KR0163944B1

KR0163944B1 - 유전율 이방성이 음이고 카이랄리티를 가지는 액정 혼합물을 이용한 액정 표시 장치

Info

Publication number: KR0163944B1
Application number: KR1019950002593A
Authority: KR
Inventors: 이신두; 서성우
Original assignee: 김광호; 삼성전자주식회사; 이신두; 서성우
Priority date: 1995-02-13
Filing date: 1995-02-13
Publication date: 1999-01-15
Also published as: KR960032043A

Abstract

본 발명은 유전을 이방성이 음이고 카이랄리티를 가지는 액정 물질, 또는 액정 물질에 카이럴 첨가제가 혼합되어 카이랄리티를 가지는 액정 혼합물을 두기판 사이에 수직으로 배향한 액정 표시 장치에 관한 것으로서, OFF 상태에서 완전히 수직 배향 상태를 유지하므로 완전히 어두운 상태를 만들 수 있어 놓은 대비비를 얻을 수 있으며, ON 상태에서는 액정 물질 자체가 가지는 카이랄리티에 따라 비틀린 상태가 되어 도파관 효과가 생기므로 입사광의 파장에 따른 투과도의 차가 작아 표시 성능을 향상시키는 효과가 있다. 또, 본 발명은 러빙 등의 새로운 공정을 추가하거나 복잡하게 구동을 하지 않고도 높은 대비비를 얻을 수 있으며, 러빙 등의 공정을 추가하여 약한 수평 배향력을 준 경우에는 더욱 뛰어난 대비비를 얻을 수 있는 효과가 있다. 또, 수평 배향 처리를 주지 않은 경우에 비틀림이 시작되는 방향이 일정하지 않고 다양하므로 수광 방향에 따른 광투과 특성이 서로 다른 비틀린 영역들의 평균으로 나타나 시야각 특성이 현저히 향상되는 효과가 있다.

Description

유전율 이방성이 음이고 카이랄리티를 가지는 액정 혼합물을 이용한 액정 표시 장치

제1도의 (a) 및 (b)는 유전율 이방성이 음인 액정 물질을 사용하는 종래의 비틀린 네마틱 방식의 액정 표시 장치를 도시한 단면도이고,

제2도의 (a) 및 (b)는 유전율 이방성이 음인 액정 물질을 사용하는 종래의 전계 조절 복굴절 제어 방식 중 DAP 방식의 액정 표시 장치를 도시한 단면도이고,

제3도는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 단면도로서, OFF 상태를 나타낸 것이고,

제4도는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 단면도로서, ON 상태를 나타낸 것이며,

제5도는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치에서의 빛의 투과율을 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1,2,3,4,5 : 액정 분자 10 : 액정층

11,12 : 기판 13,14 : 편광자

본 발명은 액정 표시 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 유전율 이방성이 음이고 카이랄리티(chirality)를 가지는 액정 혼합물을 두 기판 사이에 수직 배향한 액정 표시 장치에 관한 것이다.

일반적으로 고체는 분자의 위치와 방향이 구속되어 있어 위치 질서(positional order)와 방향 질서(orientational order)를 가지고 있으나, 고체가 녹아 액체가 되면 이 두 질서를 완전히 잃어버린다. 액정(liquid crystal)이란 고체에서 볼 수 있는 두 가지 질서 중 방향 질서만을 어느 정도 가지고 있어 액체 및 고체와는 구분되는 상(phase) 또는 상태(state)라고 할 수 있다. 액정상의 물질은 일반적으로 방향 질서를 가지고 있기 때문에 방향에 따라서 물리적 성질이 다르게 나타나는 이방성 물질이다.

액정 분자들은 가늘고 긴 막대 모양을 한 것이 일반적이고, 이 긴 분자들은 어떠한 방향으로 서로 평행하게 배열하려는 성질이 있다. 그 방향을 방향자(director)로 나타내며 액정에 존재하는 방향 질서의 정도를 이 방향자와의 관계로 나타낸다. 즉, 액정 분자가 방향자와 이루는 각을 θ라고 하면, (3cos²θ-1)/2을 평균한 값을 질서 매개변수(order parameter)라 하여 액정의 방향 질서의 정도를 나타내는 척도로 사용한다. 액정의 질서 매개변수는 일반적으로 온도가 증가함에 따라 감소하고, 대략 0.3∼0.9 사이의 값을 나타낸다.

이러한 액정을 그 질서의 태양에 따라 크게 세 가지로 분류할 수 있는데, 각각 네마틱(nematic), 콜레스테릭(cholesteric) 또는 카이럴 네마틱(chiral nematic), 스멕틱(smectic) 등이다.

네마틱 액정은 그 분자 위치에는 규칙성이 없고 분자 상호 간의 힘이 존재하여 분자들이 서로 평행으로 유지하려는 방향 질서만을 가지고 있다. 이 액정에서 분자의 방향은 위 아래가 거의 동등하기 때문에 분극이 상쇄되어 일반적으로 강유전성을 나타내지 않는다. 이 액정상의 물질들은 표시 소자에 사용되고 있다.

카이럴 네마틱 액정과 콜레스테릭 액정을 구분하여 말하는 경우도 있으나 두 액정상의 성질은 서로 유사하여 구분할 필요가 없다. 이 액정은 분자들의 방향이 작은 각도를 유지하도록 하는 분자력을 가지고 있어 네마틱 액정에서처럼 방향자가 공간의 한 방향에 고정되어 있지 않고 액정층 전체를 통하여 회전한다. 액정의 이러한 성질을 카이랄리티라고 하며 방향자가 액정층을 통하여 한 바퀴를 완전히 회전한 경우 이 거리를 피치(pitch)라고 한다. 카이럴 네마틱 액정상의 물질들은 표시 장치 외에도 압력, 온도, 자장 및 초음파나 전자장을 측정하는 데 사용될 뿐 아니라 편광판을 제작하는 데에도 사용되고 있다.

스멕틱 액정은 앞의 두 종류의 액정에 비하여 배열이 더 규칙적이고 층상 구조를 이루고 있다. 스멕틱 액정상은 방향 질서뿐 아니라 위치 질서도 함께 가지고 있다. 즉, 이 액정 분자들은 스스로 층을 만들려고 하는 경향을 가지고 있어, 액정층의 면 위에서 볼 때에는 분자의 위치에 규칙성이 없지만, 액정층의 면에 직각인 방향에 대해서는 규칙성을 가진다. 그러므로 한 방향에 대하여 분자 위치의 규칙성을 유지함과 동시에 방향 질서가 있다.

한편, 액정은 전기 감수율(electric susceptibility), 자기 감수율(magnetic susceptibility) 등의 물리적 성질이 방향자의 방향과 그에 수직인 방향에서 각각 다르다는 점에서 액정은 이방성을 가지고 있다고 할 수 있는데, 이는 앞에서 언급한 바와 같이 공간 대칭이 아닌 막대 모양의 분자들이 일정한 방향으로 배열하려는 방향 질서를 가지고 있기 때문이다.

예를 들어, 전기 감수율이 방향자의 방향과 그에 수직인 방향에서 각각 달라지므로 유전율(permittivity) 또한 방향에 따라 달라진다. 액정 방향자 방향의 유전율을 _,그에 대하여 직각인 방향에서의 유전율을 ε_⊥라고 하면,

의 두가지가 있으며 전자를 양의(p형 : positive) 유전율 이방성(dielectric anisotropy)이 있다고 하고, 후자를 음의(n형 : negative) 유전율 이방성이 있다고 한다.을 방향자라 하면 직류 전기장 E를 인가했을 때 전기 변위(electric displacement)는,

이므로 정전기적 에너지는,

가 된다. 안정된 상태가 되기 위해서는 이 값이 최소로 되어야 하므로 양의 유전율 이방성을 가지는 액정의 경우, 즉 Δε0인 경우에는 방향자가 전기장과 평행일 때가 안정하고, 음의 유전율 이방성을 가지는 경우에는 방향자가 전기장과 수직일 때가 안정하다. 따라서 양의 유전율 이방성 액정의 경우 인가된 전기장에 대하여 방향자가 평행하게 배열하려는 경향이 있고, 반대로 음의 유전율 이방성 액정의 경우에는 인가된 전기장에 대하여 수직으로 배열하려는 경향이 있다.

이방성에 따른 액정이 가지는 또 하나의 특징은 복굴절(birefringence) 현상이다. 이를 상세히 설명한다.

빛은 그 진행 방향에 대하여 수직으로 진동하고 있는 전기장과 자기장을 가지고 있다. 또한 이 전기장과 자기장의 방향은 서로 수직이다. 전자기파 내의 전기장이 공간 상의 한 방향만을 가리킨다면 이를 선편광되었다고 한다.

그러면, 선편광된 빛이 진공에서 진공이 아닌 다른 매질로 입사하는 경우를 생각하자. 만일 두 매질이 균일한 등방 매질이라고 한다면 굴절되어 각도는 변화한다 할지라도 빛은 한 방향으로 그대로 직진한다.

그러나 광학적 이방성을 지니고 있는 액정상의 물질의 경우에는 상황이 다르다. 빛이 액정의 방향자에 대하여 비스듬히 입사한다고 하고 이 빛은 액정의 방향자와 평행 또는 수직이 아닌 상태로 선편광된 빛이 액정의 방향자에 대하여 비스듬히 입사하되 빛이 입사되는 경로와 방향자는 동일한 평면 상에 있다고 하자. 그러면 이 빛은 입사면에 평행한 편광 성분과 그에 수직인 편광 성분으로 나눌 수 있다. 먼저 입사면에 평행한 편광을 가지는 빛을 고려하자. 상기한 것처럼, 액정의 방향자에 평행인 방향과 수직인 방향에서의 유전율이 다르므로 굴절률(index of refraction) 또한 다르다. 방향자에 평행인 방향의 굴절률을라 하고, 수직한 방향의 굴절률을 n_⊥라 하면, 광학적 이방성 Δn은 두 방향의 굴절률의 차로 주어지고, 이 빛의 방향자 방향과 직각 방향에서의 속도는 각각

이다. 여기에서이고 c는 진공에서의 광속, θ는 입사광의 진행 방향과 방향자가 이루는 각도이다. 그러므로 이 빛은 굴절하게 된다. 그러나 경계 면에 수직으로 편광되어 있는 빛의 경우에는 분자축 방향과 그 수직 방향의 속도 성분이 각각로 주어지고 굴절하지 않는다. 결국 이 빛은 두 갈래의 경로로 진행하게 된다.

일반적으로 굴절하지 않은 광선을 상광선이라 하고 굴절한 광선을 이상광선이라고 한다. 일반적으로 입사광에는 경계면에 수직인 광선과 경계면과 평행인 광선이 함께 포함되므로, 하나의 입사광에 대하여 상광선과 이상광선이 함께 생긴다. 이러한 현상을 복굴절이라고 한다. 복굴절이 생기지 않는 방향의 축을 광축이라고 하는데 액정에서는 분자축 방향이 된다.

상기한 바와 같은 액정 물질의 성질을 이용하여 표시 장치를 제작하는데, 액정 표시 장치는 기본적 구성의 차이에 따라서 투과형, 반사형, 투영형으로 나눌 수 있고, 전극의 형상의 차이에 따라서 세그먼트(segment)형, 매트릭스(matrix)형으로 나눌 수 있으며, 전기 신호에 의해 액정의 상태 변화를 일으켜 광학 정보로 변환하는 기구의 차이에 따라서 동적 산란(DS : dynamic scattering) 방식, 비틀린 네마틱(TN : twisted nematic) 방식, 전계 조절 복굴절(ECB : electrically controlled birefringence) 방식, 상전이(PC : phase change) 방식, 기억형 방식, 게스트·호스트(guest-host) 방식 및 열광학, 전기 열광학 효과를 사용하는 방식 따위로 구분된다.

이 중에서 순수한 액정 물질만을 이용하는 대표적인 경우인 비틀린 네마틱 방식과 전계 조절 복굴절 방식에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.

제1도 (a) 및 (b)는 유전율 이방성이 양인 액정 물질을 사용하는 종래의 비틀린 네마틱 방식의 액정 표시 장치를 도시한 도면으로서, 제1도 (a)는 전압이 인가되지 않은 상태를 도시한 것이고, 제1도 (b)는 전압이 인가된 상태를 도시한 것이다.

이 방식에서는 양의 유전율 이방성을 가지는 액정 물질을 투명 전극이 각각 형성되어 있는 두 개의 투명 기판(11,12)의 사이에 삽입한 다음 ― 이를 액정 셀(liquid crystal cell) 이라 한다 ― 각 기판(11,12)의 바깥 쪽에 각각 편광판(13,14)을 설치하고, 액정 셀 내부의 투명 전극의 표면을 처리하여 두 투명 전극 면의 액정 분자들의 방향자가 90°비틀리게 한다. 액정 셀의 두께와 액정 물질을 잘 선택하면 편광 방향의 회전이 방향자의 비틀림을 따르도록 만들 수 있다. 이러한 상태에서 양 쪽의 투명 전극에 전압을 가하면 기판(11,12) 표면 바로 위의 분자들을 제외한 액정 분자들이 기판(11,12)에 대하여 수직으로 배열한다. 제1도 (a) 및 (b)에서 화살표는 방향자를 나타낸다.

이제, 이러한 비틀린 네마틱 방식의 액정 표시 장치의 작용을 상세히 설명한다.

OFF 상태에서는 액정 셀이 도파관(waveguide) 처럼 작용한다. 한편광판(13)을 통과하여 선편광된 빛은 비틀린 액정층을 통과하면서 편광 방향이 회전한다. 빛이 액정층을 통과하여 다른 쪽 기판(11)에 도달했을 때, 빛의 편광 방향은 90°회전한다. 만일 두 개의 편광판(13,14)을 수직으로 배열하였다면, 이 빛은 두 번째 편광판을 통과할 것이다. 그러나, 두 편광판(13,14)의 편광축이 서로 평행하다면, 빛의 변광 방향이 이와 수직이므로 통과하지 못한다.

ON 상태에서는 두 기판(11,12)의 사이에 전압이 인가된다. 액정은 양의 유전율 이방성을 가지고 있으므로 액정 방향자가 기판(11,12)의 부근을 제외한 나머지 부분에서 전기장의 방향으로 배열하려 한다. 이때 경사각(tilted angle)은 전기적으로 조절될 수 있으며 이러한 방향자의 경사짐으로 인하여 액정층의 도파관 효과가 사라진다. 즉, 첫번째 편광판(13)을 통과한 편광된 빛은 그 편광 방향을 거의 바꾸지 않고 두번째 편광판(14)에 도달한다. 만일 두 편광판(13,14)의 편광축이 서로 수직하다면 이 빛은 두번째 편광판(14)을 거의 통과하지 못하나, 두 편광판(13,14)이 서로 평행하다면, 이 빛은 대부분 두번째 편광판을 통과할 것이다.

이상과 같이 빛이 투과하지 않는 OFF 상태와 빛이 투과하는 ON 상태를 얻을 수 있다.

제1도 (a)의 OFF 상태에서 액정 방향자의 비틀린 각도(twisted angle)는 90°이지만, 이른바 초비틀린 네마틱 방식(supertwisted nematic mode)에서는 비틀린 각도가 220°나 270°등으로 더 크다.

그러나, 이러한 비틀린 네마틱 방식의 경우 OFF 상태에서 비틀린 액정 구조에 따른 이른바 도파관 효과를 이용하기 때문에 후술할 수직 배향 구조의 액정 표시 장치에 비하여 완전한 어둠(extinction) 상태를 이룰 수 없다는 문제점이 있다.

이러한 비틀린 네마틱 방식 외에 전계 조절 복굴절 방식이 자주 사용된다. 전계 조절 복굴절 방식은 액정층에 전기장을 가하여 그 방향자의 방향을 바꿈으로써 일정한 편광 방향의 입사광에 대해 액정 물질의 복굴절이 나타나는 현상을 이용한 것이다. 전계 조절 복굴절 방식은 초기의 분자 배열 상태에 따라서 DAP(deformation of vertical aligned phase) 방식, 수평(homogeneous) 방식 및 HAN(hybrid aligned nematic) 방식으로 구분된다. DAP 방식에서는 액정 분자들이 OFF 상태에서 수직 배열(homeotropic alignment)을 하고 있으며 유전율 이방성이 음인 네마틱 액정이이용된다. 평행 방식에서는 액정 분자들이 OFF 상태에서 수평 배열을 하고 있으며 유전 이방성이 양인 네마틱 액정을 사용해서 표시한다. HAN 방식은 한쪽의 기판은 수평 배향 처리하고 다른쪽 기판은 수직 배향 처리하여 OFF 상태에서 액정 분자들이 이에 따라 배열될 수 있도록 하는 방식으로서, 유전 이방성이 음, 양 어느 쪽이라도 사용할 수 있다.

제2도는 종래의 전계 조절 복굴절 방식 중 유전율 이방성이 양인 액정 물질을 이용하는 DAP 방식의 액정 표시 장치를 나타낸 도면으로서, 제2도의 (a)는 전원을 가하지 않은 OFF 상태이고 (b)는 전원이 인가된 ON 상태이다.

제2도에 도시한 바와 같이 종래의 DAP 방식의 액정 표시 장치는, 한쌍의 기판(11,12)과 그 사이에 봉입되어 있는 음의 유전율 이방성을 가지는 액정 물질로 이루어진 액정 셀이 한쌍의 편광판(13,14)의 사이에 삽입되어 있는 구조로 되어 있다. 이 편광판(13,14)은 선형 편광판(linear polarizer) 또는 원형 편광판(circular polarizer)으로 이루어질 수 있으며 두 편광판(13,14)의 편광축은 서로 직교한다.

제2도 (a)와 같이 전원을 인가하지 않은 OFF 상태에서는 액정 분자가 기판(11,12)과 직각인 수직 상태(homeotropic state)에 있기 때문에 액정 셀이 입사광에 광학적 영향을 미치지 않는다. 그러므로 첫번째 편광판(13)을 통과하여 편광된 빛은 아무런 영향없이 액정 셀을 투과하여 두번째 편광판(14)에 도달한다. 두 개의 편광판(13,14)의 편광축이 서로 직교한다면 액정 셀을 투과한 빛은 두번째 편광판(14)에서 흡수되어 액정 셀이 불투명하게 된다.

ON 상태에서는 액정 셀이 복굴절 효과를 보인다. 즉, 두 기판(11,12)의 사이에 전압이 인가되어 문턱 전압(threshold voltage)을 넘어서면, 액정이 음의 유전율 이방성을 가지고 있으므로 기판(11,12)의 표면을 제외한 부분의 액정의 방향자가 전압의 세기에 비례하여 전기장의 방향에 수직으로 배열하려 한다.

이때 입사광의 편광축과 액정 방향자의 방향이 평행 또는 수직이 아니라면 복굴절 현상이 나타난다. 이에 따라 빛의 편광축이 회전을 하고 그 각도에 따라 편광판을 투과하는 빛이 생긴다. 선형 편광판을 사용하는 경우에는, 방향자와 편광판(13,14)의 편광축 사이에 각도가 ±45°일 때, 최대 투과율이 얻어진다. 원형 편광판을 사용하는 경우에는 각 편광판의 중앙에서 최대 투과율이 얻어진다. 직교 선형 편광판을 사용하는 경우에는, 편광판 중 하나가 방향자의 방향으로 배열될 때 복굴절 효과가 사라진다.

이러한 DAP 방식의 전계 조절 복굴절 방식 액정 표시 장치는 전기장이 인가되지 않은 OFF 상태에서 액정층의 광학적 이방성이 전혀 나타나지 않으므로 직교 편광판을 사용하는 경우 비교적 완전하게 빛을 차단할 수 있다. 따라서 OFF 상태에서 이른바 도파관 효과를 이용하는 비틀린 네마틱 방식에 비하여 월등히 높은 대비비(contrast ratio)를 나타낸다.

그러나, 이러한 방식의 액정 표시 장치에서는, 전압이 인가되어 액정 분자가 기판에 수직인 상태로부터 기울어질 때, 그 기울어짐이 특정한 방향으로 이루어지는 것이 아니라 무작위적으로 이루어진다. 이에 따라 광축의 방향이 다른 많은 배향 영역(domain)이 생긴다. 각 영역의 광축이 다름으로 인하여 광투과 특성이 서로 달라지므로, 액정 표시 장치의 표시 특성이 저하한다는 문제점이 있다.

또 ON 상태에서 이러한 장치를 투과한 빛의 세기 I는,

I=I_psin²2φ sin²(πdΔn/λ)

가 되는데 여기에서 I_p는 두 편광판에서 손실되는 세기를 뺀 나머지 빛의 세기, φ는 입사광의 편광 방향과 액정 분자축을 기판면에 투사한 방향이 이루는 각도, d는 두 기판 사이의 거리, Δn은 광학적 이방성, λ는 빛의 파장이다. 여기에서 알 수 있는 것처럼 이러한 DAP 방식의 액정 표시 장치에서는 입사광의 파장에 따라 투과되는 빛의 세기가 달라지므로, 특정 파장의 빛이 많이 투과되는 경우 액정 표시 장치에 나타나는 빛이 특정 색상을 띨 가능성이 많다. 그러므로 이러한 명암만을 나타내기 위해서 사용할 수 없으며 컬러 필터 따위를 부착하여 색채를 구현할 수 없다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 극복하기 위하여, 전기장을 인가하였을 때 방향자가 일정한 방향으로 기울어지게 하려는 시도가 있었다. 즉, 전압이 걸리지 않은 상태에서는 완전한 수직 배열이 아닌 약간의 각도를 주어 배열하되 그 기울어지는 방향이 한 방향이거나 비틀려 기울어지도록 하려 한 시도가 있었다.

예를 들면, 미합중국 특허 제3,914,022호(발명자: Richard Kashnow, 출원인: General Electric Company)는 준수직(quasi-homeotropic) 배향이라고 하여 OFF 상태에서 액정 분자가 수직으로부터 10°이하의 경사각을 가지게 하여 ON 상태에서 일정한 방향으로 기울어지도록 하는 방법을 제안하였다. 이 특허에서는 러빙(rubbing) 따위의 방법으로 쉬운 축(easy axis)를 형성하여, 기판의 표면에 전압이 인가되었을 때, 액정 분자의 방향자가 그 쉬운 축을 따라 기울어지도록 하고 있다.

또, 미합중국 특허 제5,182,664호(발명자: Jean-Frdric, 출원인: Stanley Electric Co., Ltd.)에서는 카이랄리티가 없는 순수한 네마틱 액정 물질을 가수직(pseudo homeotropic) 배열이라 하여 0°에서 20°사이의 각도가 되도록 OFF 상태에서 배열한 뒤, 일정 형태의 펄스(pulse)형 전압을 인가하여 순간적으로 비틀린 상태를 만들고 있다.

그러나, 이러한 장치에서 처럼 전압이 인가되지 않은 OFF 상태에서 경사각을 가지도록 하면, 약간이나마 복굴절 현상이 발생하므로 완전한 어둠 상태를 구현하기 어렵다는 문제점이 있다.

또, ON 상태에서 한 방향으로 기울어지게 하는 경우에는 하나의 광축을 가지게 되어 보는 각도에 따라 화면이 변화한다는 문제점이 있다.

또, 전압이 인가된 상태에서 특정 방향으로 기울어지거나 비틀린 상태가 되도록 하기 위해서, 러빙 처리를 하여 공정이 복잡해지거나, 특별한 형태의 전압을 인가하여 구동이 복잡해진다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서 공정이 추가되거나 구동이 복잡하지 않으면서도, ON 상태에서는 서로 다른 무작위적인 배향 영역들을 제거하고 균일한 비틀린 상태를 구현할 수 있어 색상 특성이 좋고 시야각이 넓으며, OFF 상태에서는 완전히 빛을 차단할 수 있어 대비비가 뛰어난 액정 표시 장치를 제공하는 데에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액정 표시 장치에서는 수직 배향 처리를 한 두 개의 투명한 기판이 서로 마주보고 있으며 그 사이에는 유전율 이방성이 음이고 자체로 카이랄리티를 가지는 액정 물질이 채워져 있거나, 유전율 이방성이 음인 액정 물질에 카이럴 첨가제를 혼합한 물질로 채워져 있는 액정층이 있다.

상기 액정층에 카이럴 첨가제를 추가하여 액정층의 피치를 조절할 수도 있는데, 상기 두 기판 사이의 간격을 액정층의 피치로 나눈 값이 0.08에서 1.0 사이로 하는 것이 바람직하며, 상기 액정층의 액정 물질의 광학적 이방성과 상기 기판 사이의 간격의 곱이 0.1μm에서 2.0μm인 것이 좋다.

상기 두 기판 중 한 기판 또는 두 기판 모두에 수평 배향 처리가 되어 있을 수도 있으며, 그 경우 수평 배향의 정도는 상기 두 기판의 사이에 전압이 인가되지 않았을 때의 수직 배향 상태에 영향을 미치지 못하고, 상기 두 기판 사이에 전압이 인가된 경우에는 상기 수평 배향 처리된 기판의 표면 근처의 액정층의 액정 분자들이 수평 배향 방향으로 기울어지는 정도인 것이 좋다. 또, 상기 두 기판 모두에 수평 배향 처리가 되어 있는 경우 상기 두 기판의 수평 배향 방향은 30°내지 360°사이인 것이 바람직하나 대비비를 높이기 위해서는 직각으로 하는 것이 더욱 바람직하다.

상기 두 기판에는 각각 편광자가 부착되어 있을 수도 있다. 상기 두 편광자의 편광축은 상기 두 기판 사이의 간격을 액정층의 피치로 나눈 값에 360°를 곱한 각도만큼 어긋나 있는 것이 바람직하다. 특히, 상기 두 기판 사이의 간격을 액정층의 피치로 나눈 값을 1/4로 하고 상기 편광자는 직교 또는 평행으로 하는 것이 바람직하다.

상기 두 기판 중 한 기판에 반사판이 부착되어 있을 수도 있고, 따로 발광 수단이 부착되어 있을 수도 있다.

또, 상기 두 기판 중 한 기판 또는 두 기판 모두에 위상 차판(또는 보상판)을 부착하여 시야각 특성을 향상시킬 수도 있다.

그러면 상기한 바와 같은 구성을 가지는 액정 표시 장치는 종래의 비틀린 네마틱 방식과는 정반대의 작용을 하며, 아래에서 그 작용을 상세히 설명한다.

전압이 인가되지 않은 OFF 상태에서는, 액정 분자들이 수직 배열 상태를 유지하므로 비틀린 네마틱 방식의 ON 상태와 유사하다. 약한 수평 배향력이 있는 경우에도 이는 OFF 상태에서의 수직 배열 상태에 영향을 미치지 못한다. 이러한 상태에서 편광된 빛이 한 기판을 통하여 입사되면, 이 빛을 액정층을 통과하는 동안 아무런 영향도 받지 않고 다른 쪽 기판에 도달한다. 따라서 편광자를 서로 수직으로 배치한다면 OFF 상태에서 완전한 어둠을 얻을 수 있다.

전기장이 인가되어 문턱 전압에 이른 ON 상태에서는 수직으로 배열된 액정 물질들은 음의 유전율 이방성을 가지고 있으므로 전기장에 대하여 수직으로 배열하려 한다. 또한 이 물질들은 카이랄리티를 가지고 있으므로 고유의 피치에 따라 일정한 각도를 이루면서 수평으로 기울어진다. 그러면 액정층의 배열 상태는 비틀린 네마틱 방식에서의 OFF 상태와 유사한 배열 상태가 된다. 따라서 한 쪽 기판으로 입사된 빛은 액정 분자의 배열을 따라 그 편광 방향이 회전하면서 다른 쪽 기판에 도달한다. 따라서 편광자를 입사광의 편광 방향이 회전된 정도의 각도를 유지하도록 배치한다면 ON 상태에서 빛이 투과되도록 할 수 있다.

또, 이 장치에서 따로 발광 수단을 둘 수도 있지만, 한 쪽 기판에 반사판을 부착하면 주위의 빛을 이용할 수도 있다.

그러면, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고로 하여 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명한다.

제3도 및 제4도는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치를 도시한 도면으로서, 제3도는 전압이 인가되지 않은 OFF 상태를 나타낸 것이고, 제4도는 문턱 전압 이상이 인가된 ON 상태를 나타낸다.

제3도 및 제4도에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치에서는 수직 배향 처리를 한 두 개의 투명한 절연 기판(11,12)이 서로 마주보고 있으며 그 사이에는 유전율 이방성이 음이고 카이랄리티를 가지는 액정 물질이나, 유전율 이방성이 음인 액정 물질에 카이럴 첨가제를 혼합한 물질이 채워진 액정층(10)이 있다. 그리고 기판(11,12)의 바깥쪽에는 편광축이 일정 각도를 두고 있는 편광자(13,14)가 각각 부착되어 있다.

유전율 이방성이 음인 액정 물질로는 ZLI-2857, ZLI-4330, EN-39 따위가 있으며, 이러한 액정 물질에 S811, CB15 따위의 카이럴 첨가제를 혼합하면 네마틱 물질이라 하더라도 카이랄리티를 가지게 되며, 그 혼합되는 카이럴 첨가제의 양을 조절함으로써 액정 물질의 피치를 조절할 수 있다.

액정층(10)에 접하는 기판의 양쪽 표면은 레시틴(lecithin), 헥사데실트리메틸암모늄 설페이트(hexadecyltrimethylammonium sulfate) 따위의 계면 활성제, 폴리이미드(polyimide) 수지 따위를 도포하거나, SiO 사방증착을 하거나, 랑뮈어-블로젯 필름 적층 방법(Langmuir-Blodgett film deposition method)으로 배향 흡착제를 도포하여 양 기판의 사이에 존재하는 액정 물질들이 수직으로 배향되도록 한다.

기판의 표면은 수직 배향으로 처리된 외에도 전기장이 인가되지 않은 OFF 상태에서 수직 배향 상태에 영향을 미치지 않을 정도이나 ON 상태에서는 기울어지는 액정 분자의 방향이 일정하게 될 정도의 약한 수평 배향력을 가지도록 처리한다. 수평 배향력을 주기 위해서는 앞의 수직 배향막을 일정 방향으로 약하게 러빙하거나, 일정 방향의 미세한 골(grooves 또는 trenches)을 수직 배향막 위에 형성하거나, 일정 방향으로 편광된 자외선 또는 가시 광선 따위의 빛을 조사하는 따위의 방법을 쓴다. 이러한 수평 배향 처리는 한 쪽 기판에만 할 수도 있고 양 쪽 기판에 모두 할 수도 있다. 두 기판 모두에 수평 배향 처리를 하는 경우에는, 두 기판의 수평 배향 방향이 서로 어긋나게 되도록 하는 것이 좋고, 두 기판의 수평 배향 방향이 이루는 각도가 30°에서 360°정도를 이루도록 하는 것이 바람직하다.

두 기판 사이의 거리를 d라 하고 액정의 피치를 p라 할 때, d/p는 임의로 하여 액정의 방향자가 전압이 인가된 상태에서 액정층(10) 전체를 통하여 임의의 각도로 회전하도록 할 수도 있으나, 대략 0.083에서 1.0 사이인 것이 바람직하며, 이 값이 1/4인 경우에는 ON 상태에서 액정 방향자가 액정층(10) 전체를 통하여 90°회전하도록 할 수 있다.

그러면 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 작용을 상세히 설명한다.

제3도는 전압이 인가되지 않은 상태를 나타낸다. 제3도에서 처럼 전압이 인가되지 않은 OFF 상태에서는, 액정층(10)의 액정 분자들이 수직 배열 상태를 유지한다. 수평 배향력은 수직 배열에 영향을 끼치지 않는 정도로 약하므로 수평 배향력은 이 OFF 상태에는 아무런 역할을 하지 않는다.

이러한 상태에서 첫번째 편광자(13)를 통과하여 편광된 빛이 기판(11)에 대하여 수직으로 입사되면, 이 빛은 액정 방향자와 평행하게 진행하므로 액정층을 통과하는 동안 아무런 영향도 받지 않고 다른 쪽 기판(12) 및 편광자(14)에 도달한다. 두번째 편광자(14)의 편광축이 첫번째 편광자(13)의 편광축에 수직이라면, 두번째 편광자(14)에 도달한 빛은 그 편광 방향이 두번째 편광자(14)와 수직일 것이고 따라서 두번째 편광자(14)를 통과하지 못한다. 이와 같이 본 실시예의 OFF 상태에서는 액정 방향자들이 기판(11,12)과 완전한 수직을 이루므로 완전한 어둠을 얻을 수 있다.

제4도는 문턱 전압 이상의 전압이 인가되어 액정 방향자가 변화한 모습을 도시한 것이다.

전기장이 인가되어 문턱 전압에 이르면, 수직으로 배열된 액정 물질들은 음의 유전율 이방성을 가지고 있으므로 방향자가 전기장에 대하여 수직으로 배열하려 한다. 전기장이 충분히 강한 경우에는 모든 액정 분자들이 전기장에 대하여 수직으로 배열할 수도 있으나 그렇지않은 경우에는 전기장과 90°가 아닌 일정한 각도를 유지할 것이다. 그리고 기판(11,12) 표면으로 가까워질수록 수직 배향력이 강하게 작용하므로 기판 표면으로 갈수록 수직에 가깝게 배열될 것이다. 또한 이 액정 물질들은 카이랄리티를 가지고 있으므로 고유의 피치에 따라 일정한 각도를 가지고 수평으로 기울어진다. 지면으로부터 나오는 방향을 x 방향으로 잡고 지면의 오른쪽 방향을 y 방향이라고 하면, z 방향은 윗 방향이 된다. 액정 분자(2)의 방향자가 y 방향을 향하고 있으면, 그 위의 분자(3)는 xy 평면과 평행한 평면 상에서 액정 분자(2)와 일정 각을 이루며 배열되고, 액정 분자(4)도 역시 xy 평면과 평행한 평면 상에서 액정 분자(3)와 일정 각을 이루며 배열한다. 수평 배향력이 전혀 없는 경우에는 액정 분자가 비틀리기 시작하는 방향이 일정하지 않으나 기판에 수평 배향 처리를 한 경우에는 그렇지 않고 일정 방향으로부터 비틀림이 시작된다. 한 쪽 기판에만 수평 배향 처리를 한 경우에는 수평 배향 처리된 기판 표면 부근의 액정 분자들이 모두 수평 배향 방향으로 배열할 것이고 이를 기초로 하여 방향자가 점차 회전하게 된다. 또, 두 기판의 수평 배향 방향이 일정 각을 이루도록 수평 배향 처리를 한 뒤 기판 사이의 간격을 적절히 조절한 경우에는, 액정 자체의 카이랄리티 외에도 수평 배향력에 의하여 비틀림 효과를 줄 수 있다. 그러면 방향자는 기판(11,12) 표면의 액정 분자로부터 조금씩 회전하여 전체적인 회전 각도는 (d/p)×360°가 될 것이다. 제4도에서와 같이 d/p가 0.25인 경우 전체적으로 액정 분자 2에서부터 액정 분자 4까지 90°만큼 회전한다. 그러면 액정층의 배열 상태는 비틀린 네마틱 방식의 액정 표시 장치에서의 OFF 상태와 유사한 배열 상태가 될 것이고, 따라서 종래의 비틀린 네마틱 방식에서의 도파관 효과와 유사한 효과를 얻을 수 있다.

이를 좀 더 상세히 설명한다.

기판(11,12) 및 편광자(13,14)에 대하여 수직인 z 방향으로 빛이 입사된다고 하자. 선형 편광자(13)를 통과한 빛은 xy 평면에 평행하게 편광될 것이다. 기판(11)을 통과하여 선편광된 빛은 서로 비틀려 (d/p)×360°만큼 회전되어 배열된 액정층(10)을 통과하면서 그 편광 방향이 그 각도만큼 회전한다. 두개의 편광자(13,14)의 편광축이 (d/p)×360°의 각도만큼 어긋나 있다면, 이 빛은 두번째 편광판을 통과할 것이다. 예를 들어, 두 기판(11,12) 사이의 간격 d가 액정층(10)의 피치의 1/4이고 두 편광자(13,14)의 편광축이 직교한다면 이 빛은 두번째 편광판을 무사히 통과한다. 그러나, 두 기판(11,12) 사이의 간격 d가 액정층(10)의 피치의 1/4이고 두 편광자(13,14)의 편광축이 서로 평행하다면, 빛의 편광 방향이 두번째 편광자(14)의 편광축과는 수직이므로 통과하지 못한다.

이때, 빛이 액정 셀을 투과하는 정도는 두 기판(11,12) 사이의 거리 d, 광학적 이방성 Δn, 입사광의 파장 λ 등에 의존하는데, 편광자가 서로 평행한 경우 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.

여기에서 T는 편광되지 않은 단색광의 투과율이고, u=2d(n/λ)이다. 이를 그래프로 나타내면 제5도와 같은 형태가 된다. 이 식 및 제5도에서 알 수 있는 것처럼 T는에서 극대값이 되고부터 차례로 제1극대, 제2극대 따위로 부르다. 우리 눈에 보이는 가시 광선의 파장이 대략 0.4μm에서 0.7μm까지이므로, 제3극대까지를 이용한다면, dΔn 을 2μm이하로 하는 것이 바람직하며, 특히 0.08μm에서 2μm까지로 하는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이 본 발명은 유전율 이방성이 음이고 카이랄리티를 가지는 액정 물질을 두 기판 사이에 수직 배향함으로써, OFF 상태에서 완전히 수직 배향 상태를 유지하므로 완전히 어두운 상태를 만들 수 있어 높은 대비비를 얻을 수 있으며, ON 상태에서는 액정 물질 자체가 가지는 카이랄리티에 따라 비틀린 상태가 되어 도파관 효과가 생기므로 입사광의 파장에 따른 투과도의 차가 작아 표시 성능을 향상시키는 효과가 있다.

또, 본 발명은 러빙 등의 새로운 공정을 추가하거나 복잡하게 구동을 하지 않고도 높은 대비비를 얻을 수 있으며, 러빙 등의 공정을 추가하여 약한 수평 배향력을 준 경우에는 더욱 뛰어난 대비비를 얻을 수 있는 효과가 있다.

또, 수평 배향 처리를 주지 않은 경우에 비틀림이 시작되는 방향이 일정하지 않고 다양하므로 수광 방향에 따른 광투과 특성이 서로 다른 비틀린 영역들의 평균으로 나타나 시야각 특성이 현저히 향상되는 효과가 있다.

Claims

간격을 두고 서로 마주보고 있는 투명한 제1 및 제2 기판, 상기 제1 기판의 안쪽 면 위에 형성되어 있는 제1 수직 배향막, 그리고 상기 제1 수직 배향막이 형성되어 있는 상기 제1 및 제2 기판의 사이에 위치하며 유전율 이방성이 음이고 카이랄리티를 가지는 액정 물질로 된 액정층을 포함하며, 상기 액정층의 액정 분자의 장축은 상기 제1 및 제2 기판 사이에 전기장이 인가되지 않았을 때 상기 제1 및 제2 기판 면에 대하여 수직으로 배열되고 있고, 상기 제1 수직 배향막은, 상기 제1 및 제2 기판 사이에 전압이 인가되지 않았을 때의 상기 액정 분자의 수직 배열 상태에 영향을 미치지 아니하고 상기 제1 및 제2 기판 사이에 전압이 인가된 경우에는 상기 제1 수직 배향막 근처의 상기 액정 분자가 기울어지는 제1 방향을 결정하는 정도로, 수평 배향 처리되어 있는 액정 표시 장치.
제1항에서, 상기 액정층은 상기 액정층의 피치 조절을 위한 카이럴 첨가제를 포함하는 액정 표시 장치.
제1항 또는 제2항에서, 상기 제1 및 제2 기판 사이의 간격을 상기 액정층의 피치로 나눈 값이 0.08에서 1.0 사이인 액정 표시 장치.
제3항에서, 상기 액정층의 액정 물질의 광학적 이방성과 상기 제1 및 제2 기판 사이의 간격의 곱이 0.1μm에서 2.0μm인 액정 표시 장치.
제1항에서, 상기 제2 기판의 안쪽 면에 형성되어 있는 제2 수직 배향막을 더 포함하며, 상기 제2 수직 배향막은 상기 제1 및 제2 기판 사이에 전압이 인가되지 않았을 때의 상기 액정 분자의 수직 배열 상태에 영향을 미치지 아니하고 상기 제1 및 제2 기판 사이에 전압이 인가된 경우에는 상기 제2 수직 배향막 근처의 상기 액정 분자들이 기울어지는 제2 방향을 결정하는 정도로 수평 배향 처리되어 있는 액정 표시 장치.
제5항에서, 상기 제1 및 제2 방향이 이루는 각은 30°내지 360°사이인 액정 표시 장치.
제1항에서, 상기 제1 및 제2 기판 중 하나에 부착되어 있는 위상차판을 더 포함하는 액정 표시 장치.
제1항에서, 상기 제1 및 제2 기판에 부착되어 있는 위상차판을 더 포함하는 액정 표시 장치.
간격을 두고 서로 마주보고 있는 투명한 제1 및 제2 기판, 상기 제1 및 제2 기판의 사이에 위치하며 유전율 이방성이 음인 액정 물질에 카이럴 첨가제를 혼합한 물질로 된 액정층, 그리고 상기 제1 및 제2 기판에 각각 부착되어 있는 제1 및 제2 편광자를 포함하고, 상기 액정층의 액정 분자들은 상기 제1 및 제2 기판의 사이에 전압이 인가되지않았을 때 상기 제1 및 제2 기판 면에 대하여 수직으로 배열되어 있으며, 상기 제1 및 제2 기판 사이의 간격과 상기 액정층의 피치의 비는 1:4인 액정 표시 장치.
제9항에서, 상기 액정층의 액정 물질의 광학적 이방성과 상기 제1 및 제2 기판 사이의 간격의 곱이 0.1μm에서 2.0μm인 액정 표시 장치.
제9항에서, 상기 제1 기판의 안쪽 면에 형성되어 있으며 상기 액정층의 액정 분자를 상기 제1 및 제2 기판 면에 대하여 수직으로 배열하도록 하는 제1 수직 배향막을 더 포함하는 액정 표시 장치.
제11항에서, 상기 제1 수직 배향막은 상기 제1 및 제2 기판 사이에 전압이 인가되지 않았을 때의 상기 액정 분자의 수직 배열 상태에 영향을 미치지 아니하고 상기 제1 및 제2 기판 사이에 전압이 인가된 경우에는 상기 제1 수직 배향막 근처의 상기 액정 분자들이 기울어지는 제1 방향을 결정하는 정도로, 수평 배향 처리되어 있는 액정 표시 장치.
제12항에서, 상기 제2 기판의 안쪽 면에 형성되어 있으며 상기 액정층의 액정 분자를 상기 제1 및 제2 기판 면에 대하여 수직으로 배열하도록 하는 제2 수직 배향막을 더 포함하는 액정 표시 장치.
제13항에서, 상기 제2 수직 배향막은, 상기 제1 및 제2 기판 사이에 전압이 인가되지 않았을 때의 상기 액정 분자의 수직 배열 상태에 영향을 미치지 아니하고 상기 제1 및 제2 기판 사이에 전압이 인가된 경우에는 상기 제2 수직 배향막 근처의 상기 액정 분자들이 기울어지는 제2 방향을 결정하는 정도로 수평 배향 처리되어 있는 액정 표시 장치.
제14항에서, 상기 제1 및 제2 방향이 이루는 각은 30°내지 360°사이인 액정 표시 장치.
제9항에서, 상기 제1 및 제2 편광자의 편광축은 상기 제1 및 제2 기판 사이의 간격을 액정층의 피치로 나눈 값에 360°를 곱한 각도만큼 어긋나 있는 액정 표시 장치.
제9항에서, 상기 제1 및 제2 편광자의 편광축은 서로 직교하는 액정 표시 장치.
제9항에서, 상기 제1 및 제2 편광자의 편광축은 서로 평행한 액정 표시 장치.
제9항에서, 상기 제1 및 제2 기판 중 하나에 부착되어 있으며 빛을 발하는 발광 수단을 더 포함하는 액정 표시 장치.
제9항에서, 상기 제1 및 제2 기판 중 하나에 부착되어 있는 반사판을 더 포함하는 액정 표시 장치.
제9항에서, 상기 제1 및 제2 기판 중 하나에 부착되어 있는 위상차판을 더 포함하는 액정 표시 장치.
제9항에서, 상기 제1 및 제2 기판 모두에 부착되어 있는 위상차판을 더 포함하는 액정 표시 장치.