KR0143420B1 - 액정장치 - Google Patents

액정장치

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KR0143420B1
KR0143420B1 KR1019890017284A KR890017284A KR0143420B1 KR 0143420 B1 KR0143420 B1 KR 0143420B1 KR 1019890017284 A KR1019890017284 A KR 1019890017284A KR 890017284 A KR890017284 A KR 890017284A KR 0143420 B1 KR0143420 B1 KR 0143420B1
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multilayer film
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다다오 이와키
히로시 구로다
준코 야마나카
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하라 레이노스케
세이코 덴시 고교 가부시키가이샤
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Abstract

내용없음.

Description

액정 장치
제1도는 본 발명에 따르는 액정 장치의 전극 구조의 부분 단면도이다.
제2도는 본 발명에 따르는 액정 장치의 전극 구조의 부분 평면도이다.
제3도는 본 발명의 액정 장치의 전체 구성도이다.
제4도는 본 발명의 액정 장치의 구동 전압과 투과율의 관계를 나타낸 그래프이다.
제5도는 본 발명에 따르는 액정 장치는 해상도 특성을 나타낸 그래프이다.
제6도는 유전성 다층 필름 거울의 반사율과 액정 장치의 콘트래스트 비 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 레이저 비임(laser beam)을 전기적으로 변조시키기 위한 액정 공간 광 변조기에 관한 것이다.
레이저 비임을 전기적으로 변조시킬 수 있는 액정 장치로서는, 이제까지 액정 텔레비젼에 사용되는 액정 디스플레이가 실험적으로 매우 자주 사용되어 왔다.
그러나, 주로 액정 텔레비젼에 사용되어온 통상적인 액정 장치 중의 하나에 의해 제공되는 해상도는 2 내지 2.5ℓp/mm(line pair/mm)정도로 낮다. 이러한 통상의 액정 장치는 광학 데이터 처리(optical data processing)에 필요한 해상도인 10 내지 100ℓp/mm의 요건을 만족시키지 못하였다. 더욱이 콘트래스트 비(contrast ratio)도 1/5 내지 1/20로 낮은 편이므로, 광학 데이터 처리에 필요한 콘트래스트 비인 1/100 내지 1/1000의 요건도 만족시킬 수 없었다. 통상적은 액정 장치에 있어서, 아날로그(analog) 광학 데이터 처리를 수행하는 경우, 기판의 편평도가 불량하여 레이저 비임 변조후의 파두 왜곡(wave front distortion)이 커지게 된다. 따라서, 정합 오일, 위상 공액파(phase conjugation wave) 등을 이용하여 파두를 조정할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 광학 데이터 처리에 필요한 높은 콘트래스트 비의 요건을 만족시키는 액정 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 광학 데이터 처리에 필요한 고해상도 요건을 만족시키는 액정 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 광 변조후 파두 왜곡이 극히 낮은 공간 광 변조기에 사용되는 액정 장치를 제공하기 위한 것이다.
위의 목적들을 실현하기 위해, 본 발명의 액정 장치는 편평도 0.05㎛ 이하인 한 쌍의 유리 기판, 반사율이 50% 이상인 유전성 다층 필름 거울, 매트릭스로 배열된 다수의 투명 전극, 투명 전극을 열상으로 연결시키는 다수의 금속 전극, 한 쌍의 정렬층, 절연 필름 및 액정을 포함한다.
유리 기판의 편평도가 0.05㎛ 이하이므로, 액정 장치의 콘트래스트는 디스플레이 영역내에서 균등하게 된다.
유리 기판의 내부 표면에 형성된 한 쌍의 유전성 다층 필름 거울은 액정을 통하여 패브리-페롯 에탈론(Fabry-Perot etalon)을 구성하며 콘트래스트 비를 향상시킨다. 금속 전극은 각각의 투명 전극에 전기 시그날(signal)을 효율적으로 공급할 수 있으며, 각각의 투명 전극은 전극 접합부와 화소 전극(picture element electrode)을 가짐으로써 전기 시그날이 화소의 액정 영역에 효율적으로 연결되고 액정 장치는 높은 해상도를 갖게 된다. 절연 필름은 매트릭스로 배열되며 유리 기판 사이의 간격(gap)을 일정하게 조절한다.
첨부된 도면에 도시된 양태를 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명할 수 있다.
제1도 및 제2도는 각각 본 발명을 구현하는 액정 장치의 전극 구조의 부분 단면도 및 부분 평면도이다.
액정 장치는 각각의 투명 전극(3' 및 3)을 대향 배열한 유리 기판(1' 및 1)사이에 액정(6)을 주입함으로써 형성된다.
유리 기판(1)의 내부 표면에는 유전성 다층 필름 거울(2), 투명 전극(3), 금속 전극(4), 및 SiO필름(7)이 연속적으로 형성된다.
유리 기판(1')의 내부 표면에는 유전성 다층 필름 거울(2'), 투명 전극(3'), 금속 전극(4'), 절연 필름(5) 및 SiO 필름(7')이 연속적으로 형성된다.
투명 전극(3' 및 3)은 매트릭스로 배열되며, 각각의 투명 전극(3' 및 3)은 전극 접합부(8) 및 화소 전극을 갖는다.
금속 전극(4')은 열(列)로 배열되며, 각각의 금속 전극(4')은 전극 접합부(8)를 통하여 투명 전극(3')에 열로 연결된다.
금속 전극(4)은 배열로 있으며, 각각의 금속 전극(4)은 전극 접합부(8)을 통하여 투명 전극(3)에 열로 연결된다.
제2도에 도시되어 있는 바와 같이, 금속 전극(4' 및 4)은 직각으로 교차된다.
절연 필름(5)은 유리 기판(1')의 금속 전극(4') 위에 매트릭스로 배열되며, 유리 기판(1' 및 1) 사이의 간격을 조절한다.
유리 기판(1' 및 1)은 소다 유리 및 보로실리케이트 유리, 또는 플린트(flint) 유리 및 크라운(crown) 유리와 같은 광학 유리나 석영 유리와 같은 통상의 유리 물질로 제조할 수 있다. BK 7로 알려진 광학 유리를 본 발명의 양태에 사용한다. 유리 기판의 편평도는 데이터 디스플레이 영역 내에서 0.05㎛를 초과하지 않도록 설정된다. 유리 기판의 편평도가 가시광에서 0.05㎛를 초과하도록 설정되는 경우, 본 발명에 따르는 액정 장치의 콘트래스트는 현저히 뷸균등하게 된다. 따라서, 편평도는 0.05㎛를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 광학 데이터 처리에 사용되는 빛의 파장이 근적외선과 같이 비교적 긴 경우, 편평도가 대략 0.1㎛정도로 크더라도 콘트래스트의 불균등은 보다 작아지는 경향이 있다.
각각의 유전성 다층 필름 거울(2' 및 2)은 굴절률이 상이한 두 종류 또는 세 종류의 유전성 박층 필름을 진공 증착에 의해 교대로 형성시켜 제조하였다. [HL]NL/유리 기판(여기서, H는 고굴절 물질의 λ/4 필름이고, L은 저굴절 물질의 λ/4 필름이며, λ는 사용하기 위한 레이저 비임의 파장이고, N은 4이상의 정수이다)은 잘 알려진 유전성 다층 필름 거울 구조이다. 이 경우 [HL]N은 [HL] 구조가 N번 반복됨을 의미한다. 도시된 양태에서, TiO2가 H로서 사용되고 SiO2가 L로서 사용되며, N의 범위는 5≤N≤10이고 λ는 488nm이다. TiO2이외에 ZnS, ZrO2, Y2O3, SiO, Si 등이 H로서 사용될 수 있는 반면, SiO2이외에 MgF2, 빙정석(Na3AlF6) 등이 L로서 사용될 수 있다. 두께가 약 1,200Å인 ITO 전극인 투명 전극(3' 및 3)은 진공 증착에 의해 형성된다. ITO 전극 형성시 스퍼터링(sputtering)을 이용할 수 있다. 또한, 필름 두께는 필름 형성 조건에 좌우되지만, ITO 전극의 필름 두께는 목적하는 전기적 특성을 제공하는 한 200 내지 2000Å의 범위에서 선택될 수 있다.
두께가 1,800 내지 2,500Å인 금속 전극(4' 및 4)은 Mo, Cr, Al, Cu, W, Au/Cr 등을 스퍼터링하여 제조하며 필름 폭은 5 내지 10㎛이다.
절연 필름(5)은 두께가 1.5 내지 6.0㎛이며, 금속 전극(4) 위에 SiNx(x는 0.8 내지 1.3이다), Ta2O5또는 SiO2를 스퍼터링하여 형성시킨다.
SiO 필름(7' 및 7)은 액정(6)을 정렬시키기 위한 층이며, 금속 전극의 열에 평행하고 기판의 법선 방향에 대해 58 내지 64°의 각도로 경사 침착시켜 형성시킨다.
당해 양태에서 TN 액정이 사용되었으나 강유전성 액정도 사용될 수 있다.
절연 필름(5)은 물리적 증착(즉, 스퍼터링, 정착 이온 도금)시켜 전체 기판에 절연 필름(5)의 두께가 매우 균일하도록 형성시킨다. 미소 간격(minute gap)이 1.5 내지 6.0㎛인 액정 장치의 경우, 균일한 간격을 형성함에 있어서 물리적 증착에 의해 형성된 절연 필름을 사용하는 것이 중요하다. 제2도에는 투명 전극(3' 및 3) 만큼이나 많은 절연 필름(5)이 도시되어 있으나, 절연 필름은 투명 전극보다 적게 배치하는 것이 바람직하다. 절연 필름(5)은 100 내지 1,000㎛의 패턴화 공간으로 배치하는 것이 바람직하다. 전극의 고정이 용이하고 리드-아웃(lead-out) 전극부를 포함하는 액정 장치가 집적되도록 양쪽의 유리 기판(1' 및 1) 위에 형성된 금속 전극(4' 및 4)은 직각으로 교차되어야 한다. 절연 필름(5)의 크기는 (5 내지 10㎛) × (5 내지 10㎛)이다.
제3도는 리드-아웃 전극부(9), 액정 밀폐부(10), 액정 주입 개구부(11) 및 디스플레이 영역(12)을 포함하는 액정 장치의 전체 구성도이다.
액정 밀폐부(10)에 에폭시 접착제를 충전시켜 전극부가 서로 대향하도록 유리 기판(1' 및 1)을 고정시킨다. 액정 주입 개구부(11)는 액정 물질을 디스플레이 영역(12)에 주입하는데 이용되는 틈이며, 액정 물질을 주입시킨 후 에폭시 수지로 밀폐시킨다. 디스플레이 영역(12)에 제1도 및 제2도에 도시된 전극 구조가 제공된다. 금속 전극(4' 및 4)에는 액정 구동 전압을 제공하기 위한 리드-아웃 전극이 위치한다. 리드-아웃 전극 부분(9)중 전극 사이의 간격을 200 내지 1,000㎛로 증가시키는데, 이는 디스플레이 영역(12)중 전극 사이의 간격이 10 내지 20㎛정도로 좁아 외부 시그날 라인이 연결될 수 없기 때문이다.
본 발명에 따르는 액정 장치의 조작 특성을 설명한다.
제4도는 본 발명에 따르는 액정 장치중 구동 전압과 투과율 사이의 관계를 나타낸 그래프이다. 곡선(13 및 14)은 제1도의 절연 필름(5)의 두께를 각각 1.5㎛ 및 2.5㎛로 고정시킨 경우의 특성을 나타낸다. 제4도의 투과율은 파장이 488nm인 아르곤 레이저 비임을 사용하여 측정한 특성을 나타낸다. 본 발명에 따르는 액정 장치는 통상의 액정 장치와는 상당히 다른 특성을 나타내며, 투과율 또한 특정 구동 전압에 대하여 첨예한 피크를 나타낸다. 또한, 피크 구동 전압에 대한 위치는 제1도에 도시된 절연 필름의 두께에 따라 변화하며, 절연 필름의 두께가 동일한 경우에도 액정 장치의 조립 조건에 따라 약간 변화한다. 또한, 피크 위치는 사용되는 빛의 파장에 따라 변화한다. 본 발명에 따른 액정 장치에 있어서, 조작 구동 전압 영역은 액정 장치 특성을 하나 하나 측정한 후에 결정된다. 예를 들어, 제4도의 곡선(13)에 의해 표시되는 특성을 갖는 액정 장치는, 켜져 있는 경우(hold on)에는 3.5V, 꺼져 있는 경우(hold off)에는 5.2V의 구동 전압을 인가하여 구동시킨다. 이와 같이 조정된 액정 장치의 콘트래스트 비는 1:150 내지 1:1,800으로 매우 높다.
액정 물질로서 강유전성 액정을 사용하는 경우, 기판의 법선 방향과 80[도] 각도로 경사 침착시켜 SiO 필름(7' 및 7)을 형성시키며, 절연 필름(5)은 SiO2를 스퍼터링하여 형성되고, 두께는 2.0㎛이다. 결과적으로, 액정 장치의 콘트래스트 비는 1:300 내지 1:2,000이다.
강유전성 액정 조성물은 광학 활성 물질을 가한 에스테르형 SmC 액정 물질의 혼합물로 구성될 수 있다.
예를 들면, 혼합물은 다음 구조식(I)의 4-((4'-옥틸)페닐)벤조산(3-플루오로, 4-옥틸옥시)페닐 에스테르와 다음 구조식(II)의 4-((4'-옥틸옥시)페닐)벤조산(3플루오로, 4-옥틸옥시)페닐 에스테르를 1:1로 포함한다.
Figure kpo00001
(I)
Figure kpo00002
(II)
광학 활성 물질은 다음 구조식(III)의 5-옥틸옥시 나프탈렌 카복실산 1'-시아노에틸 에스테르일 수 있으며, 이를 25중량%까지 혼합물에 가하여 강유전성 액정 조성물을 형성한다.
Figure kpo00003
(III)
이하에서 본 발명에 따르는 액정 장치의 해상도를 설명한다. 해상도는 해상도 시험 차트를 액정 장치에 넣고 OTF(광학 전달 기능, Optical Tranfer Function)을 측정하여 결정하였다. 제5도는 본 발명에 따르는 액정 장치의 해상도 특성을 나타내는 그래프로서, 여기서 해상도 시험 차트의 공간 주파수를 가로축으로 하고 OTF를 세로축으로 하였다. 제5도에서 곡선(15, 16 및 17)은 각각 5㎛×5㎛, 10㎛×10㎛ 및 20㎛×20㎛ 투명 전극을 사용한 경우의 특성을 나타낸다. 해상도를 측정하기 위해 사용하는 빛의 파장은 488nm였다. 제5도에 도시되어 있는 바와 같이, 투명 전극의 크기를 작게 만들수록 본 발명에 따르는 액정 장치의 해상도는 급격히 증가함을 알 수 있었다. 더욱이, 액정 장치의 양호한 콘트래스트 비는 투명 전극의 크기가 감소되는 경우에도 OTF의 급격한 감소가 방지된다. 이와 같이, 본 발명에 따르는 액정 장치의 해상도는 20ℓp/mm 내지 100ℓp/mm인 것으로 밝혀졌다.
본 발명에 따르는 액정 장치에 사용되는 유리 기판의 편평도와 파두 왜곡 사이의 관계는 다음과 같다. 일반적으로 액정 공간 광 변조기는 매우 자주 양호한 결합성을 갖는 광학 데이터의 파두를 조절하는데 사용되도록 고안되므로, 액정 공간 광 변조기를 통과한 빛의 파두 왜곡은 광학 조작의 수행을 크게 손상시키므로 제거되어야 한다. 본 발명자들은 본 발명에 따르는 액정 장치를 사용한 화상(image)들간의 차이를 계산하였다. 그 결과, 액정 장치의 전체 디스플레이 영역에 걸쳐 같은 차이의 계산을 수행하기 위해서는 유리 기판의 편평도가 0.05㎛를 넘어서는 안된다는 것을 밝혀내었다.
유리 기판의 편평도를 측정하는데 488nm의 빛을 사용하였지만, He-Ne 레이저, YAG 레이저 또는 488nm보다 긴 파장을 갖는 반도체 레이저와 같은 레이저 비임 공급원이 사용되는 경우, 유리 기판의 편평도는 보다 낮을 수 있다. 유리 기판의 편평도가 액정 장치중 콘트래스트의 불균등에 영향을 주는 것으로 예견되지만, 유리 기판의 편평도가 0.05㎛를 넘지 않는 경우 콘트래스트의 불균등은 거의 나타나지 않았다.
이어서, 액정 장치의 개구비(apeture ratio)를 설명한다. 본 발명에 따르는 액정 장치는 금속 전극을 사용하므로, 이의 개구비가 낮아지는 경향이 있어서 극히 희미한 액정 공간 광 변조기를 제공하는 경향이 있다. 그러나, 금속 전극의 선형폭을 5 내지 10㎛로 넓게 만들어 개구비를 45 내지 60%로 크게 함으로써 통상의 액정 장치의 개구비와 유사하게 만들었다. 유전성 다층 필름 거울의 반사율과 콘트래스트 비 사이의 관계는 다음과 같다. 제6도는 본 발명에 따르는 액정 장치에 사용하기 위한 유전성 다층 필름 거울의 반사율과 콘트래스트 비 사이의 관계를 나타낸 그래프이다. 제6도에 도시되어 있는 바와 같이, 유전성 다층 필름 거울 반사율이 약 60%를 초과할 때 콘트래스트 비가 급격히 증가하므로 반사율은 50% 이상에서 만족스럽게 사용할 수 있음을 알 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 액정 장치는 콘트래스트 비 1:100 내지 1:1000에서 10 내지 100ℓp/mm의 해상도를 가지며, 액정 공간 광 변조기는 레이저 비임 변조후 최소한의 파두 왜곡을 보임으로써 화상 처리나 광학 계산과 같은 광학 데이터 처리에 매우 효과적인 것으로 나타났다. 특히 본 발명에 따르는 액정 장치는 처리할 데이터를 전기적으로 수신하면서 광학 데이터를 처리하는데 효과적이며, 컴퓨터 제너레이티드 홀로그램(Computer Generated Hologram: CGH)을 사용한 정합 필터에 효과적으로 적용시킬 수 있다.

Claims (19)

  1. 제1 유리 기판, 제1 유리 기판 위에 형성된 제1 유전성 다층 필름 거울, 제1 유전성 다층 필름 거울 위에 형성된 다수의 행(column) 전극, 제1 유전성 다층 필름 거울 위에 형성되고 행 전극에 연결된 다수의 제1 전극 및 제1 정렬층을 갖는 제1 기판; 제 2 유리 기판, 제2 유리 기판 위에 형성된 제2 유전성 다층 필름 거울, 제2 유전성 다층 필름 거울 위에 형성된 다수의 열(row) 전극, 제2 유전성 다층 필름 거울 위에 형성되고 열 전극에 연결된 다수의 제2 전극 및 제2 정렬층을 갖는 제2 기판 및 제1 기판과 제2 기판 사이에 위치하는 액정 층[여기서, 행 전극과 열 전극은 각각 하나의 화소(picture element)에 상응하는 교차 지점의 매트릭스를 규정하기 위해 서로 교차되어 있고, 각각의 화소는 제1 전극과 제2 전극 사이에 삽입된 액정층과 함께 제1 전극들 중의 하나와 제2 전극들 중의 하나로 구성된 한 쌍의 대향 화소 전극을 갖고, 각각의 화소를 통한 광 투과율은 액정 층을 통한 에틸론(etalon)에 좌우되고 제1 및 제2 전극에 대한 인가 전압에 의해 조절되어 액정 층의 반사율을 변화시킨다]을 포함하는 액정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 제1 유리 기판과 제2 유리 기판의 편평도가 각각 0.05㎛ 이하인 액정 장치.
  3. 제1항에 있어서, 제1 전극과 제2 전극이 각각 매트릭스로 배열된 다수의 투명 전극과 열(列)로 배열된 다수의 금속 전극을 포함하는 액정 장치.
  4. 제3항에 있어서, 투명 전극이 각각 화소 전극과 전극 접합부를 가지며, 금속 전극이 각각 전극 접합부를 통하여 화소 전극에 열로 연결되는 액정 장치.
  5. 제1항에 있어서, 제1 기판과 제2 기판 사이의 간격(gap)을 균일하게 형성시키는 간격 조절수단을 추가로 포함하는 액정 장치.
  6. 제5항에 있어서, 간격 조절수단이 하나 이상의 제1 유리 기판과 제2 유리 기판의 내부 표면에 형성된 다수의 미소 절연 필름을 포함하는 액정 장치.
  7. 제1항에 있어서, 액정 층이 강유전성 액정 조성물 및 TN 액정 조성물 중의 하나를 포함하는 액정 장치.
  8. 제6항에 있어서, 액정 층이 강유전성 액정 조성물을 포함하는 액정 장치.
  9. 제1항에 있어서, 제1 유전성 다층 필름 거울과 제2 유전성 다층 필름 거울의 반사율이 각각 50% 이상인 액정 장치.
  10. 제1 기판과 제2 기판 사이에 액정 물질이 삽입된 제1 유리 기판 및 제2 유리 기판; 액정을 통하여 파브리-페롯 에탈론(Fabry-Perot etalon)을 수행하는 기판의 각각의 내부 표면 위의 제1 유전성 다층 필름 거울 및 제2 유전성 다층 필름 거울; 제1 유전성 다층 필름 거울 위의 다수의 제1 화소 전극; 화소의 행×열 매트릭스를 규정하기 위해 전극 사이에 액정 물질이 삽입되는 제1 화소 전극에 대향하는, 제2 유전성 다층 필름 거울 위의 다수의 제2 화소 전극; 및 전압을 대향된 각각의 화소의 제1 화소 전극과 제2 화소 전극에 선택적으로 적용하여 각각의 화소의 액정 물질의 반사율을 변화시키는 수단을 포함하는 장치.
  11. 제10항에 있어서, 제1 유리 기판과 제2 유리 기판의 편평도가 각각 0.05㎛ 이하인 액정 장치.
  12. 제10항에 있어서, 제1 유리 기판과 제2 유리 기판의 간격을 균일하게 형성시키는 수단을 추가로 포함하는 액정 장치.
  13. 제12항에 있어서, 간격을 형성하는 수단이 제1 유리 기판과 제2 유리 기판 사이에 형성되는 다수의 미소 절연 필름을 포함하는 액정 장치.
  14. 제13항에 있어서, 액정이 강유전성 액정 조성물로 이루어진 액정 장치.
  15. 제10항에 있어서, 액정이 강유전성 액정 조성물과 TN 액정 조성물 중의 하나로 이루어진 액정 장치.
  16. 제10항에 있어서, 유전성 다층 필름 거울의 반사율이 각각 50% 이상인 액정 장치.
  17. 제10항에 있어서, 전압을 선택적으로 적용하는 수단이 제1 화소 전극의 행에 각각 연결된 다수의 행 전극과 제2 화소 전극의 열에 각각 연결된 다수의 열 전극을 포함하는 액정 장치.
  18. 제17항에 있어서, 행 전극이 제1 유전성 다층 필림 거울 위에 배치되고 열 전극이 제2 유전성 다층 필름 거울 위에 배치되는 액정 장치.
  19. 제17항에 있어서, 제1 화소 전극과 행 전극이 제1 유전성 다층 필름 위에 겹치지 않게 형성되고, 전극이 제1 화소 전극과 각각의 화소의 행 전극에 연결되며, 제2 화소 전극과 열 전극이 제2 유전성 다층 필름 위에 겹치지 않게 형성되고, 전극 접합부가 제2 화소 전극과 각각의 화소의 열 전극에 연결되는 액정 장치.
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