공하는 표면 정렬피막, 자체의 광축이 액정 분자의 정렬 방향과 평행하게 배열된 하나 이상의 편광자, 및 액정 재료내에 첨가된 일정량의 2 색성 염료, 또는 셀벽이 양쪽의 편광자 사이에 위치하도록 배열된 제2 편광자로 구성한다.
두 벽의 정렬 방향은 동일 방향 또는 반대 방향으로 평행 할 수 있으며, 약간의 변동이 허용된다.
색상과 콘트라스트를 최적 상태로 하기 위하여 편광자사이에 지연기(retarder)를 도입시킬 수 있다.
반사기를 사용하여 장치를 반사광으로 볼 수 있는데, 이경우에 제2 편광자는 셀과 반사기 사이에서 지연기로 대체시킬 수 있다.
키랄 스멕틱 재료는 주위온도 이상의 온도에서 스멕틱상과 등방성 상 사이에 콜레스테릭 상을 갖는다. 콜레스테릭 피치 P가 스멕틱/콜레스테릭 상 전이온도보다 0.1℃이상 높은 온도 범위에서 층 두께 d의 ½ 이상인 것이 바람직하다. 상기 재료의 자발 편광 계수Ps치는 0.1nC/㎠ 이상, 바람직하게는 1nC/㎠ 이상이다.
액정 재료는 등방성 상으로 가열시켜 모세관 작용에 의해 연속적으로 밀봉되는 2개의 구멍을 경유하여 벽 사이로 주입시키거나, 진공 주입법으로 하나의 구멍을 통해 벽 사이로 주입시킨다. 액정 재료는 일단 적소에서 콜레스테릭 상으로 가열되면 서서히 주변온도로 냉각된다. 이러한 공정은 양호한 정렬과 규닐한 영상을 얻는데 도움이 된다. 전형적인 냉각속도는 스멕틱/콜레스테릭 상 전이온도의 +/-5℃ 내에서 0.05 내지 2℃/min이다.
제1도, 제2도 및 제3도에 도시된 셀(1)은 스페이서 링(4) 및/또는 분배된 스페이서에 의해 약 2내지 15㎛이격된 두개의 벽(2 및 3)을 포함한다. 투명한 산화주석의 전극 구조체(5 및 6)가 두 벽의 내면에 형성된다. 이들 전극은 종래의 행(x)과 열(y)의 형태, 반지름 및 각도(r, θ)형태, 또는 문자 숫자를 나타내기 위한 7개 이상의 세그먼트 표시 일수 있다. 스멕틱 액정재료 층(7)이 벽(2, 3)고 스페이서 링(4)사이에 포함된다. 편광자(8 및 9)가 셀(1)의 정면과 후면에 배열된다. 직류 전원(10)은 제어 논리부(11)를 통하여 리드선(14 및 15)으로 전극 구조체(5 및 6)에 접속된 구동 회로(12 및 13)에 급전된다.
셀 표시장치는 투과 광에 의해 관찰될 수 있는데, 이 경우, 광원, 예를 들면, 텅스텐 벌브(16)가 표시장치 뒤에 배열된다. 또한, 반사기(17)가 편광자 및 반사광에 의해 관철된 표시장치 뒤에 배열될 수 있다. 추가로, 지연기(도시되지 않음)가 벽(3)과 편광자(9) 사이에 배열될 수 있다.
조립하기 전에, 전극(5 및 6)을 피복한 벽(2 및 3)은 일산화규소를 공지된 경사 증발법으로 표면처리한다.
이 방법은 영국 특허 제1,454,296호, 제1,472,247호 및 제1,470,592호에 기술되어 있다. 일산화규소 스트림(stream)을 기판 표면에 대하여 15°이하의 각도로 벽에 부착시킨다. 위에서 기술한 바와 같이 네마틱 액정 재료를 사용하는 경우, 이러한 방법에 의해 액정 분자가 균일한 직선으로 정렬되며 분자와 벽 사이에 30°의 경사각이 형성된다. 정력은 액정 분자의 정렬을 제공하지만 약2°의 경사각을 러빙과 유사하다. 상이한 각도의 분자 경사는 15°이상의 증발각도와 15°내지 30°의 각도에서 SiO를 연속적으로 증발시켜 생성할 수 있다. 이들 두 방향으로 부착된 재료의 양을 조정함으로써 경사각을 약 0 내지 45°로 조정할 수 있다.
스멕틱 재료는 스멕틱 상보다 긴 피치의 콜레스테릭 상을 갖는 재료가 바람직하다.
분자(26)와 미세층(25) 양쪽의 균일한 정렬을 제공하기 위하여, 장치 작동온도보다 높은 승온, 예를 들면, 40°이상이거나, 장치 용도에 따라 100°의 온도에서 조차도 콜레스테릭 상을 갖는 스멕틱 재료를 사용할 필요가 있다.
제4a도는 콜레스테릭 상을 갖는 종래의 전형적인 스멕틱 재료의 온도 곡선에 대한 콜레스테릭 피치 p를 나타낸다. 온도가 콜레스테릭/스멕틱 상 전이온도에 매우 근접하게 감소함에 따라 피치 p는 무한대로 증가한다. 이러한 전이온도를 벗어난 온도에서, 콜레스테릭 피치는 매우 작으며, 전형적으로 1㎛보다 훨씬 작다.
본 발명과 함께 출원되어 공동 계류중인 영국 특허원 제86, 08, 114호 및 제86 08, 기술된 발명의 표시 장치는 콜레스테릭 상 전이온도보다 0.1℃이상 높은 온도에 대하여 콜레스테릭 상에 긴 피치를 갖는다. 이러한 온도 범위는 5℃가 바람직하며, 전체 콜레스테릭 온도 범위에 걸쳐 발생하는 것이 이상적이다. 이러한 범위내에서 최소 p는 4d 이상이며, 여기서 d는 층 두께이다.
위에서 기술한 재료를 얻는 방법은 많다. 예를 들면, 좌향의 콜레스테릭 트위스트 성질을 갖는 하나 이상의 키랄 성분을 우향의 콜레스테릭 트위스트 성질을 갖는 하나 이상의 키랄성분[단, 좌향 성분 중 어떠한 것도 우향 성분의 라세미체 (racemates)가 아님]과 혼합시키는 방법이 있다. 이러한 혼합물은 필요한 스멕틱 상을 갖는다면 그 자체로서 사용될 수 있다. 또한, 키랄 혼합물을 비키랄(non-chiral) 또는 라 세미체 액정재료, 예를 들면, 스멕틱 C 호스트에 가할 수 있다. 상이한 킬랄 성분은 상이한 온도/피치 특성을 가질 수 있다. 이러한 경우, 생성된 피치가 스멕틱/콜레스테릭 상전이온도보다 높은 온도 범위에서 요구되는 값을 나타내는지를 확인할 필요가 있다.
역 트위스트 성질의 키랄 성분을 사용하는 경우, 생성된 혼합물이 요구되는 자발 편광값 Ps를 갖는지 확인할 필요가 있다. 따라서, 모든 키랄 성분이 이들의 콜레스테릭 트위스트 성질과 무관하게, 동일한 S*편광성, 즉 첨가된 Ps를 가질 수 있다. 또한, 하나 이상의 키랄 성분은 순 Ps가 충분한 값을 나타낸다면 상반된 Ps 성을 가질 수도 있다.
위에서 기술한 재료를 얻는 또 다른 방법은 동일한 콜레스테릭 트위스트 성질과 S*편광성을 갖지만 여전히 위에서 기술한 콜레스테릭 피치 값을 만족하는 하나 이상의 키랄 성분을 사용하는 것이다. 이러한 혼합물은 단독으로 사용하거나, 비키랄 또는 라세미체 액정재료, 예를 들면, Sc 호스트와 혼합하여 사용할 수 있다.
콜레스테릭 상에서의 긴 피치의 결과로서, 재료가 셀 벽 처리에 의해 발생된 균일한 정렬을 갖는 Sc*상으로 냉각된다.
그 결과, 제3도에 나타낸 바와 같이 정렬된다.
스멕틱 상에서의 피치는 약 1㎛이상, 바람지하게는 이보다 훨씬 더 크게 배열된다.
콜레스테릭 상에서의 피치의 보상을 제4(a)도, 제4(b)도 및 제4(c)도에 나타내었다. 제4(a)도는 콜레스테릭 내지 스멕틱 전이를 갖는 보상되지 않은 재료의 온도에 대한 콜레스테릭 피치를 나타낸다. 이러한 전이온도에서, 피치는 무한대인 경향이 있다. 제4(b)도에 나타낸 보상된 재료는 전이온도보다 약간 높은 온도에서 피치가 아래로 감소하면서 약간 증가함을 나타내고 있다. 적합한 재료를 선택함으로써 이러한 피치 증가는 4도(c)도에 도시된 바와 같이 전이온도에 훨씬 더 근접한 온도에서 일어날 수 있지만, 약간의 온도 차이가 최종 결과를 초래하는 것 같지는 않다.
셀 내로 도입되는 경우, 셀 벽에서 액정 분자는 제3도에서(E)로 표신된 SiO의 증발 방향을 따라, 예를 들면, 30°의 표면경 사각으로 정렬한다. (E)의 방향은 양 벽(2 및 3)에 대하여 동일하거나 반대 방향일 수 있다. 액정 분자는 인가된 전압의 극성에 따라 두 가지 정렬방향(D1) 및 (D2) 중 한 방향을 선정하는 것으로 관찰된다. 전형적인 전압은 +/-10 내지 50V이다. 이들 두 위치는 제3도에서 실선(D1)과 파선(D2)으로 도시한 바와 같으며, 이들은 증발/정렬 방향(E)의 어느 한쪽에 위치한다.
직류 펄스를 인가하는 경우, 두 상태간의 고속 스위칭은 재료의 스멕틱 강유전성에 기인하다. 전형적으로, 셀은 액정재료에 따라 수 ㎲ 내지 수 ms(예:1ms)의 횟수로 (D1)과 (D2)간에 스위칭될 수 있다. 상이한 두 방향(D1) 및 (D2)는 종종 업(up) 및 다운(down) 방향으로 일컫는 Ps의 상이한 두 방향을 나타낸다. 이들 두 방향(D1) 및 (D2)는 재료의 조성에 따라 약 45°이격될 수 있다.
제1도 및 제2도에 도시된 편광자(8 및 9)는 교차된 광축으로 배열된다. 편광자(8)는 그 자체의 축이 방향(D1)에 평행하게 정렬된다. 셀(1)은 분자 정렬(D1) 또는 (D2)의 방향에 평행인 평면으로 편광된 광을 투과한다. 따라서, 셀의 한 상태(D1)에서 극소량의 과이 편광자(8), 셀(1) 및 편광자(9)의 조합물을 통과한다.
그러나, 셀이 상태(D2)로 존재하는 경우, 분자는 두개의 편광자(8 및 9)의 광축에 대하여 약 45°로 위치하여 광이 투과된다. 전형적으로, 인가된 전압은 두께가 6㎛인 액정재료층에 대해서는 +/-15 내지 20V이고, 두께가 2㎛인 층에 대해서는 +/-5 내지 10V이며, 두께가 12㎛인 층에 대해서는 +/-약 30V이다.
제1도의 x 및 y 매트릭스 표시장치에 있어서, 각각의 전극 교차 x 및 y는 +/- 전압 펄스에 의해 어드레싱되며; m 및 n은 각각 x 및 y 전극의 수에 해당하는 정수이다. 이들 펄스는 각각의 x 및 yn 교차에서 액정재료를 스위칭시켜 필요에 따라 광을 투과시키거나 불투명하게 한다. 공지된 다중 송신 어드레싱 기술을 사용하여 각각의 교차를 순차적으로 어드레싱 한다. 이러한 어드레싱은 한번에 교차되거나 한번에 전체 x행일 수 있다.
통상적으로, x, y 매트릭스는 명멸(flicker)이 없는 표시장치를 유지하기 위해 계속적으로 재공급(예: 재어드레싱)할필요가 있다. 이러한 이유는, 종래의 네마틱 재료가 온 상태에서 오프 상태로 매우 신속하게 릴렉싱(relaxing)되기 때문이다. 종래의 어드레싱은 온에서 오프로 전환하기 위한 시간을 갖기전에 각각의 교차점을 바꾼다. 이것은 어드레싱될 수 있는 x, y 교차점의 수에 엄밀한 제한을 가한다.
이와 대조적으로, 본 발명의 셀은 진정한 쌍안정성을 갖는다. 이러한 경우는 다른 상태로 스위칭될 때까지 어떠한 전압도 인가하지 않고 셀 재료와 구성에 따라 수 초 또는 수시간 동안 스위칭될 때 유지되는 (D1) 또는 (D2) 상태로 스위칭되는 경우이다. 이러한 사실은 훨씬 더 많은 수의 교차점이 표시장치의 명멸 없이 어드레싱될 수 있음을 의미한다. 또한, 전체 표시장치를 재공급하는 대신에 변경될 일부만을 어드레싱 한다.
본 발명의 셀에 사용하기에 적합한 재료는 다음과 같다:
[실시예 1]
CM6=43.5% CD3(키랄 성분)+56.5% H1(S 호스트)
여기서, CD3= 22% CC1+78% CC3
Figure kpo00001
H1=M1+M2+M3(1:1:1)
Figure kpo00002
CM6은 다음과 같은 상을 갖는다.
고체키랄 스멕틱
Figure kpo00004
스멕틱 A
Figure kpo00005
콜레스테릭
Figure kpo00006
등방성
[실시예 2]
머크(Merck) ZLI 3041
[실시예 3]
LPM13:72.5% H1÷25% M7÷2.5% CC13
Figure kpo00007
LLM13은 다음과 같은 상을 갖는다:
고체, 키랄 스켁틱 56.3° 콜레스테릭 118°등방성.
Ps 는 20℃에서 10nC/㎠ 이고 46℃에서 5nC/㎠이다. 청색 염료의 한 가지 예는 영국 도어셋 소재의 비디에이취 폴(BDH Poole, Dorset, UK)에서 시판하는 D102이다.

Claims (14)

  1. 스페이서(4)에 의해 이격된 두개의 셀 벽(2, 3), 상기 두개의 셀 벽(2, 3) 사이에 포함되고, 주변온도 이상의 온도에서 스멕틱 상과 등방성 상 사이에 콜레스테릭상을 갖는 강유전성 스멕틱 액정 재료층(7), 상기 셀 벽(2, 3)의 내부 대향 표면상의 전극 구조체(5, 6), 상기 셀 벽(2, 3)내부에 대향 표면상의 표면 정렬피막, 자체의 광축이 액정 스위칭 분자 정렬 방향(D1, D2)에 평행하게 배열된 하나 이상의 편광자(8, 9), 액정 재료층(7)내에 첨가된 일정량의 2 색성 염료 또는 셀 벽(2, 3)이 양쪽의 편광자(8, 9) 사이에 위치하도록 배열된 제 2편광자(8, 9), 및 상기 액정 재료층(7)을 스위칭하는 수단(5, 6, 12, 13)을 포함하는 액정 장치에 있어서, 상기 표면 정렬 피팍이 접촉하는 액정 재료층(7)에 대한 표면 정력 방향(E)과 접촉하는 액저 재료층(7)에 대한 5°이상의 표면 경사각 양쪽을 제공하는 것을 특징으로 하는 액정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 액정재료가 고체
    Figure kpo00008
    키랄 스멕틱
    Figure kpo00009
    스멕틱 A
    Figure kpo00010
    콜레스테릭
    Figure kpo00011
    등방성의 각 상을 갖는 것을 특징으로 하는 액정 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 두개의 표면 정렬 방향(E)이 평행이지만 반대 방향인 것을 특징으로 하는 액정 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 두개의 표면 정렬 방향(E)이 평행이며 동일한 방향인 것을 특징으로 하는 액정 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 분자의 표면 경사각 범위가 10 내지 45°인 것을 특징으로 하는 액정 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 두개의 편광자(8, 9)가 그들의 광축과 직각으로 배열된 것을 특지으로 하는 액정 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 액정재료의 층(7) 두께가 15㎛이하인 것을 특징으로 하는 액정 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전극(5, 6)이 스트립 전극으로 패턴화되어 x, y 매트릭스 에레이(matrix array)(1)를 형성하는 것을 특징으로 하는 액정 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 전극95, 6)이 스트립 전극으로 패턴화되어 γ, θ 매트릭스 어레이(1)를 형성하는 것을 특징으로 하는 액정 장치.
  10. 제18항에 있어서, 상기 매트릭스 에레이(1)를 어드레싱하기 위한 구동회로(12, 13)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 전극(5, 6)이 세그먼트로 패턴화되어 수치를 표시하는 것을 특징으로 하는 액정 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 액정 재료(7)와 편광자(8, 9)를 통해 광을 역반사시키도록 액정 장치 뒤에 적어도 부분 반사경(17)이 배열되는 것을 특징으로 하는 액정 장치.
  13. 제1항에 있어서, 셀(3)과 편광자(9) 사이에 배열된 지연기 판을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 콜레스테릭 상에서의 피치(p)가 액정 층(7)의 두께(d)의 1/2 이상인 것을 특징으로 하는 액정 장치.
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