KR100218983B1 - 어카이랄스멕틱 시 액정 물질을 이용한 액정 표시 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액정 표시 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 나선 구조를 가지지 않은 어카이랄 스멕틱 C(achiral smectic C) 액정 물질을 이용한 액정 표시 장치에 관한 것이다. 본 발명에서는 전압이 인가될 수 있는 한 쌍의 투명 기판의 사이에 기판에 수직인 분자층을 가지고 있으며 한 기판에서 다른 기판에 걸쳐 비틀려 있는 스멕틱 C 액정 물질을 포함하여 구성되고 적정한 전압을 인가함으로써 계조 표시가 가능한 액정 표시 장치를 만들 수 있다.

Description

어카이랄(achiral) 스멕틱 시(C) 액정 물질을 이용한 액정 표시 장치

제1도는 종래의 비틀린 네마틱 방식의 액정 표시 장치를 도시한 단면도.

제2도는 종래의 스멕틱 C^*액정을 이용한 강유전성 액정 표시 장치를 도시한 단면도.

제3도는 본 발멍의 실시예에 따른 어카이랄 스멕틱 C 액정을 이용한 액정 표시 장치를 도시한 단면도.

제4도는 본 발명의 실시예에 따른 어카이랄 스멕틱 C 액정을 이용한 액정 표시 장치에서 액정 분자의 배열을 도시한 단면도.

제5도는 회전각 ø(z/d)를 z/d의 함수로 나타낸 도면.

제6도는 액정 방향자를 x-y 평면에 투시한 직선으로부터 액정

방향자까지의 각도 θ(z/d)를 z/d의 함수로 나타낸 도면.

제7도는 서로 다른 유전율 이방성을 가지는 물질에 대하여 인가 전압에 대한 투과율을 도시한 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 액정 물질 11, 12 : 기판

13 , 14 : 편광자 20 : 분자층

30 : 원추 40 : 유도된 원추

본 발명은 액정 표시 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 나선구조를 가지지 않은 어카이랄 스멕틱 C(achiral smectic C) 액정 물질을 이용한 액정 표시 장치에 관한 것이다.

일반적으로 고체는 분자의 위치와 방향이 구속되어 있어 위치질서(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 방향 질서와 위치 질서의 일부를 가지고 있어 액체 및 고체와는 구분되는 상(phase) 또는 상태(state)라고 할 수 있다. 액정 상의 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 카이랄 네마틱(chiral nematic), 스멕 틱(smectic) 등이다.

네마틱 액정은 그 분자 위치에는 규칙성이 없고 분자 상호 간의 힘이 존재하여 분자들이 서로 평행으로 유지하려는 방향 질서만을 가지고 있다. 이 액정 상의 물질들은 주로 표시 장치에 사용되고 있다.

카이랄 네마틱 액정 또는 콜레스테릭 액정은 분자들의 방향이 서로 작은 각도를 유지하도록 하는 분자력을 가지고 있어 네마틱 액정에서처럼 방향자가 공간의 한 방향에 고정되어 있지 않고 액정 물질 전체를 통하여 회전한다. 액정의 이러한 성질을 카이랄리티라고 하며 방향자가 액정 물질을 통하여 한 바퀴를 완전히 회전한 경우 이 거리를 피치(pitch)라고 한다. 물론 카이랄 네마틱이 아닌 네마틱 액정의 경우에도 배향(alignment)을 통하여 액정 물질 전체를 통하여 방향자가 회전하도록 할 수 있으며 이 때에도 피치라는 용어를 사용한다. 카이랄 네마틱 액정 상의 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 있으며, 이 층을 분자층이라고 한다. 스멕틱 액정 상은 방향 질서뿐 아니라 위치 질서도 함꼐 가지고 있다. 즉, 이 액정 분자들은 스스로 분자층을 만들려고 하는 경향을 가지고 있어, 액정 물질의 면 위에서 볼 때에는 분자의 위치에 규칙성이 없지만, 액정 물질의 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 유전율을라고 하면,

의 두 가지가 있으며 전자를 양의(p형 : positive) 유전율 이방성(dielectric anisotropy)이 있다고 하고, 후자를 음의(n형 : negative) 유전율 이방성이 있다고 한다.을 방향자라 하면 직류 전기장를 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 Δε0 인 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.

이러한 액정의 성질을 이용하여 액정 표시 장치를 제작하는데 그 중에서도 네마틱 액정 물질을 이용하는 대표적인 경우인 비틀린 네마틱 방식에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.

제1도 (a) 및 (b)는 유전율 이방성이 양인 액정 물질을 사용하는 일반적인 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 cel1)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 양쪽의 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 광 도파관(waveguide)처럼 작용한다. 한 편광판(13)을 통과하여 선편광된 빛은 비틀린 액정 물질을 통과하면서 편광 방향이 회전한다. 빛이 액정 물질을 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 편광 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 액정 물질의 도파관 효과가 사라진다. 즉, 첫 번째 편광판(13)을 통과한 편광된 빛은 그 편광 방향을 거의 바꾸지 않고 두 번째 편광판(14)에 도달한다. 만일 두 편광판(13,14)의 편광축이 서로 수직하다면 이 빛은 두 번째 편광판(14)을 거의 통과하지 못하나, 두 편광판(13,14)이 서로 평행하다면, 이 빛은 대부분 두 번째 편광판을 통과할 것이다.

이상과 같이 빛이 투과하지 않는 OFF 상태와 빛이 투과하는 ON 상태를 얻을 수 있으며 인가되는 전압을 적절히 조절하여 계조 표시를 할 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.

한편, 최근 들어서는 스멕틱 액정 중에서 강유전성을 가지는 카이랄 스멕틱 C* 액정을 이용한 액정 표시 장치가 연구되고 있다.

스멕틱 C 액정은 분자층, 또는 분자층에 대하여 수직한 축에 대하여 일정한 각도로 기울어져 있는 상으로서, 분자층에 대하여 수직한 축과 이루는 각도를 경사각(tilt angle)이라고 하며 이 각도는 일정하다. 스멕틱 C 액정 중에서 직선광학적으로 불활성인 분자로 이루어진 경우에는 그냥 스멕틱 C 또는 어카이랄 스멕틱 C라고 하고, 광학적인 활성 분자가 있는 경우에는 분자층을 따라 나선 운동을 하는데 이를 스멕틱 C^*액정상이라고 한다. 이 상은 특히 분자 영구 쌍극자가 존재하기 때문에 강유전성 액정상이라고 하며 이때 쌍극자의 방향은 액정 방향자에 대하여 수직이다. 통상의 스멕틱 C상의 경우에는 방향자에 대해 수직한 축에 대한 회전 대칭(rotationary symmetry)과 그 축에 수직하고 스멕틱 층에 평행한 면에 대한 반전 대칭(inversion symmetry)이 존재하지만, 분자가 카이랄한 부분을 보유하면 반전 대칭이 깨어져 분자에 수직한 방향으로 쌍극자 모멘트(dipole moment)가 존재하므로 거시적으로는 자발 분극(spontaneous polarization) 또는 영구 분극(permanent polarization)을 가지는 강유전상을 보인다. 그런데, 일반적인 스멕틱 C^*상에서 분자들이 분자층을 따라 나선 운동을 하므로, 한 주기 또는 한 피치에 대한 거시적인 자발 분극은 0이 된다. 따라서, 강유전성 액정을 부적합(improper) 강유전성 액정이라고 부르기도 한다. 이러한 나선 구조는 외부에서 전기장을 인가함으로써 풀릴 수 있는데 임계값 이상의 전기장에서는 나선 구조가 완전히 풀려 거시적인 자발 분극이 존재한다.

그러면, 제2도를 참고로 하여 종래의 카이랄 스멕틱 C^*액정을 이용한 강유전성 액정 표시 장치에 대하여 상세히 설명한다.

제2도에 도시한 바와 같이, 종래의 강유전성 액정 표시 장치에는 인가될 수 있는 투명한 기판(11,12) 사이에 스멕틱 C^*액정 물질(10)이 있다.

여기에서 액정 물질(10)의 분자층(20)이 기판(11,12)에 대하여 수직이 되도록 배치한다. 이 때, 각 분자층(20)의 액정 방향자는 분자층(20)에 대하여 일정한 각도를 유지함과 동시에 분자층(20)을 따라 나선 운동을 하므로 분자층(20)에 수직한 축에 대칭인 원추(30)의 표면을 따라 회전한다.

이러한 상태에서 기판(11,12)에 임계 전압을 인가하면, 유전율 이방성이 양인 경우에는 전기장의 방향과 평행하게, 유전율 이방성이 음인 경우에는 전기장의 방향과 수직하게 이동한다.

이러한 강유전성 액정을 이용한 액정 표시 장치는 고속성과 준안정성으로 인하여 상당한 주목을 받고 있으나, 고유의 계조를 가지고 있지 않다는 등의 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 계조 표시가 가능하고 빠른 응답성을 보이는 비틀린 구조의 카이랄 스멕틱 C^*강유전성 액정이 제안되었다.[J.S.Patel, App1.Phys. Lett.60,282(1992)]

그러나, 현재까지 어카이랄 스멕틱 C 액정을 표시 장치에 이용하는 방법에 대해서는 제시되지 않았으며, 본 발명의 목적은 비틀린 구조의 어카이랄 스멕틱 C 액정을 이용한 표시 장치를 제공하는 데에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 어카이랄 스멕틱 C 액정에 비틀림을 주어 계조 표시가 가능하도록 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전압이 인가될 수 있는 한 쌍의 투명 기판의 사이에 기판에 수직인 분자층을 가지고 있으며 한 기판에서 다른 기판에 걸쳐 비틀려 있는 스멕틱 C 액정 물질을 포함한다.

두 기판 표면에서의 액정 물질의 액정 방향자는 기판과 평행할 수 있고, 이 때 두 기판 표면에서의 액정 방향자가 이루는 각도는 0° 내지 180°일 수 있다.

액정 방향자가 분자층에 수직한 축에 대하여 일정한 경사각을 이룰 수 있으며, 이 때, 두 기판 표면에서의 액정 방향자가 이루는 각도는 액정 방향자의 경사각의 두 배 이하, 특히 경사각의 두 배인 것이 바람직하다.

액정 방향자의 경사각은 15°내지 60°, 특히 40° 내지 50°인 것이 바람직하다.

한편, 액정 물질의 액정 방향자는 두 기판 사이에 걸쳐 분자층에 수직한 축에 대하여 일정한 경사각을 가지면서 분자층에 수직한 축에 대하여 0°내지 180°회전해 있을 수 있고, 이 경우 분자층에 수직한 축에 대한 액정 방향자의 회전각은 170° 내지 180°일 수 있다.

두 기판 중 한 기판 표면에서의 액정 물질의 액정 방향자가 기판에 대하여 이루는 각도는 경사각과 동일하며, 다른 기판 표면에서의 액정 물질의 액정 방향자가 기판에 대하여 이루는 각도는 180°에서 경사각을 뺀 각도와 동일할 수 있으며, 이 때, 액정 방향자의 경사각은 15° 내지 60° , 특히 40°내지 50°인 것이 바람직하다.

또, 두 기판 중 한 기판 표면에서의 액정 물질의 액정 방향자가 기판에 대하여 이루는 각도는 경사각과 동일하며, 다른 기판 표면에서의 액정 물질의 액정 방향자가 기판에 대하여 이루는 각도는 0° 내지 10°일 수 있으며, 이 때 분자층에 수직한 축에 대한 액정 방향자의 회전각은 80° 내지 100°인 것이 바람직하다.

이 경우, 액정 방향자의 경사각은 40°내지 100°, 특히 80° 내지 90°인 것이 좋다.

한편, 액정 물질의 광학적 이방성과 기판 사이의 간격의 곱이 0.1μm에서 2.0μm인 것이 좋다.

두 기판에는 편광자가 각각 부착되어 있을 수 있다.

여기에서, 액정 분자가 분자층에 수직인 축을 포함하면서 분자층에 수직인 하여 이루는 각도를 수평각이라 할 때, 두 편광자의 편광축은 두 기판 표면에서의 액정 분자의 수평각의 차이만큼 어긋나 있을 수도 있고, 이 차이에 ±90°더한 각도만큼 어긋나 있을 수도 있다.

또, 두 편광자의 편광축은 서로 평행할 수도 있고, 직교할 수도 있다.

두 기판 중 한 기판 또는 두 기판 모두에 위상차판이 부착되어 있을 수도 있으며, 두 기판 증 한 기판에 빛을 발하는 발광 수단이 부착되어 있을 수도 있고, 반사판이 부착되어 있어 자연광을 이용할 수도 있다.

또, 액정 물질은 음의 유전율 이방성을 가지고 있는 것이 바람직하다.

이러한 바와 구성을 가지는 액정 표시 장치는 종래의 비틀린 네마틱 방식 또는 초비틀린 네마틱 방식과는 유사한 작용을 하나, 경사각을 유지하려는 힘과 배향력이 조화를 이루기 때문에 분자들이 주로 유도된 원추의 표면에서 일어난다는 점이 다르다. 액정 분자들은 유도된 원추 표면에서 전기장의 세기에 따라 위치를 변화하여 계조 표시가 가능하게 된다.

그러면, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명한다.

제3도는 본 발명의 실시예에 따른 스멕틱 C 액정을 이용한 액정 표시 장치에서 분자층의 구조를 도시한 도면이고, 제4도는 본 실시예에서 전압이 인가되지 않았을 때의 액정 분자의 배열을 나타낸 도면이다.

제3도에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치에서는 수평 배향 처리를 한 두 개의 전극을 입힌 투명한 절연 기판(11,12)이 서로 마주보고 있으며 그 사이에는 카이랄리티를 가지지 않은 스멕틱 C 액정 물질(10)이 있다. 그리고 기판(11,12)의 바깥쪽에는 편광축이 일정 각도를 두고 있는 편광자(13,14)가 각각 부착되어 있다.

액정 물질의 분자층(20)은 두 기판(11,12)에 대해 수직으로 되도록 배치하며, 액정 물질(10)은 유전율 이방성이 음 또는 양인 물질을 택한다.

액정 물질(10)에 접하는 기판(11,12)의 양쪽 표면은 수평 배향을 하여 액정 분자들이 기판(11,12) 표면에서 표면에 평행하게 배열되도록 한다. 일반적으로는 알킬페놀(alkylpheno1), 헥사데실트리메틸암모늄 브로마이드 (hexadecyltrimethylammonium bromide) 따위의 계면 활성제, 폴리이미드(polyimide) 수지 따위를 도포하거나, SiOx 사방증착을 하거나, 랑뮈어-블로젯 필름 적층 방법(Langmuir-Blodgett fi1m deposition method)으로 배향 흡착제를 도포한 다음 원하는 방향으로 러빙(rubbing)하여 양 기판(11, 12)의 표면에 존재하는 액정 분자들이 기판(l1,12)에 수평으로 배향되도록 한다.

두 기판의 수평 배향 방향은 서로 어긋나게 하며, 이 때 두 기판의 수평 배향 방향이 이루는 각도는 액정 분자의 경사각의 두 배로 한다.

그러면, 경사각을 유지하려는 힘과 배향력이 조화를 이루도록 분자들이 배열된다.

이를 제4도를 참고로 하여 더욱 상세히 설명한다.

제4도는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치에서 분자의 배열을 도시한 도면으로서 한 분자층만을 확대하여 도시하였으며, 다른 분자층도 동일하게 배열된다. 여기에서 x 축은 분자층에 수직한 축이고, y 축은 기판(11,12)에 평행하고 x 축에 대하여 반시계 방향으로 90° 회전한 축이며, z 축은 기판(11, 12)에 수직한 축으로서 y 축에 대하여 반시계 방향으로 90° 회전한 축이다.

제4도에서, 액정 분자(16,17,18)의 위치를 다음의 각 변수를 사용하여 설명한다. x축과 액정 분자의 방향자이 이루는 각은 ''경사각'' Θ이고, 방향자의 x-y 평면에 대한 수선의 발이 x 축과 이루는 각도는 ''수평각'' θ이며, 방향자의 y 축으로부터 z축 방향으로의 회전한 회전각''은 ø이다. 여기에서 θ는 방향자의 x-y 평면에 대한 수선의 발이 y0인 부분에 있는 경우에는 양의 값이 되고, y0인 부분에 있는 경우에는 음이 값이 된다고 가정하자.

우선, 스멕틱 C 액정의 성질에 따라 모든 액정 분자의 경사각 Θ(0)는 항상 일정한 값이다.

기판(11,12) 표면의 액정 방향자(17,18)는 기판(11,12)에 평행하게 배열한다. 즉, 아래 기판(11) 표면의 액정 방향자(l7)의 회전각 ø는 0°이고, 위 기판의 표면의 액정 방향자(18)의 회전각 ø는 180°이다. 한편, 양 기판(11,12) 표면의 액정 방향자(17,18)의 수평각 θ의 크기는 각각 경사각 Θ와 같으나, 하부 기판(11) 표면의 액정 방향자(17)의 경우에는 양의 부호를 가지고 (즉, +Θ), 상부 기판(12) 표면의 액정 방향자(18)의 경우에는 음의 부호를 가지고 있다(즉,-Θ ).

하부 기판(11)의 액정 분자(17)의 수평각 θ는 +Θ이고 상부 기판(12)의 액정 분자(11)의 수평각 θ는 -Θ이므로, 분자 사이에 작용하는 힘으로 인하여 액정 셀의 중간에 있는 분자들의 수평각 θ는 하부 기판(11)에서 상부 기판(12)에 이르는 동안 +Θ에서 -Θ까지 점차 변화하여야 한다.

한편, 앞서 언급한 바와 같이 스멕틱 C 액정의 성질에 따라 액정 분자는 x축에 대하여 일정한 경사각(Θ)을 유지하고자 한다.

이러한 두 가지 작용이 맞물려 결국, 액정 분자들은 x 축과 이루는 각도가 Θ인 직선이 x 축에 대하여 회전하여 이루어진 원추(40)의 표면을 따라 회전하는 꼴이 된다. 이 때, 이 원추(40)를 유도된 원추라고 한다.

따라서, 하부 기판(11)에서부터 중앙 지점까지의 액정 분자들의 회전각 ø는 0°에서 90°까지의 각도를 이루며, 중앙에서 상부 기판(12)까지의 액정 분자들은 90°에서 180°까지의 회전각을 이룬다. 또, 하부 기판(11)에서부터 중앙 지점까지의 액정 분자들의 수평각 θ는 +Θ에서 0까지의 각도를 이루며, 중앙에서 상부 기판(12)까지의 액정 분자들은 0°에서 -Θ까지의 회전각을 이룬다.

결국, 두 기판(11,12)의 표면에 있는 분자 사이의 회전각 ø는 180°가 되고, 수평각 θ의 차이는 2Θ로 두 기판(11,12) 사이의 배향 각도의 차이와 동일하다.

이제, 두 기판(11,12) 사이에 높은 전압을 인가한 경우에 액정 분자의 배열의 변화를 유전율 이방성이 음인 경우와 양인 경우로 나누어 설명한다.

음의 유전율 이방성을 가진 액정 물질(10)의 경우에는 액정 방향자가 전기장의 방향에 수직이 되고자 할 것이다. 한편, 스멕틱 액정의 성질에 따라 액정 방향자는 계속하여 일정한 경사각을 유지하고자 할 것이다. 따라서, 액정 분자는 유도된 윈추의 표면을 따라 전기장에 수직한 방향으로 배열하며, 이 때 경로가 가까운 쪽을 택하여 배열할 것이다.

따라서, 하부 기판(11)에서부터 중앙에 이르는 영역에 있는 액정 분자, 즉 수평각 θ가 0θ+Θ인 분자들은 원추의 표면을 따라 θ=+Θ인 방향으로 회전할 것이고, 중앙에서부터 상부 기판(12)에 이르는 액정 분자, 즉 -Θθ0인 분자들은 원추의 표면을 따라 θ=-Θ인 방향으로 회전한다. 따라서, 하부 기판(11)으로부터 중앙에 이르는 영역의 액정 분자들과 중앙으로부터 상부 기판(12)에 이르는 영역의 액정 분자들을 나누는 반전벽(inversion wall)이 생긴다.

이번에는 유전율 이방성이 양인 경우를 고려하자. 유전율 이방성이 양이면, 액정 방향자가 인가해 준 전기장의 방향과 평행하게 배열하고자 하고, 또 스멕틱 C 액정의 성질에 따라 일정한 경사각 Θ를 유지하려고 한다. 가해 준 전기장으로 인한 힘이 일정한 경사각을 유지하려는 힘보다 작은 경우에는, 원추 표면 위에서 움직이되, 될 수 있으면 전기장과 평행한 쪽으로 배열하므로 기판 표면의 액정 분자를 제외한 모든 액정 분자들은 전기장의 방향과 가장 평행한 위치, 즉 θ=0인 위치에 배열한다. 이 위치의 회전각은 ø=90°인 곳에 해당한다. 이와는 반대로 가해 준 전기장으로 인한 힘이 일정한 경사각을 유지하려는 힘보다 크다면, 액정 분자들은 유도된 원추 표면을 벗어나 전기장의 방향에 평행하게 배열한다.

한편, 여기에서 분자가 회전하는 정도는 인가해 준 전압의 크기에 의존하며, 이 크기의 변화에 따라 액정 물질은 연속적인 전기광학 효과를 나타낸다.

그러면 이러한 구성을 가지는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 작용을 액정의 유전율 이방성이 음인 경우에 대하여 상세히 설명한다.

전압이 인가되지 않은 상태에서는, 액정 물질(10)의 액정 분자들이 유도된 원추를 따라 비틀린 상태를 유지한다.

빛이 첫 번째 편광자(13)를 통과하여 펀광된 빛이 기판(11)에 대하여 수직으로 입사되면, 이 빛은 액정 방향자의 회전에 따라 그 편광 방향이 회전하면서 다른 쪽 기판(l2) 및 편광자(14)에 도달한다.

두 번째 편광자(14)의 편광축이 첫 번째 편광자(13)의 편광축과 이루는 각도가 양 기판(11,12) 표면에서의 액정 방향자의 수평각 θ의 차이와 동일하다면, 두 번째 편광자(14)에 도달한 빛은 그 편광 방향이 두 번째 편광자(14)와 평행일 것이고 따라서 두 번째 편광자(14)를 통과한다.

그러나, 두 번째 편광자(14)의 편광축이 첫 번째 편광자(13)의 편광축과 이루는 각도가 양 기판(11,12) 표면에서의 액정 방향자의 수평각 θ의 차이에 ±90°를 더한 값과 동일하다면, 두 번째 편광자(14)에 도달한 빛은 그 편광 방향이 두 번째 편광자(14)와 수직일 것이고 따라서 두 번째 편광자(14)를 통과하지 못한다.

전기장이 인가되면, 액정 물질이 음의 유전율 이방성을 가지고 있으므로 유도된 원추를 따라 비틀려 배열된 액정 분자들은 전기장에 대하여 앞에서 설명한 바와 같이 수직하게 배열하려고 한다. 전기장이 충분히 강하면 모든 액정 분자들이 전기장에 대하여 수직하게 배열할 수도 있으나 그렇지 않은 경우에는 전기장과 평행이 아닌 일정한 각도를 유지할 것이다. 그리고 기판(11,12) 표면으로 가까워질수록 수평 배향력이 강하게 작용하므로 기판 표면으로 갈수록 수평에 가깝게 배열될 것이다.

이제 충분히 강한 전기장이 인가되어 액정 방향자가 대부분 기판(11,12)에 대하여 평행하게 배열하였고, 빛이 첫 번째 기판(11)에 대하여 수직으로 입사된다고 하자.

선형 편광자(13)를 통과한 빛은 기판(11) 면에 평행하게 편광될 것이다. 첫 번째 기판(11)을 통과하여 선편광된 빛은 아무런 영향을 받지 않고 액정 물질을 통과하여 두 번째 기판(12)에 도달한다. 만일 두 편광자(13,14)의 편광축이 서로 직교한다면 빛의 편광 방향은 두 번째 편광자(14)의 편광축과 수직이므로 두 번째 편광자(14)를 통과할 수 없다. 그러나, 두 편광자(13,14)의 편광축이 서로 평행하다면 빛의 편광 방향은 두 번째 편광자(14)의 편광축과 평행이므로 두 번째 편광자(14)를 통과한다.

한편, 여기에서 분자가 회전하는 정도는 인가해 준 전압의 크기에 의존하며, 이 크기의 번화에 따라 액정 물질은 연속적인 전기광학 효과를 나타낸다.

본 실시예에서는 양 기판 모두에 수평 배향을 하고 배향각이 경사각의 두 배가 되도록 한 경우를 예를 들어 제시하였지만, 여러 가지 방법으로 비틀림을 주어도 유사한 효과를 얻을 수 있다.

예를 들면, 본 실시예에서는 양 기판 표면의 액정 분자가 유도된 원추의 양 옆에 위치하도록 하였지만, 그렇게 하지 않고, 유도된 원추의 상하 끝에 위치하게 한다든지(이 경우 회전각 ø는 역시 180°가 되며 수평 배향이 아니라 한 기판 표면에서는 경사각만큼, 다른 기판 표면에서는 180°에서 경사각을 뺀 만큼 기울어진 배향이 되어야 한다), 아니면, 유도된 원추 상에서 회전각 ø가 90°를 이루도록 배치하는 방법(이 경우 경사각과 수평각이 45° 근방으로 동일하게 하는 것이 바람직하다)을 고려할 수 있다.

다음의 그래프들은 경사각이 45°이고 수평 배향각의 차이가 경사각의 두 배인 90°이며 음의 유전율 이방성을 가진 스멕틱 C 액정을 이용한 액정 표시 장치에 대한 그래프이다.

제5도는 유전율 이방성 Δε=-10, 기판 사이의 거리 d=10μm인 액정 셀에 대하여 전압의 크기가 각각 0V, 2V, 5V, 10V인 경우에 회전각 ø(z/ d)를 z/d의 함수로 나타낸 도면이다. 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 전압이 인가되지 않았을 때에는 하부 기판으로부터 상부 기판에 이르는 동안 거리에 비례하여 회전각 ø가 일정하게 변화함을 알 수 있다. 그러나 인가된 전압이 높아질수록 하부 기판에서 중앙에 이르는 하부 영역의 분자들은 회전각 ø가 0°에 가까워지고, 중앙에서 상부 기판에 이르는 상부 영역의 분자들은 회전각 ø가 180°에 가까워진다.

제6도는 액정 방향자를 x-y 평면에 투시한 직선으로부터 액정 방향자까지의 각도 θ(z/d)를 z/d의 함수로 나타낸 도면으로서, 여기에서 θ는 앞에서 설명한 것과는 다른 의미로 사용한다. 제6도에서 알 수 있는 바와 같이 전압이 높을수록 하부 영역 및 상부 영역의 분자들은 θ=0인 상태로 가고 두 영역의 중간에서 날카로운 극대값을 보인다.

날카로운 이러한 극대값은 서로 수직을 이루는 두 영역을 가르는 반전벽을 나타낸다.

제7도는 유전율 이방성이 서로 다른 물질에 대하여 빛의 투과율을 인가 전압에 대하여 도시한 그래프로서, 유전 이방성의 크기가 클수록 곡선이 날카로워짐을 알 수 있다.

이상에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 카이랄리티가 없는 스멕틱 C 액정을 이용한 액정 표시 장치에서는 적절한 비틀림을 줌으로써 연속적인 전기광학 효과를 일으키고, 이에 따라 계조 표시가 가능하다.

Claims (27)

1. 전압이 인가될 수 있는 한 쌍의 투명 기판, 그리고 상기 두 기판의 사이에 있고 분자층이 상기 기판에 수직이며 상기 기판 중 한 기판에서 다른 기판에 걸쳐 비틀려 있는 비강유전성 어카이랄 스멕틱 C 액정 물질 을 포함하는 액정 표시 장치.
2. 제1항에서, 상기 두 기판 표면에서의 상기 액정 물질의 액정 방향자는 상기 기판과 평행한 액정 표시 장치.
3. 제2항에서, 상기 두 기판 표면에서의 상기 액정 방향자가 이루는 각도는 0° 내지 180°인 액정 표시 장치.
4. 제3항에서, 상기 액정 방향자가 상기 분자층에 수직한 축에 대하여 일정한 경사각을 이루는 액정 표시 장치.
5. 제4항에서, 상기 두 기판 표면에서의 상기 액정 방향자가 이루는 각도는 상기 액정 방향자의 경사각의 두 배 이하인 액정 표시 장치.
6. 제5항에서, 상기 수평각은 상기 액정 방향자의 경사각의 두 배인 액정 표시 장치.
7. 제6항에서, 상기 액정 방향자의 경사각은 15° 내지 60°인 액정 표시 장치.
8. 제7항에서, 상기 액정 방향자의 경사각은 40° 내지 50°인 액정 표시 장치.
9. 제1항에서, 상기 액정 물질의 액정 방향자는 상기 두 기판 사이에 걸쳐 상기 분자층에 수직한 축에 대하여 일정한 경사각을 가지면서 상기 분자층에 수직한 축에 대하여 0° 내지 180° 회전해 있는 액정 표시 장치.
10. 제9항에서, 상기 분자층에 수직한 축에 대한 상기 액정 방향자의 회전각은 170° 내지 180°인 액정 표시 장치.
11. 제10항에서, 상기 두 기판 중 한 기판 표면에서의 상기 액정 물질의 액정 방향자가 상기 기판에 대하여 이루는 각도는 상기 경사각과 동일하며, 다른 기판 표면에서의 상기 액정 물질의 액정 방향자가 상기 기판에 대하여 이루는 각도는 180°에서 상기 경사각을 뺀 각도와 동일한 액정 표시 장치.
12. 제11항에서, 상기 액정 방향자의 경사각은 15° 내지 60°인 액정 표시 장치.
13. 제12항에서, 상기 액정 방향자의 경사각은 40° 내지 50°인 액정 표시 장치.
14. 제9항에서, 상기 두 기판 중 한 기판 표면에서의 상기 액정 물질의 액정 방향자가 상기 기판에 대하여 이루는 각도는 상기 경사각과 동일하며, 다른 기판 표면에서의 상기 액정 물질의 액정 방향자가 상기 기판에 대하여 이루는 각도는 0° 내지 10°인 액정 표시 장치.
15. 제14항에서, 상기 분자층에 수직한 축에 대한 상기 액정 방향자의 회전각은 80° 내지 100°인 액정 표시 장치.
16. 제15항에서, 상기 액정 방향자의 경사각은 40° 내지 100°인 액정 표시 장치.
17. 제16항에서, 상기 액정 방향자의 경사각은 80° 내지 90°인 액정 표시 장치.
18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에서, 상기 액정 물질의 광학적 이방성과 상기 기판 사이의 간격의 곱이 0.1μm에서 2.0μm인 액정 표시 장치.
19. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에서, 상기 두 기판에 각각 부착되어 있는 편광자를 더 포함하는 액정 표시 장치.
20. 제19항에서, 상기 액정 분자가 상기 분자층에 수직인 축을 포함하며 상기 분자층에 수직인 면에 대하여 이루는 각도를 수평각이라 할 때, 상기 두 편광자의 편광축은 상기 두 기판 표면에서의 상기 액정 분자의 수평각의 차이만큼 어긋나 있는 액정 표시 장치.
21. 제19항에서, 상기 액정 분자가 상기 분자층에 수직인 축을 포함하며 상기 분자층에 수직인 면에 대하여 이루는 각도를 수평각이라 할 때, 상기 두 편광자의 편광축은 상기 두 기판 표면에서의 상기 액정 분자의 수평각의 차이에 ±90°더한 각도만큼 어긋나 있는 액정 표시 장치.
22. 제19항에서, 상기 두 편광자의 편광축은 서로 평행한 액정 표시 장치.
23. 제19항에서, 상기 두 편광자의 편광축은 서로 직교하는 액정 표시 장치.
24. 제1항 내지 제17항, 제20항 내지 제23항 중 어느 한 항에서, 상기 두 기판 중 한 기판 또는 두 기판 모두에 위상차판이 부착되어 있는 액정 표시 장치.
25. 제1항 내지 제17항, 제20항 내지 제23항 중 어느 한 항에서, 상기 두 기판 중 한 기판에 빛을 발하는 발광 수단이 부착되어 있는 액정 표시 장치.
26. 제1항 내지 제17항, 제20항 및 제23항 중 어느 한 항에서, 상기 두 기판 중 한 기판에 반사판이 부착되어 있는 액정 표시 장치.
27. 제1항 내지 제17항, 제20항 및 제23항 중 어느 한 항에서, 상기 액정 물질은 음의 유전율 이방성을 가지고 있는 액정 표시 장치.