KR100376378B1

KR100376378B1 - 트위스티드네마틱액정표시장치에서의그레이스케일성능개선을위한유기폴리머o-판보상기

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Publication number: KR100376378B1
Application number: KR1019970702162A
Authority: KR
Inventors: 브루스 케이. 윙커; 양홍선; 레슬리 에프. 주니어. 워렌; 찰스 로센블래트; 질리 리; 영 제이. 정
Original assignee: 로크웰 인터내셔널 코포레이션
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1995-09-28
Publication date: 2003-06-09
Also published as: KR970706520A; WO1996010770A1; JP4651530B2; JP2006146256A; JPH10507007A

Abstract

포지티브 복굴절 O-판 층(1100)을 포함하는 본 발명의 보상기 디자인은 넓은 범위의 시야각에 걸쳐 액정표시장치(LCD)의 그레이 스케일 특성과 콘트라스트 비가 상당히 개선되도록 해준다. 유기 액정 중압체를 포함하는 O-판 보상기, 및 그 제조방법이 개시되어 있다. 이 보상기는 단축 복굴절 박막으로서, 그 이상축이 막의 표면에 대해 비스듬하게 배향되어 있다. (복굴절 박막은 약하게 2축성이 될 수 있음에 주의하자.) 막의 이상축에 평행한 액정 방향자의 비스듬한 배향은 비스듬하게 피착된 SiO, 기계적으로 러빙된 배향제(mechanically rubbed alignment agents)와 같은 액정들을 배향하기 위해 특별히 마련된 표면 위로 유기 박막을 캐스트(cast)함으로써 달성된다. 이 막은 액정 폴리머의 용액으로부터 캐스트되거나, 또는 네마틱 상을 가진 반응성 액정 모노머(reactive liquid crystal monomer)로부터 캐스트될 수 있다. 제조 공정 중에 사용될 수 있는 용매는 증발되고 유기 박막은 그 네마틱 상의 온도로 유지된다. 만약 반응성 모노머가 사용된다면, 막은 광중합(photopolymerize)된다. 유기 O-판의 대체 실시예는 스멕틱-A 및 스멕틱-C 물질(smectic-A and smectic-C materials)의 사용을 포함한다. 이런 물질들을 채용한 제조 기술들이 설명되어 있다.

Description

트위스티드 네마틱 액정표시장치에서의 그레이 스케일 성능 개선을 위한 유기 폴리머 O-판 보상기

액정은 전자 디스플레이용으로 유용한데, 이는 액정층을 통과하는 편광이 상기 층에 걸리는 전압의 인가에 의해 변화될 수 있는 상기 층의 복굴절(birefringence)에 의해 영향을 받기 때문이다. 이런 효과를 이용함으로써, 주변의 빛을 포함한 외부 광원로부터의 빛의 전송 또는 반사는 다른 유형의 디스플레이에 사용되는 발광 물질에 필요한 전력보다 훨씬 작은 전력으로 제어될 수 있다. 그 결과, 오늘날 액정표시장치는 예를 들면 디지털 시계, 계산기, 휴대용 컴퓨터, 및 그밖의 여러 종류의 전자 장비와 같은 광범위하고 다양한 응용에 일반적으로 사용된다. 이들 응용에서는 매우 가벼운 중량 및 낮은 전력 소모와 함께 매우긴 수명을 포함한 LCD 기술의 몇 가지 장점이 두드러진다.

많은 액정표시장치에서의 정보 내용은 디스플레이 상에 소정의 패턴으로 배치된 분할된 전극들에 의해 발생되는 다수의 숫자 또는 문자들의 열 형태로 표현된다. 전극 세그먼트들은 개개의 도선에 의해 전자 구동 회로에 접속된다. 전자 구동 회로는 적절한 세그먼트들의 결합체에 전압을 인가함으로써, 세그먼트들을 통해 전송된 광을 제어한다.

그래픽 및 텔레비전 디스플레이는 디스플레이 내에 두 세트의 수직 도체들 간의 X-Y 순차 어드레싱 체계에 의해 접속된 화소(pixel)들의 매트릭스를 채용함으로써 성취될 수 있다. 트위스티드 네마틱 액정표시장치에 주로 적용되는 보다 발전된 어드레싱 체계는 박막 트랜지스터들의 어레이를 이용하여 개개의 픽셀들에서의 구동 전압을 제어한다.

콘트라스트 및 상대 그레이 스케일 강도의 안정성은 액정표시장치의 품질을 결정하는 데 있어서의 중요한 요소이다. 액정표시장치에서 성취할 수 있는 콘트라스트를 제한하는 주요 요인은 어두운 상태에서 디스플레이를 통하여 누출되는 광량이다. 또한, 액정표시장치 디바이스의 콘트라스트비도 시야각에 좌우된다. 전형적인 액정표시장치에서의 콘트라스트비는 수직 입사각 가까이에 중심을 둔 좁은 시야각 내에서만 최대이며 시야각이 증가함에 따라 약해진다. 콘트라스트비의 손실은 큰 시야각에서 어두운 상태 화소들을 통하여 누출되는 광에 의해 초래된다. 컬러 액정표시장치에서는, 그와 같은 누출은 포화된 컬러 및 그레이 스케일 컬러 모두에 대해 심각한 색채 변화를 초래한다.

어두운 상태 누출에 의해 초래되는 색채 변화 외에, 액정 분자들의 광학적 이방성은 그레이 레벨 전송에서의 큰 변화 즉, 시야각의 함수로서 휘도-전압 곡선 시프트를 초래하기 때문에, 전형적인 종래의 트위스티드 네마틱 액정표시장치에서 허용할 만한 그레이 스케일 안정성의 시야 범위는 엄격히 제한된다. 그런 변화는 상당히 심하여서, 극도의 수직 각도에서 그레이 레벨들 중 어떤 것들은 그들의 전송레벨을 반전시킬 정도이다. 이들 취약점은 조종사와 부조종사 모두의 좌석 위치로부터 조종실 디스플레이를 보는 일이 중요한 항공 전자 공학과 같은 고품질의 디스플레이를 필요로 하는 응용 분야에 특히 중요하다. 그러한 고도의 정보 내용 디스플레이에서는 상대 그레이 레벨 전송이 시야각에 대해 가능한 한 불변해야 한다. 넓은 시야에 걸쳐 고품질, 하이 콘트라스트 이미지를 나타낼 수 있는 액정표시장치를 제공하는 것은 해당 기술의 중대한 발전일 것이다.

도 1A 및 도 1B는 편광기(polarizer; 105), 편광축이 편광기(105)의 편광축에 수직한 아날라이저(analyzer; 110), 광원(130), 및 관찰자(viewer; 135; 이하 뷰어라 함)을 포함하는 종래의 노멀리 화이트 트위스티드 네마틱 액정표시장치(100)를 도시하고 있다. 도 1A 및 도 1B의 노멀리 화이트 구성에서는, "비선택된" 영역(115)(전압이 인가되지 않음)이 밝게 보이고, "선택된" 영역(120)(인가된 전압에 의해 활성됨)이 어둡게 보인다. 선택된 영역(120)에서는 액정 분자들이 인가된 전기장과 배향되는 방향으로 기울어서 회전하는 경향이 있다. 만약 이 배향이 완전하면, 셀내의 모든 액정 분자들은 그 장축들이 셀의 주표면에 수직하도록 배향될 것이다. 이런 구성은 동향성 배향(homeotropic alignment)로 알려져 있다.

트위스티드 네마틱 디스플레이에 사용되는 액정은 포지티브 복굴절(positive birefringence)를 보이기 때문에, 동향성 구성으로 알려져 있는 이런 배열은 포지티브 복굴절 C-판(positively birefringent C-plate)의 광학적 대칭을 나타낼 것이다. 해당 기술 분야에 잘 알려져 있듯이, C-판는 단축 복굴절 판(uniaxial birefringent plate)으로서, (수직으로 입사되는 빛의 방향에 평행한) 판의 표면에 수직한 이상 축(extraordinary axis)(즉, 광학축 또는 c-축)을 갖고 있는 것이다. 따라서 선택 상태에서 노멀리 화이트 디스플레이내의 액정은 교차된 편광기들에 의해 차단될 수직 입사광에 등방성으로 보일 것이다.

노멀리 화이트 디스플레이 내에서 시야각 증가에 따라 콘트라스트가 손실되는 한 가지 이유는 동향성 액정층이 비수직광(off-normal light)에 대해 등방성으로 보이지 않을 것이라는 점이다. 비수직 각도로 상기 층을 통과하는 빛은 상기 층의 복굴절 때문에 두 가지 방식으로 나타나는데, 그 방식들 간에는 위상 지연이 생기며 빛의 입사각에 따라 증가한다. 입사각에 대한 이 위상 의존성은 제 2 편광기에 의해 불완전하게 소멸되는 편광 상태에 타원(ellipticity)을 발생시켜 광누출을 초래한다. 이런 효과를 정정하기 위해서는, 광학 보상 소자도 C-판 대칭성을 갖되, 네가티브 복굴절(n_e< n_o)을 가져야 한다. 그러한 보상기는 액정층에 의해 생기는 위상 지연과 반대의 부호를 갖는 위상 지연이 생기게 함으로써, 본래의 편광 상태를 회복시키고 상기 층의 활성 영역을 통과하는 빛이 출력 편광기에 의해 보다 완전하게 차단되도록 해준다. 그러나, C-판 보상은 본 발명이 제기하는 시야각에 따른 그레이 스케일의 변화에는 영향을 미치지 않는다.

도 2는 액정 및 복굴절 보상기 광학축 모두의 배향(orientation)을 설명하는데 이용되는 좌표축을 도시하고 있다. 빛은 포지티브 Z 방향(205)에 있는 관찰자(200) 쪽으로 전파된다. 여기서, 상기 Z축(205)은 X축(210) 및 Y축(215)와 함께 우선회 좌표계(right-handed coordinate system)를 형성한다. 화살표(220)에 의해 표시되어 있듯이 네가티브Z 방향으로부터 백라이트가 제공된다. 극 경사각(polar tilt angle; 225)는 x-y 평면으로부터 측정되는, 액정 분자의 광학축

(230)과 x-y평면 사이의 각도로서 정의된다. 방위각 또는 트위스트 각 Φ(azimuthal or twist angle; 235)는 x축으로부터 상기 광학축이 x-y 평면에 투사된 선(240) 까지 측정된다.

<노멀리 화이트 트위스티드 네마틱 LCD>

도 3은 종래의 트위스티드 네마틱 전송형 노멀리 화이트 액정표시장치에 대한 개략적인 단면도이다. 디스플레이는 편광기층(300) 및 아날라이저 층(305)을 포함하며, 그들 사이에는 네마틱 상의 액정 물질로 이루어진 액정층(310)이 배치된다.

디스플레이의 여러 보상 소자들의 배향을 설명함에 있어 점선(370)에 의해 도시된 디스플레이에 수직한 수직축을 참조하면 편리하다. 노멀리 화이트 디스플레이의 경우, (도면 내의 편광 방향(315)을 가진) 편광기(300) 및 (도면 안으로의 편광 방향(320)을 가진) 아날라이저(305)는 각자의 편광 방향이 서로 90°되게 배향된다. (편광기(300)와 아날라이저(305) 둘 다 전자기파를 편파시킨다. 그러나, 일반적으로, '편광기'는 광원에 가까운 편광 소자를 말하며 '아날라이저'는 LCD를 관찰자에 가까운 편광 소자를 말한다.) 액정층(310)의 대향하는 표면들에 인접한 유리판들(340 및 345) 상에 제 1 투명 전극(325) 및 제 2 투명 전극(330)이 배치되어, 전압원(335)에 의해 액정층을 가로질러 전압이 인가될 수 있게 한다. 후술하겠지만, 액정층(310)에 가까이 있는 유리판들(340 및 345)의 내면들은 예를 들면 버핑(buffing)에 의해 소망하는 액정 배향에 영향을 미치도록 물리적으로 또는 화학적으로 처리될 수 있다.

LCD 기술 분야에 잘 알려져 있는 바와 같이(예를 들면, 칸(Kahn)이 저술한 "The Molecular Physics of Liquid-Crystal Devices", Physics Today, pp. 66-74, May 1982 참조), 상기 판들(340 및 345)의 내면들(상기 층(310)에 인접한 표면들)이 폴리이미드(polyimide)와 같은 액정을 배향시키기 위한 표면 처리에 의해 코팅되고, 버프(buff)되고, 버프된 방향들이 수직되게 배향될 때, 상기 액정 물질의 방향자(director)는, 인가 전압의 부재시, 상기 판들(340 및 345) 각각에 가까이 있는 상기 층(310)의 영역들에서 상기 버프된 방향("러브 방향"(rub direction)으로 알려져 있음)과 배향되는 경향이 있다. 게다가, 액정축(즉, 방향자)의 배향은 판(340)에 인접한 제 1 주표면(즉, 310/340 계면)에서 판(345)에 인접한 제 2 주표면(즉, 310/345 계면)으로 상기 층(310) 내의 경로를 따라 수직축에 대해 90°를 매끄럽게 선회할 것이다.

인가 전계의 부재시 입력되는 편광의 편광 방향은 액정층을 통해 진행하면서90°회전될 것이다. 유리판들과 액정층이 편광기(300)와 아날라이저(305) 같은 교차된 편광기들 사이에 배치될 때, 편광기에 의해 편광되어 디스플레이를 가로지르는 빛은, 광선(350)에 의해 예시되어 있듯이, 아날라이저(320)의 편광 방향과 배향되어 아날라이저를 통과할 것이다.

그러나, 충분한 전압이 전극들(325 및 330)에 인가될 때, 인가된 전계는 액정의 방향자가 전계에 평행하게 배향되도록 한다. 액정 물질이 이런 상태에 있을 때, 편광기(300)에 의해 통과된 빛은, 광선(355)에 의해 예시되어 있듯이, 아날라이저(305)에 의해 소멸될 것이다. 따라서, 활성화된 전극 쌍은 디스플레이 내의 어두운 영역을 생성할 것이며, 전계가 인가되지 않은 디스플레이의 영역들을 통과한 빛은 밝은 영역들을 생성할 것이다. LCD 기술 분야에 잘 알려져 있는 바와 같이, 선택된 조합으로 활성화된 적절한 패턴의 전극들이 이런 식으로 이용되어 문자와 숫자 또는 그래픽 정보를 표시할 수 있다. 후에 더 설명하겠지만, 디스플레이의 품질을 개선하기 위하여 층들(360 및 365)과 같은 하나 이상의 보상층들이 디스플레이 내에 포함될 수 있다.

<노멀리 화이트 트위스티드 네마틱 LCD 특성>

도 4는 90° 트위스티드 네마틱 셀에서 (셀 공극(cell gap)이 1로 정규화된) 액정층 내의 위치의 함수로서 액정 방향자 경사를 계산 작성한 그래프를 도시하고 있다. 전압이 인가되지 않은 경우(곡선 400), 전형적인 선택 상태 전압을 인가한 경우(곡선 405), 그리고 선형적인 간격의 그레이 레벨들이 생기도록 선택된 몇 개의 중간 전압들을 인가한 경우(곡선 410, 415, 420, 425, 430, 및 435)의 분자의경사각들에 대한 전형적인 분포들이 도시되어 있다.

도 5는 셀 내의 위치의 함수로서 액정 분자들의 트위스트 각도를 계산 작성한 동일 셀에 대한 관련 그래프이다. 인가된 전압이 없을 때, 트위스트는 셀 전체에 걸쳐 고르게 분포된다(직선 500). 완전 선택 상태 전압하에서, 트위스트는 바깥 S형 곡선(505)에 의해 도시된 것처럼 분포된다. 그레이 레벨들의 트위스트 분포들은 상기 두 곡선(500 및 505)사이의 중간 곡선들에 의해 도시되어 있다.

도 4 및 도 5에 의해 도시된 바와 같이, 완전 선택된 전압이 인가될 때, 액정 분자들이 경험하는 거의 모든 트위스트, 및 경사의 실질적인 부분은 셀의 중앙 영역에서 발생한다. 이런 현상 때문에, 셀 내에서의 분자 배향의 연속적인 변화는 세영역으로 분할될 수 있는데, 이들 각각은 각자의 광학적 대칭성의 특징이 있다. 따라서, 중앙 영역들(440(도 4) 및 510(도 5))은 완전 선택된 상태에서 C-판의 특성과 비슷하게 통상 동향성(normally homeotropic)으로 간주될 수 있다. 셀의 각 표면 근처의 영역들(445, 450(도 4) 및 515, 520(도 5))은, 각각 가까운 기판의 러브 방향과 배향된 이상축을 가진 A-판처럼 동작한다. 영역들(445, 450, 515, 520) 내의 분자들에서는 사실상 트위스트가 없기 때문에, 사실상 분자들은 액정층의 양면 상의 각 러브 방향과 배향된다. 또한, 영역들(445 및 515) 내의 분자들의 트위스트 각은 영역들(450 및 520) 내의 분자들의 트위스트 각에 수직하는 경향이 있기 때문에, 셀을 통해 진행하는 빛에 대한 이들 영역의 효과는 상쇄되는 경향이 있어, 중앙의 C-판 영역이 유력한 영향을 미치게 된다.

<C-판 보상>

해당 기술 분야에 잘 알려져 있는 바와 같이, 네가티브C-판 보상기(negative C-plate compensator)는 LCD 셀의 중앙 C-판 근사 영역을 통한 전파에 의해 생기는 각도 종속 위상 시프트(angle dependent phase shift)를 정정하도록 설계되어진다. 그러한 보상기는 중앙 영역의 광학적 대칭성이 액정 셀의 선택된 상태를 좌우하는 한도까지 즉, 분자들이 인가된 전계와 배향되는 한도까지 효과적이다. 이것은 활성 상태에 강한 전계가 이용될 때 네가티브C-판 보상의 효과가 가장 양호할 것이라는 의미로서, 그렇게 해야 동향성 근사가 보다 정확히 이루어지기 때문이다. C-판를 이용하면 확장된 시야에 걸쳐 어두운 상태의 누출이 상당히 저하되고, 따라서 콘트라스트가 개선되고 컬러 탈포화(color desaturation)가 저하되는 것이 입증되었다.

<그레이 스케일 안정성>

C-판 보상기의 사용은 콘트라스트를 향상시키는 데 이용될 수 있지만, 그레이 스케일 안정성(gray scale stability)을 향상시키지는 않는다. 시야 전반에 걸쳐 일정한 그레이 스케일 휘도 차이를 유지하는 문제는 본질적으로 선택(노멀리 화이트 디스플레이의 경우 흑색) 상태와 비선택(노멀리 화이트 디스플레이의 경우 백색) 상태 사이에 할당된 레벨들에 대한 휘도 레벨 변화와 관련되어 있다. 이런 현상은 일반적으로 레벨 0(선택 흑색 상태)에서 레벨 7(비선택 백색 상태)까지 8개의 그레이 레벨이 할당된 디스플레이에 대한 전송 또는 휘도 대 전압(BV) 광전 반응 곡선들을 이용하여 도시된다. 0와 7사이의 그레이 레벨들은 선택 전압과 비선택 전압사이에서 BV 곡선을 따라 휘도의 간격이 선형적인 일련의 전압을 상기 레벨들에 할당함으로써 선택된다.

도 6은 수직 시야각이 0°로 고정된 상태에서 수평 시야각이 0°에서 40° 까지 10°씩 증가할 때 노멀리 화이트 90° 트위스티드 네마틱 디스플레이에 대해 계산된 BV(전송 대 구동 전압) 곡선들의 그래프이다. (수평각에 따른 BV 곡선들의 변화는 수평 편향이 좌측 또는 우측 어느 쪽이든 관계 없다.) 그레이 레벨이 선택될 각 곡선의 영역들은 다양한 수평각들에 대해 거의 서로 겹치는 것에 주목하자. 이것이 의미하는 바는 0°에서 선형적인 간격이 되도록 선택된 그레이 레벨들이 큰 수평 시야각들에서도 거의 선형적이 될 것이라는 점이다.

그레이 스케일 안정성 문제는 수직 시야각이 변할 때 가장 눈에 띄게 나타난다. 이 점은 도 7에 예시되어 있는데, 도 7은 수평 시야각이 0°로 고정된 상태에서 수직 시야각이 -10°에서 +30°까지 변할 때 노멀리 화이트 90° 트위스티드 네마틱 디스플레이에 대한 일련의 BV 곡선들을 보여준다. (수직으로부터 측정된) 0°이하의 각도에서는 BV 곡선들이 우측으로(고전압 쪽으로) 시프트되고, 최대치로부터 단조롭게 하강하지만 0에는 이르지 못하는 것을 관찰할 수 있다.

수직 이상의 각도에서는, 곡선들이 좌측으로 시프트하고 처음 최저치 이후 리바운드를 형성한다. 이런 효과는 도 8에 도시되어 있는 바와 같이 수직 및 수직 이하의 각도로 위에서 디스플레이를 바라보는 뷰어들의 시각을 고려함으로써 설명될 수 있다. 주의해야 할 중요한 특징은 관찰자를 향하여 진행하는 빛과 셀에 걸린 전압이 증가할 때 셀의 중앙에서의 평균 액정 방향자 경사 사이의 관계이다.

예를 들면, 셀에 걸린 전압이 증가할 때, 셀의 증앙에서의 평균 액정 방향자는 (편광기(300) 및 아날라이저(305)에 대해) 평행한 배향(815)에서 동향성배향(825)으로 기운다. 수직 입사각(800)의 뷰어의 경우, 지연(retardation)은 비선택 상태 전압에서 최고이고 선택 상태 전압에서 최저이다. 지연이 거의 0일 때, 빛의 편광상태는 불변하고 아날라이저에 의해 차단된다. 따라서, 뷰어는 전압이 증가함에 따라 휘도가 0으로 단조롭게 감소하는 것을 보게 된다.

그러면, 포지티브 수직 시야 방향(수직 입사각 이상의 뷰어(805))의 경우를 고려해 보자. 소정의 중간 전압에서 평균 방향자(820)는 뷰어 쪽으로 향하며 지연은 최소이다. 여기서 뷰어는 전압에 따른 휘도가 처음에는 최소치를 향하여 감소하다가 최소 지연 점에서 증가하는 것을 보게 된다.

음의 수직 시야 방향(수직 입사각 이하의 뷰어(810))의 경우, 평균 방향자는 항상 광선에 대해 큰 이방성을 부여하며, 최고 전압에서도 마찬가지이다. 따라서 뷰어는 휘도의 단조로운 감소를 보게 된다. 또한, 평균 액정 방향자는 항상 광선에 대해 수직 입사각 뷰어(800)의 경우보다 수직 이하 뷰어(810)의 경우에 더 큰 각도로 배향된다. 따라서 수직 입사각에서보다 음의 수직 시야 방향에서 이방성이 더 크고 휘도 레벨이 항상 더 높다.

시야각에 대한 LCD 휘도의 이런 의존성은 그레이 스케일 안정성에 상당한 영향을 미친다. 특히, 시야각에 대한 그레이 레벨 휘도의 변화는 심할 수 있다. (도 7의 0°곡선 상에서 50% 그레이 레벨이 생기도록 선택된 전압은 +30°곡선 상에서 어두운 상태를 발생시키며 -10°에서 완전 백색의 상태에 접근한다는 점에 주목하자.)

<O-판 그레이 스케일 보상>

그레이 레벨들의 반전을 제거하고 그레이 스케일 안정성을 향상시키기 위하여, 쌍굴정성 O-판 보상기가 사용될 수 있다. O-판 보상기 원리는, 미국 특허 출원 223,251에 개시되어 있듯이, 디스플레이의 평면에 대하여 사실상 비스듬한 각도(oblique angle)로 배향된 주 광학축을 가진 포지티브 복굴절 물질을 이용한다(따라서 "O-판"라는 용어가 생김), "사실상 비스듬하다"(substantially oblique)는 것은 0°보다는 분명히 크고 90°보다는 작은 각도를 의미한다. 예를 들면, 디스플레이의 평면에 대해 30°와 60° 사이의 각도, 전형적으로 45° 각도를 가진 O-판들이 이용되었다. 또한, 단축성(uniaxial) 또는 2축성(biaxial) 물질들을 가진 O-판들이 이용될 수 있다. O-판 보상기들은 LCD의 편광층과 아날라이저 층 사이의 여러 위치에 배치될 수 있다.

일반적으로, O-판 보상기는 O-판는 물론 A-판 및/또는 네가티브C-판를 포함할 수도 있다. 해당 기술 분야에 잘 알려져 있는 바와 같이, A-판는 복굴절 층으로서, 그 충의 표면에 평행하게 배향된 이상축(즉, c-축)을 가진다. 따라서 그것의 a-축은 그 표면에 수직하게(수직 입사광의 방향에 평행하게) 배향된다. A-판는 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol)과 같은 단축으로 신장된 폴리머 막(uniaxially stretched poly films), 또는 기타 적절히 배향된 유기 복굴절 물질들을 이용하여 제조될 수 있다.

C-판는 단축의 복굴절 층으로서, 그 층의 표면에 수직하게(수직 입사광의 방향에 평행하게) 배향된 이상축을 가진다. 네가티브 복굴절 C-판는 이를테면, 단축으로 압축된 폴리머(예를 들어, 클러크 등(Clerc et al.)의 미국 특허 제4,701,028호 참조), 신장된 폴리머 막을 이용하거나, 또는 물리 증착된 무기물 박막(physical vapor deposited inorganic thin films)(예를 들어, 예 등(Yeh et al.)의 미국 특허 제5,196,953호 참조)을 이용하여 제조될 수 있다.

물리 증착에 의한 박막의 비스듬한 피착은 복굴절 특성을 가진 막을 생성하는 것으로 알려져 있다(예를 들어, 모또히로와 타가(Motohiro and Taga)의 "Thin Film Retardation Plate by Oblique Deposition", Appl. Opt., Vol. 28, No. 3, pp. 2466-2482, 1989 참조) 대칭축의 기울린 배향을 더욱 활용함으로써, O-판를 제조하는 모토히로 프로세스는 세련되거나 향상될 수 있다. 그런 구성 요소들은 본질적으로 축이 두 개(biaxial)이다. 그들의 성장 특성은 미시적인 원주형 구조(microscopic columnar structure)를 발생시킨다. 원주들의 각도는 수증기의 도입방향으로 기울게 된다. 예를 들어, (수직으로부터 측정된) 76°의 피착 각도는 대략 45°의 원주 각도를 초래한다. 원주들은 섀도잉의 결과로서 타원형의 교차부(elliptical cross section)를 발생시킨다. 이 타원형의 교차부는 막들의 2축 특성(biaxial character)의 원인이 된다. 크기와 대칭에 있어서의 복굴절은 전적으로 막의 미세구조에 기인하며 형태 복굴절(form birefringence)으로 불린다. 매클라우드(Macleod)는 박막에서의 이런 현상들을 광범위하게 연구하여 개시하였다("Structure-Related Optical Properties of Thin Films," J. Vac. Sci. Technol. A. Vol. 4, No. 3, pp. 418-422, 1986).

단축 O-판 구성 요소들은 또한 트위스티드 네마틱 액정표시장치에서의 그레이 스케일 안정성을 향상시키는 데 이용될 수 있다. 이것들은 적절히 배향된 유기복굴절 물질을 이용하여 제조될 수 있다. 해당 기술 분야의 숙련자라면 단축성 및 2축성 O-판 모두를 제조하기 위한 다른 수단을 알 것이다.

도 9 및 도 10은 O-판 보상층이 노멀리 화이트 트위스티드 네마틱 디스플레이에 미칠 수 있는 하나의 효과를 도시하고 있다. 도 9는 다양한 수평 시야각에서 디스플레이의 광전 반응에 미치는 O-판 보상층의 효과를 도시하고 있으며, 도 10은 디스플레이의 수직 시야각에 미치는 O-판 보상층의 효과를 도시하고 있다. 이 특별한 실시예에서는, 액정 셀의 양쪽 모두에서 하나의 A-판 층이 액정층에 인접하게 배치되며, 편광층과 A-판/액정/A-판의 적층 사이에 O-판 층이 배치된다. 수평 및 수직 시야각 모두에 대한 BV 곡선의 변화는 도 6 및 도 7에 도시된 미보상된 경우에 비하여 상당히 감소된다.

O-판 보상기를 이용한 그레이 스케일 반전의 제거는 아래과 같은 식으로 이루어진다. 포지티브 수직 시야각에서, O-판의 지연은 시야각에 따라 증가하며 액정층의 감소하는 지연을 상쇄시키는 경향이 있다. 뷰어가 평균 액정 방향자의 축을 내려다보고 있을 때, O-판가 있으면 두 편광기들 사이의 충돌이 등방성으로 보이지 않는다. 따라서, 도10에 도시되어 있는 바와 같이 도 7에 도시된 BV 곡선에서의 리바운드는 감소되고 그레이 스케일 전압 범위 밖의 보다 높은 전압으로 이동된다.

음의 수직 시야각에서, O-판와 A-판를 그들의 광학축이 명목상 수직이 되게 조합한 것은 상기 O-판와 A-판의 축들을 포함하는 평면에 수직되게 그 광학축이 배향된 네가티브 복굴절 리타더(negative birefringence retarder)의 쌍굴절 특성과 유사한 쌍굴절 특성을 보이는 경향이 있다. 이 리타더 축의 방향은 선택 상태와 비선택 상태 사이의 전압으로 셀이 구동될 때 셀의 중앙부에서의 평균 액정의 배향에 명목상 평행하다. 따라서, 이런 식으로 배향된 O-판의 존재는 액정층의 복굴절을 상쇄하여, BV 곡선을 아래로 끌어내리거나, 또는 그와 대등하게, 저전압의 방향(즉, 좌측)으로 이동시키는 경향이 있다. 양과 음의 수평 시야 방향에서도 비슷한 효과가 발생한다.

이런 식으로 O-판를 도입하는 전체적인 효과는 그레이 스케일 전압 영역에서의 큰 리바운드를 제거하고 시야각이 음에서 포지티브 수직 각도로 변할 때의 BV 곡선들이 좌에서 우로 시프트하는 것을 줄이는 것이다.

보상기 광학축들의 배향을 신중히 선택함으로써, 조합된 지연 효과들이 수직 입사 시야 방향으로 서로 상쇄됨은 물론 수평 시야 방향으로 리바운드들을 최소화할 수 있다. 하나 이상의 O-판들의 조합이 이용될 수도 있는데, 다만, 그들의 배향이 이런 요건들을 만족시켜야 한다. 또한, 어떠한 구성들에서는, 네가티브C-판들이 큰 시야에서 콘트라스트비를 증가시킬 수 있는데, 가끔 그레이 스케일 안정성은 다소 감소된다.

<O-판 기술>

액정층, 보상층(들), 편광층, 및 아날라이저 층은 액정표시장치 내에서 서로에 대해 다양한 배향을 취할 수 있다. 미국 특허 출원 제 223,251호에서 고려되고 제시된 몇 가지 가능한 구성들이 표 1에 되풀이되고 있는데, 거기서 'A'는 A-판를 나타내고, 'C'는 C-판를 나타내고, 'O'는 O-판를 나타내고, 'LC'는 액정을 나타내고, 'OxO'는 교차된 O-판들을 나타낸다. 교차된 O-판들은 그들의 방위각 Φ(235)가명목상 교차된 인접한 O-판들로서, 그들의 방위각 들 중 하나는 0°와 90°사이로 배향되고, 다른 하나는 90°와 180°사이로 배향되어 있다.

[표 1] 액정표시장치 소자들

액정 방향자 배향에 대한 디스플레이 평면으로의 주축들의 투영(projections)은 실시예에 따라 변한다. 어떤 경우, 예를 들어 두 개의 O-판가 있을 때는, O-판축 투영들이 액정 셀의 중심 근처의 평균 액정 방향자 배향에 대하여 45°임에 반하여, 다른 경우에는, O-판 축 투영이 액정 방향자의 투영과 거의 평행하다.

A-판들에 의해 더 보상되는 교차된 O-판(OxO) 디자인들은 부가적인 설계 유연성을 제공한다. 그런 디자인들은 A-판들의 상대적인 배향을 변경함으로써 조정될 수 있기 때문에 A-판 값의 선택은 그렇게 중요하지 않다. 따라서, 상업적으로 이용 가능한 A-판 지연 값들에 의해 원하는 해답을 발생시킬 수 있다.

O-판 보상 체계가 디스플레이 설계자에게 제공하는 유연성은 특정 디스플레이 제품 요건에 성능을 맞추는 것을 가능하게 한다. 예를 들면, 단순한 구성과 파라미터 수정에 의하여 좌측 또는 우측 시야에 대해 최적화된 이소콘트라스트(isocontrast), 또는 극도의 수직 각도 시야에 대해 최적화된 이소콘트라스트, 또는 수직 시야보다 큰 좌우측 각도에서의 시야에 대해 최적화된 이소콘트라스트를 성취하는 것이 가능하다. 또한 구성 및 파라미터를 조정하여 특정한 시야에 걸쳐 콘트라스트 및 그레이 스케일 안정성 모두를 향상시키거나, 또는 둘 중 하나를 희생하여 다른 하나를 더 최적화시키는 것도 가능하다. 또한, 네가티브 복굴절 A-판로서 포지티브 복굴절 A-판를 대체할 수 있다. 이 경우, 네가티브 복굴절 A-판는 그것의 이상축이 포지티브 복굴절 A-판에 적합한 배향에 대해 수직이 되게 배향될 것이다. 액정표시장치 설계 기술 분야의 숙련자라면 알겠지만, 네가지브A-판가 사용될 때 성능을 개선하려면 보상기의 다른 구성 요소들에서 부가적인 변경이 필요할 것이다.

<요약>

표면에 대해 수직에 가까운 각도에서 바라볼 때, 트위스티드 네마틱 액정표시장치는 고품질 출력을 제공하지만, 큰 시야각에서는 화상이 열악해지고 조악한 콘트라스트와 그레이 스케일 불균일성을 나타내는 경향이 있다. 이런 현상이 발생하는 이유는 액정 물질이 그것을 통과하는 빛에 미치는 위상 지연 효과가 본질적으로 빛의 경사 각도에 따라 변하여, 큰 시야각에서 저품질의 화상을 초래하기 때문이다. 그러나, 액정 셀과 관련하여 하나 이상의 보상 소자들을 도입함으로써, 바람직하지 않은 각도의 효과를 실질적으로 정정하여 큰 시야각들에서 달리 가능했을 정도보다 높은 콘트라스트와 안정된 상대적 그레이 스케일 강도를 유지하는 것이 가능하다.

넓은 범위의 시야각에 걸쳐 액정표시장치의 그레이 스케일 특성과 콘트라스트 비가 상당히 개선되도록 해주는 포지티브 복굴절 O-판 보상기 및 그 제조 방법을 설명하는 것이 본 발명의 목적이다.

본 발명은 액정표시장치(LCD : liquid crystal display)에 관한 것으로, 특히, 넓은 범위의 시야각에 걸쳐 높은 콘트라스트비와 상대 그레이 레벨(relative gray level)의 최소 변화를 유지함으로써 디스플레이의 시야를 최대화하기 위한 기술에 관한 것이다. 이 목적들은 O-판 보상기 기술(O-plate compensator technology)을 이용한 LCD의 제조를 통하여 성취된다.

도 1은 노멀리 화이트 90° 트위스티드 네마틱 액정표시장치의 동작을 개략적으로 도시하는 도면.

도 2는 본 발명의 설명시 구성 요소 배향을 설명하기 위해 사용되는 좌표계를 도시하는 도면.

도 3은 90° 트위스티드 네마틱, 전송형 노멀리 화이트 액정표시장치에 대한 개략적인 단면도.

도 4는 (수직축을 따라 도(°)로 측정된) 방향자의 경사 각도를 90° 트위스티드 네마틱 액정 셀 내의 위치의 함수로서(수평축을 따른 깊이의 분수로서) 표현한 그래프.

도 5는 액정 분자들의 트위스트 각도를 셀 내 그들의 위치의 함수로서 표현한, 도 4에 도시된 셀에 대한 관련 그래프.

도 6은 O-판 그레이 스케일 보상의 이점이 없는 전형적인 트위스티드 네마틱 디스플레이에 대해 다양한 수평 시야 방향에서 계산된 휘도 대 전압(BV) 광전 곡선들의 그래프.

도 7은 O-판 그레이 스케일 보상의 이점이 없는 전형적인 트위스티드 네마틱디스플레이에 대해 다양한 수직 시야 방향에서 계산된 휘도 대 전압(BV) 광전 곡선들의 그래프.

도 8은 액정의 평균 방향자 배향에 대한 뷰어의 상대적인 시각을 도시하는 도면.

도 9는 본 발명에 따른 O-판 보상의 이점이 있는 노멀리 화이트 트위스티드 네마틱 액정표시장치에 대해 다양한 수평 시야 방향에서 계산된 휘도 대 전압 광전 곡선들을 도시하는 그래프.

도 10은 본 발명에 따른 O-판 보상의 이점이 있는 노멀리 화이트 트위스티드 네마틱 액정표시장치에 대해 다양한 수직 시야 방향에서 계산된 휘도 대 전압 광전 곡선들을 도시하는 그래프.

도 11은 본 발명에 따른 유기 박막 O-판 보상층을 채용한 예시적인 액정표시장치.

도 12A는 네마틱 액정 물질을 이용한 발명의 실시예.

도 12B는 C6M, 종래의 액정 모노머의 화학 구조.

도 13은 기판 배향 기술과 결합하여 스멕틱-C 액정 물질을 이용한 발명의 다른 실시예.

도 14는 전계 배향 기술과 결합하여 스멕틱-C 액정 물질을 이용한 발명의 다른 실시예.

포지티브 복굴절 O-판 층을 포함하는 본 발명의 보상기 디자인은 넓은 범위의 시야각에 걸쳐 액정표시장치(LCD)의 그레이 스케일 특성과 콘트라스트 비가 상당히 개선되도록 해준다.

유기 액정 중압체를 포함하는 O-판 보상기, 및 그 제조 방법이 개시되어 있다. 이 보상기는 단축 복굴절 박막으로서, 그 이상축이 막의 표면에 대해 비스듬하게 배향되어 있다. (복굴절 박막은 약하게 2축성이 될 수 있음에 주의하자.) 막의 이상축에 평행한 액정 방향자의 비스듬한 배향은 비스듬하게 피착된 SiO, 기계적으로 러빙된 배향제와 같은 액정들을 배향하기 위해 특별히 마련된 표면 위로 유기 박막을 캐스트(cast)함으로써 달성된다. 이 막은 액정 폴리머의 용액으로부터 캐스트되거나, 또는 네마틱 상을 가진 반응성 액정 모노머로부터 캐스트될 수 있다. 제조 공정 중에 사용될 수 있는 용매는 증발되고 유기 박막은 그 네마틱 상의 온도로 유지된다. 만약 반응성 모노머가 사용된다면, 막은 광중합된다. 유기 O-판의 대체 실시예는 스멕틱-A 및 스멕틱-C 물질의 사용을 포함한다. 이런 물질들을 채용한 제조 기술들이 설명되어 있다.

이하 본 발명의 몇 가지 실시예를 설명한다. 설명의 명료성을 위하여, 본 명세서에서는 실제 구현에 대한 모든 특징들을 설명하지는 않았다. 물론, (임의의 개발 프로젝트에서와 같은) 임의의 그런 실제 구현의 개발에 있어서, 개발자의 특정목적과 부목적들을 달성하기 위해서는 각 구현마다 변하게 되는 시스템 관련 및 사업 관련 제약에 대한 유연성과 같은 구현에 특정한 여러 결정들이 이루어져야 한다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, 그러한 개발 노력은 복잡하고 시간이 많이 들겠지만, 그럼에도 본 개시 내용의 이점을 얻는 통상의 기술자들을 위한 디바이스 공학의 일상적인 작업일 것이다.

<발명의 소개>

도 11은 본 발명에 따른 액정표시장치(LCD)의 실시예를 도시하고 있다. 이 액정표시장치는 편광기(300)와 액정층(310) 사이에 배치된 단일의 O-판 보상기(1100)를 이용한다. O-판 층(1100)은 액정 폴리머 충(310)의 표면에 대해 대략 20° 내지 70°의 각도로 배향된 광학 대칭축을 가진 포지티브 복굴절 액정 폴리머 층을 포함한다. O-판 층은, 다르게는, 액정층(310)과 아날라이저(305) 사이에 배치될 수 있으며, 또는 두 위치 모두에 배치될 수 있다.

O-판 보상기를 어디에 배치할 것인지에 대한 결정은 순전히 설계 선택 사항이며, 일반적으로, 보상되는 디스플레이의 광학적 요건과 디스플레이 시스템의 제조 및 비용 요건에 좌우된다.

일반적으로, 보상기는 O-판 뿐만 아니라 A-판 및/또는 네가티브 C-판를 포함할 수도 있다. 해당 기술 분야에 잘 알려져 있는 바와 같이, A-판는 복굴절 층으로서, 그 층의 표면에 평행하게 배향된 이상축(즉, c-축)을 가진다. 따라서 그것의a-축은 그 표면에 수직하게(수직 입사광의 방향에 평행하게) 배향된다. A-판는 폴리비닐 알코올과 같은 단축으로 연신된 폴리머 막 또는 기타 적절히 배향된 유기 복굴절 물질들을 이용하여 제조될 수 있다.

<네마틱 실시예>

도 12A에 도시된 다른 실시예는 경질 유리 기판(1200), 배향층(1205), 네마틱상을 가진 중합성 하이 프리틸트 액정 모노머 층(1207), 하이 프리틸트 액정/배향층 계면(1207/1205) 공기층(air layer; 1215), 및 액정/공기 계면(1210/1215)을 도시하고 있다. 이 액정은 중합성 모노머 화합물로 이루어지며 대략 0.5%의 Irgacure-651, 광개시제(photoinitiator)를 포함한다. 또한, 이 액정은 액정/공기 계면(1210/1215)에서 대략 40°의 온도 의존성 경사각(temperature dependent tilt angle)을 가진다.

작은 액정 경사각을 생성하는 폴리이미드 물질에 의하여 기판(1200)의 표면을 코팅함으로써 배향층(1205)을 생성한다. 그 후 하이 프리틸트 액정/배향층 계면(1207/1205)에서 대략 8°의 온도 의존성 극 경사각(temperature-dependent polar tilt angle; 1217)과 균일한 특정 방위각 경사 방향(uniform specified azimuthal tilt direction)을 생성하기 위해 배향층을 러빙한다.

용매 내의 액정의 용액으로부터 스핀 코팅을 이용하여 배향층(1205) 위에 액정 모노머의 박막(1207)을 생성한다. 유기 액체의 박막을 생성하는 다른 방법들은, 예를 들면, 딥(dip), 메니스커스(meniscus) 및 슬롯-다이(slot-die) 코팅을 포함한다. 통상 C6M으로 알려져 있는 액정 모노머의 화학 구조가 도 12B에 도시되어 있다. C6M의 농도는 대략 8.5%이다. 용매는 모노클로로벤젠이다. 마지막으로, 코팅 용액은 대략 0.05%의 Irgacure-651, 광개시제를 포함한다. 해당 기술의 숙련자라면 분명히 알겠지만, C6M, Irgacure-651 및 모노클로로벤젠을 다른 물질들로 대체할 수 있다. 상기한 농도는 용질의 용해도의 범위 내에서 변할 수 있다고 여겨진다.

막이 생성된 후, 용매는 증발되고 액정층(1207)의 온도는 네마틱 상의 액정 물질의 박막을 생성하도록 조정된다. 그 후 모노머를 액정 상의 상태가 보전된 폴리머 막으로 중합시키기에 충분한 총 노출량을 얻기 위해 대략 360 나노미터(nm) 파장의 자외선 광(화학 광선)으로 액정막을 조사한다-전형적으로 4-10 J/㎠.

대략 40°프리틸트 각도를 부여하는 다른 가능한 배향층 물질로 층들(1205 및 1207)을 대체할 수 있다. 그런 물질들은 예를 들면 균질와 동향성 배향 물질(homogeneous and homeotropic alignment material)들 혼합되어 러빙된 물질을 포함한다.

중합된 하이 프리틸트 액정충(1207) 위에 스핀 코팅을 이용하여 액정 모노머의 박막(1210)을 생성한다.

코팅 후에, 배향층(1205)의 전체 표면에 걸쳐 액정 O-판/하이 프리틸트 액정층 계면(1210/1207)에서 40°의 균일한 극 경사각과 균일한 방위각 경사 방향을 생성하는 네마틱 범위 내의 온도로 액정 모노머 층(1210)을 가열한다. 그 목적은 기판/액정 계면과 액정/공기 계면에서 명목상 동일한 경사각(1220)을 얻고자 하는 것이다. 액정/공기 계면에서는 액정의 바람직한 방위각 배향이 없기 때문에, 이 계면에서의 배향은 액정 O-판/하이 프리틸트 액정층 계면(1210/1207)에서의 방위각 배향에 의해 결정된다. 그 후, 모노머를 액정 상의 상태가 보전된 폴리머 막으로 중합시키기에 충분한 대략 360 nm의 파장의 자외선 광(화학 광선)으로 액정 모노머 막을 조사한다-전형적으로 4-10/㎠. 모노머의 액정 상에 존재하는 네마틱 상태는 광중합화에 의해 생성되는 폴리머 막에서 보전된다.

하이 프리틸트 액정층(1207)의 목적은 액정 O-판 층(1210)의 방위각 배향을 변경시키지 않으면서 그 층의 프리틸트 각을 대략 40°까지 중가시키는 것이다. C6M 액정의 고유의 네마틱/공기 경사각(1219 및 1225)이 대략 40°이기 때문에 이런 일이 생긴다. 하이 프리틸트 액정층(1207)의 두께가 대략 100 nm보다 크기만 하면, 액정 분자들은 하이 프리틸트 액정/배향층 계면(1207/1205)에서 대략 8° 프리틸트 각으로부터 네마틱/공기 경사각(1219)으로 연속적인 스플레이/굴곡 변형(splay/bend deformation)을 경험하게 될 것이다. 모노머의 액정 상 내에 존재하는 네마틱 상태는 광중합화에 의해 생성되는 폴리머 막에서 보전된다.

이런 과정들에 비추어, 액정 O-판 층(1210) 내의 액정 분자들은 액정 O-판/중합된 하이 프리틸트 액정층 계면(1210/1207)에서 40° 프리틸트 각(1220)으로 배향된다(인접하는 네마틱/공기 경사각(1219)의 각도와 대략 같음). 액정 O-판 층(1210)과 하이 프리틸트 액정층(1207) 모두에 대해 동일한 물질이 사용되기 때문에, 네마틱/공기 경사각(1225)은 액정 경사각(1220)과 대략 같은 값을 가질 것이며, 액정 O-판 층(1210)의 경사각은 층의 두께에 걸쳐 균일할 것이다. 게다가, 중합된 하이 프리틸트 액정층(1207)의 표면은 액정 O-판 층 내의 액정 분자들에 의해 좋은 습성을 나타낸다.

대부분의 응용에서 액정 O-판 층(1210)은 하이 프리틸트 액정층(1207)보다 훨씬 두껍다(전형적으로 > 1.0 미크론). 따라서, O-판 층(1100)의 전체 위상 지연 특성에 대한 하이 프리틸트 액정층(1207)의 기여는 경미하다. 이 공정의 결과는 포지티브 복굴절을 띠며 대략 40°의 극 경사각으로 배향된 대칭축을 가진 액정 폴리머의 박막(1210)이다.

액정 O-판 층/공기 경사각(1225)과 액정 프리틸트 각(1220)은 대략 60°만큼 상이할 수 있다. 그러면 액정 O-판 층(1210)은 액정 O-판/하이 프리틸트 액정층 계면(1210/1207)과 액정 O-판/공기 계면(1210/1215) 사이에서 스플레이/굴곡 변형을 나타낼 수 있다. 또한, 액정 O-판 층(1210)은 키랄 첨가제의 혼합 또는 키랄 중합성 액정 모노머 또는 키랄 액정 폴리머의 사용에 의해 방위각 트위스트를 나타낼 수 있다.

그와는 다르게, 만약 액정 물질이 방안 온도에서 유체라면, 이 물질의 박막층은 하이 프리틸트 액정층(1207) 바로 위에 피착될 수 있다.

다른 대체 실시예에서, 네마틱 액정 물질(1210)은 중합성 스멕틱-A 액정 모노머 물질로 대체될 수 있다. 액정 O-판/하이 프리틸트 액정층 계면(1210/1207)에서의 스멕틱-A 액정 물질의 고정 에너지(anchoring energy)는 액정/공기 계면(1210/1215)에서보다 상당히 높다. 또한, 스멕틱-A 상 물질의 굴곡 변형 탄성 상수는 매우 높다. 이는 벌크 막 내의 액정 방향자의 배향은 균일하며 액정 O-판/하이 프리틸트 액정층 계면(1210/1205)에서의 경사각(1220)에 의해 사실상 결정된다는 것을 의미한다. 이 공정에서 중합성 스멕틱-A 물질을 이용하는 이점은 결과로서 생기는 액정 폴리머 막이 액정/공기 계면(1210/1215)에서 액정 모노머의 경사각(1225)에 대해 민감하지 않다는 것이다.

<스멕틱-C 기판 배향 실시예>

도 13에 대체 실시예가 도시되어 있다. 전과 같이, 보상기는 단단한 유리기판(1300), 배향층(1305), 중합성 액정 O-판 층(1310), 액정 O-판/배향충 계면(1310/1305) 공기층(1315), 및 액정/공기 계면(1310/1315)을 포함한다. 그러나, 이 실시예에서는, 중합성 액정층(1310)이 스멕틱-C 상 온도 범위 및 대략 45° 의 최대 스멕틱 경사각(1320)을 가진다.

스멕틱-C 상에서 네마틱 상으로의 전이를 가진 액정 물질이 선호되는데, 왜냐하면 그런 물질은 10°에서 40° 범위의 큰 스멕틱 경사각(1320)을 가지는 경향이 있기 때문이다. 액정 물질은 중합성 모노머 화합물로 이루어지며 대략 0.5%의 Irgacure-651를 포함한다.

네막틱 실시예에서처럼, 기판의 표면 위에 배향층(1305)이 생성된다. 바람직한 실시예에서, 배향층 물질은 대략 60°의 극각(polar angle)으로 비스듬하게 피착되고 난(egg) 레시틴의 박막으로 코팅된 SiO의 박막이다-동향성 배향 물질. 이 배향 표면은 대략 85°의 액정 프리틸트 각(1325)을 생성하며 방위각 SiO 피착 각도에 의해 결정되는 균일한 특정 방위각 경사 방향을 생성한다.

그 후, 중합성 액정 모노머(1310)의 박막이 스핀 코팅을 이용하여 배향층(1305) 위에 형성된다. 그 후 액정의 온도를 네마틱 상으로 끌어올려, 액정 O-판/배향층 계면(1310/1305)에서 대략 85°의 균일한 프리틸트 각(1325)을 생성한다. 그 후 온도를 천천히 즉, 대략 분당 0.1℃의 비율로 액정 물질의 스멕틱-C 상으로 내린다.

이 공정은 처음에는 분자들이 0°의 스멕틱 경사각(1320)으로 기운 배향층의 표면에 평행한 스멕틱 층들을 형성한다. 액정층의 온도를 스멕틱-C 상으로 내림에 따라, 액정 분자들의 스멕틱 경사각(1320)이 증가한다. (분자들의 방위각 경사 방향은 방위각 SiO 피착 각도에 의해 결정된다.) 물질의 융점 바로 위의 온도에서, 스멕틱 경사각(1320)은 대략 45°의 최대 값에 도달한다. 해당 기술 분야의 숙련자라면 배향층에 평행한 스멕틱 층들을 형성하는 여러 가지 다른 방법들을 알 것이다.

액정/공기 계면(1310/1315)에서는 액정의 바람직한 방위각 배향이 없기 때문에, 이 계면에서의 배향은 액정 O-판/배향층 계면(1310/1305)에서의 방위각 배향에 의해 결정된다. 게다가, 스멕틱-C 물질에서는 액정/공기 계면(1310/1315)에서의 극 경사각(1330)이 벌크 액정 물질의 경사각에 영향을 미치지 않는다.

그 후, 모노머를 액정 상의 상태가 보전된 폴리머 막으로 중합시키기에 충분한 대략 360 nm 파장의 자외선 광(화학 광선)으로 액정 모노머 막(1310)을 조사한다-전형적으로 4-10 J/㎠. 네마틱 실시예에서처럼, 모노머의 스멕틱-C 상에 존재하는 액정 결정 상태는 광중합화에 의해 생성되는 폴리머 막에서 보전된다. 이 공정의 결과는 포지티브 복굴절을 띠며 대략 45°의 극 경사각으로 배향된 대칭축을 가진 액정 폴리머의 박막이다.

<스멕틱-C 전계 배향 실시예>

도 14에 도시된 또 다른 예시적인 액정표시장치 시스템은, 단단한 유리 기판(1400), 배향층(1405), ±2-20 nC/㎠의 높은 자연적인 편광에 의한 방안 온도 키랄 스멕틱-C 상 및 대략 45°의 최대 스멕틱 경사각(1420)을 가진 중합성 액정 모노머층(1410), 액정 O-판/배향층 계면(1410/1405), 공기층(1415), 액정 O-판/공기 계면(1410/1415), 및 인가된 전계의 방향(1440)(도 14의 면 안으로의 방향)을 포함한다.

스멕틱-C 상에서 네마틱 상으로의 전이를 가진 액정 물질이 선호되는데, 왜냐하면 그런 물질은 10°에서 40° 범위의 큰 스멕틱 경사각(1420)을 가지는 경향이 있기 때문이다. 액정의 피치(예를 들면, 방위각 배향이 360° 회전하는 스멕틱 층에 대한 수직 거리)는 대략 100 마이크로미터(㎛) 이상이다. 또한 액정은 중합성 모노머 화합물로 이루어지며 대략 0.5%의 Irgacure-651를 포함한다.

해당 기술 분야의 숙련자라면 자연적인 편광의 상이한 값들을 가진 액정들이 사용될 수 있다는 것을 알 것이다. 게다가, 액정은 피치 보상될 수 있다. 즉, 액정 물질은 좌선회 및 우선회 키랄 스멕틱-C 분자들(left-handed and right-handed chiral smectic-C molecules)을 모두 포함할 수 있다. 좌선회 분자들의 자연적인 편광의 부호와 크기는 우선회 분자들의 그것과 다를 수 있다. 좌선회 및 우선회 분자들의 상대적인 양은 비교적 큰 피치(예를 들면, 액정막의 두께보다 훨씬 큰 피치)를 생성하면서, 액정 혼합물의 자연적인 편광의 높은 값을 생성하도록 조정될 수 있다.

기판(1400)의 표면 위에 스핀 코팅을 이용하여 배향층(1405)이 형성된다. 이실시예에서, 배향층 물질은 난 레시틴의 박막 즉, (예를 들면, 대략 90°의 액정 경사각(1425)을 생성하는) 동향성 배향 물질이다.

그 후, 앞의 실시예들에서 논의된 바와 같이, 배향층(1405) 위에 중합성 액정 모노머(1410)가 형성된다. 그 후 0°의 극 경사각(1425)와 특정 방위각의 액정막(1410)에 대해 전계가 인가된다. 도 14에서, 전계(1440)의 방향은 도면에 수직하다.

액정층(1410)의 형성 이후, 액정의 온도를 네마틱 상으로 끌어올려, 액정 O-판/배향층 계면(1410/1405)에서 균일한 동향성 배향을 생성한다. 그 후 온도를 천천히 즉, 대략 분당 0.1℃의 비율로 액정 물질의 스멕틱-C 상으로 내린다. 이 공정은 처음에는 분자들이 0°의 스멕틱 경사각(1420)으로 기운 배향층의 표면에 사실상 평행한 스멕틱 층들을 형성한다. 해당 기술 분야의 숙련자라면 배향충에 평행한 스멕틱 층들을 형성하는 여러 가지 다른 방법들을 알 것이다.

액정층의 온도를 스멕틱-C 상으로 내림에 따라, 액정 분자들의 스멕틱 경사각(1420)이 증가한다. 분자들의 방위각 경사 방향은 일반적으로 전계의 방향에 수직하며 전계의 극성 및 자연적인 편광의 부호에 의존한다. 액정 물질의 융점 바로 위의 온도에서, 스멕틱 경사각(1420)은 대략 45°의 최대 값에 도달한다.

액정/공기 계면(1410/1415)에서는 액정의 바람직한 방위각 배향이 없기 때문에, 이 계면에서의 배향은 액정 O-판/배향층 계면(1410/1405)에서의 방위각 배향에 의해 결정된다. 게다가, 스멕틱-C 물질에서는 액정/공기 계면(1410/1415)에서의 극 경사각(1430)이 벌크 액정 물질의 경사각에 영향을 미치지 않는다.

그 후, 모노머를 액정 상(liquid crystal phase)의 상태가 보전된 폴리머 막으로 중합시키기에 충분한 대략 360 nm 파장의 자외선 광(액틴계 화학선)으로 액정 모노머 막(1410)을 조사한다-전형적으로 4-10 J/㎠. 앞의 실시예들에서처럼, 모노머의 스멕틱-C 상에 존재하는 액정 결정 상태는 광중합화에 의해 생성되는 폴리머 막에서 보전된다. 이 공정의 결과는 포지티브 복굴절을 띠며 대략 45°의 극 경사각으로 배향된 대칭축을 가진 액정 폴리머의 박막이다.

<변형예>

앞의 실시예들 각각에 대하여, 다수의 변형이 가능하며 액정표시장치 디바이스 분야의 숙련자라면 분명히 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 다른 가능한 기판 물질은 폴리머 막들을 포함할 수 있다. 중합성 액정 모노머 물질은, 구성물로서, 다수의 반응성 관기능를 내포하고 따라서 교차 결합제로서 작용할 수 있는 분자들을 포함할 수 있다. 반응성 액정, 배향 물질, 러빙 조건 등을 적절히 선택함으로써 액정/배향층 계면에서의 다른 극 경사각들을 달성할 수 있다. 게다가, 비반응성 물질을 중합성 액정과 결합시킬 수 있다. 그 결과로서 생기는 액정 폴리머 막은 플라스틱 또는 겔의 특성을 가질 것이다. 액정 물질은 또한 액정 혼합물의 점성을 증가시켜 막 형성 특성을 향상시키는 폴리머(예를 들면, 액정 폴리머) 또는 올리고머를 포함할 수도 있다.

또한, 액정의 특정한 화학 구조 및 중합 온도에 따라, 액정 폴리머는 대략 0.05 내지 0.25의 복굴절을 가질 것으로 기대된다. 이 범위의 복굴절 값들에 있어서, 유용한 O-판 보상기는 0.20에서 10 ㎛ 사이의 두께를 가질 것이다. 게다가, 중합성 스멕틱-C 액정 물질로부터 제조된 O-판 보상기는 약간 2축성일 것으로 기대된다.

본 개시 내용의 이점을 얻은 통상의 기술자들이라면 전술한 설명으로부터 여기 개시된 본 발명의 사상을 벗어나지 않은 다수의 변형이 가능하리라는 것을 알 것이다. 따라서, 본 출원에서 청구하는 배타적인 권리를 정의하는 것은 전술한 실시예들만이 아니라 아래 제시한 특허 청구의 범위이다.

Claims

액정표시장치용 O-판 보상기에 있어서, 상기 O-판 보상기는,

wp 1 O-판 층의 주표면에 대해 비스듬한 경사각으로 배향된 광학 대칭축을 갖는 액정 폴리머의 제 1 포지티브 복굴절 O-판 보상기 층; 및

상기 제 1 O-판 층상에 배치된 제 2 포지티브 복굴절 O-판 보상층을 포함하고, 상기 제 2 O-판 보상층은 이 제 2 O-판 층의 주표면에 대해 비스듬한 경사각으로 배향된 광학 대칭축을 갖는 액정 폴리머를 포함하고,

각각 상기 보상기의 주표면상의 제 1 및 제 2 O-판층의 광학 대칭축의 돌출부는 서로 교차되는 것을 특징으로 하는, 액정표시장치용 O-판 보상기.
액정표시장치의 주표면에 수직인 수직축에 대하여 여러 각도에서 보기 위한 액정표시장치에 있어서,

(a) 편광층;

(b) 아날라이저 층;

(c) 상기 편광층과 상기 아날라이저 층 사이에 배치된 액정층;

(d) 상기 편광층과 상기 아날라이저 층 사이에 배치되고 상기 액정층의 제 1 주표면에 근접한 제 1 전극;

(e) 상기 액정층의 제 2 주표면에 근접한 제 2 전극으로서, 상기 제 1 및 제 2 전극들이 전압원에 접속시 상기 액정층에 전압을 인가하도록 되어 있는, 제 2 전극;

(f) 상기 편광층과 상기 아날라이저 층 사이에 배치되고, 상기 제 1 O-판 층의 주표면에 대해 비스듬한 경사각으로 배향된 광학 대칭축을 갖는 액정 폴리머를 포함하는 제 1 포지티브 복굴절 O-판 보상기 층; 및

(g) 상기 편광층과 상기 아날라이저 층 사이에 배치된 제 2 포지티브 복굴절 O-판 보상기 층을 포함하고,

상기 제 2 O-판 층은, 이 제 2 O-판 층의 주표면에 대해 비스듬한 경사각으로 배향된 광학 대칭축을 갖는 액정 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
제 2항에 있어서,

적어도 하나의 O-판층의 상기 광학 대칭축은 그의 주 표면에 대하여 대략 25도와 대략 55도 사이의 경사 각도로 배향되어 있는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
제 2항에 있어서,

상기 제1 및 제 2 보상기 층은 교차 결합된 액정 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
O-판 보상기를 제조하는 방법에 있어서,

(a) 기판을 제공하는 단계;

(b) (A) 저 프리틸트 배향층을 도포하고,

(B) 고 프리틸트 박막이 실질적으로 경사진 액정배향으로 제1 공기 계면을 갖도록, 상기 저 프리틸트 배향층에 중합성 고 프리틸트 액정재료를 도포함으로써,

상기 기판에 액정 배향층을 도포하는 단계;

(c) 상기 배향층에 중합성 액정 물질의 제 1 박막을 도포하는 단계로서, 상기 박막은, (A) 네마틱상, (B) 실질적으로 프리틸트된 액정 배향을 제공하는 배향층 계면, 및 (C) 제 2 공기 계면을 갖는, 단계;

(d) 상기 배향층 계면에서의 경사 방향이 상기 제2 공기 계면에서의 경사 방향과 실질적으로 동일하도록, 상기 제 1 박막의 방향자의 균일한 특정 배향을 얻기위해 상기 제 1 박막의 온도를 조정하는 단계; 및

(e) 상기 제 1 박막을 중합시키기 위해 액틴계 화학선으로 상기 제 1 박막을 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 O-판 보상기 제조 방법.
제5항에 있어서,

제 1 박막을 도포하는 상기 단계 (C)는,

(1) 상기 액정 물질을 용매에 용해시켜 용액을 형성하는 단계;

(2) 상기 배향층에 상기 용액을 도포하는 단계; 및

(3) 상기 용매를 증발시켜 상기 제 1 박막을 형성하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 O-판 보상기 제조 방법.
제5항 또는 제6항에 있어서,

(1) 상기 액정 물질은 스멕틱-C 상(smectic-C phase)을 가지며;

(2) 상기 제 1 박막은 (A) 복수의 스멕틱 층들을 포함하고, (B) 기울어 있는 동향성 액정 배향(tilted homeotropic liquid crystal orientation)을 제공하는 배향층 계면을 가지며;

(3) 상기 제 1 박막의 온도를 조정하는 상기 단계 (d)는 (A) 상기 스멕틱 층들을 상기 배향층에 평행하게 배향하고, (B) 상기 배향층 계면에서 소망하는 경사 방향을 얻기 위해 수행되는 것을 특징으로 하는 O-판 보상기 제조 방법.
제5항 또는 제6항에 있어서,

(1) 상기 액정 물질은 스멕틱-A 상(smectic-C phase)을 가지며;

(2) 상기 제 1 박막은 (A) 복수의 스멕틱 층들을 포함하고, (B) 사실상 프리틸트된 액정 배향을 제공하는 배향층 계면을 가지며;

(3) 상기 제 1 박막의 온도를 조정하는 상기 단계 (d)는 (A) 상기 스멕틱 층들을 상기 배향층에 대해 비스듬하게 배향하고, (B) 상기 배향층 계면에서 소망하는 경사 방향을 얻기 위해 수행되는 것을 특징으로 하는 O-판 보상기 제조 방법.