KR0144680B1 - 액정 광 변조소자 및 액정 광 변조장치 - Google Patents

액정 광 변조소자 및 액정 광 변조장치

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KR0144680B1 KR1019890012635A KR890012635A KR0144680B1 KR 0144680 B1 KR0144680 B1 KR 0144680B1 KR 1019890012635 A KR1019890012635 A KR 1019890012635A KR 890012635 A KR890012635 A KR 890012635A KR 0144680 B1 KR0144680 B1 KR 0144680B1
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미다 가쓰시게
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Abstract

본 발명은 전극을 가지며 적어도 한쪽이 투명인 1쌍의 기판을 포함하고 스페이서를 통하여 대향시킨 셀, 그 셀 내에 봉합되어 강유전상(스메틱 C*상, SC*상)의 고온측에만 네마틱 상(N*상) 또는 등방상(I상)을 나타내는 상계열을 가지는 강유전성 액정층 및 상기 셀이 사이에 겹쳐지는 2개의 분광판을 포함하여, 액정측과 기판과의 일 경계면의 액정분자가 다른 경계면에 있어서의 액정분자보다도 기판에 대하여 약하게 고정되어 있고, 상기 약하게 고정된 액정분자의 상기 전극을 통하여 액정층에 전계를 인가할 때에 액정분자의 자발분극의 반전이 생길 정도로 고정되어 있고, 일 계면에서 액정분자의 배향과 다른 계면에서 액정분자의 배향이 그 자발분극의 반전에 의하여 서로 거의 평행한 상태(a)거나, 서로 교차하는 상태(b)일 수 있고, 두 분광판은 상기 상태(a)가 상기 상태(b)보다 광투과율이 낮도록 배열된 것을 특징으로 하는 액정 광 변조소자 및 액정 광 변조장치를 제공한다.

Description

액정 광 변조 소자 및 액정 광 변조장치
제1도는 액정 광 변조 소자 내에서의 액정분자의 지향상태와 자발 분극을 설명하는 도표
제2도는 특성치와 변형상태 사이의 관계를 도시한 그래프
제3도는 본 발명에 의한 소자의 구조를 도시한 사시도
제4도는 경사각(θ), 굴적지수(n// -n
Figure kpo00002
)의 비등방성 및 세포의 최적두께(d) 사이의 관계를 도시한 그래프
제5도(a)는 매트릭스의 구성을 도시한 도면
제5도(b)는 구동파를 도시한 그래프를 각각 나타낸다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2,3:벡터 5,6:경계면
9,9':분광체판 10:강유전성 액정충
11,11':분극측 13,13':전극
14,14':구동회로 20,20':투명기관
본 발명은 강유전성 액정 합성물을 이용하는 광 변조 소자와 액정 광 변조장치, 특히 광학적 특성을 전기적으로 제어하는 표시소자용으로 적합한 액정 광 변조 소자 및 장치에 관한 것이다.
종래의 기술에서는 염료의 편입에 관련된 게스트-호스트 방식(guest-host mode)에 의하여 대비(contrast)가 부여되고 네마틱(nematic) N*상에서 스메틱(smectic) Sc*상으로 직접적으로 변경되고 큰 경사를 가진 액정재료를 이용하는 소자로서 대량생산이 용이한 셀(cell)두께(이하에서는 이 두께는 2개의 기판사이에 끼워져 있고 액정층의 두께를 말한다)를 두껍게한 셀로 기억 특성을 가진 강유전성 액정 표시소자가 제안되었다(일본 특허공개 제62-27721).
전술한 종래의 기술은 표시의 질에 있어서 여러 가지 문제가 있고, 특히 대비율을 증대시키기가 어렵다. 종래의 기술은 액정재료의 큰 경사로 인하여 대비를 부여하는 수단으로서 염료를 게스트로서 편입시키는 게스트-호스트방식을 채용한다. 이러한 게스트-호스트방식에 있어서 대비율을 증가시키는 방법으로서, 예를 들면, 편입될 염료의 농도를 증가시키는 방법과 셀의 두께를 증가시키는 방법이 공지되어 있다. 그러나, 이와 같은 방법들에는 아직도 몇 가지 문제점들이 있다. 전자의 방법에서는 액정의 훼손으로 인하여 염료의 농도를 크게 증가시킬 수 없다. 후자의 방법에서는 구동전압의 증가 또는 응답시간의 감소가 문제점들이다. 이러한 이유로 전술한 게스트-호스트 방식에 의해서는 예를 들면 10이상의 대비를 얻기 어렵다.
전술한 게스트-호스트 방식 이외에도 2개의 분극판을 이용하여 액정장치에 높은 대비를 부여하는 복굴절 방식(birefringence mode)이 공지되어 있다. 이 방법에 의하면 게스트-호스트 방식에 의하여 얻는 것보다 더 높은, 예를 들면, 10이상의 대비율은 소경사(이론상으로는 22.5。가 최적 값임)의 액정재료를 이용함으로써 쉽게 얻을 수 있다.
그러나 종래의 복굴절방식에 의하면 흑색과 백색으로 고 대비율을 표시하기 위하여 셀의 두께를 1 내지 2㎛정도로 감소시켜야 한다. 이러한 경우에는 먼지의 편입으로, 상·하부 전극사이에 단락을 일으킬 수 있고, 그 생산이 어렵다는 문제가 있다. 그 외에도 그와 같이 얇은 셀의 경우에, 갭내에 약간의 불균일성이라도 존재하면 밀도와 색에 불균일이 초래되어 균일한 표시를 얻기가 매우 어렵다.
반면에 복굴절방식에 있어서 색의 불균일성을 감소시키기 위하여 셀 두께의 방향으로 비틀린 강유전성 액정분자의 구조를 상·하부기판의 마찰방향으로 비틀려서 안정시키고 전기장이 인가됨이 없이 비꼬인 구조에 의하여 밝은 상태가 표시되고 전기장의 인가하에 균일한 상태에 의하여 어두운 상태가 표시되는 방법이 제안되었다(일본 특허공개 제62-50735).
그러나 이러한 방법은 기억소자를 제공할 수 없고, 매트릭스 전극들을 이용하여 표시할 수 없다.
전술한 바와 같이 종래의 방법에 의하면 안정된 기억소자를 개발시킬 수 없을 뿐 아니라 고 대비율과 흑색 및 백색에 의한 고 대비율을, 쉽게 생산할 수 있고 균일한 표시를 제공할 수 있는 두꺼운 셀(3㎛이상)로, 서로 양립하게 할 수 없다.
본 발명의 목적은 안정적인 기억소자가 부여된 두꺼운 셀(3㎛이상)에 관련하여 고 대비율과 흑·백색이 서로 양립될 수 있게 허용하는 강유전성 액정 광 변조소자와 액정 광 변조장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 이하에서 설명하는 발명에 의하여 달성할 수 있다. 제1발명은 적어도 하나가 투명하고 전극을 가지며 스페이서에 대향해 있는 한쌍의 기판을 포함하는 셀(cell)과, 상기 셀이 포함되는 네마틱상(N*상) 또는 등방 상(I상)이 강유전성 상(스메틱 C*상, Sc*상)의 고온측에만 나타나는 상 계열을 갖는 강유전성 액정층과, 그 사이에 셀이 사이에 겹쳐진 2개의 분극판을 포함하는 액정 광 변조소자로서, 상기 액정 분자들은 액정과 하나의 기판 사이에서의 일 경계면이 또 다른 경계면에서보다 더 약하게 고정되어 있다. 이러한 제1발명의 액정 광 변조소자는 액정 분자들이 전극을 통하여 액정층에 전기장을 인가할 때 액정 분자들의 자발분극의 반전이 일어나며 일 경계면에서의 액정 분자들의 배향(orientation)과 또 다른 경계면에서의 액정 분자들의 배향은 서로에 대하여 거의 평행하게 되어 있는 상태(a)이거나 자발분극의 반전에 의하여 서로 교차하는 상태(b)일 수 있을 정도로 약한 것을 특징으로 한다. 셀을 겹친 2개의 분극판은 광 투과율이 상태(b)에서 보다 상태(a)에서 더 낮게 배열되어 있다.
제2발명은 2개의 기판중 적어도 하나가 투명하고 전극들이 있으며 스페이서에 의하여 서로 대향하여 있는 한 쌍의 기판으로 구성된 셀과, 이러한 셀 속에 들어 있고 네마틱 상(N*상) 또는 등방상(I상)이 강유전성 상(스메틱 C*상, Sc*상)의 고온측에만 나타나는 상 계열 사이에 셀이 사이에 겹쳐진 2개의 분극판 및 전극들을 통하여 액정층 내에 있는 주어진 화상요소에 주어진 전기장을 인가하는 수단을 포함하며, 액정분자들이 액정과 기판중 하나 사이의 일 경계면에서 다른 경계면에서 보다 더 약하게 기판에 고정되어 있고 상기 약하게 고정된 액정분자는 상기 전극들을 통하여 액정층에 전기장이 인가될 때 액정분자들의 자발분극의 반전이 일어나고, 일 경계면에서의 액정분자들의 배향과 다른 경계면에서의 액정 분자들의 배향이 서로에 대하여 거의 평행하게 되어 있는 상태(a)이거나 자발분극의 반전에 의하여 서로 교차하는 상태(b)일 수 있다. 셀을 겹친 2개의 분광판들은 광투과율이 상태(b)에서 보다 상태(a)에서 더 낮게 배열되어 있다.
제3도는 본 발명에 의한 액정 광 변조장치의 구조를 도시한 사시도로서, 강유전성 액정층(10)은 각각 전극(13, 13')을 갖는 투명한 기판(20, 20')사이에 끼어 있다. 스페이스(비도시)가 기판(20, 20')사이에 제공되어 있고, 밀봉재(비도시)가 외부로부터 액정층을 격리시킬 수 있도록 기판 둘레에 형성되어 있다.
배향 제어박막(비도시)이 기판과 액정층 사이의 경계면에 제공되어 있어 마찰된다. 분광판(9, 9')은 액정층(10), 전극(13, 13') 및 상·하측의 기판(20, 20')으로 구성된 셀을 그 사이에 끼워 넣을 수 있게 배열되어 있다. 분극축(11, 11')은 서로에 대하여 직교되게 되어 있다.
구동회로(14, 14')는 전압이 주어진 순서(sequence)에 따라 미리 정하여진 화상요소에 인가될 수 있도록 전극(13, 13')에 연결된다. 제3도에 있어서 전극들은 매트릭스 전극이고 전압은 주어진 순서로 상기 전극들에 의하여 형성된 화상요소에 인가된다.
본 발명은 제1도를 참조하여 설명될 것이다. 제1도는 액정소자내에 있는 상부기판과 하부기판 사이에서 액정분자들이 자발분극의 방향들의 분재를 나타낸 도면이다.
제1도에 있어서 벡터(2)는 기관들 사이에 있는 액정층과 평행한 평면에 대해 분자의 장축방향으로 벡터를 투영함으로써 얻어지는 벡터(C-방향자)이고 벡터(3)는 벡터(2)와 직교되는 자발분극의 방향을 나타낸다.
본 발명에 있어서 액정분자들은 일 경계면(5)에서는 약하게 고정되어 있고, 또 다른 경계면에서는 더 강하게 고정되어 있다.
제1도(a)도는 경계면(5)에서의 분자들의 방향이 경계면(6)에서의 분자들의 방향과 거의 동일한 경우를 도시한 것이다. 이러한 경우에는 상부기판과 하부기판 사이의 액정분자들의 배향 방향이 균일하다. 제1(b)도 또는 제1(c)도에서, 일정한 진폭을 가지고 극성이 (a)인 경우와 반대로 되어 있는, 전기장이 액정층에 인가될 때, 경계면(5)에서 더 약하게 고정되어 있는, 액정분자들의 자발분극은 반전되지만 경계면(6)에서 더 강하게 고정되어 있는 액정분자들의 자발분극은 그대로 남아 있다.
본 발명에 있어서 Sc*상의 고온측에서만 N*상 또는 I상을 나타내는 강유전성 액정합성물이 경계면 처리를 받는 셀 내에 충전되어 있어서 분자들이 일 기판상에서는 고정되고 또 다른 하나의 기판상에서는 전환되며, 액정 셀이 사이에 끼어 있는 2개의 분극판들은 상부기판과 하부기판상의 액정분자들이 서로 평행하게 있거나 거의 평행하게 있을 때에는 어두운 상태를 얻을 수 있도록 세트되게 한다. 이러한 경우에 분극판들의 더 바람직한 배열은 분극축들이 서로에 대하여 직교적이고 하나의 분극판의 분극축이 고정된 경계면서 분자의 장축방향에 대하여 평행으로 또는 수직으로 세트되어 있는 상태이다. 여기에서 고정된 경계면은 폴리이미드와 같은 방향 제어박막이 동일축 방향으로 마찰과 같은 것으로 처리되는 경계면이다.
흑·백 대비를 개선시키기 위하여, 기판에 대하여 수직으로 전파되고 파장(λ)을 가진 광선의 상기 강유전성 액정합성물의 2개의 굴절률(ne, no) 차에 의하여 정의되는 굴절률 비등방성을 Δn이라 하고 또는 셀 두께를 d라고 할 때, 셀 갭(d)은 파라미터(Δn·d/λ)가 광변조 소자용으로 이용되는 파장범위 안에서 2.25d·Δn/λ0.75를 만족시킬 수 있도록 설정될 수 있다.
여기에서 ne는 광선의 이동방향 및 분자의 장축에 의하여 형성되는 각에 따라 변동되고 방향들이 직교될 때 최대가 되는 즉 n//과 동일하게 된다.
광선의 이동방향 및 분자의 장축에 의하여 형성되는 각이 0일 때 즉 그들이 서로에 대하여 평행하게 되어 있을 때에는 ne는 최소가 되고, 즉 n 과 동일하게 되고 Δn은 0이 된다.
예를 들면, 표시소자와 같은 가시광선 영역의 광 변조소자에 있어서 0.45㎛ 내지 0.60㎛가 이러한 파장영역으로서 충분할 것이다.
더욱이 두꺼운 셀 내의 흑백 대비를 개선하기 위하여 액정의 자발분극을 Ps로 표시하고, 탄성상수를 B2로 표시하고, 액정의 장축에 대하여 수직방향으로 되어 있는 유전상수는 ε
Figure kpo00003
로 표시하고, 셀갭을 d로 표시되는 것으로 가정하면, 다음의 공식을 만족시킬 수 있도록 액정재료가 선택되고 셀갭이 설정될 수 있다.
Figure kpo00004
상기 탄성상수(B2)의 정의 및 측정방법을 아래와 같이 설명될 수 있다.
종래에는 탄성상수를 네마틱 액정으로부터 유추한 방향자(분자의 장축방향을 나타내는 단위벡터)의 변형에 대하여 정의하였고 여러 가지 이론들이 전개되었다. 탄성상수로서, 방향자(director)의 퍼짐(splaying), 비틀림(twisting) 및 휨(bending)의 변형으로 형성된 3가지가 채용되고, 많은 경우에 있어서 K1, K2, K3로 표시된다.
그러나, 이와 같은 정의에 의하면 충구조의 존재가 무시되고 각 변형을 독립적으로 생기게 할 수 없고 이러한 변형들을 측정할 수단이 없다. 반면에 다양한 스위칭이 층구조의 존재하 및 일정한 경사각을 가지고 일어난다는 실험적 사실에 근거하여, 본 발명은 전술한 바와 동일한 방법으로 방향자를 층 평면에 투영한 C-방향자의 변형에 의하여 정의된 탄성상수를 채용하고, 이러한 탄성상수는 펴짐, 휨 및 비틀림 변형에 대하여 각각 B1, B2, B3로 표시한다. 즉 B1및 B2는 층내의 변형에 대한 강성을 표시하고, B3는 층들 사이의 변형에 대한 강성을 표시한다. 이와 같이 그 물리적 의미가 명백하다. 더구나 B1과 B2는 하나의 층내에서 발생하는 변형에 관한 것으로서, 서로 관련되어 있고, 서로 거의 동일하다. 그러므로 B2(=B1) 및 B3의 측정은 재료에 대한 상수로서 충분하다.
B3는 D.C자장이 층에 대하여 평행으로 수직배향셀(층은 기판에 대하여 평행임)에 인가될 때 모노스코프 영상(monoscopic image)의 중앙축의 편차각(β)을 측정하여 얻을 수 있다. 변형이 충분히 작은 때에는 탄성계수(B3, β)는 다음의 공식으로 표시하는 관계를 가진다.
Figure kpo00005
상기 식에서 Ps는 자발분극을, E는 인가된 전기장을 ℓo는 나선형 피치를, θ는 경사각을 각각 나타낸다.
Ps는 Sawyer-Tower법에 의하여 측정하고 ℓo는 편광 현미경을 이용하는 직접 관찰에 의하여 측정하며, θ는 셀이 교차된 프리즘 사이에 놓이고 한편 액정에 정·부 D.C전압이 인가될 때 소광 위치를 측정함으로써 얻는다. ℓo가 현미경 분해의 1㎛보다 더 짧은 때에는 수직배향셀의 투과 스펙트럼으로부터 얻은 특성반사 파장을 1.6의 평균 굴절률로 나누어 얻을 수 있다.
반면에 B2는 다음과 같이 얻을 수 있다. 방향이 평행으로 되어 있는 쐐기모양의 셀(층은 기판에 대하여 거의 수직으로 되어 있다)내로 나사선이 사라지기 시작하는 임계 셀 두께(dc)를 측정한다. 그 다음에 여기에서 얻은 dc를 이용하여 다음의 공식으로부터 B2를 구하고 B3는 상기 방법에 의하여 구한다.
Figure kpo00006
본 발명의 한 요건인 I·Sc* 또는 N*·Sc*의 상계열을 나타내고 상부기판과 하부기판의 배향제어 능력상의 차이를 생기게 하고 액정을 기판중 하나에 고정시키고 이를 또 다른 기판으로 전환시키는 강유전성 액정을 이용하여 실시하는 조치를 설명하면 다음과 같다.
I·Sc*또는 N*·Sc*의 상계열을 가지고 있는 액정의 분자들은 액정과 폴리이미드와 같은 배향성 박막이 구비하는 기판중 하나 사이의 경계면에 강하게 고정되어 있고 후에 마찰과 같은 것으로서 액정분자들을 단일축방향으로 제어하기 위하여 처리된다. 예를 들면 전술한 처리가 없을 때에는 또 다른 기판에 대한 배향제어는 적다. 이러한 기판들과 액정결정을 포함하고 있는 셀이 전자의 기판에서 배향방향을 안정시켜서 Sc*상을 형성시킬 수 있는 전기장을 인가함으로써 서서히 냉각되는 때에는 점진적 냉각중에 얻은 마찰방향과 평행으로 되는 배향이 더 안정되고 반대극성의 전기장이 인가될 때 얻는 배향은 비교적 불안정하다.
이러한 2개 배향들의 안정성상의 차이는 상부기판과 하부기판에 주어진 배향제어 가능성의 차이를 정도에 따라 제어할 수 있다. 상부 및 하부기판의 배향을 제어할 수 있는 능력의 차이가 적절히 제어될 때에는 점진적 냉각중의 배향상태만이 전기장 없이 안정되게 실현되고 반대극성의 전기장이 인가될 때 얻어진 배향은 불안정하게 된다. 이와 같이 전기장이 반대극성의 전기장이 인가된 후 제거되면, 배향상태가 분극벡터의 방향이 2개의 기판상에서 거의 반대가 되고 펴짐 상태로 변경된다. 이와 같은 펴짐 상태는 더 쉽게 생성되고 셀 두께가 증가되는 상태이다. 이러한 셀에 있어서 마찰방향으로 거의 균일한 배향의 안정성은 점진적 냉각과 배향의 제어 하에서의 Sc*상 형성 및 전기장의 인가 등에 의하여 더 높아지고 펴짐 상태의 안정성은 셀 두께의 증대에 의하여 높아진다.
전술한 조치에 의하여 마찰방향으로 거의 균일한 배향상태(a)와 펴짐 상태(b) 또는 (c)의 2가지 방향상태들이 제1도에 도시된 바와 같이 이중 안정상태를 나타내는 두꺼운 셀에 의해서도 안정된 강유전성 액정소자를 얻을 수 있다.
Sc*상의 고온측에서만 N*상 또는 동위 상을 나타내는 상계열을 가진 합성물의 성분들로서는 아래에 도시한 바와 같은 SA상을 취하지 아니하는 화합물이 효과적이다.
Figure kpo00007
상기 식에서 m=3일 때 n은 8 또는 9이고 m=5일 때에는 7, 8, 9 또는 10이다.
Figure kpo00008
상기 식에서 m=3일 때 n은 6, 7, 8, 9 또는 10이고, m=5일 때에는 7, 8, 9 또는 10이다.
Figure kpo00009
상기 식에서 n은 6, 7, 8, 9, 10 또는 12이다.
Figure kpo00010
상기 식에서 n은 5, 6, 7, 8, 9 또는 10이다.
Figure kpo00011
상기 식에서 n은 7, 8, 9 또는 10이다.
Figure kpo00012
상기 식에서 n은 7, 8, 9 또는 10이다.
본 발명에 있어서 유효한 화합물은 위에 열거하였으나 이에 한정되지 아니하고 SA상을 취하지 아니하는 화합물은 모두 유효하다.
파라미터(Psd)2/ε
Figure kpo00013
B2를 증가시키고 2개의 분극판에 의하여 서로 교차하는 분극축에 대비를 부여함으로써 대비율과 흑색이 왜곡 개선될 수 있고 두꺼운 셀 내에서 어느 대비가 개선될 수 있는가를 설명하면 다음과 같다.
전술한 구성요건을 달성하는 수단을 이용하여 분자들의 장축이 마찰방향에 대하여 평행으로 거의 균일한 방향을 가지는 상태와 펴짐 상태가 안정되게 존재하는 강유전성 액정소자를 얻는다.
후자의 펴짐 상태에 있어서 전기적 결합과 탄성토크에 근거한 토크비를 나타내는 파라미터(Psd)2/ε
Figure kpo00014
B2가 증가되면 Y축과 C-방항자 사이의 각으로 정의되는 (제1도 참조) 방향각(ψ)이 제2도에 도시된 바와 같은 자발분극에 의하여 형성되는 분극 전계 효과에 의하여 셀의 중앙부분에서는 π/2에서 일정하고 전체 셀 내에서의 그 부분이 증가하는 영역(7 및 8에 의하여 둘러싸인 영역)이 생기게 된다. 제2도는 셀 두께 방향에서 생기는 방위각의 변동만을 참작할 때에 액정의 연속체 이론으로부터 얻는 셀 두께의 방향으로의 방위각 분포를 도시한 것이다.
결과적으로 방위각이 전체 셀 두께의 적어도 60%내에의 π/2±5%가 되게 하려면 다음의 식을 만족시켜야 한다는 것을 알 수 있다.
Figure kpo00015
상기 조건들을 충족시키는 본 발명의 셀은 방위각이 0 또는 π에서 거의 균일한 상태와 방위각이 π/2(또는 -π/2)에서 거의 균일한 상태의 쌍 안정상태를 보여주는 것으로 본다.
본 발명에 의한 셀과 방위각이 0 및 π에서 거의 균일하게 되는 2개의 상태, 즉 액정분자들의 장축들이 경계면에 대하여 평행으로 되어 있는 안정된 이중상태를 포함하는 종래의 셀은 분극축들이 서로 교차하는 2개의 분극판을 이용하여 대비를 부여할 때 대비율과 흑·백 대비에서 서로 비교된다.
대비율에 관련하여, 이들은 본 발명에 있어서의 최대 대비는 종래 셀의 경사각의 2배가되는 45°의 경사각에서 얻을 수 있고, 본 발명에 따른 셀에 의하면 종래의 복굴절방식에 의하여 얻는 것과 거의 동일한 10이상의 높은 대비율을 큰 경사각(예: 45°)의 액정을 이용하여 얻을 수 있다는 것을 제외하고 동일하다.
흑백 대비에 관련하여, 제3도에 도시된 바와 같이 분극축들이 서로 교차하고 2개의 분극판(9, 9')을 이용하여 대비를 부여하는 경우에는 굴절률의 비등방성(Δn)과 셀 두께(d)의 적(積)(Δn·d∼0.28㎛)은 흑백 표시를 위한 하나의 조건으로 알려져 있다. 이것은 액정내의 2개의 광선(보통 광선과 특별광선)사이의 상차(πd·Δn/λ)가 육안에 가장 민감한 0.56㎛파장의 광선에 있어서 π/2가 되는 조건이다. 종래의 기억소자에 있어서는 표시가 액정분자들의 장축이 경계면에 대하여 평행으로 되어 있는 2가지 상태에서 행하여지기 때문에 굴절률 비등방성(Δn)의 값이 액정분자들의 장축방향으로 진동하는 광선에 대한 굴절률(n//)과 수직 방향으로의 굴절률(n
Figure kpo00016
) 사이의 차이와 동일하고 이 값은 일반적으로 약 0.1 내지 0.2이다. 더 큰 두께의 전지에 의하여 흑색과 백색으로 표시하는 것은 (n//-n
Figure kpo00017
)의 낮은 값을 가진 재료를 사용하여 실현시킬 수 있으나 이 값의 감소에는 일정한 한계가 있고 따라서 이 값은 최대한으로 0.10정도 감소시킬 수 있다. 그러므로 셀 두께의 상한은 약 2.8㎛이다.
본 발명에 있어서 2가지의 안정된 상태 하에서 어두운 표시가 실시될 때에는 광선의 전파방향과 액정분자가 서로 직각으로 있게 된다. 즉 액정분자와 경계면은 서로에 대하여 평행으로 있다. 반면, 밝은 표시가 행하여질 때에는 액정분자는 경계면 쪽으로 기울어지고 특별광선의 굴절률(ne(θt))은 보통광선의 굴절률(no(=n
Figure kpo00018
))에 더 가깝게 되며 다음의 공식으로 표시된 바와 같이 외견상 굴절률은 경사도에 따라 감소된다.
Figure kpo00019
상기 식에서 θt는 액정분자의 장축과 경계면에 의하여 형성되는 각을 나타내고 다음의 공식에 의하여 표시되는 바와 같이 경사각(θ )과 방위각(ψ )에 의하여 표시될 수 있다.
Figure kpo00020
본 발명에서는 ψ = π/2, θt=θ 이고 종래의 방법에서는 ψ =0 또는 π 이고, θt=0 이다.
경계면으로부터 액정분자들의 기울기에 의해 달성할 수 있는 셀 두께의 증가정도를 제4도에 의하여 설명하면 다음과 같다. 제4도는 셀의 경계면 가까이 있는 변형부분의 부피가 방위각이 π/2에서 일정한 셀의 중앙부분의 부피와 비교하여 충분히 작아 무시할 수 있다고 가정하여, n
Figure kpo00021
가 1.5인 경우에 계산한 흑백 표시용 최적 전지 갭을 도시한 것이다. 흑백 표시용으로 적합한 전지 갭은 경사각(θ )이 증대되고 액정의 굴절률 비등방성인 n//-n
Figure kpo00022
가 감소됨에 따라 더 두껍게 된다. θ가 증가함으로써 생기는 최적 셀갭의 증가는 본 발명의 효과이고, θ=45°의 액정재료를 사용할 때에는 최적셀 갭을 종래의 방법에 따라 달성하는 갭보다 2배 이상 증대시킬 수 있다. 예를 들면 n
Figure kpo00023
=1.5, n//-n
Figure kpo00024
=0.10 및 θ=45°의 액정재료를 사용할 때에는 최적 셀갭은 약 5.9㎛이고 셀의 생산이 더 쉬워진다. 더구나 셀갭이 변화더라도 변색은 비교적 적고 실질적으로 색의 불균일이 일어나지 아니한다.
본 발명은 전술한 바와 같은 가시광선용 광선변조소자에 대해서만 유효한 것이 아니라 자외선과 적외선용 광선변조 소자에 대해서도 유효하다. 이러한 모든 소자에 있어서 투광률의 변화는 광범위한 파장영역에 걸쳐 적으며 투광률의 변화는 셀갭의 변화에 비해서도 적다.
소자용으로 이용할 수 있는 파장범위안에 있는 모든 파장의 광선을 위한 투과가 최대값의 50%를 초과하게 하기 위하여 전기 갭 등을 다음의 공식을 만족시킬 수 있게 정할 수 있다.
0.25d·Δn0.75
전술한 조치에 의하여 고 대비율과 고 흑백 대비가 본 발명에 의한 두꺼운 셀(3㎛이상)에 의하여 서로 양립할 수 있게 된다.
[실시예 1]
폴리이미드 배향제어박막(히다찌 화학회사에서 제조한 PIQ베니쉬)을 산화인듐 투명전극들을 구비한 2개의 유리기판중 하나에 스핀코팅하였다. 이 피복을 가열에 의하여 경화시킨 다음에 마찰처리하였다. 박막의 두께는 미조지리 고가꾸 고교쇼 회사에서 제조한 일립서메터(ellipsometer)로 측정한 결과 약 100Å이다. 유리섬유 분말물 스페이서로서 이용하여 3.2㎛의 간격으로 2개의 기관들을 제공함으로써 액정 셀을 만들고 진공 하에서 다음의 액정합성물을 충전하였다.
Figure kpo00025
상기 합성물의 상계열을 다음과 같다.
Figure kpo00026
이러한 합성물을 실온에서 32°의 경사각, 41nC/㎠의 자발 분극, 0.8×10-10N의 탄성상수(B2), 파장 0.6㎛ 단색광에 있어서는 0.160, 0.45㎛의 단색광에 있어서는 0.185의 굴절률 비등방성(n//-n
Figure kpo00027
)을 가진다.
이 합성물을 진공에서 셀 속에 집어넣은 후 셀을 한번 61℃이상으로 가열한 다음에 20V의 D.C전압을 인가하면서 약 0.5C/min의 속도로 실온으로 서냉시켰다. 그 다음에 이 소자를 2개의 분극판 사이에 삽입하고 분극판중 하나를 마찰 방향에 대하여 거의 평행으로 세트시키고(온도에 따르는 경사각의 변화에 상응하여 약 100이동시키고) 다른 분극판은 그 분극축 위의 분극판의 분극축에 대하여 거의 수직이 되도록 세트시켰다. 이와 같이 얻은 소자에 서냉중 인가된 것과 동일한 극성을 가진 폭 2ms, 파고치 40V의 펄스 전압을 인가하고 그 후에 전압을 인가함이 없이 0.45㎛, 0.55㎛ 및 0.60㎛의 3색 단색광의 투광률을 측정하였다. 이러한 투광률은 3가지 색에 있어서 모두 5%이하였다. 그 다음에 동일한 펄스폭을 반대극성으로 가하고 이로 인하여 자발분극이 일어나고 분자들을 경계면에서 반전되고 경계면은 마찰처리하지 않았다.
마찬가지로 파장 0.40 내지 0.70㎛의 광선들에 대한 투광률을 측정하였다. 투광률은 0.6㎛ 근방에서 최대였고 0.45㎛, 0.55㎛ 및 0.60㎛의 광선에 있어서는 각각 73%, 87% 및 100%이었고 10이상의 대비율을 얻었다. 더구나 텅스텐 램프로부터 나오는 백색광선 하에서 가시관찰은 충분한 백색을 제공한다.
[실시예 2]
전극의 구조만이 제5(a)도에 도시된 바와 같이 3×3매트릭스의 형태로 되어 있는 것을 제외하는 실시예1에서와 동일한 구성을 가진 소자에 제5(b)도에 도시된 바와 같은 파형의 전압을 인가하였다. 먼저 초기치 설정주기(17)중에 모든 화상요소들을 균일한 상태로 유지하고 주사주기(18)중에 해당 주사전극(Vx1, Vx2,Vx3)에 시간을 할당하고 각신호전극(Vy1, Vy2, Vy3)으로부터의 신호 정보를 반송하는 파형으로부터의 차동전압을 각 선별로 얻어 연속적으로 기재하였다. 제5도에 도시된 구동파형은 다른 선상에 기재가 될 때 인가되는 펄스 전압이 스위칭에서 전압을 V0라고 하면 V0/3이 되도록 세트되었다. 여기에서 V0의 펼스 전압은 15V가 되도록 세트되고 이러한 전압의 인가는 경계면상에 약하게 고정된 분자들만을 반전시키고 경계면상에 강하게 고정된 분자들은 반전시키지 못한다. 그 결과로 해당 화상요소 내에서 흑백표시를 얻었다.
[비교실시예]
경계면처리가 상부 경계면과 하부경계면내에서 동일한 것을 제외하고 실시예1을 반복하였다. PIQ배니쉬의 농도는 실시예1의 PIQ배니쉬 농도의 1/10로 하고 매우 얇은 형태로 하였다. 이러한 소자에 있어서 밝은 상태에서 파장에 대한 투과율의 종속도는 높았고 투과율은 파장 0.40㎛정도의 광선에 있어서는 최대값을, 0.51㎛에서는 최대값의 5%미만인 최소값을 나타냈다. 텅스텐 램프로부터 나오는 백색광선으로 자색광선을 관찰하였다.
본 발명에 의하면 적어도 3㎛의 두꺼운 셀에 안정된 기억특성들을 부여할 수 있다. 그 외에도 고 대비율과 고 흑색 대비들을 서로 양립시킬 수 있고 이에 의하여 액정변조소자의 화질을 높일 수 있다.

Claims (11)

  1. 전극을 가지며 적어도 한쪽이 투명인 1쌍의 기판을 포함하고 스페이서를 통하여 대향시킨 셀, 그 셀 내에 봉합되어 강유전상(스메틱 C*상, SC*상)의 고온측에만 네마틱 상(N*상) 또는 등방상(I상)을 나타내는 상계열을 가지는 강유전성 액정층 및 상기 셀이 사이에 겹쳐지는 2개의 분광판을 포함하여, 액정측과 기판과의 일 경계면의 액정분자가 다른 경계면에 있어서의 액정분자보다도 기판에 대하여 약하게 고정되어 있고, 상기 약하게 고정된 액정분자는 상기 전극을 통하여 액정층에 전계를 인가할 때에 액정분자의 자발분극의 반전이 생길 정도로 고정되어 있고, 일 계면에서 액정분자의 배향과 다른 계면에서 액정분자의 배향이 그 자발분극의 반전에 의하여 서로 거의 평행한 상태(a)거나, 서로 교차하는 상태(b)일 수 있고, 두 분광판은 상기 상태(a)가 상기 상태(b)보다 광투과율이 낮도록 배열된 것을 특징으로 하는 액정 광 변조소자.
  2. 전극을 가지며 적어도 한쪽이 투명인 1쌍의 기판을 포함하고 스페이서를 두고 대향시킨 셀, 그 셀 내에 봉입되어 강유전상(스메틱 C*상)의 고온측에만 네마틱 상(N*상) 또는 등방상(I상)을 나타내는 상계열을 가지는 강유전성 액정층 및 상기 셀이 사이에 겹쳐지는 2개의 분광판 및 전극을 통하여 주어진 화소에 주어진 전계를 가하는 수단을 포함하여, 액정층과 기판과의 일 경계면에 있어서의 액정분자가 다른 경계면에 있어서의 액정 분자보다도 기판에 대해 약하게 고정되어있고, 상기 약하게 고정된 액정분자는 상기 전극을 통하여 액정측에 전계를 인가하였을 때에 자발분극의 반전이 생길 정도로 고정되어 있고, 제1경계면에서 액정분자의 배향과 제2경계면에서 액정분자의 배향이 그 자발분극의 반전에 의하여 서로 거의 평행한 상기 제1경계면과 제2경계면에서 분자들의 상태(a)거나 서로 교차하는 상기 제1경계면과 제2경계면에서 분자들의 상태(b)일 수 있고, 두 분광판은 상태(a)와 상태(b)보다 광투과율이 낮도록 배열된 것을 특징으로 하는 액정 광 변조소자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전극은 매트릭스 전극이고, 보다 약하게 분자를 고정한 경계면상에서의 분자의 자발분극이 반전하는 전압보다 높고, 보다 강하게 분자를 고정한 경계면상에서의 분자의 자발분극이 반전하는 역치전압보다도 낮은 전압을 상기 광투과율이 낮은 상태로부터 높은 상태로 스위칭하도록 선택한 화소에 인가하는 수단을 구비하느 것을 특징으로 하는 액정 광 변조장치.
  4. 제2항에 있어서, 기판에 대하여 수직으로 전파되고, 파장(λ)의 빛에 대한 강유전성 액정의 2종 굴절률(n3, n0)의 차로 정의되는 굴절률 비등방성을 Δn으로 표시하고 셀갭을 d로 표시하였을 때의 셀갭의 광 변조소자를 이용하는 파장 범위 안에서 다음의 식, 즉 0.25d·Δn/λ0.75를 만족시키는 액정 광 변조장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 파장의 영역이 다음의 식 0.45㎛ ≤λ≤ 0.60㎛으로 표시되는 액정 광 변조장치.
  6. 제2항, 제3항 또는 제4항에 있어서, 액정의 자발분극을 Ps, 탄성 상수를 B2, 액정분자 장축에 직교하는 방향의 유전율을, 셀갭을 d로 할 때
    Figure kpo00028
    이라는 조건을 만족시키는 것을 특징으로 하는 액정 광 변조장치.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 분광판의 분광축이 서로 거의 직교하고 있는 것을 특징으로 하는 액정 광 변조장치.
  8. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 분광판이 광투과율이 더 감소하도록 설정될 때, 2개의 경계면의 어느 하나의 액정 분자 장축의 평균 방향이 2개의 극판중 어느 하나의 분광판을 통과한 빛의 전기 벡터와 거의 평행 또는 수직인 것을 특징으로 하는 액정 광 변조 장치.
  9. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 1축으로 배향된 액정 배향제어박막이 기판의 적어도 한쪽에 형성된 것을 특징으로 하는 액정 광 변조 장치.
  10. 전극을 가지며 적어도 한쪽이 투명인 1쌍의 기판을 포함하고 그페이서를 통하여 대향시킨 셀, 그 셀 내에 봉합되어 강유전상(스메틱 C*상, SC*상)의 고온측에 네마틱 상(N*상) 또는 등방상(I상)을 나타내는 상계열을 가지는 강유전성 액정층 및 광 투과양을 제어하는 1쌍의 분광판을 포함하여, 액정측과 기판과의 일 경계면의 액정분자가 다른 경계면에 있어서의 액정분자보다도 기판에 대하여 약하게 고정되어 있고, 상기 약하게 고정된 액정분자는 상기 전극을 통하여 액정층에 전계를 인가할 때에 액정분자의 자발분극의 반전이 생길 정도로 고정되어 있고, 일 계면에서 액정분자의 배향과 다른 계면에서 액정분자의 배향이 그 자발분극의 반전에 의하여 서로 거의 평행한 상태(a)거나, 서로 교차하는 상태(b)일 수 있고, 두 분광판은 상기 상태(a)가 상기 상태(b)보다 광투과율이 낮도록 배열된 것을 특징으로 하는 액정 광 변조소자.
  11. 전극을 가지며 적어도 한쪽이 투명인 1쌍의 기판을 포함하고 스페이서를 두고 대향시킨 셀, 그 셀 내에 봉입되어 강유전상(스메틱 C*상)의 고온측에만 네마틱 상(N*상) 또는 등방상(I상)을 나타내는 상계열을 가지는 강유전성 액정층 및 광 투과양을 제어하는 1쌍의 분광판을 포함하여, 액정층과 기판과의 일 경계면에 있어서의 액정분자가 다른 경게면에 있어서의 액정 분자보다도 기판에 대해 약하게 고정되어 있고, 상기 약하게 고정된 액정분자는 상기 전극을 통하여 액정측에 전계를 인가하였을 때에 자발분극의 반전이 생길 정도로 고정되어 있고, 일 경계면에서 액정분자의 배항과 다른 경게면에서 액정분자의 배향이 그 자발분극의 반전에 의하여 서로 거의 평행한 상태(a)거나 서로 교차하는 상태(b)일 수 있고, 두 분광판은 상태(a)와 상태(b)보다 광투과율이 낮도록 배열된 것을 특징으로 하는 액정 광 변조소자.
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