KR100241670B1 - 스멕틱 액정 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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아야 미야자끼
아끼라 사까이가와
미쯔히로 고덴
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스켈톤 에스. 알.
더 세크러터리 오브 스테이트 포 디펜스
마찌다 가쯔히꼬
샤프 가부시키가이샤
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Abstract

스멕틱 액정 셀의 액정층으로 액정과 같은 부호의 자발 분극을 갖는 폴리머를 도입하여, 응답 속도의 향상을 도모한다(제2액정 셀). 또는 액정과 반대 부호의 자발 분극을 갖는 폴리머를 τ-Vmin특성을 나타내는 액정으로 도입하여, 구동 전압의 저감화를 도모한다(제1액정 셀). 이들 폴리머는 액정 셀에 주입하기 전에 액정 조성물에 미리 첨가한다. 또는 광중합성 모노머를 액정 조성물에 첨가하여 액정 셀에 주입한 후, 광조사에 의해 폴리머화한다. 또한, 폴리머를 도입한 액정 셀을 I상까지 재가열하여 냉각하는 것에 의해, 톤 표시를 실현한다.

Description

스멕틱 액정 소자 및 그 제조 방법
제1도는 본 발명의 일 실시 형태로서의 강유전성 액정 셀의 개략 구성을 도시한 단면도.
제2도는 제1, 제2 액정 셀, 비교예 1 및 종래 액정 셀의 τ-V 특성을 나타내는 그래프.
제3도는 제5, 제6 액정 셀의 1화소분의 영역에 있어서, 펄스 파고값에 따라 줄무늬 형상의 스위칭 영역이 출현하는 상태를 도시한 모식도.
제4도는 제3도에 도시한 스위칭 영역을 더욱 확대하여 도시한 것으로, 분자 응집부 근처의 국소적인 스위칭 도메인의 출현 및 소멸 상태를 도시한 모식도.
제5도는 제5, 제6 액정 셀, 제2비교예 및 종래 액정 셀의 τ-V 특성을 나타내는 그래프.
제6도는 제5, 제7 액정 셀 및 종래 액정 셀의 τ-V 특성을 나타내는 그래프.
제7도는 제6, 제8 액정 셀 및 종래 액정 셀의 τ-V 특성을 나타내는 그래프.
제8도는 제2, 제3비교예 및 종래 액정 셀의 τ-V 특성을 나타내는 그래프.
제9도는 제5, 제7 액정 셀 및 종래 액정 셀의 펄스 전압의 변화에 대한 스위칭 영역의 비율 변화를 나타내는 그래프.
제10(a)도는 스위칭 영역의 비율을 측정할 때에 사용된 입력 모노펄스의 파형을 도시한 파형도.
제10(b)도는 스위칭 영역의 비율을 측정할 때에 사용된 AC 커플링의 출력 파형을 도시한 파형도.
제11도는 부의 유전 이방성을 갖는 강유전성 액정의 τ-V 특성을 나타내는 그래프.
제12(a)도는 강유전성을 갖는 SmC*상의 액정 분자의 배열을 도시한 모식도.
제12(b)도는 헬리컬 피치보다 얇은 셀에 있어서 액정 분자의 나선이 풀린 경우로서, 지면에 대하여 수직이고 또한 지면 뒤쪽에서 앞쪽으로 향하는 방향으로 전계가 인가되었을 때의 분자 배치를 각 액정 분자의 전기 쌍극자 모멘트의 방향과 함께 도시한 모식도.
제13도는 표면 안정화형 강유전성 액정 소자의 동작 원리를 도시한 모식도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1,2 : 글라스기판 3 : 신호전극
4,6 : 절연막 5 : 주사전극
7,8 : 배향막 9 : 액정
12 : 편광판 13,14 : 전극기판
[발명의 목적]
[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]
본 발명은 플랫 패널 디스플레이 등에 적용되는 스멕틱 액정 소자(smectic liquid crystal element)에 관한 것으로, 특히 톤(tone) 표시가 가능한 스멕틱 액정 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
종래, 예를 들면, 네마틱 액정을 사용한 TN(Twisted Nematic)형 및 STN(Super-Twisted Nematic)형의 액정 표시 소자가 알려져 있다. 그러나, 이들 액정 표시 소자는 전기 광학계의 응답 속도가 ms 오더로 늦으므로, 고속 구동을 실행하고자 하면, 화면에 혼란이 생기거나 콘트라스트가 저하하거나 하는 결점이 있다. 이 때문에, 이들 종래 액정 표시 소자는 표시 가능한 용량에 한계가 있고, 동화상 표시에 적합하지 않다고 하는 문제점이 있었다. 그래서, 최근 차세대의 액정 표시 소자로서, 강유전성 또는 반강유전성 액정을 사용한 액정 표시 소자의 실용화가 검토되고 있다.
1975년에 R.B.Meyer 등은 분자의 대칭성 의논에서, 광학 활성한 분자가 분자 장축에 대하여 수직인 방향으로 쌍극자 모멘트를 갖고 있으면, 키럴 스멕틱 C상(SmC*상)으로 강유전성을 나타내는 것을 예상하고, DOBAMBC(2-methylbutil p-[p-(decyloxybenzylidene)-amino]-cinnamate)를 합성하고, 액정에 있어서 처음에 강유전성을 확인하는 것에 성공하였다(R.B.Meyer, L. Liebert, L. Strzelecki and P.Keller : J. Phys. (Paris)36(1975)L69 참조).
여기서, 스멕틱 액정상의 일예로서, 강유전성을 나타내는 SmC*상의 구조에 대하여 설명한다. SmC*상에서는 층내에 있어서의 액정 분자의 중심 위치가 무질서하므로, 제12(a)도 중에 콘(101)로서 모식적으로 도시한 바와 같이, 액정 분자의 장축[다이렉터(102)]는 스멕틱층을 구분하는 층면(103)의 법선인 층법선 z에 대하여 일정 각도 θ만큼 기울어져 있다. 또한, 다이렉터(102)가 기울어진 방향은 층에서 층으로 약간씩 어긋나고, 이 결과, 액정 분자의 배향은 나선 구조를 이루고 있다. 나선의 피치(헬리컬 피치)는 1㎛ 정도이고, 약 1nm의 층간격보다 훨씬 크다.
이와 같은 분자 배열을 갖는 상은 강유전성 액정뿐만 아니라 반강유전성 액정에 있어서도 확인되고 있다(A.D.L. Chandani, T. Hagiwara, Y. Suzuki, Y. Ouchi, H. Takezoe and A. Fukuda : Jpn. J. Appl. Phys. 27(1988) L729 참조). 반강유전성 액정 중에도 광학 순도를 변화시키면 SmC*상이 출현하거나 또 MHPOBC(4-(1-methlheptyloxycarbonyl)phenyl 4´-octyloxybiphenyl-4-carboxylate)와 같이 광학 순도 100%의 R체나 S체의 경우에도 SmC*상이 출력하는 것도 존재한다.
Clark와 Lagerwall은 셀 두께가 1㎛정도(나선의 피치와 같은 정도)이하로 되면, 이 나선 구조가 소멸하고, 제12(b)도에 도시한 바와 같이, 각층의 분자(104)가 인가되는 전계에 따라 쌍안정 상태의 어느 것을 취하는 것을 발견하고, 표면 안정화형 강유전성 액정 표시 소자(SSFLC : surface stabilized ferroelectric liquid crystal)을 제안하였다. 이것은 일본국 특허 공개공보 소화 56-107216호 및 미국 특허 제4367924호 명세서 등에 개시되어 있다. 또한, 제12(b)도에서는 분자(104)에 인가되고 있는 전계의 방향이 지면에 대하여 수직이고 또한 지면 뒤쪽에서 앞쪽으로 향하는 방향이다. 그래서, 분자(104)의 전기 쌍극자 모멘트는 제12(b)도에 있어서 각 분자내에 도시한 바와 같이, 인가 전계의 방향으로 모두 정렬된다.
제13도를 참조하면서 그의 동작 원리에 대하여 설명한다. 상술한 바와 같이, 얇은 셀로서 형성된 SSFLC의 분자(104)는 제13도에 도시한 바와 같이, 인가되는 전계의 방향에 따라 상태 A 및 B의 2개의 안정 상태의 어느 것을 취한다. 또한 제13도에 도시한 상태 A에서는 분자(104)에 인가되고 있는 전계의 방향이 제13도의 지면에 대하여 수직이고 또 지면 앞쪽에서 뒤쪽으로 향하고 있고, 상태 B에서는 지면에 대하여 수직이고 또 지면 뒤쪽에서 앞쪽으로 향하는 방향이다.
이 때문에, 직교하는 2장의 편광자 사이에 예를 들면 상태 B일 때의 분자 장축이 편광자의 한쪽 방향(도면 중에 화살표로 나타낸 방향 111)과 평행으로 되도록, SSFLC 셀을 배치하는 것에 의해, 상태 A의 경우에는 광이 투과되어 명 상태로 되고, 상태 B의 경우에는 광이 차단되어 암 상태로 된다. 즉, 인가 전계의 방향을 전환하는 것에 의해 흑백의 표시를 실행하는 것이 가능하게 된다.
SSFLC에서는 자발 분극과 전장이 상호 작용하여 구동 토크가 발생하므로, 통상 네마틱 액정에 있어서의 유전 이방성을 사용하는 스위칭과는 달리, 전계에 대하여 ㎲ 오더의 고속 응답이 가능하다. 또한, SSFLC는 쌍안정 상태의 어느 것에 일단 스위치하면, 전계가 소멸하여도 그의 상태를 유지하는 소위 메모리성을 가지므로, 항상 전압을 인가할 필요는 없다.
이상과 같이, SSFLC형의 액정 표시 소자는 고속 응답성과 메모리성이라고 하는 특징을 이용하는 것에 의해, 1주사선마다 고속으로 표시 내용을 라이트해 갈 수 있고, 단순 매트릭스 구동에서 대용량의 디스플레이를 실현하는 것이 가능하게 되어, 벽걸이 텔레비전으로의 응용도 기대되고 있다.
강유전성 액정을 사용한 액정 소자는 SmC*상에 있어서의 액정 분자가 갖는 쌍안정성 때문에, 엄밀한 의미에서는 명 및 암의 2톤밖에 표시할 수 없지만, 종래 인가 전계의 고속 변조나 면적 분할법(dot matrix method)을 이용하는 것에 의해 어느 정도의 톤 표시를 가능하게 하는 구성이 제안되어 있다. 그러나, 이들 종래의 구성은 구동계의 구성이나 패널 제작 공정이 복잡하고 제조 코스트 등도 크다.
그밖에, 예를 들면 일본국 공개공보 평성 6-194635호에 중합 물질로 이루어지는 이방성의 3차원 망형상 구조체에 비반응성 키럴 액정 분자를 첨가한 구조체를 형성하는 기술이 개시되어 있다. 이것은 망형상 구조체에 의해 서로 반대의 분극 방향을 갖는 미소한 인접 영역을 안정화하고, 무전계시에 있어서도 중간조를 유지하는 것을 가능하게 하는 것이다.
그러나, 상기 일본국 특허 공개공보 평성6-194635호에 개시된 기술은 도메인 사이즈에 균일성이 없고, 전압 인가시의 도메인의 면적을 일정하는 유지할 수 없다고 하는 문제가 있다. 도메인 사이즈 자체도 실제 화소의 크기(약 0.3mm각)에 대하여 매우 크므로, 이 기술을 사용하여 톤 표시를 실행하는 것은 실용적으로 곤란하다.
또한, 호스트의 액정 재료에 첨가하는 키럴 재료의 비율이 높게 되면, 액정의 배향성이 나쁘게 되어, 표시 품위가 열화한다고 하는 문제점도 있다.
또한, 강유전성 액정을 사용한 표시 소자에 있어서, 내쇼크성을 향상하는 것도 해결해야 할 중요한 문제중 하나이다. 즉, SSFLC형의 액정 표시 소자는 바깥으로부터의 압력이나 전기적인 쇼크에 약하고, 배향이 용이하게 혼란되어 버린다고 하는 결점이 있다. 이것에 대하여, 종래 스페이서벽을 기판에 형성하는 방법에 제안되어 있지만, 패널 제작 공정에 있어서 여러 가지 문제점이 생겨서 아직 실용화에는 이르지 못하고 있다.
또한, 강유전성 액정 소자는 TN형의 액정 소자 등에 비하면 고속 구동이 가능하지만, 예를 들면 벽걸이 텔레비전 등의 대화면의 플랫 패널 디스플레이로의 적용을 가능하게 하기 위해서는 응답 속도를 더욱 고속화하는 것이 기대된다. 또한, 소비 전력을 저감하고, 발열량을 억제하기 위해서는 구동 전압을 낮게 억제하는 것이 바람직하다.
[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]
본 발명의 목적은 응답 속도나 소비 전력을 개선함과 동시에 톤 표시를 실현하고, 또한 내쇼크성도 향상시키는 것이 가능한 강유전성 액정 등의 스멕틱 액정을 사용한 스멕틱 액정 소자를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 제1스멕틱 액정 소자는 전극을 갖는 한 쌍의 기판 사이에 스멕틱상을 나타내는 액정층을 구비하고 있고, 이축성을 나타내는 분자 배치에 있을 때에 자발 분극을 유기하는 폴리머가 상기 액정층에 도입되어 있고, 스멕틱상에 있어서, 상기 폴리머의 자발 분극과 상기 액정층의 액정 분자의 자발 분극이 같은 부호를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 의하면, 액정 분자의 자발 분극과 같은 부호의 자발 분극을 갖는 폴리머가 액정층에 도입된 것에 의해, 스멕틱상에 있어서, 액정층 전체의 자발 분극의 크기가 증대한다. 이 때문에, 전극에서 구동 전장을 인가하였을 때에 구동 전장과 자발 분극의 상호 작용에서 액정 분자에 가하는 구동력이 크게 된다. 이 결과, 고속 구동이 가능한 스멕틱 액정 소자를 제공하는 것이 가능하게 된다.
또한, 제2스멕틱 액정 소자는 전극을 갖는 한 쌍의 기판 사이에 스멕틱상을 나타내는 액정을 마련하여 두고, 상기 액정층이 τ-V 곡선이 극소값을 갖는 τ-Vmin특성을 나타내는 액정 조성물과 이축성을 나타내는 분자 배치에 있을 때에 자발 분극을 유기하는 폴리머를 포함하며, 스멕틱상에 있어서, 상기 폴리머의 자발 분극과 상기 액정층의 액정 분자의 자발 분극이 서로 다른 부호를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에서는 액정 분자의 자발 분극과 다른 부호의 자발 분극을 갖는 폴리머가 액정층에 도입된 것에 의해, 스멕틱상에 있어서 액정층 전체의 자발 분극의 크기가 작게 된다. 이 때문에, 전극에서 구동 전장을 인가하였을 때에 자발 분극과 구동 전장의 상호 작용에 의해 액정 분자에 가해지는 자발 분극 토크보다도 유전 이방성과 구동 전장의 상호 작용에 의해 생기는 유전 토크 쪽이 상대적으로 크게 된다.
그 결과, 스멕틱상에 있어서의 액정층 전체의 τ-Vmin특성이 변화하여, 펄스 폭 τ가 극소값 τmin을 취하는 펄스 전압 V가 저전압측으로 시프트한다. 이 결과, 구동 파형의 펄스폭 τ를 극소값 τmin정도로 하면, 액정 소자의 구동 전압을 저전압화하는 것이 가능하게 된다. 이 결과, 소비 전력을 저감할 수 있고, 발열량을 억제할 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 우수한 점은 이하에 나타내는 기재에 의해 더욱 명확하게 될 것이다. 또한, 본 발명의 이익은 첨부 도면을 참조한 다음의 설명에서 명확하게 될 것이다.
[발명의 구성 및 작용]
본 발명의 일 실시 형태에 대하여 제1도 내지 제11도에 따라 설명하면, 다음과 같다.
[강유전성 액정 셀의 기본 구성]
먼저, 본 실시 형태에 관한 강유전성 액정 셀(스멕틱 액정 소자)의 기본적인 구성에 대하여 제1도를 참조하면서 설명한다. 이 강유전성 액정 셀은 서로 대향하는 2장의 글라스 기판(1),(2) 사이에, 막두께 100nm의 투명한 ITO막으로 이루어지는 신호 전극(3) 및 주사 전극(5), 막두께 100nm의 절연막(4),(6), 막두께 70nm의 배향막(7),(8), 액정(9)(액정층)을 구비한 구성이다.
또한, 글라스 기판(1)의 외측에는 편광판(11)이 배치되고, 이 편광판(11), 글라스 기판(1), 신호 전극(3), 절연막(4) 및 배향막(7)에 의해, 전극 기판(13)이 형성되어 있다. 마찬가지로, 글라스 기판(2)의 외측에는 편광판(12)이 배치되고, 편광판(12), 글라스 기판(2), 주사 전극(5), 절연막(6) 및 배향막(8)에 의해, 전극 기판(14)이 형성되어 있다.
상기 신호 전극(3) 및 주사 전극(5)은 글라스 기판(1),(2) 상에 각각 줄무늬 형상으로 형성되고, 서로 직교하도록 배치되어 있다. 또한, 상기 편광판(11) 및 (12)는 그의 편광축이 서로 직교하도록 배치되어 있다. 배향막(7),(8)의 표면에는 러빙처리(rubbing treatment)가 실시되어 있다. 또한, 액정(9)은 부착된 전극 기판(13) 및 (14) 사이에 형성된 공간내에 충진되고, 봉지제(10)에 의해 봉지되어 있다. 전극 기판(13) 및 (14)의 간격은 도시하지 않은 스페이서에 의해 거의 균일하게 1.4㎛로 유지되어 있다.
본 실시 형태에 관한 강유전성 액정 셀은 액정층으로서의 액정(9)이 폴리머를 포함하고 있는 것을 특징으로 하고 있다. 이하에서, 이 강유전성 액정 셀의 구성 및 그의 제조 공정에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
[제1액정 셀]
제1액정 셀의 제조 공정은 다음과 같다. 먼저, 광중합성의 관능기(photopolymeric functional group)를 하나 갖는 S체의 아크릴레이트 키럴 모노머에 대하여 2.0중량%의 중합 개시제를 첨가하고, 파장 365nm, 강도 3.5mW/㎠의 자외선을 실온에서 3분간 조사하여 폴리머화한다. 또한, 상기 아크릴레이트 모노머는 전기 쌍극자 모멘트를 갖고, 이축성을 나타내는 분자 배치에 있을 때에 부의 자발 분극을 유기한다. 이 모노머를 중합하여 되는 폴리머도 마찬가지로 이축성을 나타내는 분자 배치에 있을 때에 부의 자발 분극을 유기한다.
이 폴리머를 메르크사제의 상품명 「SCE8」에 의해 실현되는 강유전성 액정 조성물에 대하여 1.5중량%의 비율로 첨가하고, 전극 기판(13) 및 (14)의 간극에 100℃에서 진공 주입한다. 이것을 2.0℃/min의 속도로 실온(25℃)까지 냉각한 후, 봉지한다.
또한, 메르크사제의 상품명 「SCE8」은 스멕틱상에 있어서 정의 자발 분극을 갖는다. 즉, 이 제1액정 셀에 있어서, 강유전성 액정 조성물과 상기 폴리머는 서로 다른 부호의 자발 분극을 갖고 있다. 또한, 「SCE8」은 부의 유전 이방성을 갖고, τ-Vmin특성을 나타낸다. 「SCE8」의 상 계열 및 상 전이 온도는 다음과 같다.
I상-(98℃)-N*상-(78℃)-SmA상-(58℃)-SmC*상
자발 분극의 부호를 확인하기 위해, 키럴 분자가 없는 스멕틱 C상의 액정 재료에 상기 아크릴레이트 키럴 모노머를 첨가하고, DC 전장을 인가한 바, 전장 방향으로 향하여 좌측으로 분자 장축이 기울어졌다. 이것에 의해, 상기 키럴 모노머의 자발 분극의 부호가 부인 것을 확인할 수 있었다.
또한, 제1액정 셀에 사용되는 액정 조성물로서는 τ-Vmin특성을 나타내는 스멕틱 액정 재료인 것이 필요하고, 상기 「SCE8」과 같이 부의 유전 이방성을 갖는 액정 조성물외에, 큰 정의 이축 유전 이방성을 갖는 액정 조성물을 사용할 수도 있다.
[제2액정 셀]
제2액정 셀은 다음의 제조 공정에 의해 작성된다. 먼저, 제1액정 셀에서 사용한 아클릴레이트 키럴 모노머의 R체에 대하여 2.0중량%의 중합 개시제를 첨가하고, 파장 365nm, 강도 3.5mW/㎠의 자외선을 실온에서 3분간 조사하여 폴리머화한다. 이 폴리머를 메르크사제의 상품명 「SCE8」에 의해 실현되는 강유전성 액정 조성물에 대하여 1.5중량%의 비율로 첨가하고, 전극 기판(13) 및 (14)의 간극에 100℃에서 진공 주입한다. 이것을 2.0℃/min의 속도로 실온까지 냉각한 후, 봉지한다.
또한, 상기 모노머는 전극 쌍극자 모멘트를 갖고, 자발 분극의 부호를 조사하면 정이었다. 이 모노머를 중합하여 되는 폴리머도 마찬가지로 이축성을 나타내는 분자 배치에 있을 때에 정의 자발 분극을 유기한다. 즉, 이 제2액정 셀에 있어서, 액정 조성물과 상기 폴리머는 같은 부호의 자발 분극을 갖고 있다.
또한, 이 제2액정 셀에 사용하는 액정 조성물로서는 반드시 τ-Vmin특성을 나타내는 것일 필요는 없다.
[제3액정 셀]
제3액정 셀은 다음의 제조 공정에 의해 작성된다. 먼저, 제1액정 셀에서 사용한 것과 같은 아크릴레이트 키럴 모노머에 2.0중량%의 중합 개시제를 첨가한 것을 메르크사제의 상품명 「SCE8」에 의해 실현되는 강유전성 액정 조성물에 대하여 1.5중량%의 비율로 첨가하고, 전극 기판(13) 및 (14)의 간극에 100℃에서 진공 주입한다. 다음에, 상기 강유전성 액정 조성물이 N*상을 나타내는 90℃에 있어서, 파장 365nm, 강도 3.5mW/㎠의 자외선을 3분간 조사한다. 그후, 2.0℃/min의 속도로 실온까지 냉각하여 봉지한다.
상술한 제1액정 셀의 제조 공정에서는 액정 조성물과 다른 부호의 자발 분극을 갖는 아크릴레이트 키럴 모노머를 미리 폴리머화하고, 그 폴리머를 액정 조성물에 첨가하는 것에 대하여 이 제3액정 셀의 제조 공정에서는 액정 조성물에 모노머를 첨가하여 셀에 주입한 후에 자외선 조사를 실행하는 것이 특징이다.
또한, 이 제3액정 셀에 사용하는 액정 조성물도 제1액정 셀과 마찬가지로 τ-Vmin특성을 나타내는 것이 필요하다.
[제4액정 셀]
제4액정 셀의 제조 공정은 다음과 같다. 먼저, 제1액정 셀에서 사용한 것과 같은 아크릴레이트 키럴 모노머에 2.0중량%의 중합 개시제를 첨가한 것을 메르크사제의 상품명 「SCE8」에 의해 실현되는 강유전성 액정 조성물에 대하여 1.5중량%의 비율로 첨가하고, 전극 기판(13) 및 (14)의 간극에 100℃에서 진공 주입한다. 다음에, 상기 강유전성 액정 조성물이 N*상을 나타내는 90℃에 있어서, 파장 365nm, 강도 3.5mW/㎠의 자외선을 3분간 조사한 후, 2.0℃/min의 속도로 실온까지 냉각하여 봉지한다.
상술한 제2액정 셀의 제조 공정에서는 아크릴레이트 키럴 모노머를 미리 폴리머화하고, 그 폴리머를 액정 조성물에 첨가하는 것에 대하여 이 제4액정 셀의 제조 공정에서는 액정 조성물에 모노머를 첨가하여 셀에 주입한 후에 자외선 조사를 실행하는 것이 특징이다.
또한, 이 제4액정 셀에 사용하는 액정 조성물도 제2액정 셀과 마찬가지로 반드시 τ-Vmin특성을 나타내는 것일 필요는 없다.
[제5액정 셀]
제5액정 셀은 제1액정 셀을 100℃까지 가열하고, 1분간 그 온도로 유지한 후, 2.0℃/min의 속도로 실온까지 냉각하는 것에 의해 얻어진다. 즉, 제1액정 셀의 액정 조성물이 I상(등방상)을 나타내는 온도까지 재가열하여 냉각하는 것에 의해 재배향시킨 것이 제5액정 셀이다. 또한, 이후에서는 이와 같은 액정 셀을 I상까지 재가열하여 냉각하는 처리를 재배향 처리라고 한다.
[제6액정 셀]
제6액정 셀은 제2액정 셀을 100℃까지 가열하고, 1분간 그 온도를 유지한 후, 2.0℃/min의 속도로 실온까지 냉각하는 것에 의해 얻어진다. 즉, 제2액정 셀을 액정 조성물이 I상을 나타내는 온도까지 재가열하여 냉각하는 것에 의해 재배향시킨 것이 제6액정 셀이다.
[제7액정 셀]
제7액정 셀은 제3액정 셀을 100℃까지 가열하고, 1분간 그 온도를 유지한 후, 2.0℃/min의 속도로 실온까지 냉각하는 것에 의해 얻어진다. 즉, 제3액정 셀을 액정 조성물이 I상을 나타내는 온도까지 재가열하여 냉각하는 것에 의해 재배향시킨 것이 제7액정 셀이다.
[제8액정 셀]
제8액정 셀은 제4액정 셀을 100℃까지 가열하고, 1분간 그 온도를 유지한 후, 2.0℃/min의 속도로 실온까지 냉각하는 것에 의해 얻어진다. 즉, 제4액정 셀을 액정 조성물이 I상을 나타내는 온도까지 재가열하여 냉각하는 것에 의해 재배향시킨 것이 제8액정 셀이다.
다음에 상기 제1 내지 제8액정 셀의 구동 특성에 대하여 설명한다. 또한, 이하에서는 비교를 위해 하기와 같이 제1 내지 제3비교예 및 종래 액정 셀을 준비하고, 마찬가지로 구동 특성을 측정하였다.
[비교예 1]
비교예 1로서의 액정 셀의 제조 공정은 다음과 같다. 먼저, 광중합성의 관능기를 하나 갖는 S체의 아크릴레이트 키럴 모노머와 같은 광중합성의 관능기를 하나 갖는 R체의 아크릴레이트 키럴 모노머를 1대1의 비율로 혼합시킨 라세미체 모노머에 대하여 중합 개시제를 2.0중량%의 비율로 첨가하고, 파장 365nm, 강도 3.5mW/㎠의 자외선을 실온에서 3분간 조사하여 폴리머화한다. 이 폴리머를 메르크사제의 상품명 「SCE8」에 의해 실현되는 강유전성 액정 조성물에 대하여 1.5중량%의 비율로 첨가하고, 전극 기판(13) 및 (14)의 간극에 100℃에서 진공 주입한다. 이것을 2.0℃/min의 속도로 실온까지 냉각한 후, 봉지한다.
즉, 이 비교예 1에서는 제1, 제2액정 셀에 각각 첨가된 S체, R체의 아크릴레이트 키럴 모노머로 이루어지는 폴리머 대신에 라세미체의 아크릴레이트 키럴 모노머로 형성되는 폴리머가 첨가되고 있는 점만이 제1, 제2액정 셀과 다르고, 그밖의 조건은 모두 같다. 또한, 이 라세미체의 아크릴레이트 키럴 모노머는 자발 분극을 갖지 않는다.
[비교예 2]
비교예 2로서의 액정 셀의 제조 공정은 다음과 같다. 먼저, 광중합성의 관능기를 하나 갖는 S체의 아크릴레이트 키럴 모노머와 같은 광중합성의 관능기를 하나 갖는 R체의 아크릴레이트 키럴 모노머를 1대1의 비율로 혼합시킨 라세미체 모노머에 대하여 중합 개시제를 2.0중량%의 비율로 첨가하고, 파장 365nm, 강도 3.5mW/㎠의 자외선을 실온에서 3분간 조사하여 폴리머화한다. 이 폴리머를 메르크사제의 상품명 「SCE8」에 의해 실현되는 강유전성 액정 조성물에 대하여 1.5중량%의 비율로 첨가하고, 전극 기판(13) 및 (14)의 간극에 100℃에서 진공 주입한다. 이것을 2.0℃/min의 속도로 실온까지 냉각하여 봉지하여, 강유전성 액정 셀을 얻는다.
다음에, 이 액정 셀을 100℃까지 가열하고, 1분간 그대로 온도를 유지한 후, 실온까지 2.0℃/min의 속도로 냉각하여 재배향시킨다.
즉, 이 비교예 2에서는 제5, 제6액정 셀에 각각 첨가된 S체, R체의 아크릴레이트 키럴 모노머로 이루어지는 폴리머 대신에 라세미체의 아크릴레이트 키럴 모노머로 형성되는 폴리머가 첨가되고 있는 점만이 제5, 제6액정 셀과 다르고, 광중합 처리나 재배향 처리 등에 관한 조건은 모두 같다. 또한, 상기 라세미체의 모노머는 자발 분극을 갖지 않는다.
[비교예 3]
비교예 3으로서의 액정 셀의 제조 공정은 다음과 같다. 먼저, S체의 아크릴레이트 키럴 모노머와 R체의 아크릴레이트 키럴 모노머를 1대1의 비율로 혼합시킨 라세미체 모노머에 대하여 2.0중량%의 중합 개시제를 첨가한 것을 메르크사제의 상품명 「SCE8」에 의해 실현되는 강유전성 액정 조성물에 1.5중량%의 비율로 첨가하고, 전극 기판(13) 및 (14)의 간극에 100℃에서 진공 주입한다. 다음에, 상기 강유전성 액정 조성물이 N*상을 나타내는 90℃에 있어서 파장 365nm, 강도 3.5mW/㎠의 자외선을 실온에서 3분간 조사한 후, 2.0℃/min의 속도로 실온까지 냉각하여 봉지하여, 강유전성 액정 셀을 얻는다.
다음에, 이 강유전성 액정 셀을 100℃까지 가열하고, 1분간 그 온도로 유지한 후, 실온까지 2.0℃/min의 속도로 냉각하여 재배향시킨다.
즉, 이 비교예 3은 제7, 제8액정 셀에 각각 첨가된 S체, R체의 아크릴레이트 키럴 모노머로 이루어지는 폴리머 대신에 라세미체의 아크릴레이트 키럴 모노머로 이루어지는 폴리머가 사용되고 있는 점만이 제7, 제8액정 셀과 다르고, 광중합 처리나 재배향 처리 등에 관한 조건은 모두 같다. 또한, 상기 라세미체의 모노머는 자발 분극을 갖지 않는다.
[종래의 액정 셀]
다음과 같은 종래의 제조 공정에 의해, 강유전성 액정 셀을 형성하였다. 먼저, 상술한 본 실시 형태에 관한 전극 기판(13) 및 (14)의 제조 공정과 마찬가지 공정에 의해 신호 전극, 주사 전극, 절연막 및 배향막을 구비한 한 쌍의 전극 기판을 작성하고, 이들을 대향시켜 부착하였다. 또한, 상기 신호 전극, 주사 전극, 절연막, 배향막의 각각의 막두께나 전극 기판의 간극 크기 등은 본 실시 형태에 관한 강유전성 액정 셀과 같은 조건으로 하였다. 상기 한 쌍의 전극 기판의 간극에 메르크사제의 상품명 「SCE8」에 의해 실현되는 강유전성 액정 조성물을 100℃에서 진공 주입하고, 2.0℃/min의 속도로 실온까지 냉각하여 봉지하였다.
이하, 본 실시 형태에 관한 제1 내지 제8액정 셀의 특성에 대하여 설명한다.
처음에, 강유전성 액정 조성물에 폴리머를 첨가한 것에 의한 자발 분극의 크기 변화를 보기 위해, 본 실시 형태에 관한 제1, 제2액정 셀, 비교예 1 및 종래의 액정 셀 각각에 대하여 삼각파 전압을 인가하여 자발 분극의 크기를 계측하였다. 그 계측 결과를 표1에 나타낸다.
[표 1]
Figure kpo00002
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 제1액정 셀의 자발 분극은 정의 자발 분극을 갖는 액정 조성물에 부의 자발 분극을 갖는 폴리머가 첨가된 것에 의해, 폴리머를 포함하지 않은 액정 조성물을 사용한 종래의 액정 셀보다도 작게 된다. 한편, 제2액정 셀의 자발 분극은 정의 자발 분극을 갖는 폴리머가 첨가된 것에 의해, 종래의 액정 셀 보다도 크게 된다. 또한, 비교예 1에서는 첨가된 폴리머가 자발 분극을 갖지 않으므로, 액정 셀로서의 자발 분극의 크기는 폴리머를 포함하지 않는 액정 조성물(종래의 액정 셀)과 거의 같다.
제2도는 제1, 제2액정 셀, 비교예 1 및 종래의 액정 셀에 있어서, 펄스 전압을 인가하였을 때의 스위칭에 요하는 펄스폭 τ와 펄스 파고값 V의 관계(τ-V 특성)을 나타내는 그래프이다.
제2도에 도시한 바와 같이, 폴리머를 포함하지 않는 종래의 액정 셀의 τ-V 곡선에 대하여 부의 자발 분극을 갖는 폴리머를 포함하는 제1액정 셀의 τ-V 곡선은 전체적으로 왼쪽 위로 시프트하고, 정의 자발 분극을 갖는 폴리머를 포함하는 제2액정 셀의 τ-V 곡선은 전체적으로 오른쪽 아래로 시프트하고 있다. 즉, 자발 분극을 갖는 폴리머를 액정 조성물에 첨가하는 것에 의해, τ-V 특성을 변화시키는 것이 가능하다.
또한, 제2도에 도시한 그래프는 극소값을 갖는 소위 τ-Vmin특성을 나타내고 있는 것을 알 수 있다. 여기서 τ-Vmin특성에 대하여 제11도를 참조하면서 간단히 설명한다.
τ-Vmin특성이라 함은 액정 조성물에 모노펄스 전압을 인가한 경우의 펄스 전압 V와 그 펄스 전압에 의해 모든 액정 분자가 완전히 스위치하기 위한 펄스폭 τ의 관계에 있어서, 펄스폭 τ가 극소값을 갖는 특성이다.
부의 유전 이방성을 갖는 액정 조성물 또는 큰 정의 이축 유전 이방성을 갖는 액정 조성물은 τ-Vmin특성을 나타내는 것이 알려져 있다. 또한, 상기 유전 이방성이라 함은 액정 분자의 배향 벡터(다이렉터)에 평행한 유전율 ε0와 수직인 유전율 ε1과의 차 Δε=ε0-ε1을 가르킨다.
전장 E가 인가되었을 때, 액정 분자의 배향 벡터 방향과 전장이 이루는 각도를 θ라고 하면, 자발 분극과 전장의 상호 작용에 의해 생기는 자발 토크 TP가 다음의 수학식 1로 표현되는 것에 대하여, 유전 이방성과 전장의 상호 작용에 의해 생기는 유전 토크 TE는 수학식 2로 표현된다.
[수학식 1]
TP∝ PS·E
[수학식 2]
TE∝ -ΔE2sin2θ
이 때문에, 예를 들면 유전 이방성이 부인 경우에는 액정 분자가 셀 계면에 평행하게 되도록 유전 토크가 작용하는 것에 의해, 광학 응답의 상승이 늦게 된다. 이때, 부의 유전 이방성의 절대값이 크면, 어느 크기 이상의 전장을 인가하였을 때에는 자발 분극에 따른 토크에 유전 토크가 이기고, 스위칭을 영입하도록 작용한다. 그 때문에, 큰 전장이 인가되었을 때에 스위칭하기 위해 긴 펄스폭을 필요로 하게 되어, 제11도에 도시한 바와 같이 τ-V 곡선은 극소값을 나타낸다. 이것이 τ-Vmin특성이다.
또한, 이 τ-Vmin특성을 이용하면, 다음과 같은 이점이 있다. 제11도에 도시한 펄스폭 τSW를 갖는 모노펄스를 인가한 경우, 펄스 파고값 Vs가 범위 α에 있을 때에는 스위칭은 일어나지 않고, 범위 β에 있는 경우에 스위칭이 일어난다. τ-V 곡선이 극소값을 갖지 않는 경우에는 이 범위 α 및 β의 영역을 이용하여 스위칭을 제어하게 된다.
그러나, τ-V 곡선이 극소값을 갖는 경우에는 범위
Figure kpo00003
에서도 스위칭이 일어나지 않으므로, 범위 β 및
Figure kpo00004
의 영역을 사용하여 스위칭을 제어하는 것도 가능하다. 범위 β 및
Figure kpo00005
의 영역을 사용한 스위칭 제어에서는 범위 α 및 β의 영역을 사용한 스위칭 제어에 비하여 인가되는 전장이 크므로, 응답이 빨라진다고 하는 이점도 있다. 또한, 극소값 근처의 펄스 파고값 및 펄스폭을 이용하면, 응답 속도가 빠르고, 구동 전압도 비교적 낮다고 하는 이점이 있다.
예를 들면, 제2도에 도시한 바와 같이, 제1액정 셀에서는 τ-V 곡선의 극소값 부근의 펄스 전압 및 펄스폭을 이용하여 구동을 실행하면, 종래 액정 셀보다도 더욱 낮은 구동 전압에 의한 구동이 가능하게 된다고 하는 이점이 있다. 또한, 제2액정 셀에서는 종래 액정 셀보다도 스위칭에 필요한 펄스폭이 짧아, 고속 구동이 가능하다.
또한, 라세미체의 폴리머를 포함하는 비교예 1의 τ-V 곡선은 종래 액정 셀의 τ-V 곡선보다도 대폭적으로 왼쪽 위로 시프트하고 있어, 스위칭에 필요한 펄스폭이 길게 되어버린 것을 알 수 있다. 이것은 라세미체의 폴리머에 의해 액정의 점성이 증가한 것에 의한 것이라고 고려된다.
다음에, 상기 제1, 제2액정 셀을 I상까지 재가열하여 재배향 처리를 실행한 제5, 제6액정 셀의 구동 특성에 대하여 설명한다.
제5 및 제6액정 셀의 텍스쳐를 현미경으로 관찰하면, 폴리머가 스멕틱 층간에 끼워지도록 응집하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 이들 액정 셀에 모노펄스 전압을 인가하면서 현미경 관찰하면, 펄스 파고값의 증가에 따라 제3도에 도시한 바와 같이 줄무늬 형상의 스위칭 영역이 층 방향과 평행하게 출현하는 것을 알 수 있다.
또한, 제3도에 도시한 5개의 사각형 각각은 신호 전극(3) 및 주사 전극(5)이 교차하는 영역, 즉 1화소분의 영역에 대응하고 있고, 줄무늬 형상으로 출현하는 스위칭 영역의 간격이 1화소의 폭(실제로는 약 0.3mm)에 대하여 충분히 짧은 것을 알 수 있다. 또한, 펄스 파고값에 따라 1화소중의 스위칭 영역의 비율이 변화하므로, 펄스 파고값을 제어하는 것에 의해, 소망 밝기의 톤 표시가 가능하게 된다.
I상에서는 액정 조성물의 분자가 등방성을 나타내고, 점성도 작게 되므로, 강유전성 액정 조성물과 호환성이 낮은 폴리머나 모노머는 움직이기 쉽게 되어, 응집하기 시작한다. 그후, 냉각되는 것에 의해, 응집한 분자는 스멕틱층에 끼워지도록 배치한다. 이 결과, 분자의 응집부 근처는 다른 영역과는 다른 점성을 갖고, 인가 전압에 대한 응답 특성도 다른 것으로 된다.
제4도는 분자 응집부 근처의 국소적인 스위칭 영역의 출현 및 소멸의 상태를 도시한 설명도이다. 제4도에 도시한 바와 같이, 낮은 펄스 전압을 인가하면, 응집한 폴리머(31)를 따라 층방향으로 평행한 줄(32)이 출현한다(상태 a). 이 줄(32)이 스위칭 영역이다. 상태 a에서 펄스 파고값이 높게 됨을 따라, 상태 b, 상태 c로 도시한 바와 같이 스위칭하는 영역이 넓게 되어 가고, 어느 파고값의 펄스 전압에 대하여 전 영역이 스위칭 상태로 된다(상태 d). 본 실시 형태에서는 부의 유전 이방성을 갖는 강유전성 액정 조성물을 사용하고 있으므로, 그후, 펄스 파고값을 더욱 높게 하면, 스위칭 도메인이 소멸하여 가는 현상이 나타난다(상태 e, 상태 f).
이상과 같이, 재배향 처리를 실행한 제5 및 제6액정 셀은 펄스 파고값에 따라 1화소중의 스위칭 영역의 비율을 변화시킬 수 있고, 톤 표시가 가능하다.
또한, 제5, 제6액정 셀의 τ-V 특성은 제5도에 도시한 바와 같다. 제2도와 제5도를 비교하여 알 수 있는 바와 같이, 제1, 제2액정 셀에 재배향 처리를 실행하여 작성한 제5, 제6액정 셀의 τ-V 특성은 액정중에 폴리머를 포함하지 않는 종래 액정 셀의 τ-V 특성에 가깝다. 이것은 재배향 처리에 의해 폴리머가 응집한 것에 의해 액정과 폴리머가 어느 정도 분리하여 버려, 폴리머가 액정에 주는 영향이 제1, 제2액정 셀에 비해 작게 된 것이 원인이라고 생각된다.
다음에, 모노머를 미리 폴리머화한 것을 액정 조성물에 첨가하든가 또는 모노머를 액정 조성물에 첨가한 후에 폴리머화를 실행하든가에 의해 생기는 구동 특성상의 차이에 대하여 제5액정 셀과 제7액정 셀의 비교 및 제6액정 셀과 제8액정 셀의 비교에 따라 설명한다.
제6도는 제5 및 제7액정 셀과 종래 액정 셀의 τ-V 특성을 각각 측정한 결과를 도시한 그래프이다. 또한, 제7도는 제6 및 제8도의 액정 셀과 종래 액정 셀의 τ-V 특성을 각각 측정한 결과를 도시한 그래프이다. 제6도 및 제7도에서 명확한 바와 같이, 모노머를 첨가한 액정 조성물을 셀에 주입 후에 자외선 조사를 실행하여 작성한 액정 셀(제7, 제8)의 τ-V 곡선쪽이 폴리머를 미리 첨가한 액정 조성물을 사용한 액정 셀(제5,제6)의 τ-V 곡선 보다도 종래 액정 셀의 τ-V 곡선에서의 시프트량이 큰 것을 알 수 있다.
이 이유는 다음과 같이 설명할 수 있다. 모노머를 액정 조성물에 첨가하여 셀에 주입한 후에 노광을 실행하면, 액정 분자와 모노머가 혼재한 상태에서 중합 반응이 진행한다. 이 때문에, 모노머 단체에서 노광을 실행한 경우보다도 중합도가 낮게 되고 더욱이 중합도는 균일하지 않으며, 중합도가 다른 복수 종류의 폴리머가 혼재한 상태로 된다고 생각된다. 이 때문에 액정 조성물과 폴리머의 호환성(compatibility)이 높기 때문에, 재배향 처리를 실행하여 폴리머를 응집시키더라도 폴리머가 액정에 주는 영향이 크다고 고려할 수 있다.
또한, 라세미체에 관해서는 상술한 바와 같이 자발 분극으로의 영향이 없으므로, 폴리머를 액정 조성물에 미리 첨가한 경우(비교예 2)와 모노머를 첨가한 액정 조성물을 셀에 주입한 후에 자외선 조사를 실행한 경우(비교예 3) 사이에서는 제8도에 도시한 바와 같이 τ-V 특성에 거의 차이를 찾아볼 수 없다.
또한, 제9도는 제5 및 제7액정 셀과 종래 액정 셀에 있어서, 펄스 전압의 파고값의 변화에 대하여 스위칭 영역의 비율이 변화하는 상태를 계측한 결과를 도시한 그래프이다. 또한, 펄스 전압으로서는 제10(a)도에 도시한 바와 같이, 일정 펄스폭(80㎲)을 갖는 모노 펄스를 인가하였다. 또한, 스위칭 영역의 경우는 제10(b)도에 도시한 바와 같이 AC 커플링으로 검출되는 출력 V에 비례하므로, 제10(b)도에 도시한 바와 같이 이 출력 V를 특정하는 것에서 구해졌다.
제9도에 있어서, 종래 액정 셀과 제5액정 셀을 비교하면, 제5액정 셀은 저전압측 및 고전압측에 있어서의 그래프의 기울기가 완만한 것을 알 수 있다. 또한, 제7액정 셀은 그래프의 기울기가 더욱 완만하다. 제5, 제7액정 셀은 펄스 전압의 파고값을 제어하는 것에 의해 스위칭 영역의 비율을 변화시켜 톤 표시를 실행하는 것이다. 이 경우, 펄스 전압의 파고값에 대한 스위칭 영역의 비율 변화율이 보다 적은 쪽이 셀 두께의 불균일성이나 주변 온도의 변화에 따른 τ-V 특성의 변화를 보상할 수 있다고 하는 점에서 좋다.
또한, 제1 내지 제8액정 셀은 액정(9) 중에 폴리머가 도입된 것에 의해, 내쇼크성이 향상하고 있는 것을 알 수 있었다. 예를 들면, 제3액정 셀과 종래 액정 셀을 사용하여 1.0㎠의 원판 형상의 선단을 갖는 가압 시험기에서 가압 시험을 실행한 바, 종래 액정 셀이 0.75kg중의 압력에서 지그재그 결함이 생긴 것에 대하여, 제3액정 셀은 지그재그 결함이 생긴 압력이 1.00kgn이었다. 이것에 의해 스페이서 벽 등을 형성하는 방법 보다도 용이한 구조 공정에 의해 내쇼크성이 향상한 강유전성 액정 셀을 실현하는 것이 가능하다.
또한, 액정(9)에 도입하는 폴리머의 양을 조정하는 것에 의해, 자발 분극 토크 및 유전 토크의 크기나 액정의 점성을 조정할 수 있고, 따라서 액정(9)의 구동 특성을 변화시킬 수 있다. 또한, 폴리머의 첨가율은 액정 조성물에 대하여 1.5중량% 이상이라고 하는 것이 바람직하다.
또한, 이 실시 형태에서는 제1 내지 제8액정 셀에 있어서, 구동 특성의 차이를 알기 쉽도록 하기 위해, 예를 들면 제1액정 셀에서 부의 자발 분극을 유기하는 모노머로서 S체의 아크릴레이트 키럴 모노머를 사용하고, 제2액정 셀에서는 정의 자발 분극을 유기하는 모노머로서 상기 아크릴레이트 키럴 모노머의 R체를 사용하였다. 그러나, 제1 내지 제8액정 셀의 각각에서 제시된 모노머는 단지 일예로서, 정 또는 부의 자발 분극을 유기하는 모노머이면, 다양한 재료를 사용하는 것이 가능하다.
또한, 상기에서는 τ-Vmin특성을 나타내는 액정 재료로서 부의 유전 이방성을 갖는 강유전성 액정 조성물을 사용하였지만, 그밖에 마찬가지로 τ-Vmin특성을 나타내는 것이 알려져 있다. 큰 정의 이축 유전 이방성을 갖는 재료를 사용하여도 좋다.
이상과 같이, 본 발명의 스멕틱 액정 소자(예를 들면, 제2액정 셀)는 적어도 전극을 갖는 한 쌍의 기판 사이에 스위칭상을 나타내는 액정 층을 마련한 스멕틱 액정 소자에 있어서, 이축성을 나타내는 분자 배치에 있을 때에 자발 분극을 유기하는 폴리머가 상기 액정층에 도입되어 있고, 스멕틱상에 있어서, 상기 폴리머의 자발 분극과 상기 액정층의 액정 분자의 자발 분극이 같은 부호를 갖는 구성이다.
상기 구성에서는 액정 분자의 자발 분극과 부호의 자발 분극을 갖는 폴리머가 액정층에 도입된 것에 의해, 스멕틱상에 있어서, 액정층 전체의 자발 분극의 크기가 증대한다. 이 때문에, 전극에서 구동 전장을 인가하였을 때에 구동 전장과 자발 분극의 상호 작용에서 액정 분자에 가하는 구동력이 크게 된다. 이 결과, 고속 구동이 가능한 스멕틱 액정 소자를 제공하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기 스멕틱 액정 소자(예를 들면, 제2액정 셀)에 있어서, 바람직하게는 상기 액정층이 τ-Vmin특성을 나타내는 액정 조성물을 사용하여 생성된다.
τ-Vmin특성을 나타내는 액정 조성물을 사용한 액정 셀은 고속 구동이 가능하다고 하는 이점이 있지만, 이 액과 같은 부호의 자발 분극을 갖는 폴리머를 첨가하는 것에 의해 응답 속도를 더욱 향상시킬 수 있다. 이 결과, 더욱 고속인 구동이 가능한 스멕틱 액정 소자를 실현할 수 있다.
또한, 상기 스멕틱 액정 소자(예를 들면, 제2액정 셀)에 있어서, 바람직하게는 상기 액정층이 부의 유전 이방성을 갖는 액정 조성물을 사용하여 형성된다.
부의 유전 이방성을 갖는 액정 조성물은 τ-Vmin특성을 나타내므로, 더욱 고속인 구동이 가능한 스멕틱 액정 소자를 실현할 수 있다.
또한, 본 발명의 스멕틱 액정 소자(예를 들면, 제1액정 셀)은 적어도 전극을 갖는 한 쌍의 기판 사이에 스멕틱상을 나타내는 액정층을 구비한 스멕틱 액정 소자에 있어서, 상기 액정층이 τ-Vmin특성을 나타내는 액정 조성물과 이축성을 나타내는 분자 배치에 있을 때에 자발 분극을 유기하는 폴리머를 포함하고, 스멕틱상에 있어서, 상기 폴리머의 자발 분극과 상기 액정층의 액정 분자의 자발 분극이 서로 다른 부호를 갖는 구성이다.
상기 구성에서는 액정 분자의 자발 분극과 다른 부호의 자발 분극을 갖는 폴리머가 액정층에 도입된 것에 의해, 스멕틱상에 있어서, 액정층 전체의 자발 분극의 크기가 작게 된다. 이 때문에, 전극에서 구동 전압을 인가하였을 때에 자발 분극과 구동 전장의 상호 작용에 의해 액정 분자에 가하는 자발 분극 토크보다도 유전 이방성과 구동 전장의 상호 작용에 의해 생기는 유전 토크쪽이 상대적으로 크게 된다.
이것에 의해, 스멕틱상에 있어서의 액정층 전체로서의 τ-Vmin특성이 변화하여 펄스폭 τ가 최소값 τmin을 취하는 펄스 전압 V가 저전압측으로 시프트한다. 이 결과, 구동 파형의 펄스폭 τ를 최소값 τmin정도로 하면, 액정 소자의 구동 전압을 저전압화하는 것이 가능하게 된다. 이 결과, 소비 전력을 저감할 수 있고, 발열량을 제어할 수 있다.
또한, 상술한 스멕틱 액정 소자(예를 들면, 제2 및 제1액정 셀)에서 톤 표시를 실현하기 위해서는 폴리머가 액정층이 스멕틱층 사이에 응집하고 있는 것이 좋다.
상기 구성에 의하면, 스멕틱층 사이에 응집한 폴리머의 근처의 점성이 다른 영역과 다르므로, 전극에서 인가되는 구동 전장에 대한 응답 특성도 다른 것으로 된다. 이 결과, 폴리머 응집부 근처에서 국소적인 스위칭 도메인의 출현 및 소멸이 발생한다. 이 스위칭 도메인은 1화소보다도 충분히 작으므로, 톤 표시가 가능한 스멕틱 액정 소자를 제공하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상술한 스멕틱 액정 소자(예를 들면, 제2 및 제1액정 셀)에서는 폴리머가 전기 쌍극자 모멘트를 갖고 광학 활성인 것이 좋다.
또한, 상술한 스멕틱 액정 소자(예를 들면, 제2 및 제1액정 셀)에서는 폴리머가 광중합성의 관능기를 하나 갖는 모노머를 광중합하는 것에 의해 형성되고 있는 것이 좋다.
이 구성에서는 액정의 배향성이 열화하지 않으므로, 콘트라스트 등의 표시품위의 열화를 방지하여 양호한 표시 품위를 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 스멕틱 액정 소자(예를 들면, 제2액정 셀)의 제1 제조방법은 적어도 전극을 갖는 한 쌍의 기판 사이에 스멕틱상을 나타내는 액정층을 구비한 스멕틱 액정 소자의 제조 방법에 있어서, 이축성을 나타내는 분자 배치에 있을 때에 자발 분극을 유기하는 폴리머와 스멕틱상에 있어서 상기 폴리머와 같은 부호의 자발 분극을 갖는 액정 조성물을 혼합하는 공정과 상기 폴리머와 액정 조성물의 혼합물을 상기 기판 사이에 도입하는 공정을 포함하고 있다.
이 제조 방법에 의하면, 액정 분자의 자발 분극과 같은 부호의 자발 분극을 갖는 폴리머를 액정층에 도입하는 것에 의해, 스멕틱상에 있어서 액정층 전체의 자발 분극의 크기가 증대한다. 이 때문에, 전극에서 구동 전장을 인가한 때에 구동 전장과 자발 분극의 상호 작용에 의해 액정 분자에 가해지는 구동력이 크게 되어, 응답 속도가 더욱 향상한 스멕틱 액정 소자를 제공하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 스멕틱 액정 소자(예를 들면, 제1액정 셀)의 제2제조 방법은 적어도 전극을 갖는 한 쌍의 기판 사이에 스멕틱상을 나타내는 액정층을 구비한 스멕틱 액정 소자의 제조 방법에 있어서, 이축성을 나타내는 분자 배치에 있을 때에 자발 분극을 유기하는 폴리머와 스멕틱상에 있어서 상기 폴리머와 같은 부호의 자발 분극을 가짐과 동시에 τ-Vmin특성을 나타내는 액정 조성물을 혼합하는 공정과 상기 폴리머와 액정 조성물의 혼합물을 상기 기판 사이에 도입하는 공정을 포함하고 있다.
이 제조 방법에 의하면, 액정 분자의 자발 분극과 다른 부호의 자발 분극을 갖는 폴리머를 액정층에 도입하는 것에 의해, 스멕틱상에 있어서, 액정층 전체의 자발 분극의 크기가 작게 된다. 이 때문에, 전극에서 구동 전장을 인가하였을 때에 자발 분극과 구동 전장의 상호 작용에 의해 액정 분자에 인가되는 자발 분극 토크보다도 유전 이방성과 구동 전장의 상호 작용에 의해 생기는 유전 토크쪽이 상대적으로 크게 된다. 이 결과, 스멕틱상에 있어서의 액정층 전체로서의 τ-Vmin특성이 변화하여 펄스폭 τ가 최소값 τmin을 취하는 펄스 전압 V가 저전압측으로 시프트한다. 이 결과, 저전압 구동이 가능한 스멕틱 액정 소자를 제공하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 스멕틱 액정 소자(예를 들면, 제4액정 셀)의 제3제조 방법은 적어도 전극을 갖는 한 쌍의 기판 사이에 스멕틱상을 나타내는 액정층을 구비한 스멕틱 액정 소자의 제조 방법에 있어서, 이축성을 나타내는 분자 배치에 있을 때에 자발 분극을 유기하는 광중합성의 모노머와 스멕틱상에 있어서 상기 모노머와 같은 부호의 자발 분극을 갖는 액정 조성물을 혼합하는 공정과 상기 모노머와 액정 조성물의 혼합물을 상기 기판 사이에 도입하는 공정과 상기 혼합물에 광을 조사하여 모노머를 중합시키는 공정을 포함하고 있다.
이 제조 방법에 의하면, 모노머가 액정과 혼재한 상태에서 중합 반응이 진행하므로, 모노머 단체에 광을 조사하여 중합시킨 경우보다도 형성되는 폴리머의 중합도에 변동이 생긴다. 즉, 이 제조 방법에 의해 형성되는 액정층은 중합도가 다른 복수 종류의 폴리머가 혼재한 상태로 된다. 이 때문에 폴리머와 액정의 상용성이 비교적 높게 되어, 폴리머가 액정에 주는 영향이 크다.
스멕틱상에 있어서, 상기 모노머와 액정 조성물은 같은 부호의 자발 분극을 갖고, 상술한 바와 같이, 상기 모노머에서 형성된 폴리머와 액정의 상용성이 높은 것에서, 액정층 전체의 자발 분극의 크기가 효과적으로 증대하고, 전극에서 인가되는 구동 전장과 자발 분극의 상호 작용으로 생기는 구동력이 크게 된다. 또한 모노머의 첨가량도 비교적 소량이므로, 액정의 배향이 혼란되지 않는다. 이 결과, 표시 품위가 높고, 고속 구동이 가능한 액정 소자를 제공하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 스멕틱 액정 소자(예를 들면, 제3액정 셀)의 제4 제조 방법은 적어도 전극을 갖는 한 쌍의 기판 사이에 스멕틱상을 나타내는 액정층을 구비한 스멕틱 액정 소자의 제조 방법에 있어서, 이축성을 나타내는 분자 배치에 있을 때에 자발 분극을 유기하는 광중합성의 모노머와 스멕틱상에 있어서 상기 모노머와 다른 부호의 자발 분극을 가짐과 동시에 τ-Vmin특성을 나타내는 액정 조성물을 혼합하는 공정과 상기 모노머와 액정 조성물의 혼합물을 상기 기판 사이에 도입하는 공정과 상기 혼합물에 광을 조사하여 모노머를 중합시키는 공정을 포함하고 있다.
이 제조 방법에 의하면, 모노머가 액정과 혼재한 상태에서 중합 반응이 진행하므로, 모노머 단체에 광을 조사하여 중합시킨 경우보다도 형성되는 폴리머의 중합도에 변동이 생긴다. 즉, 이 제조 방법에 의해 형성되는 액정층은 중합도가 다른 복수 종류의 폴리머가 혼재한 상태로 된다. 이 때문에 폴리머와 액정의 상용성이 비교적 높게 되어, 폴리머가 액정에 주는 영향이 크다.
스멕틱상에 있어서, 상기 모노머와 액정 조성물은 서로 다른 부호의 자발 분극을 갖는다. 상술한 바와 같이, 상기 모노머에서 형성된 폴리머와 액정의 상용성이 높은 것에서, 액정층 전체의 자발 분극의 크기가 효과적으로 감소하고, τ-Vmin특성에 있어서 펄스폭 τ가 최소값을 취하는 펄스 전압 V가 액정 조성물 그것의 τ-Vmin특성에서 저전압측으로 시프트하는 양이 크게 된다. 또한, 첨가하는 모노머의 량도 소량이므로, 액정의 배향이 혼란되지 않는다. 이 결과, 표시 품위가 높고, 저전압 구동이 가능한 액정 소자를 제공하는 것이 가능하게 된다.
상기 제1 내지 제4제조 방법에 있어서, 액정 조성물이 스멕틱상보다도 고온측의 상을 나타내는 온도에 있어서 상기 혼합물을 기판 사이에 도입하는 공정을 실시한 후에 냉각하는 제1배향 공정과 이 제1배향 공정 후에 액정 조성물이 등방상을 나타내는 온도까지 가열하는 제2배향 공정을 더 부가한 제조 방법에 의하면, 톤 표시가 가능한 스멕틱 액정 소자(제5 내지 제8액정 셀)을 제공하는 것이 가능하게 된다.
즉, 이 제조 방법에 의하면, 제2배향 공정에 있어서 등방상을 나타내는 고온까지 가열한 경우, 액정 분자는 등방성을 가져 점성이 저하한다. 이 때문에, 액정에 첨가된 폴리머 또는 모노머는 움직이기 쉽게 되어 응집하기 시작한다. 그후, 스멕틱상까지 온도가 하강하면, 응집한 분자는 스멕틱층에 끼워지도록 배치한다. 이와 같이 스멕틱층간에 응집한 분자의 근처는 점성이 다른 영역과 다르므로, 전극에서 인가되는 구동 전장에 대한 응답 특성도 다른 것으로 된다. 이 결과, 폴리머 응집부 근처에서 국소적인 스위칭 도메인의 출현 및 소멸이 발생한다. 이 스위칭 도메인은 1화소보다도 충분히 작으므로, 톤 표시가 가능한 스멕틱 액정 소자를 제공하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기 제1 내지 제4제조 방법에 있어서, 상기 모노머는 전기 쌍극자 모멘트를 가짐과 동시에 광학 활성인 것이 좋다.
또한, 상기 제1 내지 제4제조 방법에 있어서, 상기 모노머는 광중합성의 관능기를 하나 갖는 것이 좋다.
이것에 의해 스멕틱 액정 소자에 있어서, 액정의 배향성을 열화시키지 않고 응답 속도의 향상 또는 구동 전압의 저감화가 도모된다.
발명의 상세한 설명의 항에 있어서 이루어진 구체적인 실시 형태 또는 실시예는 단지 본 발명의 기술 내용을 명확하게 하기 위한 것으로서, 그와 같은 구체예에만 한정하여 혐의로 해석되는 것은 아니고, 본 발명의 정신과 다음에 기재하는 특허청구의 범위내에서, 여러 가지로 변경하여 실시할 수 있다.

Claims (26)

  1. 전극을 갖는 한 쌍의 기판 사이에 스멕틱상을 나타내는 액정층을 구비한 스멕틱 액정 소자에 있어서, 상기 액정층의 분자 배치가 이축성(biaxial)을 나타날 때 자발 분극을 유기하는 폴리머가 상기 액정층에 도입되어 있고, 스멕틱상에 있어서 상기 폴리머의 자발 분극과 상기 액정층의 액정 분자의 자발 분극이 같은 부호를 갖는 것을 특징으로 하는 스멕틱 액정 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 액정층은 τ-V 곡선이 극소값을 갖는 τ-Vmin특성을 나타내는 액정 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 스멕틱 액정 소자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 액정 조성물은 부의 유전 이방성(negative dielectric anisotropy)을 갖는 것을 특징으로 하는 스멕틱 액정 소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 폴리머는 상기 액정층의 스멕틱층 사이에 응집하고 있는 것을 특징으로 하는 스멕틱 액정 소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 폴리머는 전기 쌍극자 모멘트를 갖고 광학적으로 활성인(optically active) 것을 특징으로 하는 스멕틱 액정 소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 폴리머는 광중합성의 관능기(photochemically polymeric functional group; 官能基)를 하나 갖는 모노머를 광중합하는 것에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 스멕틱 액정 소자.
  7. 전극을 갖는 한 쌍의 기판 사이에 스멕틱상을 나타내는 액정층을 구비한 스멕틱 액정 소자에 있어서, 상기 액정층은 τ-V 곡선이 극소값을 갖는 τ-Vmin특성을 나타내는 액정 조성물과, 상기 액정층의 분자 배치가 이축성을 나타낼 때 자발 분극을 유기하는 폴리머를 포함하고, 스멕틱상에 있어서 상기 폴리머의 자발 분극과 상기 액정층의 액정 분자의 자발 분극이 서로 다른 부호를 갖는 것을 특징으로 하는 스멕틱 액정 소자.
  8. 제7항에 있어서, 상기 폴리머는 상기 액정층의 스멕틱층 사이에 응집하고 있는 것을 특징으로 하는 스멕틱 액정 소자.
  9. 제7항에 있어서, 상기 폴리머는 전기 쌍극자 모멘트를 갖고 광학적으로 활성인 것을 특징으로 하는 스멕틱 액정 소자.
  10. 제7항에 있어서, 상기 폴리머는 광중합성의 관능기를 하나 갖는 모노머를 광중합하는 것에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 스멕틱 액정 소자.
  11. 전극을 갖는 한 쌍의 기판 사이에 스멕틱상을 나타내는 액정층을 구비한 스멕틱 액정 소자의 제조 방법에 있어서, 상기 액정층의 분자 배치가 이축성을 나타낼 때 자발 분극을 유기하는 폴리머와 스멕틱상에 있어서, 상기 폴리머와 같은 부호의 자발 분극을 갖는 액정 조성물을 혼합하는 공정; 및 상기 폴리머와 액정 조성물의 혼합물을 상기 기판 사이에 도입하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 스멕틱 액정 소자의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 액정 조성물이 스멕틱상보다도 고온측의 상을 나타내는 온도에 있어서 상기 혼합물을 기판 사이에 도입하는 공정을 실시한 후에 냉각하는 제1배향 공정; 및 상기 제1배향 공정 후에 상기 액정 조성물이 등방상(isotropic phase;等方相)을 나타내는 온도까지 가열하는 제2배향 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스멕틱 액정 소자의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 폴리머는 전기 쌍극자 모멘트를 가짐과 동시에 광학적으로 활성인 것을 특징으로 하는 스멕틱 액정 소자의 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 폴리머는 광중합성의 관능기를 하나 갖는 모노머를 광중합하는 것에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 스멕틱 액정 소자의 제조 방법.
  15. 전극을 갖는 한 쌍의 기판 사이에 스멕틱상을 나타내는 액정층을 구비한 스멕틱 액정 소자의 제조 방법에 있어서, 상기 액정층의 분자 배치가 이축성을 나타낼 때 자발 분극을 유기하는 폴리머와, 스멕틱상에 있어서 상기 폴리머와는 다른 부호의 자발 분극을 가짐과 동시에 τ-V 곡선이 극소값을 갖는 τ-Vmin특성을 나타내는 액정 조성물을 혼합하는 공정; 및 상기 폴리머와 액정 조성물의 혼합물을 상기 기판 사이에 도입하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 스멕틱 액정 소자의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 액정 조성물이 스멕틱상보다도 고온측의 상을 나타내는 온도에 있어서 상기 혼합물을 기판 사이에 도입하는 공정을 실시한 후에 냉각하는 제1배향 공정; 및 상기 제1배향 공정 후에 상기 액정 조성물이 등방상을 나타내는 온도까지 가열하는 제2배향 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스멕틱 액정 소자의 제조 방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 폴리머는 전기 쌍극자 모멘트를 가짐과 동시에 광학적으로 활성인 것을 특징으로 하는 스멕틱 액정 소자의 제조 방법.
  18. 제15항에 있어서, 상기 폴리머는 광중합성의 관능기를 하나 갖는 모노머를 광중합하는 것에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 스멕틱 액정 소자의 제조 방법.
  19. 전극을 갖는 한 쌍의 기판 사이에 스멕틱상을 나타내는 액정층을 구비한 스멕틱 액정 소자의 제조 방법에 있어서, 분자 배치가 이축성을 나타낼 때 자발 분극을 유기하는 광중합성의 모노머와 스멕틱상에 있어서, 상기 모노머와 같은 부호의 자발 분극을 갖는 액정 조성물을 혼합하는 공정; 및 상기 모노머와 액정 조성물의 혼합물을 상기 기판 사이에 도입하는 공정; 및 상기 혼합물에 광을 조사하여 상기 모노머를 중합시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 스멕틱 액정 소자의 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 액정 조성물이 스멕틱상보다도 고온측의 상을 나타내는 온도에 있어서 상기 혼합물을 기판 사이에 도입하는 공정을 실시한 후에 냉각하는 제1배향 공정; 및 상기 제1배향 공정 후에 상기 액정 조성물이 등방상을 나타내는 온도까지 가열하는 제2배향 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스멕틱 액정 소자의 제조 방법.
  21. 제19항에 있어서, 상기 모노머는 전기 쌍극자 모멘트를 가짐과 동시에 광학적으로 활성인 것을 특징으로 하는 스멕틱 액정 소자의 제조 방법.
  22. 제19항에 있어서, 상기 모노머는 광중합성의 관능기를 하나 갖는 것을 특징으로 하는 스멕틱 액정 소자의 제조 방법.
  23. 전극을 갖는 한 쌍의 기판 사이에 스멕틱상을 나타내는 액정층을 구비한 스멕틱 액정 소자의 제조 방법에 있어서, 분자 배치가 이축성을 나타낼 때 자발 분극을 유기하는 광중합성의 모노머와, 스멕틱상에 있어서 상기 모노머와 다른 부호의 자발 분극을 가짐과 동시에 τ-V 곡선이 극소값을 갖는 τ-Vmin특성을 나타내는 액정 조성물을 혼합하는 공정; 상기 모노머와 액정 조성물의 혼합물을 상기 기판 사이에 도입하는 공정; 및 상기 혼합물에 광을 조사하여 상기 모노머를 중합시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 스멕틱 액정 소자의 제조 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 액정 조성물이 스멕틱상보다도 고온측의 상을 나타내는 온도에 있어서 상기 혼합물을 기판 사이에 도입하는 공정을 실시한 후에 냉각하는 제1배향 공정; 및 상기 제1배향 공정 후에 상기 액정 조성물이 등방상을 나타내는 온도까지 가열하는 제2배향 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스멕틱 액정 소자의 제조 방법.
  25. 제23항에 있어서, 상기 모노머는 전기 쌍극자 모멘트를 가짐과 동시에 광학적으로 활성인 것을 특징으로 하는 스멕틱 액정 소자의 제조 방법.
  26. 제23항에 있어서, 상기 모노머는 광중합성의 관능기를 하나 갖는 것을 특징으로 하는 스멕틱 액정 소자의 제조 방법.
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