KR100607007B1 - 액정 소자 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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빅터 차크람 후이
존 클리포드 존스
이안 찰스 사쥐
엠마 루이스 우드
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휴렛-팩커드 컴퍼니(델라웨어주법인)
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Abstract

액정소자가 전극을 가지며 하나 또는 둘 모두가 액정 재료의 분자를 정렬시키기도록 처리된 두 개의 셀 벽사이에 둘러싸인 하나의 액정 재료층에 의하여 형성된다. 대부분의 정렬 처리는 접촉하는 액정 분자에 강한 방위각 및 천정각 앵커링 에너지를 갖는 표면 프리틸트 및 정렬을 부여한다. 본원발명은 셀 벽 또는 그 근처에서 액정 분자가 움직일 수 있게 하여 방위각, 천정각 또는 병진 앵커링 에너지중의 하나 이상을 감소시켜서 스위칭 특성 및 광학 성능을 개선시킨다. 앵커링 에너지의 감소는 표면에 분포되거나 또는 액정 재료에 부가된 올리고머 또는 단쇄의 중합체에 의하여 얻어질 수 있다. 올리고머 또는 단쇄 중합체의 크기는 충분히 작아서 액정 재료로부터 상분리를 거의 발생시키지 않는다. 중합체 층은 소자에 사용된 액정 재료 내에서 불완전한 용해도를 가지며 기판 표면에 대한 물리적인 친화도를 가지고, 중합체/액정 계면에서 실질적으로 액체에 유사한 표면을 유지시키는 특징을 갖는다. 중합체는 액정 유체중의 용액중의 반응성 저분자량 재료를 중합하여 형성시킬 수 있다. 이어서, 생성되는 액정중의 중합체의 분산액 또는 용액을 셀에 충전하고 중하체가 기판 표면에 코팅되게 한다.
액정 소자, 천정각, 방위각, 앵커링, 쌍안정성, 단안정성, 네마틱, 스멕틱, 프리틸트.

Description

액정 소자 및 그의 제조 방법{Liquid Crystal Device and a Method Manufacturing the Same}
본 발명은 액정 소자 정렬에 관한 것이다.
액정 소자는 통상적으로 셀 벽들 또는 기판들 사이에 함유된 액정 재료의 박막층을 포함한다. 상기 셀 벽상의 광학적 투명 전극 구조물에 의해 상기 박막층에 전기장이 인가되고, 이로 인해 액정 분자가 재배열된다. 많은 상이한 유형의 액정 소자, 예를 들면, 트위스티드(twisted) 네마틱 소자, 콜레스테릭(cholesteric) 상전이 소자, 동적 산란형 소자, 수퍼트위스티드 네마틱 소자 및 표면 안정형 강유전성 소자등이 본 기술분야에 공지되어 있다. 이들 모든 유형의 소자에 있어서는, 소자의 내부 벽상에 어떤 표면을 제공하고, 이 표면을 통해 표면 근처의 액정 유체의 정렬을 제어한다는 것이 잘 알려져 있다. 액정 소자의 많은 응용분야에서, 이러한 처리는 소자 전체를 통하여 액정 유체를 특정한 형태로 정렬시키고 그리고/또는 외관상 광학적 결함이 없는 소자의 광학적 외관을 제공하기 위하여 필요한 것으로 여겨지고 있다. 상이한 부류의 액정 소자에 대한 이러한 요소의 구체적인 중요성을 아래에서 보다 상세히 기재한다.
본 명세서에서 방위각(azimuth 또는 azimuthal)이란 용어는 기판 표면에서의 분자(또는 디렉터 n)의 정렬각 운동(alingment angle movement) 또는 에너지로 정의된다. 그리고, 천정각(zenith 또는 zenithal)이란 용어는 본원에서 기판 표면에 수직인 평면에서의 분자의 정렬각 운동 또는 에너지로 정의된다.
네마틱 또는 롱 핏치(long pitch) 콜레스테릭 재료를 트위스티드 네마틱 액정 소자로 알려진 소자에 사용하는 것과 관련하여, 적절한 정렬과 이에 따른 문제점은 하기와 같다.
다수의 어드레서블(addressable) 소자를 갖는 디스플레이(display)를 제공하기 위하여, 한 셀 벽(wall)에는 일련의 행(row) 전극이, 다른 셀 벽에는 일련의 열(column) 전극이 되도록 전극을 제조하는 것이 통상적이다. 이들은 전형적으로 어드레서블 소자 또는 화소(pixel)의 x,y 매트릭스를 형성하고, 트위스티드 네마틱형 소자의 경우에는 통상적으로 rms 어드레싱 방법을 사용하여 어드레스된다.
트위스티드 네마틱 (TN) 및 상전이 소자는 적절한 전압의 인가에 의하여 ON 상태로 스위칭되고, 인가된 전압이 특정 저전압 레벨 이하로 떨어질 때 OFF 상태로 스위칭될 수 있다(즉, 이러한 소자들은 단안정(monostable) 소자이다). 트위스티드 네마틱형 소자(US 4,596,446에서와 같은 90°또는 270°비틀림)의 경우에는, rms 어드레스될 수 있는 소자의 수가 소자의 투과율 대 전압 곡선(알트(Alt) 및 플레쉬코(Pleschko)가 문헌[IEEE Trans ED vol ED 21, (1974) P.146-155]에 설명되어 있음)의 준도(steepness)에 의하여 제한된다. 화소의 수를 개선하는 한 가지 방법은 각각의 화소에 인접하게 박막 트랜지스터를 배치하는 것이고, 이러한 디스플레이를 능동 매트릭스 디스플레이(active matrix displays)라고 한다.
네마틱형 소자의 잇점은 상대적으로 낮은 전압이 요구된다는 점이다. 그들은 기계적으로도 안정하며 구동 온도 범위도 넓다. 이를 사용하여 전지에 의하여 구동되는 소형 휴대용 디스플레이를 제조할 수 있다. 또 다른 트위스티드 네마틱 소자는 GB 9607854.8에 기재된 것과 같이 0 (zero) 볼트에서의 비-트위스티드 상태로부터 고전압에서의 트위스티드 상태로 스위칭되는 소자이다(본원에서는 VCT 소자라 함).
트위스티드 네마틱 소자의 한 가지 문제점은 전압이 임계 전압(threshold voltage)보다 상당히 큰 수치까지 증가하기 전까지는 보통은 백색인 디스플레이의 콘트라스트 비가 낮은 수치에 머물러 있다는 점이다. 이것은 셀 벽에 인접한 네마틱 재료가 표면 정렬층에 의하여 야기되는 강한 천정각 앵커링(anchoring) 때문에 인가된 전기장 내에서 완전히 재배향되지 않기 때문이다. 이러한 표면 재배향의 결핍은 VCT 소자의 고전압 구동을 초래하기도 한다.
네마틱 및 롱 핏치 콜레스테릭 재료를 쌍안정(bistable) 네마틱 액정 소자로 공지된 소자에 사용하는 것과 관련하여 적합한 정렬 및 그에 연관된 문제점은 하기와 같다.
상기에 기재된 바와 같이, 트위스티드 네마틱형 및 상전이형 액정 소자는 적절한 전압의 인가에 의하여 ON 상태로 스위칭되고, 인가된 전압이 특정의 저전압 레벨 이하로 감소되면 OFF 상태로 스위칭될 수 있다(이러한 소자를 단안정 소자라함). 네마틱형 소자의 잇점은 상대적으로 낮은 전압이 요구된다는 점이다. 그들은 기계적으로도 안정하며 구동 온도 범위도 넓다. 이를 사용하여 전지에 의하여 구동되는 소형 휴대용 디스플레이를 제조할 수 있다. 이러한 소자의 단점은 그의 단안정성 스위칭 특성이 다중 어드레스될 수 있는 라인의 수를 제한한다는 점이다.
대형 디스플레이를 어드레싱할 수 있는 또 다른 방법은 쌍안정성 액정 소자를 사용하는 것이다. 강유전성 액정 소자 디스플레이는 스멕틱 액정 재료 및 적절한 셀 벽 표면 정렬 처리를 사용하여 쌍안정성 소자로 제조될 수 있다. 이러한 소자는 엘 제이 유(L J Yu), 에이치 리(H Lee), 씨 에스 백(C S Bak) 및 엠 엠 래비스(M M Labes)의 문헌[Phys Rev Lett 36, 7, 388(1976)], 알 비 마이어(R B Meyer)의 문헌[Mol Cryst Liq Cryst. 40, 33(1977)], 및 엔 에이 클라크(N A Clark) 및 에스 티 라저월(S T Lagerwall)의 문헌[Appl Phys Lett, 36, 11, 899(1980)]에 기재된 바와 같은 표면 안정형 강유전성 액정 소자(SSFELCDs)이다. 강유전성 소자의 한 가지 단점은 상기 재료를 스위칭하는데 상대적으로 고전압이 필요하다는 점이다. 이러한 고전압은 전지에 의하여 구동되는 소형의 휴대형 디스플레이를 고가로 만든다. 이들 디스플레이는 내충격성의 결핍, 온도 범위의 제한, 및 니들(needle)과 같은 전기적으로 유발되는 결함과 같은 다른 문제점도 갖는다.
쌍안정성 스위칭 특성이 네마틱을 사용하여 달성될 수 있다면, 상기에 언급된 기술 모두의 장점을 가지면서도 그들의 문제점은 갖지 않는 디스플레이를 제조할 수 있다.
키랄 이온 또는 플렉소일렉트릭(flexoelectric) 커플링을 이용하면 네마틱을 두 가지 정렬 상태 사이에서 스위칭시킬 수 있다는 사실이 듀란드(Durand) 등에 의하여 이미 밝혀져 있다(에이 찰비(A Charbi), 알 발베리(R Barberi), 쥐 듀란드(G Durand) 및 피 마르티노-라르가르드(P Martinot-Largarde)의 국제특허출원 WO 91/11747(1991) "쌍안정성 일렉트로키랄 제어 액정 광학 소자(Bistable electrochirally controlled liquid crystal optical device)", 쥐 듀란드, 알 발베리, 엠 지오콘도(M Giocondo), 피 마르티노-라르가르드의 국제특허출원 WO 92/00546(1991) "플렉소일렉트릭 효과에 의하여 제어되는 표면 쌍안정성을 갖는 네마틱 액정 디스플레이(Nematic liquid crystal display with surface bistability controlled by a flexoelectric effect)").
미국특허 제4,333,708호에는 셀 벽이 단일 점 배열을 제공하도록 프로파일된 다안정성 액정 소자가 기재되어 있다. 이러한 기판 구성은 디스클리네이션(disclination)이 안정한 구성간에 스위칭되도록 움직여야하기 때문에 디렉터 정렬의 다안정성 구성을 제공한다. 스위칭 동작은 전기장을 인가함으로써 행해진다.
국제특허출원 WO97/14990(PCT-96/02463, GB95 21106.6)에는 적어도 하나의 셀 벽에 대해서 그레이팅(grating) 표면 처리를 시행하여 네마틱 액정 분자가 동일한 방위각 평면내에서 두 개의 프리틸트각(pretilt angles) 중 하나를 가질 수 있는 쌍안정성 네마틱 소자가 기재되어 있다. 상기 셀은 이들 두 가지 상태 사이에서 전기적으로 스위칭되어 전원이 꺼진 후에도 정보 표시가 지속될 수 있게 한다.
또 다른 쌍안정성 네마틱 소자가 GB2,286,467-A에 기재되어 있다. 이 소자는 적어도 하나의 셀 벽에 정확하게 형성된 2중그레이팅(bigrating)을 사용한다. 상기 2중그레이팅에 의해서, 적절한 전기 신호가 셀 전극에 인가되는 경우에 액정 분자가 두 가지 상이한 각으로 정렬된 방향을 가질 수 있다(예를 들면, 국제특허출원 WO92/00546)에 기재된 바와 같은 플렉소일렉트릭 분극(polarisation)에 대한 dc 커플링). 상기 두 가지 스플레이된(splayed) 상태에서 디렉터가 상기 층의 평면내에 매우 근접하기 때문에 디렉터와 플렉소일렉트릭 성분사이의 커플링이 매우 작을 수 있고, 이는 어떤 상황에서는 스윗칭 동작을 저해할 수 있다.
GB2286467-A의 쌍안정성 네마틱 소자도 강유전성 소자에는 존재하지 않는 문제점(즉, 화상 교착 효과(image sticking effect)를 제거하기 위하여 분자의 표면층을 스위칭하여야 할 필요성)을 더 갖는다. 표면층 스위칭 동작을 위해서는 통상적으로 고전압이 필요하게 되는데, 이 때문에 전력이 많이 소비됨은 물론 주문형 드라이버(driver) 회로가 더 필요해진다.
스멕틱 재료를 사용하는 소자와 관련해서, 적합한 정렬 및 그에 수반되는 문제점은 하기와 같다.
스멕틱 액정 재료을 기초로 하는 소자로서는 다음과 같은 것들이 있다.
A: 강유전성 액정(통상적으로 SmC * )
이것의 일례로는 2안전성이고 종종 표면 안정형 FLC 소자(SSFLC)로 지칭되는 소자가 있다(엔. 에이. 클라크(N. A. Clark) 및 에스. 티. 라저월(S. T. Lagerwall)의 문헌[Appl. Phys. Lett., 36, 899(1980)] 참조]. 이 소자에서는 정렬된 평면이 우선적인 평행 또는 역평행 정렬 방향으로 배열되어 있다. 상기 소자는 고준위의(overlying) 스멕틱 A 상으로부터 스멕틱층의 책꽂이(bookshelf) 배열( 즉, 상기 재료가 책꽂이의 책들과 같이 셀 벽에 수직으로 배열된 미체 층으로 형성됨)로 냉각된다.
원래 상기 소자는 액정 디렉터 n이 표면 평면에 우선적이고 실질적으로 평행(즉, s(표면 법선; surface normal)에 대하여 ⊥)이 되도록 러빙되지 않은 중합체 표면 정렬 처리를 사용했었다. 이어서, 가열하여 스멕틱 A 상이 되게하고 필요한 방향으로 층들을 전단하여 바람직한 방향을 부여한다. 상기층들은 냉각시 SmC*상으로 고정되어 유지된다. 표면에너지는 n⊥s의 경우에 최소가 되어 적절한 DC 전기장에 의하여 선택될 수 있는 두 가지 최소 에너지 상태가 발생한다.
브래드쇼(Bradshaw) 및 레인스(Raynes)는 핏치가 표면에 비하여 충분히 긴 상기 SmA위의 키랄 네마틱 N* 상을 갖는 것에 의하여 유발되는 이러한 소자의 개선된 SmA 정렬이 상기 전이(transition) 위의 현저한 온도 범위에 대하여 자발적인 나선형(helicity)이 풀리도록 한다는 사실을 발견하였다. 그들은 또한 우선적인 방향을 부여하기 위하여 종종 폴리이미드 또는 폴리아미드 층의 평행 또는 역평행 러빙을 사용하여 표면을 예비 처리해야 했었다(GB-2,210,469, USP-4,997,264, GB-2,209,610, USP-5,061,047, GB-2,210,468).
후에, 책꽂이 정렬(층의 법선이 소자의 평면 평행함, 즉 δ=0)된 SmA 표본이 SmC* 상으로 냉각되는 경우에 상기 층들이 쉐브론 타입 구성(C1 및 C2로 정의되는 두 가지 타입의 쉐브론이 존재할 수 있음, 제이. 칸베(J. Kanbe) 등의 문헌[Ferroelectrics (1991) vol 114, pp3] 참조)으로 경사되게 된다는 사실이 밝혀졌다. 이들은 도18에 나타나 있다. 이는 표면에서의 상기 층들의 피닝(pinning)과 스멕틱층 간격의 수축의 조합된 효과에 기인하는 것으로 여겨져 왔다. 생성된 쉐브론 구조는 셀의 중간의 디렉터가 원뿔 전체각 보다는 현저히 작은 두 가지 배향 중의 하나로 대략 고정된다는 것을 의미한다. 이는 전기장이 인가되지 않는 경우에는 두 가지의 "표면 안정화된" 상태의 광학 축사이의 각이 실질적으로 작아짐(이는 디스플레이 휘도의 상응하는 감소를 초래함)을 의미한다. 실용 소자의 광학 휘도를 개선시키기 위하여 많은 방법이 제안되어 왔다:
1. AC 전기장 안정화:
상기 두 가지 상태로 래치(latch)시키기에 시간과 전압(τV)이 불충분한 인가 AC 전기장 펄스는 유전 텐서(dielectric tensor; 주로 유전 이축성(dielectric biaxiality)와 결합함으로써 이들 상태 사이의 각을 증가시키고 휘도를 증진시킨다. 이러한 방식이 갖는 주된 문제점은 필요한 휘도를 유지시키기 위하여 고주파수의 전압이 끊임없이 필요하다는 점이다. 이는 고전력 소비를 요한다(특히 고주파수가 적용되는 복합체 디스플레이의 경우). 적절히 낮은 AC 전압을 사용하면 통상적으로 휘도가 손상된다. C2U 타입 정렬을 사용하는 경우에는, 표면 스위칭이 필요없기 때문에 표면 기억 효과가 최소이고 표면에서의 느린 스위칭이 소자에 영향을 주지 않는다는 장점을 갖는다.
2. 높은 프리틸트 평행(High pre-tilt Parallel):
이 형태는 쉐브론 계면에서 또한 러빙 방향에 대한 작은 각에서 디렉터를 갖 는 (대략) 동일한 쉐브론 구조를 갖는다. 그러나, 상기 표면의 디렉터는 SmC* 원뿔 상에 존재하는 것과 바람직한 정렬 프리틸트 사이의 경쟁 효과로 인하여 매우 높은 인-플레인(in-plane) 비틀림 각을 갖는다. 이러한 형태의 소자는 양호한 휘도를 갖지만 표면 스위칭을 수반하기 때문에 응답이 느리고 화상 교착을 초래할 수 있는 강한 표면 기억의 문제점을 갖는다.
3. 유사-책꽂이(Quasi-bookshelf):
층의 경사각을 감소시켜 소자의 휘도를 증가시키기 위하여 다음의 두 가지 방법, 즉 소자를 충분한 크기의 저주파수 전기장으로 예비 처리하는 방법, 또는 냉각시 스멕틱상을 통하여 층 수축이 감소되는 일정한 재료를 선택하는 방법(몇몇 재료는 냉각시 층사이의 간격을 실제적으로 감소시킬 수 있음)이 사용될 수 있다. 이러한 소자는 높은 프리틸트 구성과 유사한 장단점을 갖는다.
4. 균일 경사된 층(높은 프리틸트 역-평행) 형태
상기 두 형태와 유사하지만 세브론이 없고(따라서 셀 중심에서 디렉터에 대한 제약이 없음) 쌍안정성 상태 사이의 높은 각이 표면에 의해서만 안정화된다.
B. 일렉트로-클리닉(electro-clinic) 광학 셔터
키랄 재료의 스멕틱 A(또는 기타 직교 스멕틱) 상에 DC 전기장을 적용하면 디렉터의 경사가 유발되어 광학 축이 인가된 전기장과 수직이 된다. 기판 표면상에 전극을 갖는 (대략) 평면 정렬된 액정 셀의 경우에, 일렉트로클리닉 효과 때문에 광학 축이 인가된 전기장에 비례하는 각만큼 회전한다. 따라서, 완전한 아날로 그 진폭 또는 상 변조를 갖는 광학 셔터를 얻을 수 있다.
이러한 소자의 공통적인 문제점은 스멕틱층의 균일하고 평탄한 정렬을 적절히 얻는 것이다. 보다 적은 문제점은 유도된 스위칭이 디렉터를 어느 정도 회전시켜서 표면에서의 바람직한 정렬 방향으로부터 벗어나게 할 수 있다는 점이다. 이러한 이동은 소자의 스위칭 시간을 지연시킬 수 있는 표면 점성 및 일정한 표면 기억 효과를 야기시킨다.
C: 반-강유전성(anti-ferroelectric) 스멕틱 액정(AFLC)
어떤 재료들은 능동 매트릭스 소자 또는 직접 구동 소자(direct drive device)에 사용될 수 있는 반-강유전성 상을 형성시킨다. 실제로 이들 소자는 충분한 DC 전압이 인가될 때까지 스멕틱 A 상과 유사한 외관을 가지며, 이보다 높은 전압에서 표본 소자는 통상적인 강유전성 상과 유사한 두 가지 상태 중 하나의 상태(부가된 신호의 극성에 따름)로 존재한다.
이러한 상을 형성(특히 넓은 온도 범위에 걸쳐서)하는 재료는 제한되어 있으며, 지금까지 발견된 것들 모두가 스메틱 상에 대하여 직접적인 등방성을 갖는다(즉, 고준위의 키랄 네마틱 상이 존재하지 않음). 이는 상기 재료가 정렬시키기 어렵고 이러한 전이상태에서 스멕틱의 바토넷(batonnet)을 형성한다는 것(Gray 및 Goodby book 참조)을 의미한다.
이에 대한 메카니즘은 스메틱 층 구조가 등방성 액체 내의 제한된 수의 "냉각 점(cold spot)" 내에서 핵을 형성한다(nucleate)는 것이다. 그러면 상기 층들은 이 점 주위로 굽어져서 상기 층의 법선의 만곡(bend) 및 벌어짐(splay)을 최소 화한다. 상기 층들은 표면과 만나는 지점에서 피닝되어 움직이기 어렵게 된다. 따라서, 상기 바토넷 구조가 일단 미리 형성되면 의도하는 층 배열(예를 들면, 평면 또는 책꽂이)을 얻는 것이 어렵다. AFLC 상으로 냉각시키는 경우에, 전기장을 인가하면 표면 디렉터의 비틀림을 유도하여 느린 속도 및 표면 기억 효과 등과 같은 표면 스위칭과 연관된 문제점을 초래하는 경향이 있다.
D:SmC * 광학 셔터
브래드쇼 및 레인스는 또한 FLC가 평행 러빙된 소자중의 풀린(unwound(바람직하게는 상전이 도중에 인가된 DC 전기장 중에서)) N* 상으로부터 직접적으로 냉각되어 얻어지는 타입의 소자에 대하여 설명하고 있다. 상기 풀린 N* 상은 러빙 방향의 디렉터를 가지며 SmC*로 냉각시 이러한 배향이 유지되고 층의 법선은 각 θ로 비틀린다. 층의 법선이 배향되어 있는 방향의 축퇴(degeneracy)는 DC 전기장을 인가하면 제거된다.
전기장이 제거되면 항상 표면 안정화 상태(n∥s)로 다시 이완되므로 이것은 단안정 소자이다(이 소자는 전기장이 유지되는 경우에는 AC 안정화를 통하여 또는 TFT 또는 유사한 비선형 전기 소자를 각각의 화소에 삽입시켜서 소자들에 사용될 수 있음). 그러나, 이것은 빠르다(Ps 때문). 주로 스위칭은 셀의 벌크내에서 발생하고 표면에서는 스위칭이 거의 발생하지 않는다. 그러나, 이것은 디렉터가 심하게 비틀리고 비균일 구조라는 사실을 의미한다. 이는 광학적 외관이 불량(특히 초 기 히타치의 연구에서 수행된 바와 같이 안료와 함꼐 사용되는 경우)하다는 것을 의미하고 따라서 이것은 성능을 개선하기 위하여 표면 스위칭이 필요한 경우이다. 또한, 많은 N-SMC* 재료에서 쉐브론 구조 및 그에 연관된 결함을 초래하는 층 수축이 여전히 발생하기 때문에 넓은 온도 범위에 걸친 정렬이 어렵다.
따라서 표면상의 액정의 정렬은 이러한 타입의 소자 모두에 있어서 중요한 문제이다. 액정 유체를 표면상에서 정렬시킬 수 있는 몇몇 상이한 방법이 공지되어 있다. 기판 평면으로부터 30°이상의 방향으로부터 일산화 규소를 증착(evaporation)시키면 네마틱 액정이 증착 방향에 수직인 축을 따라서 기판의 평면내에 정렬된 표면이 얻어진다. 반대로, 증착이 기판으로부터 약 5°이하의 각을 이루는 방향으로부터 수행되는 경우에는 기판 표면으로부터 증착원의 방향으로 약 20°경사된 방향을 따라 네마틱 액정이 정렬된 표면이 얻어진다.
많은 시판 액정 소자는 러빙된 중합체 정렬층(특히 러빙된 폴리이미드 정렬층)을 사용하여 제조된다. 통상적으로 이러한 층은 용액의 스핀 퇴적(spin deposition)에 의하여 아미드 전구체 중합체로서 퇴적된다. 용매를 제거하고 난 후, 중합체 코팅을 고온에서 소성하여 이미드화시키고 이어서 천(cloth)로 1-방향 러빙한다. 생성되는 표면은 표면 평면으로부터 러빙 방향으로의 경사를 갖도록 러빙 방향을 따라서 액정 재료을 정렬시킨다. 경사각의 크기는 통상적으로 1 내지 2°이지만, 보다 큰 크기의 프리틸트를 제공할 수 있는 특별한 폴리이미드 제제 및 처리를 사용할 수도 있다. 몇몇 중합체층은 선형으로 편광된 빛에 노출시켜서 가 교결합 시킬 경우 액정 재료을 정렬시키는 것이 가능하다(WO95/22075, GB-9444402516). 이는 러빙이 필요 없어서 기판이 능동 매트릭스 디스플레이의 일부로서 박막 트랜지스터를 갖는 경우에 유용하다. 정렬된 중합체는 하기에 설명되는 그레이팅과 조합해서 사용할 수도 있다.
액정 재료에 표면 정렬을 제공하는 부가적인 방법은 용액으로부터 기판상으로 상이한 계면 활성제를 퇴적하는 것을 통하여 가능하다. 4급 암모늄 염, 알킬화 실라젠 및 염기성 크로뮴 알카노에이트를 포함하는 일정한 범위의 상이한 계면활성제가 사용될 수 있다. 표면 처리는 통상 묽은 계면활성제 용액으로 침지 또는 스핀 코팅시키는 것을 수반하며 통상적으로 액정을 기판 표면에 수직으로 정렬(호메오트로픽(homeotropic) 정렬이라 함)시킨다. 2-핵성 크로뮴 알카노에이트 및 기타 2-핵성 계면활성제가 기판 평면내의 임의의 선호되는 방향을 갖지 않는 기판 평면내 정렬을 제공할 수 있다.
표면의 액정 정렬을 얻기 위한 부가적인 방법은 표면상의 릴리프 그레이팅(relief grating)과 같은 릴리프 구조의 제조를 수반한다. 이러한 구조는 포토리소그래피 방법, 예를 들면 금속 시이트 상에 제조된 마스터 구조를 사용하여 중합체와 같은 가소성 표면층을 엠보싱하는 것, 표면에 기계적으로 선을 긋는 것 등에 의하여 얻어질 수 있다. 그레이팅 구조는 그레이팅의 홈 및 마루의 방향을 따라 네마틱 액정을 정렬시킨다. 더 복잡한 릴리프 구조는 경사 또는 쌍안정성 정렬을 제공할 수 있다.
공지된 정렬 방법들은 액정 소자를 그에 따라 제조할 경우에 소자들의 강력 한 유용성을 완전히 얻지 못하게 하는 다수의 결점을 갖는다.
이러한 결점 중의 하나는 공지된 방법에 따르면 액정 정렬이 표면 평면내의 임의의 정렬 방향을 자유로이 수반하는 표면정렬 방법을 제공하는 것이 거의 불가능하다는 점이다. 평면(planar) 정렬은 기판에 실질적으로 수직인 방향으로부터 무기 재료의 증착을 포함하는 다양한 방법, 또는 폴리이미드 재료와 같은 공지된 중합체 재료로 기계적 러빙 없이 기판을 코팅하는 것에 의하여 얻어질 수 있다. 이러한 경우에, 표면상의 액정 정렬은 표면 제조 도중에 고정되지는 않지만, 그와 최초로 접촉하는 액정 상(phase)의 정렬에 의하여 고정된 후 움직일 수 없게 된다.
이러한 표면위의 정렬방향은 유동 방향 또는 표면에 액정 상이 최초로 접촉하는 순간의 전기장 또는 온도 구배의 방향에 의하여 결정된다. 표면 평면내에서 액정의 정렬 방향이 자유로이 반복해서 회전할 수 있게 하는 표면 처리를 제공하는 것이 바람직하지만 이는 공지된 표면 처리로부터는 불가능하다.
공지된 액정 정렬 기술의 두번째 단점은 기판과 액정 디렉터 사이의 천정각을 변화시키기 위하여 필요한 에너지가 통상적으로 인가되는 전압에 의하여 발생하는 액정 자체의 탄성 비틀림(distortion) 에너지보다 매우 크다는 사실이다. 이는 공지된 정렬 기술을 사용하는 액정 소자중의 액정 디렉터가 셀 벽에서 경사 각으로 실질적으로 고정되어 유지되며 광학 효과를 제공하는 소자의 스위칭이 인가된 전기장의 크기에 따라 일정한 거리 만큼 셀 벽으로부터 분리된 소자 부분에서만 발생한다는 것을 의미한다.
본 발명자들은 상기의 문제점들이 셀 벽 또는 그 근처에서 액정 분자가 움직 일 수 있게 하여 상기 벽과 접촉하는 액정 디렉터가 작은 크기의 전기장(예를 들면, 1 V/μm 미만의 크기의 인가된 전기장 세기)이 인가되어도 그의 배향을 가역적으로 변화시킬 수 있게 하는 표면 정렬 처리에 의하여 감소된다는 사실을 발견하였다. 이러한 표면 처리의 장점은 소자 구동 전압의 감소 및/또는 공지된 RMS 다중 구동 방법에 의하여 전기-광학적 디스플레이상에 기록될 수 있는 정보의 양을 결정하는 소자의 전기-광학적 임계치의 준도(steepness)와 같은 소자의 스위칭 동작 향상을 포함할 수 있다.
따라서, 제1 측면에서 본원발명은 적어도 하나의 셀 벽위의 정렬 처리 및 전극 구조를 갖는 두 개의 분리된 셀 벽 사이에 함유된 하나의 액정 재료층을 포함하며, 셀 벽중의 하나 또는 둘 모두의 표면 정렬에서 앵커링(anchoring) 에너지를 감소시키기 위한 수단에 의하여 특징지어지는 액정 소자를 제공한다.
방위각 앵커링 에너지, 천정각 앵커링 에너지 및 병진 앵커링 에너지(정렬 처리된 표면을 따라 운동) 중 1 이상의 앵커링 에너지가 감소된다. 상이한 타입의 소자에서 앵커링 에너지의 중요성은 하기에 더 논의된다. 특정 소자 타입에 대한 본원발명의 부가적인 측면도 하기에 더 논의된다.
앵커링 에너지는 그루브(grooves) 또는 그레이팅과 같은 표면 형태 및 화학 결합 상호작용으로부터 발생한다. 본원발명은 화학 결합을 변화시켜 앵커링 에너지를 감소시킨다. 또한, 예를 들면 그루브 또는 그레이팅의 크기를 감소시키기 위하여 표면 형태도 변화시킬 수 있다. 에너지를 감소시키는 수단은 표면에 분포되거나 또는 액정 재료에 부가된 올리고머 또는 단쇄 중합체일 수 있다. 올리고머 또는 단쇄 중합체의 크기는 셀 벽에 의도하는 양이 우선적으로 퇴적되고 액정 재료 호스트(host)로부터의 상분리가 적게 발생하도록 선택할 수 있다.
앵커링 에너지를 감소시키는 수단은 표면상에 분포되거나 액정 재료에 부가된 에스테르, 티올 및/또는 아크릴레이트 단량체를 함유하는 올리고머일 수 있다.
앵커링 에너지를 감소시키기 위한 수단 및 정렬 처리는 현재 기판 층과 중합체 층으로서 언급되는 2-층 처리에 의하여 제공될 수 있다. 기판층은 예를 들면 표면을 기계적으로 러빙하여 셀 벽 표면에 형성시키거나, 또는(및 바람직하게는) 셀 벽위에 코팅할 수 있다. 이러한 코팅은 액정 상을 이방성 형태와 접촉키거나 인접하게 정렬시키는 작용을 하는 이방성 형태를 포함할 수 있다. 이러한 형태는 평탄하거나 또는 블레이즈된(blazed) 그레이팅 또는 2중그레이팅 구조를 포함하는 표면 릴리프 형태, 또는 예를 들면 표면위에 무기 재료를 수직 또는 경사 증착시키거나 또는 표면의 기계적 박피 또는 표면 처리하여 경사된 열(column), 작은 판 및 미세결정을 포함하는(이에 한정되지는 않음) 표면 형태의 규칙적 또는 불규칙적 배열을 포함할 수 있다. 이러한 형태는 예를 들면 기판층을 러빙 또는 기계적으로 스트렛칭하거나 또는 기판층을 편광된 화학적 조사(radiation)에 노출시켜 형성시킨 기판의 실질적인 이방성을 포함할 수도 있다.
상기 중합체 층(기판 층에 형성된)은 소자에 사용된 액정 재료내에서 불완전한 용해도를 가지며, 기판 표면에 대하여 물리적 친화성을 가지고 중합체/액정 계면에서 실질적으로 액체에 유사한 표면을 유지시키는 특징을 갖는다.
상기 중합체는 다양한 방식으로 소자에 적용할 수 있다. 한 가지 접근법으 로서, 상기 중합체는 액정 유체내의 용액에서 반응성 저분자량 재료를 중합하여 형성시킨다. 이어서, 생성된 액정내의 중합체 용액 또는 분산액을 셀에 충전시키고, 상기 중합체가 기판 표면을 코팅하도록 한다. 임의적으로, 액정내의 중합체 분산액은 디스플레이 셀에 충전되기 전에 여과 또는 원심분리같은 중간 공정을 거칠 수 있다.
중합체를 소자에 적용하는 부가적인 접근법에서는, 반응성 저분자량 재료를 액정 내에 용해시킨 후 디스플레이 셀에 충전시킬 수 있다. 이어서, 개시제의 존재하에서 단 파장 광선 조사에 노출시키거나 또는 가열시키는 것과 같은 공지된 방법으로 중합을 개시시킨다. 중합 후에 상기 중합체를 기판층에 확산시켜서 기판층을 코팅하도록 한다.
소자에 중합체를 적용하는 또 다른 부가적인 접근법은 불활성 용매의 존재 또는 부재하에 반응성 재료를 중합시키는 것이다. 용매가 존재하면 제거하고 생성된 중합체를 액정 중에 용해시켜 디스플레이 셀에 충전한다.
중합체를 소자에 적용하는 부가적인 접근법은 각각의 화학양론적인 양의 반응성 저분자량 재료의 용매중 용액을 기판위에 스피닝 시키는 것과 같은 공지된 수단에 의하여 이들 재료의 얇은 층을 기판에 적용하는 것에 의하여 기판위에 중합체를 형성시키는 것이다. 용매를 제거한 후에, 중합반응 개시제의 존재하에서 빛에 노출시키거나 또는 가열시켜서 중합반응을 개시시킨다. 이어서, 처리된 상기 기판을 셀로 조립하고 액정을 내부에 부가한다.
상기 중합체는 액정의 존재하에서 실질적으로 비결정성이고 소자의 구동 온 도 범위 이하의 유리 전이 온도를 갖는 특징이 있다. 상기 중합체는 분자구조가 실질적으로 선형이거나 또는 분지점을 포함할 수 있다. 상기 중합체는 액정으로부터의 상 분리 및 기판으로의 퇴적을 촉진시키기 위하여 낮은 정도로 가교결합 될 수도 있지만, 이러한 가교결합은 유체, 검-유사 상태, 겔-유사 상태 또는 탄성 특성이 유지되는 정도이고, 중합체는 가열시 보유할 수 있는 경질의 유리상 또는 고체 유사 특성을 나타내지는 않는다.
바람직한 중합체 재료는 연쇄 이동 반응을 통하여 생성물의 분자량을 제한할 수 있는 부가된 티올 화합물의 존재하에서 공지된 단량체의 자유 라디칼 중합에 의하여 제조된 티올/엔 중합체를 포함한다. 적절한 재료에 대한 상세한 사항은 후에 기재한다.
트위스티드 네마틱 소자와 관련하여, 본 발명자들은 표면의 천정각 앵커링 에너지를 감소시켜서 표면 인접 네마틱 층의 전기장-유도 재배향을 가능하게 하는 부가적인 표면 처리에 의하여 트위스티드 네마틱 소자의 콘트라스트 비를 개선시킬 수 있다는 사실을 발견하였다. 이러한 처리는 임계 전압을 낮추는 잇점도 더 가진다. 저전압 구동은 디스플레이가 저전력으로 구동될 수 있게 하기 때문에 수동 매트릭스 및 능동 매트릭스 트위스티드 네마틱 소자 모두에 바람직하다.
따라서, 두번째 측면에서 본원발명은 하나의 네마틱 액정 재료층을 둘러싼 두 개의 셀 벽, 액정 층을 통하여 전기장을 인가하기 위한 두 벽위의 전극 구조, 액정 분자에 정렬 방향을 제공하며 0 볼트 또는 보다 높은 전압에서 액정층을 통하여 트위스티드 네마틱 구조가 형성되도록 배열되는 두 셀 벽위의 표면 정렬, 액정 재료의 두 가지 상이한 광학 상태를 구별하기 위한 수단을 포함하며, 셀 벽중의 하나 또는 둘 모두의 표면 정렬에서 천정각 앵커링 에너지를 감소시키기 위한 수단에 의하여 특징지어지는 트위스티드 상태로부터 트위스티드되지 않은 상태로 스위칭될 수 있는 트위스티드 네마틱 액정 소자를 제공한다.
또한 방위각 앵커링 에너지도 감소될 수 있다.
방위각 앵커링 에너지 및 천정각 앵커링 에너지를 감소시키기 위한 수단은 표면에 분포되거나 액정 재료(예를 들면 재료 N65 및 MXM035)에 부가된 에스테르, 티올 및/또는 아크릴레이트 단량체를 함유하는 올리고머일 수 있다.
상기 올리고머는 표면으로 우선적으로 이동하여 표면 자유 에너지를 감소시킬 수 있다. 이것은 표면에서의 액정의 양을 희석시켜 오더(order) 매개변수 S(피. 쥐. 데제니스(P. G. deGennes의 문헌[The Physics of Liquid Crystals, Clarendon Press, Oxford 1974]에 의하여 하기와 같이 정의됨)를 효과적으로 감소시킬 수 있다.
S = ½〈(3cos2θ-1)〉
상기 오더 매개변수는 분자가 셀 내에서 양호하게 정렬되는 정도를 나타낸다. 또한 올리고머에 의하여 표면에서의 액정 재료의 상이 예를 들면, 네마틱 또는 롱 핏치 콜레스테릭으로부터 등방성으로 변화될 수 있다.
상기 처리는 단안정 프리틸트된 네마틱 정렬을 포함하는 표면과 조합하여 사용할 수 있다.
상기 정렬층은 에스. 이시하라(S. Ishihara) 등의 문헌[Liq. Cryst., vol.4, no. 6, p.669-675(1989)]에 기재된 바와 같은 러빙된 중합체 표면 또는 더블류. 우르바흐(W. Urbach), 엠. 보익스(M. Boix) 및 이. 기용(E. Guyon)의 문헌 [Appl. Phys. Lett., vol. 25, no. 9, 479(1974)]에 기재된 경사 증착된 무기 재료 또는 엠. 샤드트(M. Schadt) 등의 문헌[Jpn. J. Appl. Phys., v. 31, no. 7, p. 2155(1992)]에 기재된 바와 같은 인-플레인 이방성이 편광된 빛이 조사에 의하여 얻어지는 중합체 표면일 수 있다.
다른 한편으로, 상기 정렬층은 쥐. 피. 브라이언-브라운(G. P. Bryan-Brown) 및 엠. 제이. 타울러(M. J. Towler)의 "액정 소자 정렬"(GB 2,286,466A(GB9402492.4))에 기재된 바와 같은 비대칭 그루브 프로파일을 갖는 표면 단일그레이팅일 수 있다.
두 표면 상의 정렬 방향은 실질적으로 수직일 수 있다.
상기 네마틱 액정은 소량(<5%)의 키랄 도핑재료(예를 들면, R1011, CB15 Merck)를 함유할 수 있다.
상기 셀 벽은 실질적으로 경질이거나(예를 들면 유리 물질) 또는 가요성(예를 들면 폴리올레핀)일 수 있다.
전극은 배열된 일련의 행과 열의 전극 및 어드레서블 소자 또는 디스플레이 화소의 x,y 매트릭스로서 형성될 수 있다. 통상적으로 상기 전극은 200μm 폭 및 20μm의 간격을 갖는다.
다른 한편으로, 상기 전극은 예를 들면 r-θ 매트릭스 또는 7 또는 8 바(bar) 디스플레이와 같은 상이한 디스플레이 포맷으로 배열될 수 있다.
쌍안정성 네마틱 소자와 관련하여, 본 발명자들은 표면층 스위칭 문제가 표면에 인접한 액정의 성질을 변화시켜서 액정과 표면 사이의 앵커링 에너지를 감소시키는 표면 처리에 의하여 감소된다는 사실을 발견하였다. 이것은 다른 소자 매개 변수의 손상없이 구동 전압을 감소시킬 수 있다.
따라서, 세번째 측면에서 본원발명은 하나의 네마틱 액정 재료층을 둘러싼 두 개의 셀 벽, 상기 두 벽위의 전극 구조, 액정 분자에 정렬 방향을 제공하는 두 셀 벽위의 표면 정렬, 액정 재료의 스위칭된 상태들을 구별하는 수단을 포함하며, 하나 또는 둘 모두의 셀 벽상의 표면 정렬에서 비탄성 방위각 기억 앵커링 에너지를 감소시키기 위한 수단에 의하여 특징지어지는 쌍안정성 네마틱 액정 소자를 제공한다.
이상적으로는, 비탄성 방위각 기억 앵커링 에너지가 0으로 감소한다. 바람직하게는 천정각 앵커링 에너지도 감소한다.
에너지를 감소시키기 위한 수단은 표면에 분포되거나 액정 재료에 부가된 올리고머 또는 단쇄 중합체일 수 있다.
바람직하게는 상기 올리고머 또는 단쇄 중합체는 프리틸트를 상당한 양(예를 들면 5°이상)만큼 변화시키지는 않는다.
상기 처리는 쌍안정성 네마틱 정렬을 유발하는 표면과 관련하여 사용된다.
상기 쌍안정성 표면은 국제특허출원 WO97/14990(PCT-96/02463, GB9521106.6)에서와 같이 액정 분자가 두 가지 상이한 방위각 정렬 방향을 갖게 하는 적어도 하 나의 셀 벽위의 표면 정렬 2중그레이팅일 수 있다.
정렬 방향사이의 각은 90°이하일 수 있다.
상기 그레이팅은 포토리소그래피 공정에 의하여 형성된 광중합체의 프로파일된 층일 수 있다(예를 들면, 멤 씨 후틀리(M C Hutley)의 문헌[Diffraction Gratings(Academic Press, London 1982) p 95-125] 및 에프 호른(F Horn)의 문헌[Physics World, 33(March 1933)]). 다른 한편으로, 상기 2중그레이팅은 엠보싱(엠 티 게일(M T Gale), 제이 케인(J Kane) 및 케이 높(K Knop)의 문헌[J App. Photo Eng, 4, 2, 41(1978)) 또는 룰링(ruling)(이 쥐 뢰벤(E G Loewen) 및 알 에스 윌리(R S Wiley)의 문헌[Proc SPIE, 88(1987)])에 의하거나 또는 캐리어층으로부터의 전달에 의하여 형성될 수 있다.
상기 2중그레이팅은 대칭 또는 비대칭 그루브 프로파일을 가질 수 있다. 후자의 경우, 표면은 GB2286467-A에 기재된 바와 같은 정렬 및 프리틸트 모두를 유발한다.
상기 그레이팅은 셀 벽 모두에 적용될 수 있고 각각의 벽에서 동일하거나 또는 상이한 형태일 수 있다.
상기 쌍안정 표면은 다른 한편으로 국제특허출원 WO 92/0054(G Durand, R Barberi, M. Giocondo 및 P Martinot-Largarde, 1991)에 기재된 바와 같은 경사 증착된 재료를 사용하여 형성될 수 있다.
상기 셀 벽은 실질적으로 경질이거나(예를 들면 유리 물질) 또는 가요성(예를 들면 폴리올레핀)일 수 있다.
전극은 배열된 일련의 행과 열의 전극 및 어드레서블 소자 또는 디스플레이 화소의 x,y 매트릭스로서 형성될 수 있다. 통상적으로 상기 전극은 200μm 폭 및 20μm의 간격을 갖는다.
다른 한편으로, 상기 전극은 예를 들면 r-θ 매트릭스 또는 7 또는 8 바 디스플레이와 같은 상이한 디스플레이 포맷으로 배열될 수 있다.
스멕틱 소자와 관련하여, 본 발명자들은 이러한 소자의 문제점들을 스멕틱 상 또는 고준위의 네마틱 상(이로부터 상기 셀이 모든 구동 온도에서 스멕틱 상으로 냉각됨)의 액정과 셀벽이 표면 사이의 상호작용을 감소시키는 계면활성제를 사용하여 감소시킬 수 있다는 사실을 발견하였다. 계면활성제의 이러한 사용을 표면 윤활처리라 한다. 따라서, 스메틱 소자의 개선된 정렬, 광학 특성, 스위칭 속도 및 쇼크에 대한 안정성이 표면 윤활 처리를 통하여 얻어진다.
따라서, 네번째 측면에 있어서 본원발명은 액정 분자에 정렬 및 표면 경사가 부여되도록 처리된 표면 및 전극들을 갖는 두 개의 벽사이에 함유된 하나의 스멕틱 액정 재료층을 포함하며, 하나 또는 둘 모두의 셀 벽상의 표면 정렬에서 앵커링 에너지를 감소시키기 위한 수단에 의하여 특징지어지는 스멕틱 액정 소자를 제공한다.
앵커링 에너지를 감소시키기 위한 수단은 에스테르, 티올 및/또는 아크릴레이트 단량체를 함유하는 올리고머일 수 있고/또는 이들은 표면에 분포되거나 또는 액정 재료에 부가된 것일 수 있다.
가장 기본적인 형태에 있어서, 상기 계면활성제는 액정 분자들과 셀 벽의 표 면(또는 정렬층 표면)의 분자들 사이의 상호작용을 감소시키는 윤활 표면을 제공한다. 따라서, 상기 윤활 표면은 표면에 가장 인접한 액정 분자의 병진 및 회전 운동에 대한 증가된 자유도를 갖는 것으로 생각될 수 있다. 계면활성제와 관련이 있고 이에 의하여 제어될 수 있는 5개의 표면 용어(terms)는 하기와 같다(Int Ferroelecric Liquid Crystal Conf(FLC95), Cambridge, UK, 23-27 July 1995, vol. 178 No. 1-4 J. C. Jones, pp 155-165 참조):
(1) α, 천정각 앵커링 에너지. 디렉터 표면 경사각이 용이하게 변화할 수 있는 정도(즉, 회전 에너지의 일종).
(2) β, 방위각 앵커링 에너지 - 디렉터의 표면 비틀림 각을 변화시키는 경우(즉, 회전 에너지의 일종).
(3) γ, 표면에서 디렉터의 프리틸트각에 관련.
(4) 층 피닝(pinning) 용어 - 층들이 표면을 통하여 용이하게 운동할 수 있는 정도(즉, 병진 에너지). 이것은 분자의 병진운동을 감소시켜서 스멕틱 층의 병진운동을 감소시키는 표면층 위로의 액정 분자의 (부분적) 흡착의 거시적 효과이다.
(5) 극 표면 에너지 - 강유전체(또는 플렉소일렉트릭스)에서 표면에서의 Ps의 특정 배향에 대하여 최소값을 갖는 용어.
본원발명의 이러한 측면에서 이들 인자 각각은 표면에 인접한 액정 배열을 변화시켜서 고체 및 액정 영역을 분리시키는 작용을 하는 윤활성 계면활성제의 존재에 의하여 영향을 받는다. 예를 들면, 네마틱 서열이 스멕틱 소자의 표면층에 인접하여 존재하는 경우에 층의 피닝이 현저히 감소한다. 원뿔 각이 감소하는 경우에 극 표면 에너지가 감소하는 것처럼 표면 스위칭이 감소한다.
본원발명의 이러한 측면에 의하여 제공되는 잇점은 하기와 같다:
(1) 층의 피닝의 감소로 인하여 스멕틱 층의 제어가 보다 용이하다,
(2) 네마틱성 표면 에너지의 감소로 인하여 표면에서의 배향 변화가 증진된다,
(3) 표면에서의 액정 분자의 흡착 감소로 인하여 표면 기억 효과 및 표면 점성이 감소한다,
(4) 표면의 극성의 감소로 인하여 강유전성 액정 시스템의 자발적인 극성화 계수(Ps)에 대한 커플링이 작아져서 보다 적은 T 상태 형성을 초래한다.
본원발명의 구체적인 실시태양이 실시예의 형식으로 관련 도면을 참조하여 하기에 기재될 것이다.
도1은 매트릭스 다중화 어드레스된 액정 디스플레이의 평면도이다.
도2는 도1의 디스플레이의 단면도이다.
도3은 트위스티드 네마틱 소자에 유용한 비대칭 모노그레이팅을 형성시키는 포토리소그래피 노출의 구성을 나타낸다.
도4는 두 개의 트위스티드 네마틱 셀에 대한 투과율 대 전압 데이터를 나타낸다(이들 중 하나(점선)는 비대칭 그레이팅 위에 약한 앵커링을 갖도록 첨가제(Norland 65)로 처리하였음).
도5는 두 개의 트위스티드 셀에 대한 광학 콘트라스트 비 대 전압 데이터를 나타낸다(이들 중 하나(점선)는 약한 앵커링을 갖도록 첨가제로 처리하였음).
도6은 두 개의 전압 제어 트위스트 타입 셀에 대한 투과율-전압 곡선을 나타낸다(이들 중 하나는 표준 정렬을 가지며 다른 하나는 약한 앵커링 에너지를 가짐).
도7은 수직 그레이팅 변조를 갖는 2중그레이팅을 형성시키는 포토리소그래피 노출을 위한 구성을 나타낸다.
도8은 두 개의 쌍안정 셀의 스위칭 특성을 나타낸다(이들 중 하나는 표준 정렬을 가지며 다른 하나는 약한 표면 앵커링 에너지를 가짐).
도9는 스멕틱 액정 분자, 및 강유전성 액정 셀내에서 상기 분자가 쌍안정성 상태로 스위칭되는 경우에 분자가 층내에서 어떻게 운동하는지를 도식적으로 나타낸다.
도10은 두 개의 쌍안정성 강유전성 액정 소자에서 인가된 전압에 대한 기억 각의 변화를 나타낸다(이들 중 하나는 표준 정렬을 가지며 다른 하나는 약한 표면 앵커링 에너지를 가짐).
도11은 표면 외삽(extrapolation) 길이 L 수치에 대한 이론적인 표면 디렉터 경사 대 전압을 나타낸다.
도12는 L 수치에 대한 이론적인 중간층 디렉터 경사 대 전압을 나타낸다.
도13은 두 개의 셀에 대한 투과율 대 전압을 나타낸다(이들 중 하나(점선)는 약한 앵커링을 부여하기 위하여 첨가제(MXM035)로 처리함). 정렬을 위하여 두 개의 표면 모두에 그레이팅을 사용하였다. 셀 간격은 2.05μm이다.
도14는 두 개의 셀에 대한 투과율 대 전압을 나타낸다(이들 중 하나(점선)는 약한 앵커링을 부여하기 위하여 첨가제(MXM035)로 처리함). 정렬을 위하여 두 개의 표면 모두에 그레이팅을 사용하였다. 셀 간격은 4.6μm이다.
도15는 두 개의 셀에 대한 투과율 대 전압을 나타낸다(이들 중 하나(점선)는 약한 앵커링을 부여하기 위하여 첨가제(MXM035)로 처리함). 정렬을 위하여 두 개의 표면 모두에 러빙된 중합체 층을 사용하였다. 셀 간격은 4.6μm이다.
도16은 x,y 매트릭스 디스플레이를 제공하는 행 및 열 드라이버를 갖는 쌍안정성 강유전성 디스플레이의 개략도이다.
도17은 도16의 디스플레이 셀의 단면도이다.
도18은 두 가지 정렬 구성(C1 및 C2 상태)을 보이는 강유전성 액정 재료 층의 개략도이다.
트위스티드 네마틱, 쌍안정성 네마틱 및 스멕틱 소자에 대한 본원발명의 적용 태양에 대하여 이제 개별적인 실시예 군으로 기재할 것이다.
트위스티드 네마틱 소자
도1, 2의 디스플레이는 유리 벽(3과 4)의 사이에 함유된 네마틱 또는 롱 핏치 콜레스테릭 액정 재료층(2)에 의하여 형성되는 액정 셀(1)을 포함한다. 간격재 고리(5)가 벽을 통상적으로 2-10μm 떨어지게 유지시킨다. 또한 정확한 벽 간격을 유지시키기 위하여 동일한 크기의 다수의 비이드(bead)를 액정 내에 분포시킬 수 있다. 띠 모양의 행 전극 (6)(예를 들면 SnO2 또는 ITO로 제조된)이 하나의 벽(3)위에 형성되고 유사한 열 전극(7)이 다른 벽(4)에 형성된다. m-행 및 n-열을 갖는 경우, 이것은 어드레서블 소자 또는 화소의 m x n 매트릭스를 형성한다. 각각의 화소는 행 및 열 전극의 교차에 의하여 형성된다. 행 드라이더(8)가 각각의 행 전극(6)에 전압을 공급한다. 유사하게 열 드라이버(9)가 각각의 열 전극(7)에 전압을 공급한다. 부가되는 전압은 전압원(11)로부터 전력을 공급받고 클록(12)으로부터 타이밍을 공급받는 제어 로직(10)으로부터 제어되고 제어된다.
편광축이 실질적으로 서로 교차되도록 배열된 편광기(13, 13')가 셀(1)의 각면에 존재한다. 신장된 플라스틱 필름과 같은 부가적인 광학 보상기(compensator)를 액정 셀 및 편광기 중의 하나 사이에 부가할 수도 있다. 부분 반사 거울(16)을 광원(15)과 함께 셀(1)의 후방에 배열할 수 있다. 이들은 반사를 통하여 디스플레이가 가시화 되게 하고 주위의 빛이 희미할 경우에 후방으로부터 빛을 공급하게 한다. 투과 소자의 경우에 상기 거울을 생략할 수 있다.
조립하기 전에, 단안정 프리틸트 정렬을 제공하기 위하여 상기 셀 벽(3, 4)을 정렬 처리한다. 정렬 방향(R1, R2)은 90 또는 270°트위스트 셀이 얻어지도록 수직을 나타내지만, 예를 들면 45°와 같은 다른 각일 수도 있다. 최종적으로 상기 셀에 예를 들면 E7, ZLI2293 또는 MLC 6608(Merck)일 수 있는 네마틱 재료를 충전하고 CB15 또는 R1011(Merck)와 같은 키랄 첨가제를 포함시킬 수 있다.
사용시, 상기 디스플레이는 파형을 모든 열에 부가하는 동안에 각각의 행에 는 행 파형을 순서대로 부가하여 종래의 방식에 따라 다중화 어드레싱될 수 있다. 이러한 어드레싱은 각각의 x,y 교차점에 두 가지 상이한 rms 수치의 파형을 부가할 수 있다. 하나의 파형은 스위칭 임계치 이상의 rms수치를 가지고 따라서 액정 재료을 ON 상태로 스위칭할 것이다. 생성되는 다른 파형은 스위칭 임계치 이하의 rms 수치를 가지며 따라서 액정 재료를 스위칭하지 않는다.
rms 어드레싱될 수 있는 x,y 화소 소자의 수는 소자 투과율 대 전압 곡선의 준도에 의하여 제한된다(알트(Alt) 및 플레쉬코(Pleshko)의 문헌[IEEE Trans ED vol ED 21, (1974) P. 146-155]에 의하여 기재된 바와 같이). 따라서 투과율-전압 곡선의 준도를 개선하는 것이 매우 바람직하다. 또한, 재료가 더 많이 스위칭되는 경우(층의 중심에서만 스위칭하는 것이 아니라 벽에 인접한 분자를 스위칭하는 경우)에는 ON과 OFF 상태 사이에서 보다 높은 콘트라스트가 얻어진다.
본원발명의 실시태양의 이들 네마틱 재료는 앵커링 에너지를 감소시키는 처리제 또는 처리 전구체를 함유한다.
일반적으로, 표면위의 네마틱 액정의 앵커링은 세 가지의 거시적 매개 변수(프리틸트, 천정각 앵커링 에너지 및 방위각 앵커링 에너지)로 기재할 수 있다. x-y 평면 내의 표면을 셀 벽과 평행한 것으로 간주하면, 프리틸트(θp)는 x-y평면에 대한 네마틱 디렉터의 바람직한 경사각을 나타낸다. 표면 디렉터의 경사를 θp로부터 임의의 경사 θ로 변화시키 위하여, 하기식과 같은 단위 면적 당 에너지 W가 시스템에 공급되어야 한다(에이. 라피니(A. Rapini) 및 엠. 파풀라(M. Papoular)의 문헌[J. Phys. (Paris), 36, C-1, 194(1975)]):
Figure 112006004270362-pct00021
Wθ는 천정각 앵커링 에너지이고 표면 디렉터의 경사를 90°변화시키기 위하여 필요한 에너지를 나타낸다. 디렉터가 바람직한 인-플레인 배향을 갖는 경우(즉 x축을 따라서), 이러한 배향을 변화시키도록 시스템에 에너지가 공급되어야 한다. 상기 에너지는 이제 하기의 식으로 주어진다.
Figure 112006004270362-pct00022
상기식에서 Φ는 인-플레인 배향의 변화를 나타내고 WΦ는 방위각 앵커링 에너지를 나타낸다.
바람직한 인-플레인 방향을 얻기 위하여 방위각 앵커링이 통상적으로 이방성 중합체, 경사 증착된 필름 또는 표면 그레이팅과 같은 몇몇 특별한 처리를 필요로 하는 반면에 프리틸트 및 천정각 앵커링은 대부분의 고체 표면으로부터 얻어질 수 있다. 대부분의 표면의 경우에 Wθ 및 WΦ가 커서 표면에서의 디렉터의 배향이 높은 전압에서만 발생한다.
트위스티드 네마틱 소자에 대한 약한 천정각 앵커링의 효과를 하기에 논의한다.
약한 표면 앵커링을 갖는 90°트위스티드 네마틱 셀의 구동에 있어서의 개선점을 우선 이론적으로 분석하였다. 셀의 정적인 구성은 벌크내에서의 오일러-라그랑제 방정식 및 표면에서의 수학식 (1) 및 (2)에 의하여 나타내어지는 전체 자유 에너지를 최소화하여 계산하였다. 이어서 천정각 앵커링 에너지 Wθ를 그의 통상적으로 큰 수치로부터 이완시키고 정적인 구성에 대한 효과를 계산하였다. 도3은 상이한 표면 외삽 길이 L에 대하여 계산한 몇몇 곡선을 나타낸다(L = k11/Wθ·d). 모든 곡선에 대하여 공통적인 매개 변수는 하기와 같다:
k22/k11 = 0.6; k33/k11 = 1.5; εpara = 14.0; εper = 4.0; 셀 비틀림 = 90°; 표면 프리틸트 = 5°.
감소된 전압은 프레데릭츠(Frederiskz) 임계 전압(
Figure 112000006962603-pct00001
)에 의하여 표준화된 전압으로서 정의된다. 도11은 표면 경사각을 인가된 전압의 함수로 나타낸다. 무한대의 천정각 앵커링에너지(L = 0.0)에 대하여 경사는 0 볼트 프리틸트 치로 고정되어 유지된다. 그러나, 유한한 앵커링(L > 0)에 대하여 모든 곡선은 표면 디렉터가 부가된 전기장에 의하여 재배향되는 것을 나타내고 경사각이 전압에 비례하여 증가함을 나타낸다. 이러한 전압에 의하여 유도된 경사가 통상적으로 보통-백색인 트위스티드된 네마틱 소자에 보다 양호한 콘트라스트 비를 초래할 것으로 기대된다.
도12는 도11과 동일한 매개변수로 계산하였지만 이제 네마틱 층의 중간에서의 전압 의존성 경사를 나타낸다. 이러한 경사각은 트위스티드 네마틱 소자의 광 학적 투과율을 나타내는 주된 매개변수이다. 따라서 유한한 L을 갖는 표면이 더 낮은 전압, 더 가파른 전기광학적 응답을 초래하리라는 것을 명백히 알 수 있다.
따라서 상기 모델링은 Wθ를 감소시키는 표면처리가 주어진 전압에서 더 큰 콘트라스트, 더 낮은 전압 임계치 및 더 가파른 전기광학적 응답을 갖는 트위스티드 네마틱 소자를 초래할 것이라는 사실을 나타낸다.
실시예 TN1
이제 트위스티드 네마틱에 적용된 약한 앵커링 처리의 일 실시예를 기재한다. 이 실시예에서 사용된 프리틸트 정렬 표면은 GB9402492.4, GB-A-2,296,466, WO-95/22078에 기재된 바와 같은 비대칭 모노그레이팅이었다.
상기 처리는 소량(1-10%)의 UV 경화성 점착성 재료를 셀의 충전 전에 네마틱에 부가하는 것으로 구성된다. 적절한 재료의 예는 N65, N63, N60 또는 N123(모두 놀란드 프라덕트 인코포레이티드(Norland Products Incorporated, North Brunswick, NJ, USA)에서 제조)을 포함한다. 이러한 구체적인 실시예에서, 이들 재료 중 하나(N65)를 네마틱 E7(Merck)으로의 첨가제로서 사용한다. 이러한 재료는 UV 조사 하에서 중합되는 에스테르와 아크릴레이트 단량체의 혼합물을 함유한다.
상기 N65 첨가제를 트위스티드 네마틱 소자에 사용하기 전에, 천정각 앵커링 에너지 Wθ에 대한 N65 처리의 효과를 나타내기 위한 일련의 실험을 수행하였다. 이러한 양은 포화 전압 Vs(즉, 셀 내의 디렉터 경사가 셀의 두께를 전체를 통하여 표면에 수직인 전압)를 측정하여 계산할 수 있다. 이것은 표면이 선호되는 정렬 방향을 갖지 않는 셀에서 측정할 수 있다. 이러한 경우에, 단단하게 소성된 포토레지스트(photoresist)의 평탄한 표면을 사용하였다(Shipley 1805). 이러한 재료를 ITO 코팅된 유리위에 스핀 코팅하여 0.55μm 두께 층을 형성하였다. 160℃에서 45분간 소성하여 액정내에서 완전히 불용성이 되는 것을 확실히 하였다. N65/E7 혼합물로 충전하였을 경우, 이들 셀은 랜덤 Schlerien 구조를 나타내었다. 교차된 편광기 사이에서 관측할 경우에 Shlerien 구조의 투과율 세기가 0이 되는 시점을 관측하여 포화전압을 측정하였다. 이어서, Wθ를 하기 수학식으로 얻는다.
Figure 112000006962603-pct00002
상기식에서, d는 액정의 두께이고, k11은 액정 스플레이 탄성 계수이며 Δε은 액정 유전율 이방성이다.
결과가 표1에 나타나 있다. 순수한 E7 셀은 셀이 절연 파괴되기 전에 흑색 상태를 나타내었고 따라서 단지 Wθ의 하한 만을 얻을 수 있다. N65를 함유하는 E7의 경우에는, 혼합물을 분리된 측정 셀로 이동시키기 전 10 분간 용융된 실리카 셀내서 경화를 수행하였다. 노출은 65℃의 승온에서 2.0 mW/cm2의 광학적 출력을 갖는 필터링되지 않은 수은등을 사용하여 수행하였다.
N65의 존재에 의하여 변형된 표면 천정각 앵커링 에너지
셀 혼합물 Wθ(Nm-1)
순수한 E7 > 5 x 10-2
E7 중의 2% N65 6.3 x 10-3
상기 결과는 N65가 평탄한 표면을 갖는 셀에서 감소된 Wθ 치를 갖는다는 사실을 명확히 보여준다. 다음 단계는 이러한 첨가제가 트위스티드 네마틱 소자에 미치는 효과를 연구하는 것이다.
이러한 트위스티드 네마틱 소자는 프리틸트된 정렬을 유발하는 비대칭 모노그레이팅을 사용할 수 있고 도 3에 나타난 바와 같이 하기의 방식으로 제조할 수 있다: Shipley 1805 포토레지스트(20)를 3000 rpm에서 30초간 ITO 코팅된 유리(21) 상에 스핀 코팅하였다. 이어서 상기 포토레지스트(20)를 90℃에서 30분간 소성하여 용매를 제거하였다. 마스크 22를 통한 포토레지스트의 노출을 오프 액시스 하아드(off axis hard) 접촉 포토리소그래피를 사용하여 수행하였다. 상기 마스크(22)는 1μm의 핏치(0.5 μm 간격 및 0.5 μm 크롬 띠)를 갖는 유리 패턴위의 크롬으로 구성된다. 노출 시간은 수은 등으로부터의 0.15mW/cm2 입사 전력에 대하여 540 초로 고정하였다. 이어서 Shipley MF319내에서 10초간 현상 한 후 물로 헹궜다. 예비 경화된 포토레지스트을 최초로 강한 UV(254 nm에서 3.36 J/cm2)에 노출시킨 후 표본을 최종적으로 160℃에서 45분간 소성하였다.
상기 공정은 홈 그루브 깊이에 1μm 핏치 및 0.5 μm 피이크를 갖는 표면 모노그레이팅을 초래하였다. 프로파일은 비대칭(대략 톱니 형태)이어서 네마틱이 벌크 비틀림 토오크의 영향하에 있는 경우에 프리틸트된 정렬을 초래한다(GB-A- 2,296,466, WO-95.22078 참조). 이들 표면을 하나의 표면위의 그루브 방향이 다른 표면의 그루브 방향에 수직인 셀내에 형성시켰다. 셀 간격은 E7과 함께 사용되는 경우 첫번째 Gooch 및 Tarry 최소치에 상응하는 2.05μm로 고정하였다(J. Phys. D. Appl. Phys. vol. 8, p. 1575(1975)). 이어서 등방성 상의 E7(65℃)을 사용하여 충전한 후 실온까지 천천히 냉각하였다.
이어서, 상이한 N65/E7 혼합물을 함유하는 셀의 전기광학적 응답을 인접한 그레이팅 정렬 방향에 평행하게 배향된 교차된 편광기 사이에 트위스티드 네마틱 셀을 거치시켜서 기록하였다. 1kHz의 드라이브 사인파(sinusoidal waveform)를 부가하는 동안에 포토-옵틱(photo-optic) 응답을 갖는 포토다이오드를 사용하여 투과율을 측정하였다. 도4는 그 중 하나가 약한 앵커링을 갖도록 처리된 두 개의 셀에 대한 투과율 대 rms 전압을 나타낸다. 상기 약한 앵커링 처리는 시험 셀에 상기 재료를 옮기기 전에 E7에 2% N65를 부가하고 예비 셀내에서 10 분간 경화시키는 것으로 구성되었다. 상기 데이터는 약한 앵커링 처리가 구동 전압을 감소시킨다는 사실을 명백히 보여준다. 0 볼트 투과율의 50% 투과율은 약하게 앵커링된 표면의 경우에 1.83 V에서 얻어지고 강하게 앵커링된 표면의 경우에는 2.13 V에서 얻어진다. 축전기를 충전 및 방전시키는데 요구되는 전력(V2에 비례)과 같이 가장 간단한 경우를 사용하여 디스플레이의 전력 소비를 고려할 수 있다. 따라서 약하게 앵커링된 표면은 대략 35%의 전력을 경감시키는 것으로 예측된다.
약하게 앵커링된 셀의 두번째 개선점은 도5에 나타난 바와 같은 개선된 광학 콘트라스트 비이다. 강하게 앵커링된 셀이 5 V에서 49의 콘트라스트 비를 갖는 반면에 약하게 앵커링된 셀은 126의 콘트라스트 비를 갖는다. 상기 차이점은 8 V에서 더욱 커진다(각각 74 및 410). 따라서, 일정한 콘트라스트 비가 필요한 특정 적용의 경우에 약하게 앵커링된 표면을 사용하면 필요한 콘트라스트 비를 현저히 더 낮은 전압에서 얻을 수 있다. 약한 앵커링은 또한 전기광학적 응답의 준도를 다소 증가시킨다. 약하게 앵커링된 표면의 경우에 V90-V50이 0.454 V인 반면에 강한 표면의 경우에는 이 수치가 0.510 V이다(V90-V50는 각각 0 볼트 투과율 수치의 90% 및 50% 투과율을 갖는 전압).
요약하면, 상기 실험 결과가 낮은 Wθ를 갖도록 처리된 표면이 트위스티드 네마틱 소자를 개선시킬 수 있다는 사실을 증명하여 이론적 분석과 정성적으로 일치됨을 나타낸다. 상기 개선점은 더 낮은 전압 임계치, 더 가파른 전기광학적 응답 및 더 높은 광학 콘트라스트를 포함한다.
실시예 TN2
이 실시예에서는 약한 앵커링 처리제로서 MXM035(Merck)를 사용하였다. 정렬 표면은 실시예 TN1에 기재된 바와 같은 비대칭 모노그레이팅이었다.
상기 MXM035는 균등한 양으로 혼합된 2 부분으로 구성된다. 이어서, 이 혼합물을 시험 셀로 옮겨 E7 네마틱에 부가하여 전에 용융된 실리카 셀(실시예 TN1에 기재된 바와 같은)에서 경화된 4% 용액을 얻었다. 상기 4% 용액에 대한 Wθ의 측정 치는 3.85 x 10-4 J/m2이었다. 이것은 N65에 대한 측정치(실시예 TN1)보다 16배 적은 수치이다. 따라서, 상기 MXM 035 처리는 TN 소자의 구동 양태에 큰 영향을 미치는 것으로 예측된다.
비대칭 모노그레이팅을 정렬 표면으로서 사용하여 셀을 형성시켰다. 대략 90°의 액정 비틀림을 갖는 트위스티드 구성이 보장되도록 하나의 표면위의 그루브 방향은 다른 표면위의 그루브 방향에 수직이었다. 셀 간격은 2.05μm로 고정시켰다(첫번째 Gooch 및 Tarry 최소치). 도13은 두 개의 셀에 대한 투과율 대 전압을 나타낸다(이들 중 하나는 약한 앵커링을 갖도록 4% MXM035로 처리하였음). 이러한 경우에, 약한 앵커링 처리는 구동 전압을 현저히 감소시킨다. 0 볼트 투과율의 50% 투과율은 강하게 앵커링된 표면의 경우에 1.93 V에서 도달되는 것에 비하여 약하게 앵커링된 표면의 경우에는 0.8V에서 도달되었다. 따라서 약하게 앵커링된 TN은 종래의 TN의 구동 전력의 단지 17%만을 사용하는 것으로 예측된다.
약한 앵커링 처리는 또한 셀 간격이 큰 경우에 성능을 개선시킬 수 있다. 이를 증명하기 위하여, E7에 대한 두번째 Gooch 및 Tarry 최소치에 상응하는 4.6 μm의 셀 간격 갖도록 형성된 2 이상의 TN 셀로부터 데이터를 얻었다. 이들 중 하나를 순수한 E7로 충전하고 다른 하나를 상기에 기재된 바와 같이 예비 경화된 E7 중의 4% MXM035로 충전하였다. 도14는 이들 두 셀에 대한 전기광학적 응답을 나타낸다. 또 다시 약하게 앵커링된 셀이 현저히 낮은 전압에서 응답을 나타내었다. 50% 투과율은 종래의 TN의 경우에 2.16 V에서 발생한 것에 비하여 약하게 앵커링 된 TN의 경우에는 1.07 V에서 이 발생하였다. 약한 앵커링 처리는 TN의 동적 응답을 변화시키는 것으로 예측되고 따라서 이들 셀에 대한 광학적 응답 시간을 표2에 나타난 바와 같이 0과 4V 사이의 스위칭에 대하여 측정하였다. MXM035을 부가하면 스위치-온 시간(τon)이 감소하고 스위치-오프 시간(τoff)이 증가한다는 사실을 알 수 있다. 이러한 양태는 약한 표면 앵커링과 일치한다.
강한 또는 약한 앵커링을 갖는 두번째 TN 셀에 대한 0-4 V 광학적 스위칭 시간
셀 혼합물 τon(ms) τoff(ms)
E7 6.8 15.5
E7 + 4% MXM035 2.5 24.0
실시예 TN3
TN 성능을 개선시키기 위하여 약한 앵커링 처리를 다른 표면 정렬과 조합하여 사용할 수도 있다. 이러한 실시예에서, MXM035 처리를 러빙된 중합체 정렬과 조합하여 사용한다. 1층의 프로보미드 32(Ciba Geigy)를 ITO 코팅된 유리위에 스핀 코팅시키고 300℃에서 기판을 소성하여 러빙된 정렬 표면을 제조하였다. 이어서 상기 표면을 회전하는 로울러에 부착된 나일론 천으로 1 방향으로 러빙하였다. 최종적으로 하나의 표면위의 러빙 방향이 다른 표면위의 러빙 방향과 수직이 되도록 셀을 형성시켰다. 셀 간격은 가장자리 봉합부에 모노디스퍼스된(monodispersed)된 간격재 비이드를 사용하여 4.6μm로 고정시켰다. 도10은 두 개의 TN 셀로부터 기록한 전기광학적 응답을 비교를 나타낸다(이들 중 하나는 E7로 다른 하나는 E7 + 4% MXM035로 충전됨). 다시 한번 약한 앵커링 처리 의 부가가 구동 전압을 감소시켰다.
실시예 TN4
트위스티드 네마틱 소자의 특정한 타입의 하나는 전압이 부가되는 경우에 실질적으로 비틀리지 않은 상태로부터 비틀린 상태로 스위칭되는 VCT 소자이다. 이러한 실시예에서, 약한 앵커링 처리의 부가에 의하여 VCT 소자의 구동이 개선된다. 이러한 실시예의 표면 정렬은 실시예 TN1에 기재된 바와 같은 비대칭 그레이팅 표면에 의하여 제공되었다.
약한 앵커링 처리는 부분 A의 10% 및 부분 B의 90%로부터 혼합된 MXM305이었다. 이러한 혼합물의 4%를 음의 유전율 이방성을 갖는 네마틱 MLC 6608에 부가하였다. 이어서, MXM035/MLC6608 혼합물을 유리 셀에 거치시키고 UV 조사(65℃의 온도의 2.0 mW/cm2에서 10분간)에 노출시켜서 상기 MXM035를 경화시켰다. 상기 혼합물을 경화시킨 후 VCT 시험 셀을 충전하기 위하여 사용하였다.
상기 VCT 셀을 하나의 표면의 그레이팅 그루브가 다른 표면의 그레이팅 그루브와 수직이 되도록 제조하였다. 제조하기 전에 표면위의 그레이팅을 크롬 착물 계면활성제로 처리하여 호메오트로픽 경계 조건(분자들이 벽 표면에 수직)을 유발시켰다. 다른 표면위의 그레이팅은 처리하지 않은채 방치하여 평면(planar) 경계 조건을 유발시켰다. 가장 자리 봉합부 중의 간격재 비이드를 사용하여 셀 간격을 5.3μm로 고정시켰다. 도6은 두 개의 VCT 소자의 전기광학적 응답을 나타낸다(이들 중 하나는 약한 앵커링 처리를 함유함). MLC 6608 중의 4% MXM035를 함유하는 VCT가 1.52 V에서 50% 투과율을 나타내는 반면에 순수한 MLC6608을 함유하는 VCT는 2.91 V에서 50% 투과율을 나타낸다. 따라서, 약한 앵커링 처리는 구동 전압을 극적으로 감소시킨다.
이들 셀에 대한 VCT의 동적 응답 시간을 표 3에 나타난 바와 같이 0 V와 5 V 사이의 스위칭에 대하여 측정하였다. MXM035의 부가가 스위치-온 시간(τon)을 감소시키고 스위치-오프 시간(τoff)을 증가시킨다는 사실을 알 수 있다.
약한 앵커링 또는 강한 앵커링을 갖는 VCT 셀에 대한 0-5V 광학적 스위칭 시간
셀 혼합물 τon(ms) τoff(ms)
MSC 6608 86 60
MSC 6608 + 4% MXM035 60 112
상기 실시예는 그레이팅 표면 또는 러빙된 중합체 표면 중의 하나를 갖는 셀에 올리고머 재료를 부가하면 트위스티드 네마틱 소자의 구동 전압이 감소한다는 사실을 보여준다.
쌍안정성 네마틱 소자
이들은 일정한 상이점을 갖는 도1 및 도2에 나타난 것과 실질적으로 동일한 기본 구조를 갖는다. 입력 편광기는 정렬 상태들이 방위각 90°만큼 상이한 경우에 하나의 정렬 상태에 대하여 평행하다. 가장 현저한 실제적 상이점은 셀 벽 3, 4 중 적어도 하나가 (트위스티드 네마틱 경우의 단안정성 정렬대신에) 쌍안정성 정렬을 제공하도록 정렬 그레이팅으로 처리된다는 점이다(즉, 45°떨어져 있지만 90°일 수 있는 R,R'으로서 나타나져 있는 2개의 안정한 정렬 방향). 예를 들면, 상 기 정렬은 필요한 정도의 프리틸드 및 정렬 모두가 얻어지는 대칭 및 비대칭 프로파일을 갖는 그레이팅에 의하여 제공될 수 있다. 쌍안정성 네마틱 소자를 얻기 위한 2중그레이팅을 제조하는 기술이 GB-A-2,286,467 (PCT-WO-95/22077) 및 WO97/14990 (PCT96/02463, GB95 21106.6)에 기재되어 있다.
상기 셀의 두번째 표면(2중그레이팅이 제공되지 않는 경우)은 평면 또는 호메오트로픽 단안정 표면 중의 하나로 처리될 수 있다.
종래의 정렬 기술은 실질적인 앵커링 에너지를 갖는 프리틸트(천정각) 및 정렬 방향(방위각)을 제공한다. 이것은 소자의 스위칭이 전기장의 영향하에서 주로 층의 중간의 액정 분자의 운동을 유발하고 벽 표면 및 그 근처에서의 운동을 유발하지 않음을 의미한다. 프리틸트 및 정렬 방향 모두 양호한 소자 성능을 위하여 필요하다. 필요한 것은 셀 벽 또는 그 근처의 분자가 정상적인 전압 수준의 부가하에서 운동할 수 있도록 감소된 앵커링 에너지를 함께 갖는 프리틸트 수치 및 정렬이다.
본원발명의 실시 태양은 이러한 요구되는 프리틸트 및 정렬을 감소된 표면 앵커링 에너지와 함께 제공한다. 일 실시태양에서 본원발명은 우선적으로 셀 벽 표면으로 이동하는 액정 층 2의 올리고머 단위체를 포함시킴에 의하여 이를 제공한다.
쌍안정성 네마틱 스위칭은 표면 디렉터의 재배향에 의존하고 낮은 전압 스위칭을 얻기 위하여 천정각 및 방위각 앵커링 에너지 모두가 감소되어야 한다.
나아가 표면으로의 제1 네마틱 층의 미시적인 흡착에 기인하는 임의의 부가 적인 비탄성 기억 방위각 앵커링(피. 베터(P. Vetter) 등의 문헌[Euro Display 1993, SID, p. 9)이 감소되어야 한다. 이러한 앵커링 기억은 전압의 제거 후에 분자들이 복귀할 수 있는 소정의 위치(예를 들면 두 가지의 스위치된 상태의 사이)에 분자를 피닝하는 효과를 가질 수 있다. 이상적으로는 이러한 기억은 완전히 제거되어서 전압의 제거후에도 상기 분자들이 그들의 스위치된 위치에 잔류하여야 한다. 실용적으로는 완전한 제거보다는 감소가 만족스러울 수 있다.
쌍안정성 표면에 적용된 약한 앵커링 처리의 세가지 실시예가 이제 개시된다:
실시예 BN1
상기 처리는 소량(1-10%)의 UV 경화성 점착성 재료를 셀의 충전 전에 네마틱에 부가하는 것으로 이루어진다. 적절한 재료의 예는 N65, N63, N60 또는 N123(모두 놀란드 프라덕트 인코퍼레이트(Norland Products Incorporated, North Brunswick, NJ, USA)사에 의하여 제조됨)을 포함한다. 이러한 구체적인 실시예에서, 이들 재료중 하나(N65)가 사용된다.
첫번째 실험에서 이 재료는 1%, 2%, 4% 및 6%의 농도로 네마틱 E7에 부가하였다. 이어서, 상기 혼합물을 내부 벽이 어떠한 정렬 방향도 갖지 않는 평탄한 중합체 층으로 코팅된 셀을 충전하기 위하여 사용하였다. 이 실험의 목적은 N65를 부가하면 표면 앵커링이 약화된다는 것을 확인하는 것이다. 액정 중의 불용성을 보장하기 위하여 160℃에서 단단히 소성된 1층의 포토레지스트(Shipley 1805)를 사용하여 표면을 제조하였다.
10μm의 간격을 갖는 이들 표면을 사용하여 셀을 제조하였다. 각각을 순수한 E7의 대조 표본을 포함하는 상이한 농도의 N65로 충전하였다. 충전을 등방성 상(65℃)에서 수행한 후 UV 광에 노출시키지 않으면서 실온까지 천천히 냉각시켰다. 모든 셀은 역시 Schlerien 구조(texture)로 지칭되는 네마틱의 랜덤 평면 정렬을 나타내었다. 4% 및 6% 혼합물의 경우에 상기 구조가 매우 유동적이어서 도메인(domain) 벽이 작은 압력을 가하여도 용이하게 움직일 수 있는데 반하여 E7, 1% N65 및 2% N65의 경우에, 상기 구조는 셀 벽에 손가락으로 눌러서 움직일 수 없었다. 상기 도메인 벽은 일단 움직이면 그들의 본래의 위치로 복귀하지 않고 새로운 위치에 수일 이상 잔류하였다. 따라서 상기의 4% 및 6% 혼합물은 기억 앵커링의 손실을 유발하였다.
셀을 충전한 후 실온까지 냉각시키기 전에 UV에 노출시켜서 유사한 두번째 실험을 수행하였다. 이 경우에, 상기 4%, 6% 및 2% 혼합물도 실온에서 도메인 벽의 운동성을 나타내었다. 2% 혼합물에서의 상기 개선은 하기와 같이 설명될 수 있다. 상기 N65 재료는 UV 조사하에서 올리고머를 형성한 후 서로 결합하여 더 큰 중합체 연쇄를 형성하도록 중합될 수 있는 에스테르와 아크릴레이트 단량체 모두를 함유한다. 상기 2% 용액을 짧은 시간 경화하는 경우에는 상기 반응은 올리고머 단위체만이 형성된 때에 종료할 수 있다. 상기 올리고머는 액정으로부터 상분리되지 않고 표면으로 우선적으로 이동하여 표면 자유에너지를 최소화한다. 이것은 표면에서의 액정의 양을 희석하여 오더 매개 변수 S(피. 쥐. 데제니스(P. G. deGennes의 문헌[The Physics of Liquid Crystals, Clarandon Press, Oxford 1975]에 의하 여 하기의 수학식과 같이 정의됨)를 유효하게 감소시키는 효과를 갖는다.
Figure 112006004270362-pct00023
올리고머 농도에 기인한 네마틱 오더의 상기 감소는 탄성 앵커링 에너지(Wθ) 의 감소뿐 아니라 기억 앵커링 에너지도 제거하는 표면으로부터 액정을 스크린하는 두 배의 효과를 갖는다. 경화되지 않은 재료도 이러한 효과를 갖지만 아크릴레이트 단량체가 표면으로 우선적으로 이동하지 않기 때문에 더 큰 농도(> 4%)로 부가되어야 한다.
이어서, 2% N65를 함유하는 경화된 재료를 경화가 수행된 셀로부터 회수하여 또 다른 셀을 충전시키기 위하여 사용하였다. 경화 도중에 형성된 임의의 표면층과는 대조적으로 이 두번째 셀도 매우 유동적인 Schlerien 구조를 보이는데, 이는 약한 앵커링 효과가 벌크 중의 첨가제에 기이한다는 사실을 증명한다.
다음의 일련의 실험은 천정각 앵커링 에너지 Wθ에 대한 N65 처리의 효과를 나타내도록 고안하였다. 이 양은 실시예 TN1에 기재된 바와 같은 포화 전압 Vs를 측정하여 계산할 수 있다.
결과가 표4에 나타나 있다. 순수한 E7 셀은 셀의 절연 파괴 이전에 흑색 상태를 보여주지 못하였기 때문에 단지 Wθ의 하한 만을 얻을 수 있다. N65를 함유하는 E7의 경우에, 상기 혼합물을 분리된 측정 셀로 옮기기 전에 용융된 실리카 셀 내에서 경화를 수행하였다. 노출은 2.0 mW/cm2의 광학적 출력을 갖는 필터링되지 않은 수은등을 사용하여 수행하였다.
N65의 존재에 의하여 변형된 표면 천정각 앵커링 에너지
셀 혼합물 경화 시간(분) Wθ(Nm-1)
순수한 E7 - > 5 x 10-2
E7 중의 2% N65 5 5.4 x 10-3
E7 중의 2% N65 10 6.3 x 10-3
E7 중의 2% N65 30 7.7 x 10-3
E7 중의 2% N65 + 순수한 E7(1:1) 10 8.0 x 10-3
경화 시간이 길어질수록 네마틱의 표면 오더 매개 변수를 감소시키기 보다는 네마틱으로부터 상을 분리하는 경향이 있는 긴 중합체 연쇄의 형성에 상응하는 강한 앵커링이 유발된다는 사실을 발견하였다. 일련의 데이터가 순수한 E7 중의 N65/E7 혼합물의 희석에 의하여 앵커링 에너지가 조절될 수도 있다는 사실을 보여준다. 모든 경우에서, 일관된 반응 키네틱스(kinetics)를 보장하기 위하여 경화 과정중의 N65의 백분율을 2%로 유지하였다.
상기 결과는 N65 처리가 천정각 앵커링 에너지를 감소(약 10배 정도)시킬 뿐 아니라 인-플레인 기억 앵커링의 손실을 초래한다는 사실을 확인시킨다. 다음 단계는 쌍안정성 네마틱 소자의 스위칭에 대한 상기 처리의 효과를 시험하기 위한 것이다.
쌍안정성 네마틱 정렬을 제공할 수 있는 표면의 1 실시예는 도7에 나타난 것에 유사한 방식으로 제조된 표면 2중그레이팅(GB2286467-A에 기재된 바와 같은)이 다. 이 경우에, 0.55μm의 코팅 두께를 얻기 위하여 3000 rpm의 스핀 속도에서 ITO 코팅된 유리(21)위로 1805 포토레지스트(20)를 스핀 코팅하여 표본을 제조하였다. 이어서 상기 표본을 90℃에서 30분간 소프트베이크(softbake)하였다. 상기 2중그레이팅을 통상적인 250 s(0.3 mW/cm2)의 노출 시간을 갖는 하아드 콘택드(hard contact) 포토리소그래피을 사용하여 마스크(22)(즉, 도7과 같은 60°아니고 마스크 22 표면에 수직)를 통하여 노출시켰다. 상기 마스크(22)는 각 방향으로 1.4 x 1.4μm의 핏치를 0.5μm 간격으로 분리된 0.9μm의 크롬 사각형의 2중그레이팅 패턴을 함유하였다. 이어서 Shipley MF319 내에서 현상한 후 물로 헹궜다. 표본을 처음에는 포토레지스트가 예비 경화되도록 강한 UV(254 nm에서 3.36 J/cm2)에 노출시킨 후에 160℃에서 45분간 최종적으로 소성하였다. 이 공정은 각각 대칭 프로파일을 갖는 두 가지 동일한 변형을 갖는 2중그레이팅을 생성시켰다. 따라서, 이것 위의 네마틱 정렬은 방위각 90°에 의하여 분리되는 두 개의 경사되지 않은 정렬 상태(정렬, 표면 경사 없음)로 이루어진다고 예측된다. 이러한 정렬을 디스플레이 소자에서 정상적으로 사용되지 않지만 시험 및 비교의 목적을 위하여 제조하였다.
이어서, 하나의 표면 위의 그루브 방향이 다른 표면 위의 그루브 방향과 일치하도록 배치된 두 내부 표면위의 이들 (0 프리틸트) 2중그레이팅으로 0.95 μm의 셀 간격을 갖는 셀을 제조하였다. 이들을 등방성 상의 다양한 농도의 N65를 함유하는 E7 네마틱으로 충전하였다. 실온까지 냉각하자 모든 셀은 예측한대로 두 가지 정렬 방향을 나타내었다. 상기 상태는 표면 프리틸트를 갖지 않고 따라서 스프 레이를 갖지 않기 때문에, 부가된 전기 펄스를 사용하여 하나의 상태만을 분리할 수 있는 방법(스플레이드된 구성 중의 플렉소일렉트릭 커플링같이)이 없다. 그러나, 펄스-유발된 도메인 벽 운동에 의하여 가시화되는 상태들 사이의 랜덤 스위칭은 발생할 수 있다.
다양한 펄스 길이의 직사각형 단극성 펄스를 각각의 셀에 인가하였다. 각각의 펄스는 선행하는 펄스로부터 부호가 교대되어 dc 균형을 유지하였다. 펄스는 펄스 길이에 100 배인 시간 간격으로 분리시켰다. 각각의 펄스 길이에 대하여 전압은 도메인 벽 운동이 발생하는 전압 이상에서 존재하였다. 도8은 두 개의 셀에 대한 이러한 임계 전압 대 시간을 나타낸다(이들 중 하나는 순수한 E7으로 충전되고 다른 하나는 E7 중의 N65의 미리 경화된 2% 혼합물로 충전됨). 10.8 ms 펄스의 경우에 상기 N65는 전압 임계치를 단지 5.0 V/μm까지 명백하게 감소시켰다. 반면에, 순수한 E7 셀은 매우 높은 전압 스위칭(15.0 V/μm)을 나타내었고 낮은 펄스 길이의 경우에 사실상 절연 파괴가 발생하였다.
상기 결과는 N65 처리가 2중그레이팅에 의하여 부여된 탄성적인 WΦ이외에 어떤 인-플레인 기억 앵커링과도 조합되지 않은 낮은 천정각 앵커링 에너지에 상응하는 낮은 전압 쌍안정성 스위칭을 초래한다는 사실을 보여준다.
완전히 선택적인 쌍안정성 스위칭을 얻기 위하여 하나의 상태가 적용된 펄스에 의하여 선호되어야 한다. 이것은 두 가지 쌍안정성 상태가 적절한 프리틸트를 갖는 경우에 플렉소일렉트릭 극성화에 대한 dc 커플링을 사용하여 얻을 수 있다. WO 92/0054에 서, 프리틸트는 경사 증착된 SiO를 사용하여 얻을 수 있다.
GB2286467-A에 기재된 더욱 제어가능한 방법은 두 가지의 변형 모두가 비대칭 프로파일을 갖는 2중그레이팅을 사용하여 프리틸트를 얻는다. 이 방법은 쌍안정성 상태중 한 가지 상태가 통상적으로 17°의 프리틸트를 갖게 하며 다른 한 가지 상태는 0°프리틸트를 유지하게 한다. 이들 표면을 도7에 도시된 바와 같은 하기의 제조 공정을 사용하는 N65 처리와 조합하여 시험하였다.
1085 포토레지스트의 얇은 층(20')을 상기에 기재된 바와 같이 ITO 코팅된 유리(21')위에 스핀 코팅하였다. 소프트베이킹(softbaking) 후에, 상기 층(20')을 도7에 나타난 바와 같은 오프 액시스(off axis) 대각선 노출 형태(즉, 표면 법선에 대하여 약 60° 및 사각형 화소의 마스크 배열에 대하여 약 45°로 노출)를 사용하여 1.4 x 1.4 μm 핏치 마스크 22'을 통하여 노출시켰다. 노출 시간은 540초로 고정하였다(0.15 mW/cm2). 현상 및 가공 후에 2중그레이팅 표면에서 표면 프리틸트의 측정이 가능하도록 2중그레이팅을 10 μm의 셀 간격재를 사용하여 평탄한 포토레지스트 표면에 대향되게 제조하였다(즉, 그레이팅이 없고 따라서 0 프리틸트).
표5는 다양한 혼합물로 충전된 셀에서 결정 회전 방법(티. 제이. 쉐퍼(T. J. Scheffer) 및 제이. 네링(J. Nehring)의 문헌[J. Appl. Phys., vol. 48, no. 5, p. 1783(1977)]으로 측정한 경사된 상태의 프리틸트를 나타낸다. 모든 경우에, 경사되지 않은 상태는 0.1°미만의 프리틸트를 가졌다.
N65의 존재에 의하여 변형된 표면 프리틸트
셀을 충전하기 위하여 사용된 혼합물 프리틸트(°)
순수한 E7 17.5
E7 중의 2% N65 + 순수한 E7(1:1) 17.1
E7 중의 2% N65 + 순수한 E7(2:1) 15.4
E7 중의 2% N65 2.2
예측한대로 순수한 E7은 높은 프리틸트를 나타내었지만 2% N65(예비 경화된)를 부가하면 프리틸트가 현저히 손실되었고, 이는 이러한 처리가 dc 감도를 위하여 현저한 프리틸트가 요구되는 플렉소일렉트릭 커플된 소자에 대하여 적절하지 않다는 것을 의미한다. 그러나, 순수한 E7을 부가하여 상기 2% 혼합물을 더 희석한 경우에는 프리틸트가 순수한 E7 셀에 가까운 수치로 된다.
표4 및 표5의 데이터를 비교하면 표면 프리틸트는 유지시키면서 약한 천정각 앵커링을 제공하는 혼합물 영역을 얻을 수 있다는 사실을 알 수 있다. E7 중의 2% N65의 경우의 프리틸트의 손실은 네마틱이 국소 표면과 접하지 않는 배향을 갖도록 하는 Wθ의 부가적인 약화로 이해할 수 있다. 이것은 낮은 프리틸트 상태에 대하여 높은 프리틸트 상태를 불안정화시킨다. 이러한 상태들은 쥐. 피. 브라이언-브라운(G. P. Bryan-Brown), 씨. 브이, 브라운(C. V. Brown) 및 디. 쥐. 맥도넬(D. G. McDonnell)의 GB9502635.7 "액정 소자 정렬"에 기재되어 있다.
상기 결과는 올리고머성 첨가제(N65)가 통상적인 네마틱(예를 들면 E7)과 혼합되어 프리틸트와 같은 기타 표면 매개변수들을 손상시키지 않으면서 쌍안정성 네마틱 소자의 전압 응답을 어떻게 개선시키는 지의 한 가지 예를 보여준다.
실시예 BN2
약한 앵커링 처리의 또 다른 예를 하기의 구조 A를 형성하는 티올과 비닐 에테르의 블록 중합을 사용하여 합성하였다.
-[S(CH2)6SCH2CH2O(CH2)6OCH2CH 2]n- ....... A
상기식에서 n은 연쇄의 반복수 이다.
실시예 BN1에서와 같이, 전구체 재료를 E7에 부가한 후 용융된 실리카 예비 셀에서 경화하였다. 이어서, 경화된 혼합물을 내부 벽이 단단히 소성된 포토레지스트으로 코팅된 제2 셀로 옮겼다. 65℃에서 충전한 후 실온까지 천천히 냉각시켰다. 특정한 하나의 셀을 E7 중의 전구체 재료의 5% 용액으로부터 경화된 혼합물로 충전하였다. 이 셀은 모든 인-플레인 기억 앵커링이 손실된 것을 확인시키는 높은 유동성 도메인 벽을 갖는 schlerien 구조를 나타내었다.
포화 전압을 측정하여 천정각 앵커링 에너지가 1.2 x 10-3 Nm-1의 수치로 감소하였음을 알 수 있었다. 이 수치는 표 4에 나타난 수치보다도 낮은 수치로서, 이 경우 형성된 올리고머 단위체가 네마틱 상의 표면 오더 매개변수를 감소시키는데 더욱 효과적이라는 사실을 나타낸다. 다시 한번 순수한 E7내로의 5% 용액의 희석은 약한 천정각 앵커링이 높은 프리틸트(> 15°)와 조합된 그레이팅 표면 상의 영역을 나타내었다.
따라서, 구조 A는 네마틱(예를 들면 E7)에 부가되어 프리틸트와 같은 기타 표면 매개변수를 손상시키지 않으면서 쌍안정성 네마틱 소자의 전압 응답을 개선시킬 수 있는 올리고머의 또 다른 성공적인 예이다.
실시예 BN3
하기의 구조 B도 약한 앵커링 처리를 생성시키는 데 사용될 수 있는 단량체 예의 리스트이다.
CH2=CHO(CH2)6OCH=CH2 HDVE(헥산-1,6-디올 디(비닐에테르)) ..... B
CH2=CHOC4H9 BVE(부틸 비닐 에테르) .................. B
HSCH2CO2(CH2)2OCOCHS2H EGTG(에틸렌 글리콜 비스(티오클리콜레이트))B
HS(CH2)9SH NDT (노난-1,9-디티올) .................. B
상기 실시예에서 Wq가 감소하는 경우에 낮은 전압 쌍안정성 네마틱 스위칭이 발생하는 것을 보였다. 따라서, Wθ에 대한 효과를 측정하기 위하여 B 중의 재료를 조사하였다.
이들 재료의 혼합물을 액정에 부가하기 전에 경화시키고 최종 혼합물을 실시예 BN1에 기재된 바와 같이 내부 표면위에 단단히 소성된 평탄한 포토레지스트를 함유하는 셀 내에서 시험하였다. 이어서 Wθ의 수치를 실시예 BN1에 기재된 방법을 사용하여 얻었다.
기재된 재료 중에서, HDVE 및 BVE가 각각 2관능성 및 단관능성 'ene' 재료인 반면에 EGTG 및 NDT는 티올 말단을 갖는 단량체이다.
연구된 첫번째 혼합물이 표6에 나타나 있다. 연쇄 종료를 유발하여 작은 분자량을 갖는 올리고머을 형성하도록 각각의 경우에 몇%의 단관능성 BVE를 2관능성 HDVE에 부과하였다. 각각의 경우에 언급된 백분율은 HDVE에 대한 BVE의 몰량이다. 나아가, 각각의 혼합물에서의 NDT의 양은 동일한 수의 티올기 및 엔기를 유지시키도록 변화시켰다. 각각의 혼합물에 광개시제로서 작용하는 이그라큐어(Igracure) 651(Merck) 1%를 부가하였다. 각각의 재료에 대하여, 경화는 수은등(2.0 mW/cm2) 하에서 10분간 수행되었다. E7(Merck)를 액정으로서 사용하였고 여기에 각각의 재료를 2%(중량) 부가였다. 표6의 결과는 생성된 천정각 앵커링 에너지가 3.6-8.8 x 10-3 Jm-2 범위에 있는 것을 나타낸다. 따라서 모든 혼합물이 순수한 E7에 대한 측정치(> 5 x 10-2 Jm-2)로부터 앵커링을 감소시키는데 성공적이라고 간주될 수 있다. 나아가, BVE를 더 부가하여 올리고머 연쇄를 짧게할 수록 앵커링이 더 약해진다는 사실을 발견하였다.
연쇄 말단을 갖는 티올/디엔 시스템에 대한 천정각 앵커링의 측정
재료 wθ x 10-3Jm-2
NDT/HDVE/2% BVE 8.8
NDT/HDVE/5% BVE 5.9
NDT/HDVE/20% BVE 3.6
EGTG, HDVE 및 BVE를 함유하는 일련의 혼합물을 사용하여 주어진 재료 타입에 대한 분자 길이와 앵커링사이의 상관관계를 더 시험하였다. 이 경우, 표7에 나타난 바와 같은 각각의 재료의 분자량을 측정하기 위하여 GPC 분석을 수행하였다. 여기에서 Mn은 각각의 연쇄의 수평균이고, Mw는 연쇄당 중량 평균이며 Wθ는 천정각 앵커링 에너지이다. BVE의 가장 작은 분획(2%)가 가장 긴 분자량을 초래하고 가장 긴 분자량은 BVE가 가장 작은 분획인 경우라는 사실을 발견하였다. 이들 재료 각각의 1%를 E7에 부가하고 Wθ를 측정하였다. 분자량과 Wθ의 상관관계는 Wθ 측정시의 오차를 고려하기면 매우 양호하였다.
연쇄 말단을 갖는 티올/디엔 시스템에 대한 천정각 앵커링의 측정
재료 Mn Mw Wθ x 10-3 Jm-2
EGTG/HDVE/2% BE 12640 27330 10.9
EGTG/HDVE/5% BE 6970 17140 5.3
EGTG/HDVE/10% BE 5000 11550 6.6
EGTG/HDVE/20% BE 2900 6200 4.4
요약하면, 이 실시예에서 두 세트의 재료가 Wθ를 감소시킨다는 사실을 연구를 통하여 밝혀내었다. 나아가 이들 재료의 표본이 또한 쌍안정성 네마틱 소자에서 스위칭 전압도 감소시키는 것으로 밝혀졌다.
스멕틱 소자
도16, 17에 나타난 디스플레이 셀(101)은 간격재 고리(104) 및/또는 분포된 간격재에 의하여 약 1-6μm 분리된 두 개의 유리 벽(102, 103)을 포함한다.
투명한 산화주석의 전극구조(105, 106)가 두 벽 모두의 내부면위에 형성되었다. 이들 전극은 X, Y 매트릭스를 형성하는 행 및 열로서 나타나 있지만 다른 형태일 수 있다(예를 들면, 극좌표 디스플레이의 경우의 방사축과 곡선 형태, 또는 디지탈 7 바 디스플레이의 경우의 세그먼트형태, 또는 광학 셔터를 형성하는 평탄한 시이트 전극).
스멕틱 액정 재료층(107)이 벽(102, 103) 및 간격재 고리(105) 사이에 함유되어 있다.
편광기(108, 109)는 셀(101)의 전후에 배치되어 있다. 행(110) 및 열(111) 드라이버가 셀에 전압 신호를 인가한다. 두 세트의 파형이 행 및 열 드라이버(110, 111)에 공급하기 위하여 생성된다. 스트로브(strove) 파형 발생기(112)가 행 파형을 공급하고 데이터 파형 발생기(113)가 열 드라이버(111)에 ON 및 OFF 파형을 공급한다. 시간 및 디스플레이 포맷의 전체적인 제어는 제어 로직 단위(114)에 의하여 제어된다.
조립전에, 벽(102, 103)을 폴리이미드 또는 폴리아미드와 같은 중합체성 재료의 박막상에서 스피닝하고, 건조 및 적절히 경화시킨 후에 부드러운 천(예를 들면 레이온)으로 1 방향(R1, R2)으로 문질러서 표면처리 한다 이러한 공지의 처리는 액정 분자에 대한 표면 정렬을 제공한다. 네마틱 및 콜레스테릭 상에서 그리고 부가된 전기장의 부재하에서 벽(102, 103)의 표면의 분자는 러빙 방향(R1, R2)을 따라서 표면에 대하여 예를 들면 약 2 내지 10°의 프리틸트각 ζ로 정렬한다.
표면 정렬 처리는 필요한 프리틸트치 ζ를 제공하도록 정렬된다. 예를 들면 상기 재료 폴리이미드(예를 들면 폴리이미드 32)는 러빙될 경우 약 2°의 통상적인 프리틸트각을 나타낸다(실제 수치는 액정 재료 및 공정에 따라 다름). 다른 한편으로, GB-A-2,286, GB-A-2,286,467, GB-A-2,286,894, GB-A-2,2986,893에 기재된 바와 같이, 셀 벽은 일정한 범위의 프리틸트각 및 정렬 방향을 제공하는 그레이팅 구 조를 그 위에 형성시킬 수 있다. 상기 그레이팅은 프로파일 내에서 대칭 및/또는 비대칭일 수 있고 임의의 의도하는 프리틸트치 ζ 및 각각 β, α의 방위각 및 천정각 앵커링 에너지를 갖도록 성형될 수 있다.
상기 소자는 투과 또는 반사 모드로 구동될 수 있다. 전자의 경우에, 예를 들면 텅스텐 등 115로부터 소자를 통하여 투과하는 빛은 의도하는 디스플레이를 형성하기 위하여 선택적으로 투과되거나 차단될 수 있다. 반사 모드의 경우, 거울(116)을 제2 편광기(109)의 후방에 배치하여 셀(101)과 두 개의 편광기를 통하여 주위의 빛이 반사되어 되돌아가게 한다. 상기 거울(116)을 부분 반사되도록 제조하면 상기 소자가 투과와 반사 모드 모두로 구동될 수 있다.
플레크로익(plechroic) 염료를 상기 재료(107)에 부가할 수 있다. 이 경우 하나의 편광기 만이 필요하고 층의 두께는 통상적으로 4-10μm일 수 있다.
상기 스멕틱 재료(107)가 키랄 스멕틱인 경우(예를 들면 스멕틱 C(Sc*)에 쌍안정성 소자가 제조될 수 있다. 이러한 소자는 광학적으로 구분되는 두 가지의 쌍안정 상태를 유지시키는 표면 안정형 강유전성 소자(SSFLC)이다. 키랄 스멕틱 재료의 경우 분자가 도 9에 나타난 바와 같은 (가상의) 원뿔의 표면을 따라서 존재하고 운동하는 경향이 있다. 표면 정렬 방향들(R1, R2)이 평행한 경우에, 이들 원뿔의 축(z)은 이들 정렬 방향에 평행하고 분자들은 원뿔 표면상의 축들의 양쪽 면에 존재한다.
한 가지 스위칭된 상태 D1에서, 분자는 원뿔의 한 면위에 존재하고 두번째 쌍안정성 상태 D2는 원뿔의 다른 면위에 존재한다. 스위칭은 재료의 자발적인 편광 계수 Ps와 커블링하는 전극(106, 107)을 통하여 적절한 부호 및 길이를 갖는 전압 펄스를 부가하여 얻어진다. 원뿔각(θc)은 재료 매개 변수의 함수이다. 소자에서, 두 가지 스위칭된 위치 D1, D2내의 분자는 원뿔의 극단에 존재하지는 않지만 어느 정도 분리된 거리에 존재한다. 이것은 쌍안정성 위치 사이의 각이 원뿔의 각보다는 어느 정도 작고 재료에 ac 전압 신호를 부가하여 약간 증가될 수 있다는 것을 의미한다(상기에 언급한 ac 안정화로 알려져 있음). 이상적으로는 스위칭된 상태들 사이의 각은 45°이고, 이는 하나의 편광기 축이 스위칭된 방향중 하나를 따르는 교차된 편광기(108, 109) 사이에 배치되는 경우에 셀에서 최대 콘트라스트가 얻어지기 때문이다. 이것은 하나의 스위칭된 위치에서 암 상태를 나타내고 다른 스위칭 위치에서 명 상태를 나타낸다.
상기 두 가지 상태 사이의 각 거리는 기억 각 θm으로서 정의된다(엔. 이또(N. Itoh) 등의 문헌[Jpn. J. Appl. Phys., 31, L1089(1992)] 참조). 따라서, 명상태에서 최대 휘도를 얻기 위한 최적의 기억각은 45°이다. 그러나 대부분의 재료는 45°보다 현저히 작은 기억각을 보유하므로 휘도의 손실이 발생한다.
약한 앵커링 처리를 강유전체에 부가하면 기억각이 증가하고 이에 의하여 디스플레이 휘도를 개선시킬 수 있다. 이러한 처리는 또한 등방성 상으로부터 스멕틱 상으로 냉각되는 도중에 형성된 미세층의 작은양의 병진 운동을 가능하게 하여 정렬을 개선시킨다.
셀 제조의 실시예
프로보미드층 32(Ciba Geigy)를 ITO 코팅된 유리위에 스핀 코팅시키고 상기 기판을 300℃에서 소성하여 정렬 표면을 제조하였다. 이어서 상기 표면을 회전하는 로울러에 부착된 나일론 천으로 1 방향(R)으로 러빙하였다. 최종적으로 하나의 표면 위의 러빙 방향(R1)이 다른 표면 위의 러빙 방향(R2)와 평행하도록 셀을 제조하였다. 가장 자리 봉합부중의 모노디스퍼스드 간격재 비이드를 사용하여 셀 간격 (d)를 1.1 μm로 고정하였다. 이어서 각각의 셀을 작은 백분율의 N65로 도핑된 ZLI 5014(Merck) 강유전성 액정으로 충전하였다. N65를 충전하기 전에 별개의 셀에서 경화시켰다.
도10은 순수한 ZLI 5014 또는 ZLI 5014 중의 4% N65 중 하나를 함유하는 두 개의 셀로부터 측정한 기억각을 인가된 전압(50 kHz AC)의 함수로서 나타낸다. 상기 결과는 약한 앵커링 처리가 모든 전압에서 기억각을 현저히 증가시킨다는 사실을 명백히 보여준다. 따라서, 상기 처리는 교차된 편광기 사이의 상태 투과율을 증가시켜 이 강유전성 소자를 개선시켰다. 예를 들면 5 V에서, 상기 기억각이 17.1°로부터 34.4°로 증가하였고, 이는 소자를 3.7배 더 밝게한다.
쌍안정성 강유전성 소자는 적절한 방향, 진폭 및 길이를 갖는 단방향 펄스를 수용하면 스위칭된다. 두 가지 상이한 펄스중 하나가 각각의 열에 인가되는 반면에 스트로브 펄스가 행에 내림차순으로 인가된다. 어드레싱의 예가 USP-5,497,173, GB-2,232,802, US 시리얼(Serial) No.07/977,442, GB-2,262,831에 기재 되어 있다.
몇몇 다른 스멕틱 소자를 본원발명의 정렬 표면으로 제조할 수 있다(예를 들면, 일렉트로-클리닉 스멕틱 소자, 단안정 강유전성 소자 USP-5,061,047, USP-4,969.719, USP-4,997,264, 색 변화 스멕틱 프로젝션 셀 USP-5,189,534, GB-2,236,403). 상기 정렬은 스멕틱 미세층 배열의 세브론 타입 C1 또는 C2, 또는 대향하는 벽위의 러빙 방향이 동일한 방향인 경사된 책꽂이 배열 또는 진정한(real) 책꽂이 배열을 생성시킬 수 있다.
앵커링 에너지를 감소시키면 등방성 상으로부터 스멕틱 상으로 냉각되는 도중에 형성된 미세층 내에서 작은 양의 병진 운동이 발생한다.
하기와 같이 다양한 스멕틱 소자에 앵커링 에너지의 감소가 적용될 수 있다.
(i). 낮은 표면 점성을 가지며 표면 기억 효과가 없는 책꽂이 및 유사-책꽂이
FLC 소자에 사용된 대부분의 재료는 냉각시 분자 및 층의 법선사이의 각이 증가하기 때문에 SmC*을 통하여 냉각시 층의 수축을 보인다. 따라서 표면에서의 스멕틱층의 피닝 경향은 쉐브론 구조을 형성시킨다.
피닝 에너지가 층의 임의의 병진 운동을 억제할 정도로 충분히 큰 경우(즉, 층의 운동에 수반되는 에너지 비용이 쉐브론 계면에 수반되는 에너지, 삼각형 디렉터 프로파일에서의 디렉터의 탄성 비틀림 및 디렉터가 선호되는 정렬 방향으로 존재할 수 없는 것에 수반되는 배향 표면에너지보다 훨씬 큼)에 층의 수축은 상기 층 이 표면 법선에 대하여 경사될 것을 필요로한다.
두 표면 모두가 유사하게 높은 층 윤활 조건을 갖는 경우 상기 층들은 셀의 중심 평면에 대하여 필연적으로 대칭인 쉐브론 구조내로 경사되어야 한다. 통상적인 재료의 경우에 이러한 층 수축의 정도는 층 경사 각 δ가 스멕틱 원뿔 각 θ의 일정한 분획(통상적으로 δ/θ는 약 0.85)이 되게 하는 정도이다. 이것은 두 가지 쌍안정성 상태 사이의 각을 감소시켜 셀의 광학적 콘트라스트를 감소시킨다. 더 높은 기억각은 종종 유사 책꽂이 형태로 지칭되는 형태에서 δ를 감소시켜서 얻을 수 있다. 상기 층 피닝이 충분히 약하게 되는 경우(예를 들면 상대적으로 높은 농도의 계면활성제가 사용된 경우)에 책꽂이 형태가 얻어진다(즉, δ = 0). 방위각 β가 또한 충분히 낮아지는 경우에는 두 가지 쌍안정성 상태가 러빙 방향에 대하여 ±θ의 최적각에서 존재하는 균일한 디렉터 프로파일이 가능하다. 생성되는 디스플레이의 높은 콘트라스트 및 휘도는 감소된/제거된 표면 기억 효과(다른 책꽂이 소자의 문제점) 및 신속한 응답(고체 표면으로부터 표면 디렉터를 디커플링시켜 표면 점성이 벌크내에서의 점성과 같아지게 되는 것에 기인함)의 기타 장점과 조합될 수도 있다.
(ii). 기억각이 개선된 쉐브론
이러한 소자는 쉐브론 형태에서 층의 경사각을 감소시키기 위하여 충분한 농도의 윤활성 계면활성제를 사용하고 이에 의하여 다중 소자의 경우에 높은 기억각 및 개선된 휘도를 초래한다. 그러나, 병진 에너지(즉, 층의 피닝)에 강한 영향을 주지 않으면서 배향 표면 에너지를 감소시키는 것이 가능할 수 있다. 따라서, 쉐 브론 구조가 많은 정도로 유지되지만(즉, δ가 변화되지 않고 유지됨), 표면에서의 디렉터의 배향이 높다. AC 전기장이 적용되지 않은 경우에 디렉터의 표면 비틀림이 쉐브론 계면의 표면 비틀림과 유사해진다. 이러한 상태의 광학적 균일성(및 그에 의한 콘트라스트)이 개선된다. 또한 감소된 표면 에너지는 AC 전기장이 부가되는 경우에 표면의 디렉터의 각을 증가시켜서 AC 안정형 디스플레이의 휘도도 증진된다.
(iii). 등방성을 스멕틱 전이로 개선시킴.
계면활성제는 층이 표면위에서 용이하게 미끄러지게 하여 표면 단독(즉, 병진 제한이 없음)의 배향 성질에 의하여 나타나는 에너지 상태(즉, 균일한 층)를 형성시킨다. N*(콜레스테릭) 상이 통상적으로 명백하지 않은 AFLC의 경우에도 특히 유용하지만, 엄격한 재료 요건때문에 N(*) 상을 사용할 수 없는 기타 소자(예를 들면 FLC)에서도 유용하다.
(iv). 스멕틱 소자의 기계적, 트리에니얼(triennial) 또는 전기적 손상에 대한 개선된 안정성.
양호하게 정렬된 스멕틱 표본이 기계적, 전기적 또는 열 쇼크에 의하여 붕괴되면, 상기 붕괴상태가 가장 낮은 에너지 상태가 아닌 경우에조차 제거하기 어려운 표면 층의 피닝이 발생한다. 피닝이 제거된 경우에, 시스템은 붕괴되기 전의 이러한 최소 에너지 상태로 다시 이완될 수 있다.
(v). 개선된 고경사 쉐브론 소자
쉐브론 형태의 FLC 소자의 표면 배향이 원뿔 각에 접근하여 기억각이 개선되는 것을 보장하기 위하여 높은 표면 프리틸트가 사용된다(이것은 캐논에 의하여 사용되고 있고 존스(Jones), 타울러 휴히(Towler Hughes)의 리뷰에 기재됨). 풀린 N* 상에서 디렉터는 높은 정도의 스플레이 및 만곡 비틀림을 갖는다. 스멕틱 A 상으로 냉각시, 이러한 만곡은 층의 존재로 인하여 유지되지 못하고 상기 비틀림은 디렉터가 의도되는 프리틸트로부터 벗어나서 존재하게 되는 표면으로 향하게 된다. 이것은 정렬의 변형을 초래하여 SmC* 상(스위칭되기 전에 이러한 형태는 냉각시 종종 "샌디 구조(sandy texture)"를 형성함)중의 결함을 초래할 수 있다. 또한 천정각 표면 기억 효과에 의하여 유발되는 프리틸트의 가소성(plastic) 변화가 존재할 수 있다. 이것은 상기 SmC* 상으로 냉각시 유효한 프리틸트가 감소하고 생성되는 기억각이 어느정도 감소한다는 것을 의미한다.
윤활성 계면활성제를 사용하면, 표면 기억효과가 감소되고 프리틸트가 변화하지 않고 유지된다. 이는 윤활 표면 기술을 네마틱 상에 사용한 예이지만 스멕틱 소자의 개선된 성능을 초래한다는 것에 유의하여야 한다.
(vi). 개선된 일렉트로클리닉 및 안티페로일렉트릭(AFLC) 소자
이들 소자 모두에서, 디렉터 비틀림이 스멕틱 층이 수축하는 경향이 있는 DC 전기장에 의하여 유도된다. 표면에서 피닝되는 경우 부가된 전기장은 층의 경사를 유도하는 경향이 있고(E∥Pi 요건에 반하지만), 이는 결함을 통하여 광학적 외관을 감소시키고 또한 셀 평면으로부터 디렉터가 경사될 수 있기 때문에 가시각(viewing angle)을 감소시킬 수도 있다. 윤활성 계면활성제를 사용하면, 디렉터와 층이 표면을 통하여 표면 기억 또는 점성 효과 없이 용이하게 움직일 수 있다.
(vii). 개선된 N-SmC 소자
장점 : 감소된 쉐브론 타입 구조 형성 경향, 감소된 표면 기억, 신속한 표면 스위칭.
(viii). FLC에서의 감소된 T 상태 형성 경향
감소된 극성 표면 상호작용에 기인함. 이것은 임의의 상기 소자들의 양호한 광학적 및 전기광학적 성질을 보장한다(특히 쉐브론 및 책꽂이 소자에서).
(ix). 스멕틱 소자의 개선된 정렬
처리는 표면 요철부에 피닝되는 것에 기인하는 결점(예를 들면, 고준위의 N* 상 중의 핏치 라인 또는 SmC* 중의 C1 상태/지그-재그)을 방지한다.
본원발명의 구현에 사용되는 단량체 재료로는 아래의 화합물을 들 수 있는 데, 반드시 아래 예시된 화합물들로만 제한되는 것은 아니다:
메틸 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, 프로필 아크릴레이트, 부틸 아크릴레이트, 펜틸 아크릴레이트, 2-메틸부틸 아크릴레이트, 헥실 아크릴레이트, 헵틸 아크릴레이트, 옥틸 아크릴레이트, 노닐 아크릴레이트, 데실 아크릴레이트, 에틸 헥실 아크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트, 에틸 메타크릴레이트, 프로필 메타크릴레이트, 부틸 메타크릴레이트, 펜틸 메타크릴레이트, 2-메틸부틸 메타크릴레이트, 헥실 메타크릴레이트, 헵틸 메타크릴레이트, 옥틸 메타크릴레이트, 노닐 메타크릴 레이트, 데실 메타크릴레이트, 에틸 헥실 메타크릴레이트, 스티렌, 에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 1,2-프로필렌 글리콜 디아크릴레이트, 프로판-1,3-디올 디아크릴레이트, 부탄-1,4-디올 디아크릴레이트, 펜탄-1,5-디올 디아크릴레이트, 헥산-1,6-디올 디아크릴레이트, 헵탄-1,7-디올 디아크릴레이트, 옥탄-1,8-디올 디아크릴레이트, 노난-1,9-디올 디아크릴레이트, 데칸-1,10-디올 디아크릴레이트, 글리세롤 트리아크릴레이트, 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트, 펜타에리트리톨 트리아크릴레이트, 펜타에리트리톨 테트라아크릴레이트, 디-펜타에리트리톨 헥사아크릴레이트, 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 1,2-프로필렌 글리콜 디메타크릴레이트, 프로판-1,3-디올 디메타크릴레이트, 부탄-1,4-디올 디메타크릴레이트, 펜탄-1,5-디올 디메타크릴레이트, 헥산-1,6-디올 디메타크릴레이트, 헵탄-1,7-디올 디메타크릴레이트, 옥탄-1,8-디올 디메타크릴레이트, 노난-1,9-디올 디메타크릴레이트, 데칸-1,10-디올 디메타크릴레이트, 글리세롤 트리메타크릴레이트, 트리메틸올프로판 트리메타크릴레이트, 펜타에리트리톨 트리메타크릴레이트, 펜타에리트리톨 테트라메타크릴레이트, 디-펜타에리트리톨 헥사메타크릴레이트.
또 다른 부류의 중합체로는 자유 라디칼을 존재하에서 2관능성 알켄을 2관능성 티올과 공중합시켜서 제조한 디-티올/디엔 중합체등이 있다. 일관능성 및/또는 다관능성 알켄 및/또는 티올이 중합체의 성질을 개질시키거나(예를 들면 중합체의 분자량을 감소시키기 위하여) 또는 조절된 정도의 가교결합을 중합체에 도입하기 위하여 함유할 수 있다. 본원발명의 구현에 사용하기에 적합한 중합체로서 아래 화합물을 들 수 있고, 이들은 단지 예시에 불과하다.
메틸 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, 프로필 아크릴레이트, 부틸 아크릴레이트, 펜틸 아크릴레이트, 2-메틸부틸 아크릴레이트, 헥실 아크릴레이트, 헵틸 아크릴레이트, 옥틸 아크릴레이트, 노닐 아크릴레이트, 데실 아크릴레이트, 에틸 헥실 아크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트, 에틸 메타크릴레이트, 프로필 메타크릴레이트, 부틸 메타크릴레이트, 펜틸 메타크릴레이트, 2-메틸부틸 메타크릴레이트, 헥실 메타크릴레이트, 헵틸 메타크릴레이트, 옥틸 메타크릴레이트, 노닐 메타크릴레이트, 데실 메타크릴레이트, 에틸 헥실 메타크릴레이트, 에틸렌 글리콜 디비닐 에테르, 1,2-프로필렌 글리콜 디비닐 에테르, 프로판-1,3-디올 디비닐 에테르, 부탄-1,4-디올 디비닐 에테르, 펜탄-1,5-디올 디비닐 에테르, 헥산-1,6-디올 디비닐 에테르, 헵탄-1,7-디올 디비닐 에테르, 옥탄-1,8-디올 디비닐 에테르, 노난-1,9-디올 디비닐 에테르, 데칸-1,10-디올 디비닐 에테르, 글리세롤 트리비닐 에테르, 트리메틸올프로판 트리비닐 에테르, 디비닐 벤젠, 부탄-1,3-디엔, 펜탄-1,4-디엔, 헥산-1,5-디엔, 헵탄-1,6-디엔, 옥탄-1,7-디엔, 노난-1,8-디엔, 데칸-1,9-디엔, 에틸렌 글리콜 디티오글리콜레이트, 1,2-프로필렌 글리콜 디티오글리콜레이트, 프로판-1,3-디올 디티오글리콜레이트, 부탄-1,4-디올 디티오글리콜레이트, 펜탄-1,5-디올 디티오글리콜레이트, 헥산-1,6-디올 디티오글리콜레이트, 헵탄-1,7-디올 디티오글리콜레이트, 옥탄-1,8-디올 디티오글리콜레이트, 노난-1,9-디올 디티오글리콜레이트, 데칸-1,10-디올 디티오글리콜레이트, 글리세롤 트리티오글리콜레이트, 트리메틸올프로판 트리티오글리콜레이트, 펜타에리트리톨 트리티오글리콜레이트, 펜타에리트리톨 테르라티오글리콜레이트, 디-펜타에리트리톨 헥사티오글리콜레이트, 4,4'-티오비스벤젠티올, 디-알릴 이소-프탈레이트, 디-알릴 테레프탈레이트, 에탄 디티올, 프로판 디티올, 부탄 디티올, 펜탄 디티올, 헥산 디티올, 헵탄 디티올, 옥탄 디티올, 노난 디티올, 데칸 디티올, 운데칸 디티올, 도데칸 디티올, 에틸렌 글리콜 디3-메르캅토프로피오네이트, 1,2-프로필렌 글리콜 디-3-메르캅토프로피오네이트, 프로판-1,3-디올 디-3-메르캅토프로피오네이트, 스티렌, 에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 1,2-프로필렌 글리콜 디아크릴레이트, 프로판-1,3-디올 디아크릴레이트, 부탄-1,4-디올 디아크릴레이트, 펜탄-1,5-디올 디아크릴레이트, 헥산-1,6-디올 디아크릴레이트, 헵탄-1,7-디올 디아크릴레이트, 옥탄-1,8-디올 디아크릴레이트, 노난-1,9-디올 디아크릴레이트, 데칸-1,10-디올 디아크릴레이트, 글리세롤 트리아크릴레이트, 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트, 펜타에리트리톨 트리아크릴레이트, 펜타에리트리톨 테트라아크릴레이트, 디-펜타에리트리톨 헥사아크릴레이트, 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 1,2-프로필렌 글리콜 디메타크릴레이트, 프로판-1,3-디올 디메타크릴레이트, 부탄-1,4-디올 디메타크릴레이트, 펜탄-1,5-디올 디메타크릴레이트, 헥산-1,6-디올 디메타크릴레이트, 헵탄-1,7-디올 디메타크릴레이트, 옥탄-1,8-디올 디메타크릴레이트, 노난-1,9-디올 디메타크릴레이트, 데칸-1,10-디올 디메타크릴레이트, 글리세롤 트리메타크릴레이트, 트리메틸올프로판 트리메타크릴레이트, 펜타에리트리톨 트리메타크릴레이트, 펜타에리트리톨 테트라메타크릴레이트, 디-펜타에리트리톨 헥사메타크릴레이트, 에틸렌 글리콜 디알릴 에테르, 1,2-프로필렌 글리콜 디알릴 에테르, 프로판-1,3-디올 디알릴 에테르, 부탄-1,4-디올 디알릴 에테르, 펜탄-1,5-디올 디알릴 에테르, 헥산-1,6-디올 디알릴 에테르, 헵탄-1,7-디올 디알릴 에테르, 옥탄-1,8-디올 디알릴 에테르, 노난-1,9-디올 디알릴 에테르, 데칸-1,10-디올 디알릴 에테르, 글리세롤 트리알릴 에테르, 트리메틸올프로판 트리알릴 에테르, 디-알릴 말로네이트, 디-알릴 숙시네이트, 디-알릴 글루타네이트, 디-알릴 헥산-1,6-디카르복실레이트, 디-알릴 헵탄-1,7-디카르복실레이트, 디-알릴 옥탄-1,8-디카르복실레이트, 디-알릴 노난-1,9-디카르복실레이트, 디-알릴 데칸-1,10-디카르복실레이트, 디-알릴 운데칸-1,11-디카르복실레이트, 디-알릴 도데칸-1,12-디카르복실레이트, 디-알릴 프탈레이트, 부탄-1,4-디올 디-3-메르캅토프로피오네이트, 펜탄-1,5-디올 디-3-메르캅토프로피오네이트, 헥산-1,6-디올 디-3-메르캅토프로피오네이트, 헵탄-1,7-디올 디-3-메르캅토프로피오네이트, 옥탄-1,8-디올 디-3-메르캅토프로피오네이트, 노난-1,9-디올 디-3-메르캅토프로피오네이트, 데칸-1,10-디올 디-3-메르캅토프로피오네이트, 글리세롤 트리-3-메르캅토프로피오네이트, 트리메틸올프로판 트리-3-메르캅토프로피오네이트, 펜타에리트리톨 트리-3-메르캅토프로피오네이트, 펜타에리트리톨 테트라-3-메르캅토프로피오네이트, 디-펜타에리트리톨 헥사-3-메르캅토프로피오네이트. 또한, Norland 및 Merck사 시판 중합체(예를 들면, Norland 65, Norland 63 및 Merck MXM035)도 포함된다.

Claims (64)

  1. 적어도 하나의 셀 벽위의 정렬 처리 및 전극 구조를 갖는 두 개의 분리된 셀 벽사이에 함유된 하나의 액정 재료층을 포함하며, 상기 셀 벽중의 하나 또는 둘 모두의 표면 정렬에서 앵커링 에너지(anchoring energy)를 감소시키기 위한, 상기 셀 벽상의 액정 재료내의 올리고머 또는 중합체를 포함하는 수단에 의하여 특징지어지는 액정 소자.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 에너지를 감소시키기 위한 수단이 상기 셀 벽상의 액정 재료내의 에스테르, 티올, 아크릴레이트 단량체 또는 이들의 조합을 함유하는 올리고머인 소자.
  4. 제1항에 있어서, 액정 재료 내에서 상기 올리고머 또는 중합체의 용해도가 불완전한 것인 소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 올리고머 또는 중합체가 셀 벽의 표면에 대한 물리적 친화도를 갖는 것인 소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 올리고머 또는 중합체가 상기 중합체와 액정 재료의 계면에서 실질적으로 액체에 유사한 표면을 유지하는 것인 소자.
  7. 제1항에 있어서, 상기 올리고머 또는 중합체가 액정 재료 내에서 실질적으로 비결정성인 소자.
  8. 제1항에 있어서, 상기 올리고머 또는 중합체가 상기 셀 벽 또는 그 근처에서 액정 재료 오더 매개변수(order parameter)를 감소시키는 것인 소자.
  9. 제1항에 있어서, 상기 올리고머 또는 중합체가 상기 셀 벽 또는 그 근처에서 액정 재료의 상을 변화시키는 것인 소자.
  10. 제1항에 있어서, 상기 올리고머 또는 중합체가 상기 소자의 구동 온도 범위 이하의 유리 전이 온도를 갖는 것인 소자.
  11. 제1항에 있어서, 상기 올리고머 또는 중합체가 가교결합을 갖거나 또는 갖지 않는 선형이거나 또는 분지점을 포함하는 것인 소자.
  12. 제1항에 있어서, 상기 올리고머 또는 중합체가 4 내지 1000 범위 내의 다수의 반복 단위를 갖는 것인 소자.
  13. 적어도 하나의 벽위의 정렬 처리 및 전극 구조를 갖는 두 개의 분리된 셀 벽사이에 함유된 하나의 액정 재료층을 제공하는 단계를 포함하며, 상기 셀 벽상의 액정 재료내의 올리고머 또는 중합체를 제공하면서 상기 셀 벽중의 하나 또는 둘 모두의 표면 정렬에서 앵커링 에너지(anchoring energy)를 감소시키는 단계에 의하여 특징지어지는 액정 소자의 제조 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 하나의 네마틱 액정 재료층을 둘러싼 두 개의 셀 벽,
    상기 액정 층에 전기장을 인가하기 위한 상기 두 셀 벽위의 전극 구조,
    액정 분자에 정렬 방향을 제공하며 트위스티드 네마틱 구조가 상기 액정 층에 형성되도록 상기 배열된 두 셀 벽위의 표면 정렬,
    상기 액정 재료의 두 가지 상이한 광학적 상태를 구별하기 위한 수단을 포함하며,
    상기 셀 벽중의 하나 또는 둘 모두의 표면 정렬에서 천정각 앵커링 에너지를 감소시키기 위한, 상기 셀 벽상의 액정 재료내의 올리고머 또는 중합체를 포함하는수단에 의하여 특징지어지는 트위스티드 상태로부터 비-트위스티드 상태로 스위칭될 수 있는 트위스티드 네마틱 액정 소자.
  19. 제18항에 있어서, 상기 천정각 앵커링 에너지를 감소시키기 위한 수단이 상기 표면에 분포되거나 액정 재료에 부가되어 셀 벽중의 하나 또는 둘 모두의 내부 표면위에 코팅되는 올리고머인 소자.
  20. 제18항에 있어서, 상기 천정각 앵커링 에너지를 감소시키기 위한 수단이 액정 재료중에 삽입된 올리고머인 소자.
  21. 삭제
  22. 제18항에 있어서, 상기 천정각 앵커링 에너지를 감소시키기 위한 수단이 에스테르, 티올, 아크릴레이트 단량체 또는 이들의 조합을 함유하는 재료인 소자.
  23. 제18항에 있어서, 상기 천정각 앵커링 에너지를 감소시키기 위한 수단이 셀 벽 또는 그 근처에서 액정 재료 오더 매개 변수를 감소시키는 것인 소자.
  24. 제18항에 있어서, 상기 천정각 앵커링 에너지를 감소시키기 위한 수단이 셀 벽 또는 그 근처에서 액정 재료의 상을 변화시키는 것인 소자.
  25. 제18항에 있어서, 방위각 앵커링 에너지를 감소시키는 수단을 더 포함하는 소자.
  26. 제18항에 있어서, 상기 표면 정렬이 셀 벽 모두에 프리틸트된 네마틱 정렬을 제공하는 것인 소자.
  27. 제18항에 있어서, 상기 표면 정렬이 러빙된 중합체, 광-배열된 중합체 또는 경사 증착된 무기 재료에 의하여 제공되는 것인 소자.
  28. 제18항에 있어서, 상기 표면 정렬층이 비대칭 그루브 프로파일을 갖는 표면 모노그레이팅인 소자.
  29. 제18항에 있어서, 상기 두 평면위의 정렬 방향이 실질적으로 수직인 소자.
  30. 제18항에 있어서, 상기 액정 디렉터가 셀의 두께 전체를 통하여 약 90°비틀린 것인 소자.
  31. 제18항에 있어서, 상기 액정 디렉터가 180°보다 크고 360°보다는 작은 각으로 비틀린 것인 소자.
  32. 제18항에 있어서, 상기 네마틱 액정 재료가 소량(< 5%)의 키랄 도핑재료를 함유하는 것인 소자.
  33. 하나의 네마틱 액정 재료층을 둘러싼 두 개의 셀 벽,
    상기 두 벽위의 전극 구조,
    일정한 양의 표면 프리틸트를 갖는 액정 분자에 두 가지 정렬 방향을 제공하는 셀 벽중의 하나 또는 둘 모두의 표면 정렬,
    액정 재료의 스위칭된 상태들을 구별하기 위한 수단을 포함하며,
    셀 벽중의 하나 또는 둘 모두의 표면 정렬에서, 비탄성 방위각 기억 앵커링 에너지를 감소시키기 위한, 상기 셀 벽상의 액정 재료내의 올리고머 또는 중합체를 포함하는 수단에 의하여 특징지어지는, 두 가지 상이한 안정화 상태로 스위칭될 수 있는 쌍안정성 네마틱 액정 소자.
  34. 제33항에 있어서, 천정각 앵커링 에너지를 감소시키기 위한 수단을 더 포함하는 소자.
  35. 제33항에 있어서, 상기 앵커링 에너지를 감소시키기 위한 수단이 상기 표면위에 분포되거나 또는 상기 액정 재료에 부가된 올리고머 또는 중합체인 소자.
  36. 제35항에 있어서, 상기 올리고머가
    놀란드 N65(Norland N65) -[S(CH2)6SCH2CH2O(CH2) 6OCH2CH2]n-
    CH2=CHO(CH2)6OCH=CH2 HDVE(헥산-1,6-디올 디(비닐에테르))
    CH2=CHOC4H9 BVE(부틸 비닐 에테르)
    HSCH2CO2(CH2)2OCOCHS2H EGTG(에틸렌 글리콜 비스(티오글리콜레이트))
    HS(CH2)9SH NDT(노난-1,9-디티올)로부터 선택된 것인 소자.
  37. 제35항에 있어서, 상기 올리고머가 상기 액정 재료내에 10중량% 이하의 양으 로 존재하는 소자.
  38. 제36항에 있어서, 상기 연쇄 길이(n)의 반복 단위가 100 미만인 소자.
  39. 제35항에 있어서, 상기 올리고머 매개변수인 타입, 농도, 연쇄 길이가 셀 벽 또는 그 근처에서 액정 오더 매개 변수를 감소시키도록 배열된 것인 소자.
  40. 제35항에 있어서, 상기 올리고머 매개변수인 타입, 농도, 연쇄 길이가 셀 벽 또는 그 근처에서 액정 재료의 상을 변화시키도록 배열된 것인 소자.
  41. 제35항에 있어서, 상기 올리고머가 셀 벽 사이에 도입되기 전에 예비 경화된 재료인 소자.
  42. 제35항에 있어서, 상기 올리고머가 셀 벽 사이에 도입된 후에 예비 경화된 재료인 소자.
  43. 제33항에 있어서, 상기 표면 정렬이 2중그레이팅 표면에 의하여 제공되는 것인 소자.
  44. 액정 분자에 대한 표면 경사와 정렬을 갖도록 처리된 표면 및 전극을 갖는 두 개의 벽 사이에 함유된 하나의 스멕틱 액정 재료층을 포함하는 액정 셀을 포함하며,
    상기 셀 벽중의 하나 또는 둘 모두의 표면 정렬에서 앵커링 에너지를 감소시키 위한, 상기 셀 벽상의 액정 재료내의 올리고머 또는 중합체를 포함하는 수단에 의하여 특징지어지는 스멕틱 액정 소자.
  45. 제44항에 있어서, 상기 에너지를 감소시키기 위한 수단이 상기 셀 벽상의 액정 재료 내의 올리고머 또는 중합체인 소자.
  46. 제44항에 있어서, 상기 에너지를 감소시키기 위한 수단이 상기 셀 벽상의 액정 재료 내의 에스테르, 티올, 아크릴레이트 단량체, 또는 이들의 조합을 함유하는 올리고머인 소자.
  47. 제45항에 있어서, 상기 액정 재료 내에서 상기 올리고머 또는 중합체의 용해도가 불완전한 것인 소자.
  48. 제45항에 있어서, 상기 올리고머 또는 중합체가 상기 셀 벽의 표면에 대한 물리적 친화도를 갖는 것인 소자.
  49. 제45항에 있어서, 상기 올리고머 또는 중합체가 상기 중합체와 액정 재료의 계면에서 실질적으로 액체에 유사한 표면을 유지하는 것인 소자.
  50. 제45항에 있어서, 상기 올리고머 또는 중합체가 상기 액정 재료내에서 실질적으로 비결정성인 소자.
  51. 제44항에 있어서, 상기 올리고머 또는 중합체가 상기 셀 벽 또는 그 근처에서 액정 재료 오더 매개변수를 감소시키는 것인 소자.
  52. 제44항에 있어서, 상기 올리고머 또는 중합체가 상기 셀 벽 또는 그 근처에서 액정 재료의 상을 변화시키는 것인 소자.
  53. 제44항에 있어서, 상기 액정 재료가 키랄 스멕틱 재료이고, 상기 두 개의 셀 벽위의 정렬 방향이 실질적으로 평행하며, 상기 소자가 쌍안정성인 소자.
  54. 제44항에 있어서, 상기 두 개의 셀 벽위의 정렬 방향이 평행이 아닌 소자.
  55. 제44항에 있어서, 상기 액정 재료가 비-키랄 스멕틱 재료인 소자.
  56. 제44항에 있어서, 상기 액정 재료가 스멕틱 A 재료인 소자.
  57. 제44항에 있어서, 상기 정렬이 그레이팅 표면에 의하여 제공되는 것인 소자.
  58. 제44항에 있어서, 상기 정렬이 러빙된 중합체 표면에 의하여 제공되는 것인 소자.
  59. 제44항에 있어서, 하나의 셀 벽이 정렬 처리를 갖고, 다른 셀 벽은 방위각 정렬 방향을 갖지 않으며, 두 개의 셀 벽 모두가 앵커링 에너지를 감소시키기 위한 수단으로 처리된 것인 소자.
  60. 제13항에 있어서, 앵커링 에너지를 감소시키는 단계가 셀 벽상의 액정 재료내의 올리고머 또는 중합체를 제공하는 것을 포함하는 방법.
  61. 제60항에 있어서, 상기 올리고머 또는 중합체가 액정 유체내의 용액중의 반응성 저분자량 재료의 중합에 의하여 형성되는 것인 방법.
  62. 제60항에 있어서, 상기 올리고머 또는 중합체가 상기 셀 벽 사이에 주입되기 전에 액정 재료내의 용액중의 반응성 저분자량 재료의 중합에 의하여 형성되는 것인 방법.
  63. 제60항에 있어서, 상기 올리고머 또는 중합체가 상기 셀 벽 사이에 주입된 후에 액정 재료내의 용액중의 반응성 저분자량 재료의 중합에 의하여 형성되는 것인 방법.
  64. 제60항에 있어서, 상기 올리고머 또는 중합체가 중합 반응 후에 제거되는 불활성 용매의 존재하에서 반응성 저분자량 재료의 중합에 의하여 형성되며, 그 형성된 중합체가 상기 셀 벽 사이에 주입되기 전에 액정 재료 중에 용해되는 것인 방법.
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