KR0159969B1 - 액정 소자 및 이를 구동시키기 위한 액정 장치 - Google Patents

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에쯔로 기시
히로가쯔 미야따
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미따라이 하지메
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Abstract

액정 소자는 한 쌍의 기판들, 및 이들 기판 사이에 배치된 적어도 2개 이상의 안정 상태들을 나타내는 키랄 스메틱 액정으로 구성된다. 기판들 중 적어도 하나는 정방향과 이 정방향에 거의 반대되는 역방향을 포함하는 2개의 방향들로 일축 배향 처리된다. 액정은 상기 2개의 안정상태들 사이의 각도의 1/2인 겉보기 틸트 각도 θa, 틸트 각도, 및 기판 표면에 대한 프리틸트 각도 α를 제공하는 배향 상태로 배치되고, 법선으로부터 상기 기판 표면까지의 경사각 δ를 형성하는 스메틱 층을 형성하며, 다음 식/2θa≤/, 및

Description

액정 소자 및 이를 구동시키기 위한 액정 장치
제1a도 및 제1b도는 액정 분자 이동을 도시하기 위한 개략도.
제2a도 및 제2b도는 본 발명에 따른 액정 소자 내의 전극 기판 경계에서 액정 분자의 일측 배향 처리와 표면 프리틸트 사이의 관계를 도시하기 위한 개략도.
제3a도 및 제3b도 각각은 본 발명에 따른 액정 소자에 가해진 러빙 처리를 도시하기 위한 사시도 및 측면도.
제4도는 C1 배향 및 C2 배향을 도시하기 위한 액정 상태의 개략도.
제5a도 및 제5b도는 C1 배향 및 C2 배향 내의 기판 경계 부근에서의 액정 배향 상태들 각각을 도시하기 위한 개략도.
제6도는 본 발명에 따른 액정의 실시예에 채택된 구조를 도시하기 위한 단면도.
제7a도는 후술할 실험적 예에서, 액정 분자 이동의 측정 방법을 도시하기 위한 액정 소자의 개략도이고, 제7b도는 사용된 2개의 전압 파형을 도시한 도면.
제8도 및 제9도 각각은 본 발명의 실험적 예에서 얻어진 소자의 평균 프리틸트 각도 |αav|와 액정 분자 이동의 속도 사이의 과계를 도시하는 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 액정 분자 13 : 에지 영역
21a,21b,200 : 전극 기판 22a,22b : 투명 기판
23a,23b : 배향 제어층 24,43 : 스페이서
25 : 키랄 스멕틱 액정 26a,26b : 편광판
40 : 배향 처리 방향 42 : 기록 파형
210 : 스멕틱 층 330 : 액정 분자 지시자
본 발명은 키랄 스멕틱 액정(chiral smectic liquid crystal)으로 충전된 액정소자에 관한 것으로, 이것은 예를 들어 컴퓨터의 단말 디스플레이, 워드프로세서, 타이프라이터, 텔레비젼 수상기, 비디오 카메라의 뷰 화인더(view finder), 그리고 투사기 및 액정 프린터의 광 밸브 등에 사용된다. 본 발명은 또한 이러한 액정 소자가 장착된 액정 장치에 관한 것이다.
강유전성 액정 분자의 굴절률 이방성을 이용함으로써 평광 소자와 조합하여 투과광을 제어하는 형태의 액정 소자는 클라크(Clark) 및 라거월(Lagerwall)의 미합중국 특허 제4,367,924호 등에서 제시되었다. 강유전성 액정은 일반적으로 키랄 스멕틱 C 상(SmC*) 또는 H 상(SmH*)을 갖고 있고, 이러한 상태에서, 인가된 전계에 대응하여 제1 광학적 안정 상태와 제2 광학적 안정 상태 중에서 어느 한 상태를 취하고, 전계 부재시에는 이러한 상태를 유지하는 성질, 즉 쌍안정성을 나타내며, 또한 전계의 변화에 대한 응답이 빠르다. 따라서, 이는 고속 및 기억형 디스플레이 소자에 이용되어 특히, 큰 면적의 고해상도 디스플레이를 제공하는 것이 기대된다.
이러한 강유전성 액정을 이용하는 액정 소자에 있어서, 지금까지는 균일성 배향 상태를 얻기 위해 액정의 배향 상태를 적절히 제어하는 기술을 개발함으로써 콘트라스트와 같은 디스플레이 특성을 향상시키는 것이 바람직하다.
또한, 이러한 액정 소자에 있어서는, 배향 기술 이외에도 몇몇 문제점들이 제시되었다. 그 한가지 문제점은 소자의 구동 중에 디스플레이 소자가(일반적으로 측면 영역을 따라) 부분적으로 착색 또는 변색된다는 것이다. 이러한 현상은 제1a도(강유전성 액정 소자의 평면도) 및 제1b도(소자 내에서의 액정 분자의 움직임을 도시함)을 참조하여 설명된다.
특히, 이러한 소자가 장시간 동안 계속 구동되면, 소자 영역의 측면 또는 에지 영역(13)이 황색으로 착색 또는 변색된다. 이러한 현상은 화면 모양을 열화시킬 뿐만 아니라 관련 액정 픽셀들의 스위칭 특성을 변화시킬 수도 있다. 이러한 현상은 영역(13)에서 (전극 기판들 사이의 간격 또는 셀 두께로 불리울 수도 있는)액정층 두께를 증가시키기 위해 액정 분자들을 영역(13) 쪽으로 이동시킴으로써 발생될 수 있는 것으로 알려져 있다.
상기 문제점을 해결하기 위한 연구의 결과, 액정 분자 이동 방향은 러빙 방향에 의존하기 때문에, 기판 경계에서 액정 분자의 프리틸트 상태가 러빙에 의해 결정된다는 사실에 견주어 보면, 액정 분자 이동은 프리틸트에 의해 발생된 탄성 에너지 변화로 인해 안정되도록 발생되는 스멕틱 층의 굴곡 방향 또는 프리틸트 상태에 의존한다고 추정된다.
또한, 액정의 이동 방향과 이동량은 상기 러빙 처리 등에 의해 제어된 경계 제어력의 크기에 따라 변하는 경향이 있는 것으로 알려져 있다.
강유전성 액정 소자 내의 배향 상태에 관한 다른 문제는 액정 분자의 쌍안정 상태들 중 제1 안정 상태 및 제2 안정 상태가 서로 다른 안정도를 갖는 것이므로, 2개의 안정 상태들 사이의 스위칭에 있어서의 전압 임계치(전압 펄스의 피크 값 또는 폭)에 비대칭성이 발생한다.
2개의 안정 상태들 사이에서의 상기 차이는 기판 경계에서 액정의 작은 프리틸트 각도를 제공하는 배향 상태에서 특히 주목할 만한다. 이것은 쌍안정 상태들 사이의 스위칭이 실행되는 반면에 기판 경계과 액정 분자 사이의 상호작용에 영향을 받는다는 강유전성 액정의 본질적인 문제로 여겨진다.
특히, 작은 프리틸트 각도를 갖는 배향 상태를 가정할 수 있는 소자 구조 및 액정 물질을 포함하는 액정 소자에 있어서, 2개의 기판들 중 하나만이 일축 배향 처리시에 공급되고 다른 하나는 비-일축 배향 처리시에 공급되도록 배향 상태의 균일성을 향상시키기 위해서 강유전성 액정을 샌드위치시키는 2개의 기판들에 비대칭 배향 처리를 가끔 적용하여 왔다. 이런 경우에, 쌍안정 상태들 사이의 안정성의 차이는 일축 배향 처리되는 기판의 극성, 및 액정 분자들 사이의 상호작용에 의해서도 영향을 받을 수 있기 때문에, 이러한 요인들에 속할 수 있는 불충분한 또는 불완전한 쌍안정성은 뚜렷한 현상으로 관측된다.
상기 문제점들을 고려할 때, 본 발명의 목적은 키랄 스멕틱 액정을 사용하는 액정 소자를 제공하는 것인데, 액정 배향 상태를 균일하게 하여 높은 콘트라스트를 제공하며, 구동 중에 액정 분자의 이동은 억제되고, 액정의 전압 임계치의 비대칭성은 감소되어 양호한 쌍안정성을 제공한다.
본 발명에 따르면, 한 쌍의 기판, 및 이들 기판들 사이에 배치되어 적어도 2개의 안정 상태를 갖는 키랄 스멕틱 액정을 포함하며; 기판들 중 적어도 하나가 정방향 및 이의 역방향을 포함하는 2개의 방향으로 일축 배향 처리되고; 액정이 기판표면에 대하여 상기 2개의 안정 상태들간의 각도의 절반인 겉보기 틸트 각 θa, 틸트 각도및 프리틸트 각도 α를 제공하는 배향 상태로 배치되고, 기판 표면에 대한 법선(normal)으로부터 경사각 δ를 형성하는 스멕틱 층을 형성하는데, 이들은 다음을 만족한다:
ⓗ/2θa≤ⓗ, 및 ⓗα+δ
본 발명의 이들 및 다른 목적, 특징 그리고 장점들은 첨부된 도면을 참조하여 다음 실시예들을 통해 상세히 설명된다.
키랄 스멕틱 액정 소자의 장기간 구동 중에 액정 분자 이동 방향 및 이동 속도는 온도, 그리고 액정 소자에 인가된 전계의 강도 및 주파수와 같은 외부적 요인들과 밀접한 관계가 있는 것으로 알려져 있다. 또한, 이동은 기판 경계에서의 프리틸트의 각도 및 방향, 배향 상태, 그리고 자발 분극 Ps의 크기, 콘(cone) 각도의 크기, 및 키랄 스멕틱 액정 분자의 스멕틱 층 경사각 δ와 같은 다른 성질 등과 같은 셀의 내부 요인들에 의해 좌우되는 것으로 알려졌다.
이들 요인들 중에서, 온도, 전계 강도 및 전계 주파수는 Ps와 같이, 응답 속도에 영향을 미치는 요인과 서로 트레이드 오프의 관계가 있고, 프레임 주파수와 같은 설계 요인, 그리고 액정 소자를 사용하는 디스플레이 장치와 같은 액정 장치의 듀티비에 의해 제한되기 때문에 이들 요인들에 기초하여 현저한 향상을 기대하기는 어렵다.
따라서, 액정 물질의 물성, 및 프리틸트 각도 α와 같은 배향 특성을 포함하는 소자 설계 요인들을 독립적으로 변경시킴으로써 많은 연구가 있어 왔다. 그 결과, 높은 콘트라스트를 안정되게 제공하는 균일한 배향 상태를 얻고, 액정 분자의 콘 각도과의 특정 관계를 만족시키도록 프리틸트의 방향 및 스멕틱 층 경사각을 제어함으로써 액정 소자의 구동 중에 액정 분자 이동도 억제하는 것이 가능하다고 알려졌다.
또한, 액정 소자 내에서 액정 분자 이동을 유발하는 상기 요인들은 비대칭 배향 처리된 소자 내에서의 불충분한 또는 불완전한 쌍안정성과도 관련되어 있는 것으로 알려져 있다. 특히, 비대칭 임계치는 프리틸트 각도 α의 방향 및 스멕틱 층 경사각을 결정하는 요인들에 의해 좌우되기 때문에, 액정의 물성에 기초하여 이들 요인들을 제어할 수 있으므로, 쌍방향성에 대한 역 효과를 상당히 감소시킬 수 있는 것으로 알려졌다.
특히, 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 기판은, 그들의 헤드를 기판으로부터 상승시키는 액정 분자의 성향 및 방향성을 억제 또는 제거시키고, 액정 분자 이동을 억제하며, 프리틸트 각도 α, 겉보기 틸트 각도 θa, 층 격사각 δ 및 콘 각도중에서 상기 관계를 설정하기 위해서, 제어된 방식으로 정방향 및 역방향의 2개의 방향들로 일축 배향 처리된다. 또한, 정방향 및 역방향의 2개의 방향들로의 일축 배향 처리 결과, 스멕틱 층 경사 또는 굴곡의 방향성은 소거되고, 비대칭 임계치의 발생은 외부 요인에 영향을 받지 않으면서 양호한 배향 상태를 달성하는 방식으로 억제된다.
이후, 본 발명의 특징이 더 상세히 설명된다.
본 발명의 이론적 소자 특징은 적어도 한 기판의 액정에 접촉하는 경계면이 정방향 및 역방향을 포함하는 2개의 방향으로 일축 배향 처리된다는 것이다. 이러한 일축 배향 처리는 기판(전극 기판) 상에 제공된 절연층(배향 제어층) 또는 직접 기판을 러빙시킴으로써 양호하게 수행될 수 있다. 대안적으로, 이 일축 배향 처리는 경사 증착 또는 LB(랑뮤어-블로짓; Langmuir-Blodget) 방법에 따라 박막을 형성함으로써 수행될 수도 있다.
본 발명에서는, 일축 배향 처리가 정방향 및 역방향으로 수행되기 때문에, 배향 제어력을 약화시키는 것이 아니라, 정방향 및 역방향의 방향성, 특히 액정 분자 이동 및 비대칭 임계치에 영향을 미치는 프리틸트의 방향을 거시적으로 소거시킨다. 따라서, 후자의 일축 배향 처리(예를 들면, 역방향으로의)는 전자의 일축 배향 처리(예를 들면, 정방향으로의)의 트레이스를 완전히 제거시키지 않도록 수행되어야 한다. 이러한 이유로, 후자의 일축 배향 처리는 더 약한 강도(예를 들면, 더 약한 러빙 강도)로 바람직하게 수행되어야 한다. 연속 교대 방향들로 3번 이상 일축 배향 처리를 실시하는 경우에, 처리 강도는 점차적으로 약해지는 것이 바람직하다.
특히, 예를 들면, 정방향으로 러빙을 실행한 다음에 역방향으로 실행하는 경우에, 역방향으로의 러빙은 정방향 러빙 강도의 약 1/30 내지 1/3배의 강도로 수행되는 것이 바람직하다. 또한, 교대 방향으로 러빙을 몇차례 더 반복할 수 있다. 또한, 이 경우에는, 이전의 처리에서의 처리 강도에 비해 적어도 최종 1회 또는 2회의 처리에서의 처리 강도를 충분히 약화시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 일축 배향 처리와 이에 따른 액정 분자의 프리틸트와의 사이의 관계가 제2a도 및 제2b도를 참조하여 설명된다. 특히, 제2a도 및 제2b도 각각은 기판(21a) 상에 형성된 절연막(배향 제어층;23a)이 상호 대향하는 2개의(즉, 정방향 및 역방향) 방향들로의 러빙에 의해 일축 배향 처리되므로, 액정 분자(1)이 배향 제어막(23a)와의 경게에 대해 선정된 각도(프리틸트 각도)로 경사되게 배향되는 상태를 도시한다. 제2a도는 거의 동일한 수의 액정 분자들이 정방향 및 역방향으로의 처리에 따라 배향(경사)되기 때문에, 거의 0인, 즉 프리틸트의 방향이 거의 소거된 평균 프리틸트 각도의 절대값 |αav|을 제공한다. 반면에, 제2b도는 한 방향(이 실시예에서는 정방향)으로의 일축 배향 처리에 따라 경사진 액정 분자들의 수가 다른 방향(이 실시예에서는 역방향)으로의 일축 배향 처리에 따라 경사진 액정 분자들의 수보다 많기 때문에, 0이 아닌, 즉 프리틸트의 방향이 어느 정도 남아 있는 평균 프리틸트 각도의 절대값 |αav|을 제공한다.
본 발명에 채택된 일축 배향 처리의 양호한 실시예로서의 러빙 방식은 제3a도 및 제3b도를 참조하여 설명되는데, 이는 기판(21a) 상에 배치된 절연층(23a)을 러빙하는 방식을 각각 도시하는 사시도 및 측면도이다. 제3a도 및 제3b도를 참조하면, 러빙 롤로(RB1)은 러빙 천(20)과 마주 대하고 있고, 임의 방향(n으로 표시)으로 축 회전하는 반면, 가압 깊이 M에 따라 기판(21a) 상에 가압력을 가하고(제3b도), 기판(21a)은 원하는 방향 및 원하는 속도(V로 표시)로 공급된다.
왕복 러빙(즉, 정방향 및 역방향의 2개의 방향으로의 러빙)은 진행 방향 V로 선행하는 단부로서 한 단부 FSF를 갖는 기판(21a)을 먼저 공급한 다음에 동일한 진행 방향 V로 선행하는 단부로서 대향하는 단부 BSF를 갖는 기판(21b)을 공급함으로써 수행될 수 있다. 이러한 교대 공급(즉, 교대 방향들로의 러빙)은 원하는 만큼, 더 반복될 수 있다.
또 다른 방법으로서, 왕복 러빙은 롤러를 사용하지는 않지만, 가압 깊이 M 및 기판 공급 속도 V를 조절하는 반면, 기판(21a)[그 상부의 배향 제어막(23a)]을 러빙 천으로 러빙시킴으로써 실행될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 몇몇 파라메터들로 특징된 특정 배향 상태가 배향막 재료 및 액정 재료를 포함하는 소자 구조를 적절히 선택함으로써 제공된다는 것이다.
본 발명의 액정 소자에 있어서, 뒤틀린 배향 상태 및 균일한 배향 상태가 설정되어, 향상된 밝기 및 콘트라스트를 제공한다. 균일한 배향 상태는 액정 재료 및 배향 상태에 의해 결정된 스위칭 조건을 나타내는 관계식/2θa≤로 특징되는데, 여기에서 θa는 2개의 쌍안정 상태들 사이의 각도의 1/2인 겉보기 틸트 각도를 나타내고,는 벌크 헤리컬 상태(bulk helical state), 즉 키랄 스멕틱 액정의 물성으로 형성되는 키랄 스멕틱 액정의 콘 꼭지점 각도의 1/2인 틸트 각도(콘 각도)를 나타낸다.
반면에, 균일한 배향 상태의 키랄 스멕틱 액정은 제4도, 제5a도 및 제5b도에 도시된 바와 같이, C1 배향(상태) 및/또는 C2 배향 (상태)를 가정할 수 있는 것으로 알려져 있다.
특히, 키랄 스멕틱 액정은 일반적으로 다수의 분자들로 각각 구성된(스멕틱) 층 구조를 포함하고, 스멕틱 층 두께(일반적으로 층 간격으로 칭함)는 SmA(스멕틱 A) 상으로부터 SmC(스멕틱 C)상 또는 SmC*(키랄 스멕틱 C)상으로의 상 전이를 발생시키도록 냉각될 때에 수축될 수 있으므로, 스멕틱 층(210)들이 제4도에 도시된 바와 같이 기판(21a와 21b)들 사이의 중간점에서 굴곡되는 반면, 상기 경향은 사용된 액정 재료에 좌우될 수 있는 구조[소위, 셰브론 구조(chevron structure)]를 형성한다. 셰브론 구조에 있어서는 액정 분자 프리틸트(제4,5a, 및 5b도에 도시된 바와 같은 α)의 방향에 대해 굴곡된 상기 스멕틱층(210)의 굴곡 방향에서의 차이로 인해 서로 구별되는 2개의 액정 배향 상태[C1 배향(42) 및 C2 qogd(43)]들이 생긴다.
다시 말하면, C1 배향 및 C2 배향 부근의 액정 분자 지시자(330)들은 제5a도 및 제5b도에 각각 도시된 콘(31)들 상에 존재한다. 러빙의 결과, 기판 경계에서의 액정 분자는 프리틸트 각도 α[기판(200)과 액정 분자(330) 사이의 각도]를 형성하기 때문에, 러빙 방향(예를 들면, 제4,5a, 및 5b도에 도시된 바와 같은 일축 배향 처리 방향 A)으로 그의 헤드를 상승시킨다. 그 결과, 다음에 관계식은 액정 콘 각도, 프리틸트 각도 α 및 경사각 δ[제5a도 및 제5b도에 도시된 기판 법선(320)과 액정(또는 스멕틱) 층(210) 사이의 각도]내에서 만족된다.
C1 배향:+δα,
C2 배향:-δα
본 발명에 있어서, 액정 분자의 프리틸트의 거시적 방향을 소거시켜, 액정 분자 이동 및 비대칭 임게치를 발생시키는 방향 성분을 사실상 제거시키기 위해서 적어도 한 기판이 정방향 및 역방향의 2개의 방향들로 일축 배향 처리되는 상기 특성 이외에도, 소자 조건들은 C1 배향 및 C2 배향 둘 다를 가능케하고, C1 배향 및 C2 배향의 공존으로 이한 스멕틱 층의 평균 경사각을 감소시키며, 거의 결함이 없는 균일성의 배향 상태를 제공하도록 설정된다. 특히, 파라메터, δ 및 α들은 C2 배향을 가능케 하는 다음 관계α+δ를 만족시키도록 설정된다. 이는 또한, 균일한 배향 상태를 안정하게 형성하기 위해서 다음 관계/2α+δ를 만족하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의해 주어진 배향 상태에 있어서, 상술한 바와 같이 특별한 문제가 있는 결함의 발생은 관측되지 않았다. 반면에, 본 발명에 의해 가능한 조건 범위 내에서, 픽셀과 같은 작은 영역 내에서의 지그재그(zigzag) 결함의 증가는 예를 들어, α 또는 δ가 증가될 때에 관측될 수 있다. 관측 결과, 본 발명에서의 결함은 다음 메카니즘에 따라 발생될 수 있다고 여겨진다. 즉, 액정의 전체 영역은 서로 다른 피리틸트 각도 및 층 구조를 갖는 도메인으로 구성되고, 각각의 도메인 성장은 모든 도메인이 작은 도메인으로 억제되도록 억제된다. 그 결과, 전체 영역을 거시적으로 보면, 액정 분자 이동 방향과 개별 도메인의 단안정화(즉, 비대칭 임계치) 방향은 서로 소거된다.
또한, 액정층과 배향 제어막 사이의 경계에서 벌크 상의 거시적 영역을 관측한 결과, 파라메터 α 또는 δ가 작아질 때, 상기 작은 결함은 현저하게 사리지거나 매우 인식하기 힘든 정도로 변하는 것이 확실하다.
다양한 실험적 결과들에도 불구하고, 배향 결함이 없는 양호한 배향 상태를 제공하고 액정 분자 이동을 방지하는 커다란 효과는 프리틸트 각도 α가 3°이하이고, 스멕틱 층 경사각 δ가 8°이하이며 콘 각도가 12°이상일 때에 얻어진다. 특별히 더 큰 효과는 콘 각도가 22°이상일 때에 달성된다. 또한, 후술하는 실시예에서 알 수 있는 바와 같이, 특별히 양호한 결과들은 평균 프리틸트 각도 α(=αAV)가 2°이하로 억제될 때에 달성된다.
본 발명에 따른 액정 소자에 있어서, 양호하게도 액정층은 거의 책 선반 구조(bookshelf structure)로 가정할 수 있다. 이 경우, 액정 배향 결함은 감소될 수 있어, 더 큰 밝기 및 더 큰 콘트라스트를 제공한다.
또한, 본 발명에 았어서, 다음 관계α+δ의 조건이 만족되면, 프리틸트 각도 α는 정방향 및 역방향으로의 상기 배향 처리에 의해 얻어진 평균 프리틸트 각도 αav를 나타낸다.
본 발명에 따른 액정 소자에 있어서, 액정 배향 상태에 관한 상기 소자 조건들은 액정 재료, 액정 제어층 재료 및 한 쌍의 기판들에 가해진 배향 처리들 사이의 관계 등과 같은 다른 소자 요인들에 의해 실현될 수 있다.
본 발명에 사용된 액정 재료는 키랄 스메틱 액정 재료, 즉 대표적으로 키랄 스멕틱 C 상(SmC*), 그리고 몇몇 경우에서는 SmC*로 표시될 수도 있는 키랄 스멕틱 H 상(SmH*), I 상(SmI*), K 상(SmK*) 및 G 상(SmG*)을 포함하는 키랄 스멕틱 상을 갖는 액정 재료일 수 있다. 특히, 액정 재료는 예를 들어, 주성분으로서는, 메소겐기로서 비페닐 골격 또는 페닐피리미딘 골격을 갖고 있고 측쇄 또는 말단쇄로서 할로겐으로 임의 치환된 각종의 탄화수소기들을 갖고 있는 중간 형태 화합물(mesomorphic compound), 및 적어도 1종 이상의 키랄 도펀트를 포함하는 조성물로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 책 선반 구조를 구체화하기에 적합한 액정 재료로서는, 작은 층경사각 δ 및 큰 콘 각도를 나타내는 액정 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 액정 재료들의 예는 억제된 콜레스테릭(cholesteric; Ch) 상만을 보여주거나 또는 보여주지 않는 것들을 포함할 수도 있다. 이러한 액정 재료는 예를들어, 나프탈렌 골격 또는 페닐피리미딘 골격과 같은 링 구조를 갖는 메소겐기, 및 플루오르카 본기를 포함하는 중간 형태 화합물을 포함할 수 있다. 좀 더 구체적인 예는 페닐피리미딘, 페닐벤존, 비페닐, 나프탈렌 등의 일 구조 골격과 플루오르알킬기, 특히 미합중국 특허 제4,886,619호에 기재된 말단 페르플루오르알킬기를 갖는 키랄 중간 형태 화합물; 및 링 구조 골격과 플루오르알킬기, 특히 말단 페르플루오르알킬기를 갖는 아키랄 중간 형태 화합물을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 액정 소자 내에서 기판 상에 형성된 배향 제어층은 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리비닐 알콜 또는 폴리에스터와 같은 유기질 폴리머막, 또는 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물과 같은 무기질막을 포함할 수 있다. 폴리이미드(예를 들어, Toray K.K.의 LP-64), 또는 작은 프리틸트 각도를 제공하는 경향이 있는 폴리아미드와 같은 재료를 사용하는 것이 특히 바람직하다.
제6도는 본 발명에 따른 액정 소자의 실시예에 채택된 구조를 도시한다. 제6도를 참조하면, 액정 소자는 연속적으로 그 상부에 투명 전극(22a 또는 22b)과 배향 제어층(23a 또는 23b)를 갖는 한 쌍의 기판(21a 및 21b), 키랄 스멕틱 액정(25), 및 기판들 사이에 배치된 스페이서 비드(24)를 포함한다.
기판(21a 및 21b)들 중 적어도 한 기판은 투명하고, 예를 들어 유리(양호한 예로서), 폴리머, 석영, Si 또는 Al과 같은 금속, 반도체 또는 절연 재료를 포함할 수 있다. 투명 전극(22a 및 22b)들은 예를 들어, 주석 산화물, 인듐 산화물 또는 인듐 주석 산화물(ITO)를 포함할 수 있다.
배향 제어층(23A 및 23B)들은 상술한 바와 같이 유기질 또는 무기질을 포함할 수 있고, 이들 중 적어도 한 층은 정방향 및 역방향의 2개의 방향들로 일축 배향 처리되기 때문에, 3°이하, 양호하게는 2°이하의 작은 프리틸트 각도 α(=αAV)를 제공한다. 또한, 예를 들어, Ta2O5, SiO2또는 SiN으로 된 쇼트 회로 방지 절연층(22a)[또는 22b)를 투명 전극(21a)[또는 21b]과 배향 제어층(23a)[또는 23b] 사이에 배치할 수 있다.
스페이서(24)는 예를 들어, 알루미나 또는 실리카의 미세 입자들을 포함할 수 있다. 한 쌍의 기판들의 주변은 예를 들어, 에폭시 수지로 된 시일링 부재(도시 안됨)로 시일링될 수 있어서, 액정(25)로 충진된 셀 구조를 제공한다.
이렇게 형성된 액정 셀 구조는 한 쌍의 편광판(26a와 26b) 사이에 샌드위치된다. 후광(backlight;도시 안됨)에는 투광-모드 소자를 제공하기 위해서 편광판(26a 및 26b)들 중 외부에 있는 편광판이 제공될 수 있다.
상기 구조의 액정 소자의 양호한 실시예에 있어서, 한 쌍의 기판(21a 및 21b)들은 비대칭 배향 처리될 수 있기 때문에, 기판(21a 및 21b)들 중 하나만이 정방향 및 역방향의 2개의 방향들로 일축 배향 처리되고, 다른 하나에는 예를 들어, 대향하는 배향 제어막의 재료와 같거나 다른 재료로 되어 있지만 일축 배향 처리되지 않는 배향 제어막을 가짐으로써 비-일축 배향면이 제공되며, 콜레스테릭 상을 나타내지 않는 액정 재료는 기판들 사이에 배치될 수 있으므로, 균일성의 결함없는 배향 상태를 형성할 수 있다.
앞서 논의된 프리틸트 각도 α(=αAV) 및 층 경사각 δ의 파라메터들은 다음 방식으로 측정되고 액정 분자 이동 정도는 다음 방식으로 계산된다.
[프리틸트 각도 α]
측정은 Jpn. J. App. Phys. vol. 19(1980), No. 10, Short Notes 2013에 기재된 결정 회전 방법에 따라 수행되었다.
특히, 샘플 셀은 2개의 기판들과의 경계에서 액정의 경사가 평행하고 서로 동일 방향으로 되도록 한 쌍의 기판들 서로에 힘을 가함으로써 준비되었고, 그 다음에 셀은 다음 식으로 표시된 중량비 20%의 화합물과 중량비 80%의 강유전성 액정(Chisso K.K. 제품인 CS-1014, mfd.)을 혼합하여 얻어진 액정 혼합물로 채워져서 10~55℃의 온도 범위 내에서 SmA 상을 표시한다;
측정을 위해, 액정 셀은 한 쌍의 기판들에 수직이며 배향 처리 축을 포함하는 평면으로 회전되고, 회전 중에 셀은 회전면에 법선 방향으로 회전면에 대해 45°각도를 이루는 편광면을 갖는 헬륨-네온 레이저 비임으로 조사되므로, 투과광의 강도는 편광면에 평행한 투광축을 갖는 편광판을 통해 반대측으로부터 포토다이오드에 의해 측정된다.
셀에 대한 법선 방향과 간섭상(interference figure)에서의 쌍공선군(雙曲線群)의 중심점을 제공하기 위한 입사 비임 방향과의 사이의 각도 øx는 다음 식에서 치환되어 프리틸트 각도 α를 구하며,
여기에서, n0는 정상 광선의 굴절율을 나타내고, ne는 이상 광선의 굴절율을 나타낸다.
[SmC*상에서의 층 경사각 δ]
약 70㎛ 두께의 유리 시트는 배향 처리되고 서로에 힘이 가해져서 셀을 형성하는데, 이 셀은 키랄 스멕틱 액정으로 채워진 다음에 배향을 위해 냉각된다. 최종 셀은 정상 X-선 회절 분석되어 층 경사각 δ를 구한다.
[액정 분자 이동]
측정 방법은 제7a도 및 제7b도를 참조하여 설명되는데, 제7a도는 샘플 액정셀의 개략적 평면도이고, 제7b도는 샘플 셀에 인가된 신호들을 도시한다.
(본 발명에 따르거나 따르지 않은) 방법으로 준비된 한 쌍의 기판들은 서로에 힘이 가해져서, 배향 처리 방향(40)은 인쇄된 상호 평행 스트립 스페이서(43)에 수직으로 배치되고, 그들 사이의 갭은 양측 상에 시일링되지 않은 채로 액정으로 채워져서 샘플 셀을 형성한다. 그 다음, 실리콘 오일(44)가 액정 분자 이동의 마커 또는 지시자로서 시일링되지 않은 양측 상에 떨어지어지고, 제7b도에 도시된 바와 같이, 기록 파형(42 또는 42a)[펄스 전압=20볼트, 펄스 폭=30μsec(임계치의 1.2배), 바이어스 비(比)=1/3, 듀티비=1/1000]는 셀에 인가되기 때문에, 최종 액정 분자축은 제7a도에 도시된 바와 같이, 방향(41 또는 41a)으로 배향된다. 구동 결과로, 액정 분자 이동이 발생되면, 실리콘 오일은 셀 내로 들어가서 액정 이동의 정도를 나타낸다. 후술할 실시예에서, 액정 분자 이동 속도는 셀 내로 유입된 마커의 거리에 의해 계산된다.
이제, 본 발명은 실험적 실시예에 기초하여 더욱 상세히 설명한다.
[실시예 1]
약 150nm 두께의 ITO 투명 전극이 각각 제공된 1.1mm 두께의 2개의 기판들은 20초 동안 2700rpm으로의 스핀 코팅에 의해 그 상부에 떨어진 폴리이미드선구 물질(precursor)(Toray K.K. 제품인 LP-64)의 NMP/nBC(=2/1) 혼합 용제내에서 중량비 0.7%의 용액으로 각각 코팅된 다음에, 80℃로 5분간 건조된 후, 1시간 동안 270℃로 가열시켜, 5nm 두께의 방향 제어막을 형성한다.
상기 방식으로 만들어진 배향 제어막이 각각 제공되어 있는 12쌍의 기판들은 제3a도 및 제3b도에 도시된 장치를 사용하여 나일론 천으로 러빙시킴으로써 배향 처리된다. 먼저, 기판들 각각의 쌍들은 러빙 강도 RS[=NM(2πrn/V-1)=214(mm)]로 정방향으로 러빙되는데, 여기에서, N은 기판에 가해진 러빙 수(회수); M은 기판에 대한 러빙 롤러의 가압 깊이(mm); r은 러빙 롤러의 반경(mm); n은 러빙 롤러의 회전 속도(RPM); 및 V는 기판 공급 속도(mm/min)이다(제3a도 및 제3b도). 그 다음, 각각의 기판들은 321(mm)에서 7(mm)로 변하는 러빙 강도 RS2로 러빙된다. 기판들 각각의 쌍들이 처리됨으로써, 프리틸트 각도 α(=|αav|)는 다음의 표 1에서와 같이 도시된다.
그 다음, 상기와 같이 배향 처리된 각각의 쌍의 기판들 중 한 기판 상에서, 평균 입자 크기가 1.5㎛인 실리카 비드들이 분산되고, 다른 기판은 그 상부에 중첩되기 때문에, 셀을 형성하기 위해 그들의 정상 러빙 방향(그리고 또한 역방향)들은 서로 평행하고 방향이 같다.
그 다음, 각각의 셀은 온도 증가시에 상 전이 계열 Cry→SmC*→SmA→Iso를 나타내는 혼합물 액정 A로 채워지는데, 30℃의 온도 조건하의 킬라 스멕틱상에서, 이들 각각은 25°이상의 틸트 각도(콘 각도), 20°이상의 겉보기 틸트 각도 θa, 20nC/cm2의 자발 분극(Ps), 및 6.5°의 스멕틱 층 경사각 δ이다. 셀은 등방성 상의 혼합물 액정 A로 채워지고, 최종 셀은 0.5℃/min 비율로 실내 온도까지 점차적으로 냉각되어 배향을 시작한다.
이렇게 준비된 각각의 액정 셀은 상기 방식으로 액정 분자 이동 속도가 측정된다. 그 결과는 표 1 및 제8도(평균 프리틸트 각도 |αav|에 대한 이동 속도를 도시하는 그래프)에 도시된다.
결과로부터 알 수 있듯이, 액정 분자 이동 속도는 억제될 수 있고, 그 효과는 프리틸트 각도 |αav|가 2°이하로 제어될 때 현저하다.
[실시예 2]
약 150nm 두께의 ITO 투명 전극막이 제공된 1.1mm 두께의 12쌍의 유리기판들 각각은 실시예 1에서와 마찬가지로 제공된다. 각각의 쌍에서의 제1 기판은 20초 동안 2700rpm으로의 스핀 코팅에 의해 그 상부에 떨어진 폴리이미드 선구 물질(precursor)(Toray K.K. 제품인 LP-64, mfd)의 NMP/nBC(=2/1) 혼합 용제내에서 중량비 0.7%의 용액으로 각각 코팅된 다음에, 80℃로 5분간 건조된 후, 1시간 동안 270℃로 가열시켜, 5nm 두께의 배향 제어막을 형성한다.
따라서, 상기 방식으로 배향 제어막이 제공된 12개의 제1 기판들은 제3a도 및 제3b도에 도시된 장치를 사용하여 나일론 천으로 러빙시킴으로써 배향 처리되기 때문에, 이들은 먼저, 러빙 강도 RS1=214(mm)로 정방향으로 러빙된 다음, 321(mm)에서 7(mm)로 변하는 러빙 강도 RS2로 역방향으로 러빙된다.
또한, 12쌍에서 12개의 제2 기판들은 20초 동안 2000rpm으로의 스핀 코팅에 의해 그 상부에 떨어진 실란 결합 용제(OSD-E)의 에틸 알콜 내에서 중량비 0.5% 용액으로 각각 코팅되지만, 러빙 처리되지는 않는다.
이렇게 처리된 각각의 쌍의 기판들은 몇몇 실헌 결과에 기초한 대응하는 러빙 조건하에서 얻어진 실시예 1에 대한 표 1에 도시된 프리틸트 각도 α(=|αav|)를 도시한다.
그 다음, 각각의 쌍의 기판들 중 한 기판 상에서, 평균 입자 크기자 1.5㎛인 실리카 비드들이 분산된 다음 다른 기판이 그 상부에 중첩되어 셀을 형성한다.
그 다음, 각각의 셀에는 등방성 상의 동일한 혼합물 액정 A(실시예 1에서 사용된)가 진공하의 주입에 의해 채워진 다음, 0.5℃/min 비율로 실내 온도까지 점차적으로 냉각되어 배향을 시작한다.
이렇게 준비된 각각의 액정 셀은 상기 방식으로 액정 분자 이동 속도가 측정된다. 그 결과는 표 1 및 제9도(평균 프리틸트 각도 |αav|에 대한 이동 속도를 도시하는 그래프)에 도시된다.
액정 분자 이동 속도는 억제되고 그 효과는 프리틸트 각도 |αav|가 2°이하로 제어될 때 현저하다. 결과로부터 알 수 있듯이, 액정 분자 이동 속도는 실시예 1에서보다 매우 느리다. 이것은 한 쌍의 기판들 사이에 있는 비대칭 배향층에 기인할 수 있는데, 이는 이동을 발생시키는 토크를 감소시킬 수 있다.
[실시예 3]
12쌍의 기판들이 제공되고 이들은 실시예 1에서와 동일한 방식으로 배향 처리된다.
각각의 쌍의 기판들 중 한 기판 상에서, 평균 직경이 1.5㎛인 실리카 비드들이 분산된 다음, 다른 기판이 그 상부에 중첩되기 때문에, 그들의 정상 러빙 방향(또한 반대 러빙 방향)들은 서로 평행하고 방향은 반대이다(즉, 역평행).
액정 분자 이동은 실시예 1에서와 같은 방식으로 측정된다.
그 결과, 액정 분자 이동은 또한 피리틸트 각도 |α|≤2°에서 효과적으로 억제된다.
또한, 상기 실시예 1 내지 3 전체를 통해서, 액정 분자 이동은 인가된 전압 및 온도가 약간 변하더라도, 2°이하의 평균 프리틸트 각도 α에서 효과적으로 억제되었다. 이러한 경향은 셀의 두께가 약 2㎛로 증가되었을 때 관측된다. 또한, 2°이하의 평균 프리틸트 각도를 갖는 셀들은 쌍안정 상태들 사이에서 스위칭 임계치의 완화된 비대칭성을 보여준다. 따라서, 본 발명의 목적은 충분히 달성된다.
상기 실시예들의 결과로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 액정 소자에 따르면, 액정층 두께의 변화를 발생시키는 액정 분자 이동은 효과적으로 억제될 수 있고, 양호한 스위칭 특성, 및 큰 콘트라스트를 제공하는 균일성의 균일한 배향 상태가 실현된다. 따라서, 본 발명에 액정 소자는 여러 구동 회로와 조화하여, 광 밸브 및 디스플레이 장치와 같은 액정 장치를 구성하기에 적합하다.

Claims (30)

  1. 액정 소자에 있어서, 한 쌍의 기판, 및 상기 두 기판 사이에 배치되고 최소한 2가지 안정 상태를 나타내는 키랄 스멕틱 액정(chiral smectic liquid crystal)을 포함하며; 상기 기판들 중 적어도 한 기판은 정방향과 상기 정방향에 실질적으로 반대인 역방향을 포함하는 2개 방향으로 일축 배향 처리(uniaxial aligning treatment)되고; 상기 액정은 기판 표면에 대하여 상기 2가지 안정 상태들간의 각도의 1/2인 겉보기 틸트(tilt) 각 θa, 틸트 각, 및 프리틸트 각도 α를 제공하는 배향 상태로 배치되고, 상기 기판 표면에 대한 법선으로부터 경사각 δ를 이루는 스멕틱 층들을 형성하여,/2θa≤및α+δ의 관계를 만족시키며; 상기 액정은 2도 이하의 평균 프리틸트 각 α를 제공하는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 일측 배향 처리가 러빙 처리를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  3. 제1항에 있어서,/2α+δ의 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 액정이 8°이하의 평균 스멕틱 층 경사각 δ를 제공하는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 한 쌍의 기판 사이에 다수의 픽셀이 형성되고, 한 픽셀 내의 상기 액정은 서로 다른 프리틸트 각을 가진 영역들을 형성하며 상기 픽셀에 대해 2°이하의 평균 프리틸트 각 α를 제공하는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 기판들 사이에 다수의 픽셀이 형성되고, 한 픽셀 내의 상기 액정은 서로 다른 스멕틱 층 경사도를 가진 영역들을 형성하며 8°이하의 평균 스멕틱 층 경사각을 제공하는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  7. 제1항에 있어서, 상기 일측 배향 처리가 러빙 처리이며, 상기 러빙 처리는 정방향으로 먼저 실시된 다음에 역방향으로 상기 정방향보다 작은 러빙 강도로 실시되는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  8. 제7항에 있어서, 상기 정방향으로의 러빙 강도와 상기 역방향으로의 러빙 강도가 30:1 내지 3:1의 범위의 비율로 설정되는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  9. 제1항에 있어서, 상기 일축 배향 처리가 러빙 처리이며, 상기 러빙 처리는 정방향으로의 러빙 처리 및 역방향으로의 러빙 처리를 이 순서로 각각 포함하는 복수의 싸이클로 실시되는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  10. 제9항에 있어서, 상기 러빙 처리는 상기 복수의 싸이클로 연속적으로 더 약한 러빙 강도로 실시되는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  11. 제1항에 있어서, 상기 키랄 스멕틱 액정이 콜레스테릭 상(cholesteric phase)을 포함하지 않은 상 전이 열(phase transition series)을 가진 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  12. 제1항에 있어서, 상기 한 쌍의 기판 중 한 기판이 일축 배향 처리되고, 다른 기판은 비일축(non-uniaxial) 표면으로 유지되는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  13. 제12항에 있어서, 상기 일축 배향 처리가 러빙 처리인 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  14. 제12항에 있어서, 상기 키랄 스멕틱 액정이 콜레스테릭 상을 포함하지 않은 상 전이 열을 가진 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  15. 액정 소자에 있어서, 한 쌍의 기판, 및 상기 2개의 기판 사이에 배치되고 콜레스테릭 상을 포함하지 않은 상 전이 열을 가진 키랄 스멕틱 액정을 포함하며; 상기 기판들 중 적어도 한 기판은 정방향과 상기 정방향에 실질적으로 반대인 역방향으로 포함하는 2개의 방향으로 일축 배향 처리되고; 상기 액정은 2°이하의 평균 프리틸트 각 α를 제공하는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  16. 제15항에 있어서, 상기 일축 배향 처리가 러빙 처리를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  17. 제15항에 있어서, 상기 액정이 8°이하의 평균 스멕틱 층 경사각 δ를 제공하는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  18. 제15항에 있어서, 상기 한 쌍의 기판 사이에 다수의 픽셀이 형성되며, 한 픽셀 내의 상기 액정이 서로 다른 프리틸트 각을 가진 영역들을 형성하고 상기 픽셀에 대해 2°이하의 평균 프리틸트 각 α를 제공하는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  19. 제15항에 있어서, 상기 기판들 사이에 다수의 픽셀이 형성되며, 한 픽셀 내의 상기 액정은 서로 다른 스멕틱 층 경사도를 가진 영역들을 형성하고 8°이하의 평균 스멕틱 층 경사각을 제공하는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  20. 제15항에 있어서, 상기 일축 배향 처리가 러빙 처리이며, 상기 러빙처리는 정방향으로 먼저 실시된 다음에 역방향으로 상기 정방향보다 작은 러빙 강도로 실시되는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  21. 제20항에 있어서, 상기 정방향으로의 러빙 강도와 상기 역방향으로의 러빙 강도가 30:1 내지 3:1의 범위의 비율로 설정되는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  22. 제15항에 있어서, 상기 일축 배향 처리가 러빙 처리이며, 상기 러빙 처리는 정방향으로의 러빙 처리 및 역방향으로의 러빙 처리를 이 순서로 각각 포함하는 복수의 싸이클로 실시되는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  23. 제22항에 있어서, 상기 러빙 처리는 상기 복수의 싸이클로 연속적으로 더 약한 러빙 강도로 실시되는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  24. 제15항에 있어서, 상기 한 쌍의 기판 중 한 기판이 일축 배향 처리되고, 다른 기판은 비일축 표면을 유지하는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  25. 제24항에 있어서, 상기 일측 배향 처리가 러빙 처리인 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  26. 액정 장치에 있어서, 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따른 액정 소자, 및 상기 액정 소자를 구동하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 장치.
  27. 제1항에 있어서, 상기 키랄 스멕틱 액정은 등방성 상(isotropic phase), 스멕틱 A상, 키랄 스멕틱 상 및 결정으로 된 상 전이 열을 가진 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  28. 제1항에 있어서, 상기 액정은 링 구조와 플루오르카본기를 포함하는 메소겐기를 가진 중간 형태 화합물(mesomorphic compound)을 포함하는 액정 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  29. 제15항에 있어서, 상기 키랄 스멕틱 액정은 등방성 상(isotropic phase), 스멕틱 A상, 키랄 스멕틱 상 및 결정으로 된 상 전이 열을 가진 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  30. 제15항에 있어서, 상기 액정은 링 구조와 플루오르카본기를 포함하는 메소겐기를 가진 중간 형태 화합물(mesomorphic compound)을 포함하는 액정 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
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