KR100302693B1 - 반사광밸브용자기보상형트위스트네마틱액정셀을사용한표시장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 거의 100%의 높은 광학 효율을 갖는 반사광 밸브용 자기 보상형 트위스트 네마틱(SCTN)에 관한 것이며, 이것은 종래 기술의 것과 비교하여 약 3V 미만의 포화 전압 및 셀-갭 불균일성 면에서 비교적 큰 허용 오차를 갖는다. 본 발명의 SCTN 모드는 Si-웨이퍼 상에 제조된 액티브 매트릭스에 의해 구동되는 반사광 밸브용으로 특히 적합하다.

Description

반사광 밸브용 자기 보상형 트위스트 네마틱 액정 셀을 사용한 표시 장치{SELF-COMPENSATED TWISTED NNEMATIC MODE FOR REFLECTIVE LIGHT VALVES}
본 발명은 반사광 밸브용(reflective light valve)의 자기 보상형 트위스트네마틱 액정(LC) 셀(self-compensated twisted nematic 1iquid crystal cel1)에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 투사형 표시 장치용 편광 빔 스플리터 뒤에 배치된 필드 제어 네마틱 액정 반사형 표시 장치에 관한 것이다.
이제까지, 투사형 표시 장치용 반사광 밸브에 사용되는 네마틱 액겅 디바이스는 선형적으로 편광되거나 랜덤하게 편광된 입사광 빔을 필요로 한다. 본 발명은 입사광이 선형적으로 편광된 경우에만 관련된다. 반사광 밸브용의 선형적으로 편광되는 입사광을 필요로 하는 통상적으로 사용되는 액정 모드는 경사진 균일 정렬 (tilted homogenous alignment)을 갖는 전자 제어 복굴절(electro-control birefringence: ECB) 모드, 정렬된 위상의 변형(defornmtion of aligned phase :DAP), 하이브리드 필드 효과(hybrid-field-effect:HFE) 모드, 63.6°-트위스트 모드, 하이브리드 정렬된 네마틱(hybrid-aligned nematic:HAN) 모드 및 혼합형 TN(MIN) 모드이다. 반사광 밸브용의 이들 액정 모드의 동작 원리가 도 1에 도시되어 있다. 입사광 빔(6)은 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter:PBS)(7)을 통과한 후 p-파로 정의된 선형 편광(8)이 되며, 전면 기판(1), 후면 기판(2), 그 사이의 네마틱 액정 재료(5) 및 기판(1 및 2) 각각에서의 2개의 액정 정렬 방향을 포함하는 네마틱 액정 셀(100)에 입사한다. (도 1에는 도시되지 않은) 2개의 전극이 존재하는데, 그 중 하나는 액정 재료(5)에 면하는 전면 기판(1) 뒤에 있는 투명전극이며, 다른 하나는 액정 재료에 면하는 후면 기판(2)의 앞에 있는 (도 1에 도시되지 않은) 반사형 금속 전극이다. 도 1B에 도시된 네마틱 액정 셀(100)은 액정셀(100)의 2개의 전극에 인가된 임계 전압으로 정의된 소정의 전압 이하에서 입사편광 빔(8)이 액정 셀(100)으로부터 반사시 s-파[9(또는 거의 s-파)]가 되는 방식으로 설계된다. s-파는 그 편광 방향이 p-파의 편광 방향과 직교하는 선형 편광이다. s-파(9)는 PBS(7)에 의해 s-파(10)으로 90°반사되어 (도 1에 도시되지 않은) 투사형 렌즈에 의해 관찰용 화면 상에 집속된다. 이러한 상태는 광 밸브의 밝은 상태를 나타낸다. 외부 전압이 포화 전압으로 정의된 소정의 전압 이상으로 액정 셀(100)의 2개의 전극 양단에 인가되면, 액정 셀(100)은 거의 광학적 등방성 매체(optical isotropic medium)로서 동작할 것이다. 이 상태에서는, 입사하는 선형적 편광(8)은 동일한 편광 방향을 유지한 채로 반사형 액정 셀(100)으로부터 반사되는데, 이 경우에는 p-파이다. 반사된 p-파는 PBS(7)을 통과한 후 입사 빔(6)에 반대편으로 거꾸로 전파된다. PBS(7)에 의해 s-파(10)으로 90° 반사되는 반사 p-파는 무시가능한 강도를 가지는데, 이는 광 밸브의 어두운 상태를 나타낸다. 인가된 전압 레벨이 임계 전압과 포화 전압 사이이면, 중간 그레이 레벨이 활성화되어 1024개의 레벨까지의 많은 그레이 레벨로 디스플레이할 수 있다.
선형적으로 편광된 입사광을 필요로 하는 반사광 밸브용의 종래 기술의 네마틱 액정 모드가 도 2에 개략적으로 도시되어 있으며, 상기 네마틱 액정 모드는 전면 기판(21), 후면 기판(22), 네마틱 액정 재료(25), 전면 기판(21)에 인접한 액정디렉터(23;director) 및 후면 기판(22)에 인접한 액정 디렉터(24)로 구성된다. 도1에 도시된 x, y, z 좌표계와 상관되는 x, y, z 좌표계가 도 2에도 도시되어 있다. 액정 디렉터(23)의 배향을 기술하기 위한 2개의 파라미터 α1및 φ1이 존재한다. α1은 전면 기판(21)의 평면으로부터의 액정 디렉터(23)의 경사각이며, φ1은 x-축에 대해 전면 기판(21) 상에 투사된 액정 디렉터(23)의 방위각이다. 또한, 액정 디렉터(24)의 배향을 기술하기 위한 2개의 파라미터 α2및 φ2가 존재한다. α2는 후면 기판(22)의 평면으로부터 액정 디렉터(24)의 경사각이며, φ2는 x-축에 대해 후면 기판(22) 상에 투사된 액정 디렉터(24)의 방위각이다. 양 또는 음의 유전 이방성 (dielectric anisotropy)과 α1, φ1, α2및 φ2의 파라미터 세트의 네마틱 혼합물을 선택함으로써, 종래 기술의 6가지 조합을 기술하거나 정의할 수 있다.
거의 단색 입사광용으로 적절이 최적화되면, 원칙적으로 ECB 모드, HAN 모드 및 63.6°-트위스트 모드는 광 밸브의 윈도우 상에 반사 방지막(anti-reflection film)이 코팅되면 거의 1OO%의 높은 광학 효율을 갖는다. 여기서, 광학 효율은 인듐 주석 산화물 및 광 밸브 내의 금속 전극 및 액정 정렬 충에 기인한 손실을 무시하면서 입사 p-파를 반사 s-파로의 변환으로서 정의한다. 그러나, 경사진 균일 정렬을 갖는 ECB 모드를 제외한 모든 조합은 오히려 높은 동작 전압, 통상 6 V 이상의 전압을 필요로 한다. 경사진 균일 정렬을 갖는 ECB 모드는 낮은 전압에서 동작될 수 있지만, 엄격한 셀-갭 균일성을 필요로 한다. MTN 모드는 약 4 V의 포화 전압 및 반사광 밸브의 다른 조합들과 비교하여 0.88의 보다 낮은 광학 효을을 갖는다.
반사광 밸브용으로 가장 적합한 액정 모드를 선택하기 위한 중요한 3가지 기준이 존재한다. 제1 기준은 높은 광학 효율이다. 제2 기준은 높은 수율이 달성될수 있도록 셀-갭 불균일성 면에서 큰 허용 오차를 가지는 것이다. 제3 기준은 반사광 밸브를 구동하기 위해 Si-웨이퍼 상의 액티브 매트릭스를 사용하는데 특히 중요한 낮은 포화 전압을 가지는 것이다. 포화 전압이 낮아질수록 고정된 Si-웨이퍼 영역에 대한 표시 해상도가 높아질 수 있다. 낮은 포화 전압을 갖는 액정 모드를 사용하면, 제조 비용이 절감되며 전력 소모가 낮아진다. 경사진 균일 정렬을 갖는 ECB 모드를 사용하여 낮은 포화 전압이 달성될 수 있으나, 셀-갭 균일성의 요건이 매우 엄격하다는 것을 알 수 있다. MTN 모드는 낮지만 최저는 아닌 포화 전압 및 셀-갭 불균일성 면에서 큰 허용 오차를 갖지만 0.88의 열악한 광학 효율을 갖는다.
본 발명의 목적은 낮은 동작 전압, 높은 광학 효율 및 셀-갭 불균일성 면에서 비교적 큰 허용 오차의 이점을 갖는, Si-웨이퍼에 기초한 액티브 매트릭스 구동 반사광 밸브에 특히 적합한 자기 보상형 트위스트 네마틱(SCTN) 모드를 제공하는 것이다.
＜참고 문헌＞
엠. 에프. 시이켈(M. F. Shiekel) 및 케이. 파렌숀(K. Fahrenschon) App1. Phys. Lett. 제19권 391(1971); 에프. 제이. 칸(F. J. Kahn) App1. Phys. Lett. 제20권 199(1972); 알. 에이. 소레프(R. A. Soref) 및 엠. 제이. 라퓨즈(M. J. Rafuse) J. Appl. Phys. Lett. 제43권 2029(1972).
더블유. 피. 블레하(W. P. Bleha), 제이. 그린버그(J. Grinberg), 에이. 디.제이콥슨(A. D. Jacobson) 및 지. 디. 마이어(G. D. Myer), SID77 DIGEST, p.104(1977).
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신-천 우(Shin Tson Wu) 및 치웅-셍 우(Chiung-Sheng Wu), Appl. Phys. Lett. 제68권 11(1996).
본 발명의 광범위한 특징은 반사광 밸브용의 자기 보상형 트위스트 네마틱 (SCTN) 모드이다. 이러한 새로운 모드의 이점에는 거의 1OO%로 달성 가능한 광학 효율, 3V 이하의 포화 전압 및 셀-갭 불균일성 면에서 비교적 큰 허용 오차가 있다. 낮은 포화 전압은 고 해상도 및 저비용을 위해 Si-웨이퍼에 기초한 액티브 매트릭스 구동 반사광 밸브에 특히 유용하다.
도 1은 선형적으로 편광된 입사광을 필요로 하는 반사광 밸브용의 네마틱 액정 셀을 사용하는 동작 원리를 도시한 도면으로, 도 1B는 본 발명의 자기 보상형 트위스트 네마틱 모드를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 종래 기술의 네마틱 액정 셀을 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 구조의 경우 d△ n/λ의 함수로서 광학 효울의 계산 결과를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 구조의 경우 광학 효율 대 인가 전압을 실선 곡선으로 도시한 도면으로서, 도 4의 점선 곡선은 종래 기술에 속하는 통상적 60°-트위스트 모드의 대응 결과를 도시한 도면.
도 5는 액정 혼합물로서 이. 머크사(E. Merck)의 ZLI3449-100을 사용한 본 발명에서 광학 효율 대 인가 전압의 실험 결과를 도시한 도면 (원, 다이아몬드, 및삼각형을 각각 적색, 녹색, 및 청색의 입사광으로 나타냄).
도 6은 본 발명에 따른 정렬 방향에 대해 입사 빔 편광의 양호한 배향을 도시한 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 전면 기판 2 : 후면 기판
7 : PBS 100 : 액정 셀
자기 보상형 트위스트 네마틱(SCTN) 모드와 관련된 본 발명의 구성이 도 1B에 도시되어 있으며, 여기에서는 트위스트 각이 60°내지 65°인 트위스트 네마틱셀(100)이 사용된다. 트위스트 각이 80° 이상인 네마틱 셀의 경우에는 액정 혼합물이 키랄 약품을 더 포함하도록 하여 80° 미만의 트위스트 각을 유도할 수 있다. 이러한 구성에서, 입사광(8)의 편광 각도는 SCTN 셀의 트위스트 각을 이등분한다. 즉, 입사 빔(8)의 편광 방향과 전면 기판 상의 액정 정렬 방향(3) 사이의 각도는 약 30°로서, 입사 빔(8)의 편광 방향과 후면 기판 상의 액정 정렬 방향(4) 사이의 각도와 대략 동일하다. 이하의 설명에서는 한 예로서 도 1B에 도시된 총 트위스트 각이 60°인 SCTN 셀(100)을 사용한다. 존 매트릭스(Jones matrix) 방법을 사용하여, SCTN 모드에 대하여 d△ n/λ의 함수로서 광학 효율을 계산할 수 있으며, 여기서 d, △ n 및 λ는 각각 셀 갭, 액정 재료의 복굴절 및 입사광의 파장이다. 그 결과는 도 3에 도시되어 있으며, d△ n/λ =0.61에서 거의 100%의 광학 효율이 달성된다. 편광 빔 스플리터가 사용되며, 광 밸브의 전면 윈도우가 이상적인 반사 방지막으로 코팅되는 도 1에 도시된 구성에 대한 광학 효율 대 인가 전압의 시뮬레이션을 수행하는 데에 이러한 파라미터를 사용하였다. 도 6은 2개의 액정 정렬 방향(3 및 4)에 대한 입사 빔(8)의 상대적인 편광(36)을 개략적으로 나타낸다. 각도(30)은 약 50°내지 70°이다. 각도(32)가 각도(34)와 대략 동일하므로, 입사 빔의 편광(36)이 각도(30)을 실질적으로 이등분한다. 시뮬레이션의 결과는 SCTN 모드에 대해서 도 3의 실선 곡선으로 도시되어 있으며, 점선 곡선은 입사 편광이 60°-트위스트 셀의 인입 액정 디렉터와 평행하거나 직교하는 통상의 60°-트위스트 경우의 대응 결과를 나타낸다. 시뮬레이션의 경우, 이. 머크사(E. Merck)의 MLC6012의 재료 파라미터를 사용하였다. 도 4로부터, SCTN 모드의 경우 콘트라스트 비가 3 V에서 270대 1 이상이라는 것을 알 수 있다. 비교를 위해 설명하면, 통상적 60°-트위스트 모드의 콘트라스트 비는 4.5 V에서 약 50 대 1에 불과하다. SCTN 모드에서, 전면 및 후면 기관에 인접한 2개의 경계 액정 층들 사이에 상호 보상이 발생되도록 입사광의 편광 방향이 이들 2개의 경계 액정 디렉터 사이에 형성된 각을 이등분하기 때문에 3 V에서의 반사는 낮다. 통상적 60°-트위스트 경우에, 이들 2개의 경계 액정층 사이에 그러한 상호 보상 효과가 발생되지 않기 때문에 3 V에서의 반사는 여전히 높다.
본 발명의 SCTN 모드를 사용하여 실험 결과를 얻었다. 액정 혼합물로서 이.머크사의 ZLI3449-100을 사용하였다. 적색, 녹색 및 청색 파장의 경우 도 1에 도시된 구성을 사용하여 측정된 광학 효율 대 인가 전압은 각각 원형, 다이아몬드형 및삼각형으로 도 5에 도시되어 있다. 이들 측정의 경우, SCTN 셀의 윈도우 상에 반사방지 코팅이 없으므로, 최대 광학 효율은 약 92%이다. 실험 결과는 3.6 V의 인가전압으로 높은 콘트라스트 비를 달성할 수 있다는 것을 보여준다. 통상적 60°-트위스트 모드의 경우, 8 V 이상의 인가 전압에서만 높은 콘트라스트 비를 얻을 수 있다. 보다 큰 유전 이방성 및 MLC6012와 같은 높은 전하 보유력을 갖는 액정 혼합물이 사용되는 경우 SCTN 모드의 포화 전압은 3 V 미만일 수 있다.

Claims (15)

  1. (3차 정정) 표시 장치에 있어서, 셀이 도통 상태(energized state)일 때 총 트위스트 각이 50°내지 75°이고 d△ n/λ가 0.4 내지 0.8인 반사 모드 트위스트 네마틱 액정 셀(reflective mode twisted nematic liquid crystal cel1), 및 상기 총 트위스트 각을 실질적으로 이등분하거나 또는 상기 총 트위스트 각의 상기 이등분에 실질적으로 수직인 편광 방향을 갖는 입사 빔을 제공하기 위한 수단을 포함하며, 상기 트위스트 네마틱 액정 셀은 대향적으로 배치된 기판들 사이에 배치되고 음의 유전 이방성(negative dielectric anisotropy)을 가지며, 상기 대향적으로 배치된 기판들로부터 약 25°미만의 프리틸트 각도를 갖는 경사진 균일(homogeneous) 정렬을 갖는 액정 혼합물인 표시 장치.
  2. (2차 정정) 제1항에 있어서, 상기 트위스트 네마틱 액정 셀은 적어도 하나의 투명 전극과 최대 하나의 반사형 전극을 갖는 표시 장치.
  3. (삭제)
  4. (2차 정정) 제1항에 있어서, 상기 액정 혼합물은 키랄 약품(chiral agent)을 포함하여, 상기 액정 셀에 대해 약 80°미만의 트위스트 각을 유도하는 표시 장치.
  5. (2차 정정) 제1항에 있어서, 상기 네마틱 액정 셀에 전압을 인가하여, 상기 셀을 도통 상태로 만드는 수단을 더 포함하는 표시 장치.
  6. (2차 정정) 제2항에 있어서, 상기 반사형 전극은 금속 전극인 표시 장치.
  7. (2차 정정) 제5항에 있어서, 상기 액정 혼합물은, 상기 전압이 임계 전압을 초과하면 상기 액정 셀에 대해 약 80°미만의 트위스트 각을 유도하며, 상기 전압이 상기 임계전압 미만이면 거의 0(zero)의 트위스트 각을 유도하도록 하는 저 농도의 키랄 약품을 포함하는 표시 장치.
  8. 표시 장치에 있어서, 대향적으로 배치된 기판 사이에 배치되고 음의 유전 이방성을 가지며 d△ n/λ가 0.4 내지 0.8이며, 비도통 상태에서 상기 기판으로부터 대략 75°보다 큰 액정의 프리틸트 각을 가져서 상기 비도통 상태(unenergized state)에서 교차된 편광자들 사이에 최소 지연(retardation)을 제공하고, 도통 상태에서 총 트위스트 각이 50° 내지 75°이어서 상기 도통 상태에서 최대의 지연을 제공하는 액정 혼합물을 갖는 반사 모드 트위스트 네마틱 액정 셀, 및 상기 총 트위스트 각을 실질적으로 이등분하는 편광 방향을 갖는 입사 빔을 제공하기 위한 수단을 포함하는 표시 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 트위스트 네마틱 액정 셀은 적어도 하나의 투명 전극 및 하나의 반사힝 전극을 갖는 표시 장치.
  10. 제8항에 있어서, d△ n/λ은 실질적으로 0.61인 표시장치.
  11. 제8항에 있어서, 상기 총 트위스트 각은 대략 50° 내지 70°인 표시 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 총 트위스트 각은 대략 60°인 표시 장치.
  13. 제8항에 있어서, 상기 네마틱 액정 셀에 전압을 인가하여, 상기 셀을 도통 상태로 만드는 수단을 포함하는 표시 장치.
  14. 제9항에 있어서, 상기 반사형 전극은 금속 전극인 표시 장치.
  15. 제8항에 있어서, 입사 빔을 제공하는 상기 수단은 상기 셀의 비도통 상태에서 최소 지연을 제공하는 교차된 편광자를 포함하는 표시 장치.
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