KR100818193B1 - 네마틱 액정 전기광학 소자 및 장치 - Google Patents

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Abstract

액정 전기광학 소자는 한 쌍의 편광 플레이트들 사이에 배치된 한 쌍의 기판들(20,21)과, 픽셀 영역들(1)을 한정하는 전극들과 상기 기판들의 각 대향 내면들 상에 배치된 정렬층들 및 상기 한 쌍의 표면들 사이에 샌드위치된 카이럴 네마틱 액정을 포함한다. 적어도 하나의 정렬층들은 방위 또는 예비경사도 또는 양 정렬 방향들(14 내지 17, 16 내지 18)이 기판 인터페이스들에서 상이하여 액정의 바닥 상태의 성장을 억제하는 방식으로 패턴된다. 초기 전기 펄스가 인가될 때, 적어도 두 쌍안정 상태들중 하나에 도달하고, 상기 쌍안정 상태들 사이의 콘트라스트 비율은 둘 이상이다. 상기 소자들을 갖는 장치는 장기간 쌍안정되고 디스플레이된 정보가 변하지 않는 동안 전자 리프레쉬(refreshing)을 필요로 하지 않는다. 따라서, 상기 쌍안정 장치의 전력 소모는 최소가 된다.
액정 전기광학 소자, 액정 디스플레이 장치, 전기광학 셔터, 모듈레이터

Description

네마틱 액정 전기광학 소자 및 장치{Nematic liquid crystal electrooptical element and device}
본 발명은 네마틱 액정 전기광학 소자 및 이 소자들을 이용하는 디스플레이 장치에 관한 것이다.
1980년에 베르맨(Berreman)은 비틀림 네마틱 LC 셀에서의 일시적인 쌍안정(bistability)을 제시하였으며, 15년후에 다나카(Tanaka)는 디스플레이 어드레싱 및 반응 시간을 단축시킨 새로운 어드레싱 방식(addressing scheme)을 제시하였다. 대응하는 일시적인 쌍안정의 비틀림 네마틱(bistable twisted nematic;BTN)의 소자가 유럽 특허 제 0 579 247호에 기재되어 있다.
베르맨의 셀들은 적당한 정렬층을 갖는 두 기판 사이에 놓여질 때, 다른 비틀림 구성들로 정렬되기 위하여 카이럴리 도핑 네마틱(chirally doped nematic) LC 분자들의 전위에 기초한다. 이러한 셀들은 3개의 적당한 구성들 즉: 비틀림 각도(φ0)로 특징되는 효과적인 바닥 상태(ground state); (φ1 = φ0 - 1800)의 비틀림 각도를 가지는 제 1 준안정 상태(φ1); 및 (φ2 = φ0 + 1800)의 비틀림 각도를 가지는 제 2 준안정 상태(φ2)를 나타낸다.
베르맨은 바닥 상태에서 (φ0 = 1800)의 비틀림 각도를 가지는 셀에 그의 연구를 집중하였으며, 여기서 두 기판 사이의 배향층은 평행하게 정렬되고 평행 예비 경사각도(pretilt angle)를 나타낸다. 두 단축방향의 정렬 기판에서의 평행 예비경사 각도로 인하여, 바닥 상태(φ0)는 나팔꽃 형태(splay)로 변형된다. 적당한 전기 리셋 펄스를 셀에 인가한 상태에서, 포지티브 유전체 이방성의 액정 분자들은 거의 수직 정렬(homeotropic alignment)을 유도하는 전기장에 평행하게 정렬된다. 추가 전기 펄스를 인가할 때, 또는 리셋 펄스를 적절하게 차단(switching off)시킴으로써(빠르게 또는 느르게 차단시킴으로써), 디스플레이는 높은 비틀림 상태(빠른 차단)로 완화되거나 또는 낮은 비틀림 상태(느린 차단)로 완화된다. 카이럴 도펀트(chiral dopant)의 사인에 따라서, 낮은 비틀림 상태는 (φ1) 또는 (φ2)가 될 수 있다. 다음에서, 본 발명가들은 (φ-)으로 낮은 비틀림 상태를 지정하고 (φ+)으로 높은 비틀림 상태를 지정한다. 두 준안정 상태(φ+ 및 φ-)는 적당하게 정렬되는 두 편광자 사이에서 광학적으로 구별될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 일시적인 쌍안정 비틀림 네마틱(BTN) 셀의 원리를 도시한다. 도 1에는 투명 전극(3)에 의해서 한정된 픽셀 영역(1)이 있다. 픽셀(1)의 외부 영역, 비픽셀 영역은 프레임 또는 경계 영역(2)으로 불리운다. 양 영역(1,2)에는, 동일한 바닥 상태의 구성(φ0)(4)이 있다. 강한 리셋 펄스가 셀에 인가될 때, 액정은 두 준안정 상태(φ+)(5)와 (φ-)(6)중 한 상태로 완화된다. 인접한 다른 분자 구성들의 결과로써, 디스클리네이션 라인(disclination line;7)은 전환 영역 주위에 형성된다. 디스클리네이션 라인(7)은 선택된 준안정 상태(5 또는 6)와 바닥 상태(4) 사이의 위상차(topological differences)의 결과이다. 준안정 상태가 형성된 후에 바닥 상태(φ0)(4)는 픽셀 영역(1)으로 느리게 이동하고 준안정 상태는 시간축(8)을 따른 다른 표현에서 알 수 있는 바와 같이, 바닥 상태(4)로 뒤로 완화된다. 바닥 상태(4)가 복귀하는 속도는 통상적으로 초당 한 커플의 마이크로미터의 차수(the order of a couple of micrometers)이다. 장기간의 쌍안정을 요구하지 않는 적용에 대해서, 상기 BTN-셀의 준안정 상태들(5,6)은 BTN-셀들의 시간 다중송신에게 적당한 구동 펄스를 허용할 수 있을 만큼 충분히 오래 존재한다[티. 다나카, 와이. 사토, 에이. 이노우에, 와이. 모모세, 에이치. 노무라와 에스. 이이노, 아시아 디스플레이 259(1995)를 참조하시오].
정점 쌍안정 디스플레이(ZBD)는 WO 97/14990호에 기재되어 있다. 정점 쌍안정 디스플레이(ZBD)들은 두 개의 투명한 전도성 기판들 사이에 네마틱 액정층을 끼워넣음으로써 제조되고, 상기 기판들중 한 기판은 수직 계면 활성제(homeotropic surfactant)를 사용함으로써 종래 방식으로 수직으로 정렬되고, 다른 기판은 수직 계면활성제로 코팅되는 표면 회절격자(surface grating)를 나타낸다. 표면 회절격자의 주기는 1 마이크로미터의 차수이고 회절격자 크기는 2 내지 3배의 회절격자 주기이다. 정점 쌍안정 디스플레이(ZBD)들은 수직과 수직/평면형 하이브리드 상태 사이의 셀에서 액정을 전환시킬 수 있다. 정점 쌍안정 디스플레이(ZBD)들은 양호한 기계적 안정성을 나타낸다. 재생가능하고 결함이 없는 정렬을 이루도록 얇은 표면 회절격자를 제조하는 것은 아직 도전할 사항이다.
WO 97/17632호는 0도와 180도 비틀림 구성 사이에서 전환되는 쌍안정 네마틱 디스플레이들을 공개한다. 통상적인 디스플레이는 동일한 방위 정렬 방향이지만 구분된 다른 예비경사 각도 및 규제력을 갖는 두 대향 정렬층들을 포함한다. 적당한 전기 펄스들을 인가함으로써, 평행한 0도 상태와 180도 비틀림 상태 사이에서 디스플레이를 전환시킬 수 있다. 쌍안정은 두 상태들의 탄성 에너지의 적당한 균형을 필요로 한다. 이것은 카이럴 첨가물로써 액정을 도핑함으로써 행해진다. 디스플레이를 십자형으로 전환하는 것은 두 정렬층의 개별적인 규제 강도(anchoring strength)에 좌우되고 규제 강도는 열과 광학 응력 조건에서 변하기 때문에, 디스플레이의 쌍안정 성능은 매우 민감하다.
네마틱 분자 구성들을 이용하면 이 구성들이 디스플레이 경계에서 신뢰성있게 정렬될 수 있다는 장점을 가진다. 네마틱 디스플레이의 구동 전압을 차단시킨 후, 비록, 액정 디스플레이(LCD)가 온도 또는 기계 충격에 노출된 이후에도, 그 유도된 전기장 온-상태(on-state) 분자 구성들이 신뢰성있게 오프-상태(off-state)의 정렬 상태로 복귀한다. 그러나, 구동 전압을 차단시킬 때, 디스플레이된 이미지가 소거되도록 유발하는, 광학 모노 안정성(mono-stability)의 원인이 된다. 모노 안정성은 매우 작은 전력 소모를 필요로 하고 및/또는 디스플레이 기판에서 박막 트랜지스터(TFT)를 사용하지 않고 많은 정보 내용을 갖는 이미지들을 재생하는 것을 필요로 하는 적용상황에서는 네마틱 LCD들의 심각한 단점이 된다.
모노 안정성의 LCD의 디스플레이 전압을 끄면, 온-상태의 분자 구성이 전기장이 없는 오프-상태로 복귀하는 탄성 복원력을 통해서 완화되도록 실행한다. 이미지를 디스플레이하는 필요조건은 관찰 시간[view time(프레임 시간)] 동안 모노 안정성의 디스플레이의 각 화소(픽셀)를 가로지르는 전기장을 유지하는 것을 필요로 한다. 따라서, 디스플레이는 전기광학 효과의 오프-상태의 분자 구성을 변형시키는 구동 전압으로 항상 어드레스되어야 하며, LCD는 원하는 이미지가 발생하도록, 상기 전기 광학 효과에 기초한다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 정교한 TFT들은 많은 정보량의 네마틱 LCD들에서 디스플레이의 두 유리 기판들중 한 기판 위의 각 픽셀 안으로 통합된다. TFT들은 디스플레이의 픽셀들이 적어도 일시적으로 광학적 쌍안정 상태가 되게 하는 전자 기억 및 어드레싱 소자로써 작용한다. TFT는 각 픽셀의 저장 캐패시턴스와 조합하여, 프레임 시간 동안 각 픽셀을 가로질러서 적당한 전압을 유지하고 분자들이 오프-상태로 완화되는 것을 방지한다. TFT들의 제조공정은 매우 정교하기 때문에, 컴퓨터 모니터와 같은 많은 정보량의 LCD들은 가격이 비싸고 가장 정교한 디스플레이 적용용도에 한정된다. 또한, TFT 제조공정은 플라스틱 기판들과 호환성이 없는 높은 온도의 프로세스 단계를 필요로 한다. 따라서, 롤(roll)에 의해서 제조된 많은 정보량의 플라스틱 LCD들이 프로세스들을 작동시키도록 할 수 있게 하기 위하여 TFT들을 플라스틱 LCD들로 통합하는 것은 불가능하다.
따라서, 본 발명의 목적은 장기간의 쌍안정 네마틱 액정 전기광학 소자를 제공하는 것, 즉, 네마틱 소자들의 신뢰성있는 정렬과 저전력 소모의 쌍안정 소자들을 조합하는 것이다.
본 발명에 따른 네마틱 액정 전기광학 소자는 청구항 1의 특징 형태를 이용한다.
상기 소자는 상기 액정들의 양호한 특성들에서 유래되는 네마틱 분자 구성들에 기초한 본질적인 광학 쌍안정을 갖는 새로운 전기-광학 효과를 이용한다. 광학 정보는 디스플레이된 정보가 변하지 않는 동안, 전자 리프레쉬(refreshing)를 필요로 하지 않고 쌍안정 LCD의 두 광학 상태들중 한 상태에서 저장되고, 쌍안정 LCD들의 전력 소모는 최소가 된다.
본 발명에 따른 도메인 안정의 쌍안정 비틀림 네마틱(D-BTN) 액정 소자는 크게 개선된 쌍안정을 나타낼 뿐 아니라 개선된 전기광학 성능 및 다중송신 기능을 나타낸다.
D-BTN-LCD들에서 제안된 도메인 안정은 원하지 않는 바닥 상태를 억제하고 장기간의 쌍안정을 허용하며 새로운 정렬의 기하학적 형태로 인한, 우수한 전기-광학 성능, 재생성 및 쌍안정 네마틱 디스플레이의 수명이 도출된다.
패시브 매트릭스 어드레스 D-BTN-LCD들은 짧은 반응시간, 빠른 어드레씽 속 도 및 큰 다중송신 속도를 나타낼 수 있다. 디스클리네이션 라인은 D-BTN-LCD들을 전환할 때에 디스로케이트(dislocate)되지 않으므로, 단지 비교적으로 약한 리셋 펄스들만이 필요하다.
인용된 양자의 유리한 특성들을 조합하면, 빠른 업데이트 속도(비디오 프레임 속도)를 갖는 많은 정보량의 디스플레이들을 제조할 수 있다. D-BTN 디스플레이의 본질적인 쌍안정으로 인하여, 이미지들이 변화된 디스플레이 이미지의 단지 일부만이 업데이트될 필요가 있다. 이러한 부분적인 디스플레이 이미지의 업데이트는 더 빠른 업데이트 속도를 도출한다. 특히, 느린 이동 이미지들의 경우에, 업데이트 속도가 고정되지 않기 때문에, 전력 소모는 매우 낮아지지만, 어떤 초, 분, 시간, 일에서 주기적으로 프로세스가 실행될 수 있다. 이러한 리프레쉬 사이클 사이에는 전력 소모가 없다. 최종으로 업데이트된 디스플레이 이미지가 항상 제공되고 추가의 전기 전력공급을 필요로 하지 않는다.
본 발명에 따른 액정 디스플레이 장치는 청구항 24와 25의 특징 형태를 이용한다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 형태 및 장점들은 첨부된 도면에 도시된 바와 같이, 하기 상세한 설명을 참고할 때 더욱 명료해질 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 임시적인 쌍안정 비틀림 네마틱 셀의 개략도.
도 2는 한 패턴 기판을 갖는 본 발명에 따른 도메인 안정 네마틱 액정 장치 를 도시한 도면.
도 3은 한 패턴 기판과 인터페이스 LC 분자 배향을 갖는 그에 따른 셀을 구비한 본 발명에 따른 도메인 안정 네마틱 액정 장치의 하부 정렬층 및 상부 정렬층의 보기를 도시한 도면.
도 4는 두 패턴 기판과 인터페이스 LC 분자 배향을 갖는 그에 따른 셀을 구비한 본 발명에 따른 도메인 안정 네마틱 액정 장치의 다른 실시예의 하부 정렬층 및 상부 정렬층의 보기를 도시한 도면.
도 5는 픽셀 대 픽셀 안정상태(pixel to pixel stabilisation)와 인터페이스 LC 분자 배향을 갖는 그에 따른 셀을 구비한 본 발명에 따른 도메인 안정 네마틱 액정 장치의 또 다른 실시예의 하부 정렬층 및 상부 정렬층의 보기를 도시한 도면.
도 6은 490nm 간섭 필터를 통해서 관찰된, 본 발명에 따른 셀의 높은(어두운) 및 낮은(밝은) 비틀림 상태의 픽셀들을 도시한 도면.
도 7은 두 패턴 기판과 인터페이스 LC 분자 배향을 갖는 그에 따른 셀을 구비한 본 발명에 따른 도메인 안정 네마틱 액정 장치의 다른 실시예의 하부 정렬층 및 상부 정렬층의 보기를 도시한 도면.
도 8은 하부 정렬층 상의 원형 픽셀의 보기를 도시한 도면(상면도).
도 9는 두 패턴 기판과 인터페이스 LC 분자 배향을 갖는 그에 따른 셀을 구비한 본 발명에 따른 도메인 안정 네마틱 액정 장치의 다른 실시예의 하부 정렬층 및 상부 정렬층의 보기를 도시한 도면.
도 10은 두 패턴 기판과 인터페이스 LC 분자 배향을 갖는 그에 따른 셀을 구비한 본 발명에 따른 도메인 안정 네마틱 액정 장치의 다른 실시예의 하부 정렬층 및 상부 정렬층의 보기를 도시한 도면.
도 11은 두 패턴 기판과 인터페이스 LC 분자 배향을 갖는 그에 따른 셀을 구비한 본 발명에 따른 도메인 안정 네마틱 액정 장치의 다른 실시예의 하부 정렬층 및 상부 정렬층의 보기를 도시한 도면.
도 12는 두 패턴 기판과 인터페이스 LC 분자 배향을 갖는 그에 따른 셀을 구비한 본 발명에 따른 도메인 안정 네마틱 액정 장치의 다른 실시예의 하부 정렬층 및 상부 정렬층의 보기를 도시한 도면.
도 13은 상부 화상은 다른 유형의 픽셀을 갖는 제조 장치의 다른 기계적 안정성을 도시하고 하부 화상은 두 패턴 정렬 기판이 서로에 대해서 약간 상호적으로 이동한 상태로 제조된 장치의 보기를 도시하는, 편광자와 분광자 사이에 배치된 제조된 장치의 두 화상을 도시한 도면.
도 14는 두 패턴 기판과 조정된 안정 도메인들이 픽셀 영역들을 형성하는 그에 따른 셀을 구비한 본 발명에 따른 도메인 안정 네마틱 액정 장치의 다른 실시예의 하부(좌측) 정렬층 및 상부(우측) 정렬층의 보기를 도시한 도면.
본 발명은 쌍안정 네마틱 액정 디스플레이의 장기간 안정상태를 달성하기 위한 새로운 수단 및 분자 구성을 핵심으로 한다.
보고된 스메틱, 콜레스테릭(cholesteric) 또는 네마틱의 모든 광학 쌍안정 액정 디스플레이는 전체 정렬층에 의해서 특징된다; 즉, 디스플레이의 정렬은 정렬 방향이 각 기판에서 상이할 수 있는 양 디스플레이 기판의 전체 영역에 걸쳐 균일하게 연장된다.
반대로, 본 발명은 비전체적인 정렬 기하학적 형태를 이용함으로써 일반적인 비틀림 네마틱 LCDs에서 쌍안정을 달성하기 위하여 새로운 접근방안을 채택한다. 이 접근방안은 네마틱 LCDs의 장기간의 안정 및 재생가능한 쌍안정 동작을 가능하게 한다.
네마틱 디스플레이들의 한 기판 또는 양 기판 상의 패턴 정렬층들은 (널리 공지된 네마틱 디스플레이의 일시적인 쌍안정과는 대조적으로) 예비 규정된 픽셀 영역에서 쌍안정을 유도하고 동시에 공존하는 다른 LC 구성들을 발생시킬 수 있다. 상기 새로운 유형의 네마틱 쌍안정의 하기 원리에서, 특정된 도메인 안정 BTN(D-BTN)에 대해서 기술한다.
도 2는 한 패턴 기판(10)과 장치에 따른 횡단면을 갖는 2 ×2 소자들을 구비한 도메인 안정 네마틱 액정 셀(12)의 사시도이다. 픽셀 영역(1)과 프레임 영역(2)은 도 1과 동일 방식으로 기술된다.
통상적으로, 제 1 도메인 구성은 픽셀 영역(1)을 지배하지만, 픽셀 외부 영역 즉, 경계부 또는 프레임 영역(2)은 다른 분자 구성들에 의해서 지배되는 제 2 도메인을 한정한다. 픽셀 외부의 상기 추가 경계 도메인은 픽셀 영역(1)에 타겟 구성을 제공한다. 횡단면에서 볼 수 있는 바와 같이, 패턴 기판(10)의 픽셀 영역(1)과 프레임 영역(2)은 다른 방위와 예비경사 배향을 유지한다.
본 발명은 픽셀 영역(1)에 이웃하는 인접부에 경계 도메인 대신에 다른 픽셀들이 있는 경우를 포함한다는 사실을 주의해야 한다. 예를 들어, 인접 픽셀들의 분자 구성은 대칭 동작(반사, 회전 또는 조합)을 제외하고는 픽셀 영역의 분자 구성에 대응할 수 있다.
픽셀 영역(1) 사이의 경계 도메인들은 검은 매트릭스로 감추어질 수 있기 때문에, 경계 LC 구성들은 그 광학 특성들과는 무관한 쌍안정에 대해서 최적화될 수 있다. 상기 도메인 안정 BTN 디스플레이의 픽셀 영역(1)에 적당한 전압을 인가할 때, 다른 쌍안정 상태 사이에서 전환된다. 각 픽셀 영역(1)은 높은 다중송신 속도 및/또는 전기적으로 소거가능한 광학 이미지 저장을 허용하기 위하여 충분한 정도의 쌍안정을 나타낸다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 디스플레이 셀(12)은 기판 인터페이스(13)에서 다른 정렬방향(방위 또는 예비경사 또는 양자 모두에 대한)을 갖는 적어도 하나의 기판(10)으로 구성되며, 상기 기판 인터페이스(13)는 픽셀 영역(1)에서 (φ0) 바닥 상태(4)의 성장(growth)을 억제하므로 두 준안정 상태(φ+ 5와 φ- 6)를 안정시킨다. 따라서, (φ+와 φ- ) 상태들은 동일 부호를 사용함으로써 D-BTN 디스플레이(10)의 쌍안정 상태(5,6)로 기재된다.
D-BTN 디스플레이(10)의 픽셀 영역(1)에서 정렬 배향은 종래 BTN 셀의 전체 배향에 대응한다. 픽셀 영역(1) 사이의 경계 영역(2)에서 또는 더욱 상세하게는, 각 픽셀 영역(1)에 인접한 영역에서, 다른 정렬 방향이 발생한다.
도 3은 기판 인터페이스(13)에서의 적절한 LC 분자 배향(14,15,16)과 함께, 도 2의 개별적인 기판(10,11)과 그 조합체를 도시한 상면도이다. 구성은 두 도메인[프레임 영역(2)과 픽셀 영역(1)]을 유발하며, 이것은 하부 기판(10)과 전체적으로 정렬된 상부 기판(11) 상의 정렬 패턴의 결과이다.
도 4는 양 기판(20,21) 상의 두 도메인 정렬층으로 구성되는 D-BTN-LCD의 다른 실시예를 도시한다. 기판(20,21)은 각각 다른 정렬방향을 갖는 스트라이프(stripe;22,23,24,25)들을 포함한다. 셀을 제조하기 위하여, 기판(20,21)들을 사용함으로써, 픽셀 영역(1)들은 스트라이프(22,24)들의 일부로 생성되고, 이에 대해서, 프레임 영역(2)들은 스트라이프(22,25;23,24;23,25)들의 일부를 통해서 생성되며, 여기서 적어도 하나의 기판 부분(20 또는 21)들은 작은 스트라이프(23,25)에 따른 정렬을 포함한다. 따라서, 스트라이프(23,24)들을 단지 조합하면, 픽셀 영역(1)의 존재에 기여하고 이에 대해서 스트라이프(23 또는 25)들중 하나가 존재하는 것은 프레임 영역(2)에 기여한다.
필요한 정렬 구성(14,15,16)들을 실현하기 위하여 특히 적당한 기술은 포토 정렬방법들이다. 이러한 방법들은 대응 배향층에서 정렬 특성을 유도하기 위하여 일반적으로 편광된 빛으로 조사하는 공정을 이용한다. 러빙 공정(rubbing process)에서의 본질적인 문제점을 피하는 장점과는 별도로, 상기 포토 배향 방법들로써, 다른 배향을 갖는 영역을 제공하고 그에 따라서 배향층을 구축할 수 있다.
본 발명의 포트 정렬 방법을 적용하기 위한 필요조건은 방위 배향 뿐 아니라 바이어스 경사(예비경사)를 발생하는 능력이다.
본 발명에 대해서 양호하게 사용되는 한 방법은 가끔 포토배향 중합체 네트워크(photooriented polymer network;PPN)으로 기술되는 선형 편광 방법(linear Photopolymerization )이다. 그것은 예를 들어, 미국 특허 제 5,389,698호와, 미국 특허 제 5,838,407호 및 유럽 특허 제 0 756 193호에 기재되어 있다. 방법의 개요는 엠 샤트, 케이. 슈미트, 브이. 코젠코브 및 브이. 치그리노브의 잽. 물리학 잡지 31, 2155 (1992) 또는 엠. 샤트, 에이치. 사이베르와 에이. 슈스터, 네이쳐 381, 212(1996)에 기재되어 있다. 이들 포토배향 중합체 네트워크들은 구성된 또는 비구성된 액정 배향층들이 필요로 하는 어느 곳에도 사용될 수 있다.
액정에 대한 상기 포토구성 배향층들의 형성에 적합한 중합체들은 예를 들어, WO-A-96/10049호와 EP-A-0763552호에 기재되어 있다. 선형 편광 빛으로 조사할 때 상기 화합물들로써, 바람직한 배향을 유도하는 것 이외에, 동시에 경사 각도를 유도할 수 있다. 따라서, 방위 배향 및 경사 각도에 대해서 구조를 가지는 층들을 제조할 수 있다.
본 발명의 도메인 안정 디스플레이는 포토-정렬 경계부들을 필요하지 않으며, 다른 정렬 기술로써 실현될 수 있다. 정교한(sophisticated) 러빙 또는 증발 기술로써 두 다른 정렬 방향을 제공하고 필요한 예비경사 각도가 이루어질 수 있다. 포토-정렬은 D-BTN 디스플레이를 제조하기 위한 필요조건이 아니지만, 제조 공정을 더욱 용이하게 한다.
제안된 도메인 정렬층들은 픽셀을 보조 픽셀들로 분할함으로써 D-BTN 디스플레이의 관찰 각도를 더욱 증가시키기 위하여 사용될 수 있다.
하기 설명은 도 3에 도시된 두 쌍안정 비틀림 상태 +900와 -2700 사이에서 전환되는 한 셀 기판 상의 포토정렬 도메인 배향 패턴을 갖는 D-BTN-LCD로 개시되는 셀들의 보기에 관한 것이다.
제조된 D-BTN-LCD 셀들은 베이스 기판(10)과 커버 기판(11)으로 구성된다. 양 기판(10,11)들은 투명 전극들 및 포토 정렬층을 유지한다. 투명한 ITO 전극들은 사이즈 200 ×400㎛2 또는 600 ×1000㎛2 의 많은 픽셀들을 포함하는 8 ×8mm2의 영역에 대해서 균일하다.
베이스 기판(10) 상의 두 도메인 포토 정렬층(32,33)은 하나는 픽셀 영역(1) 내에 있고 다른 하나는 경계 영역(2)을 둘러싸는 두 다른 LC 배향을 야기시킨다. 상부 기판(34)은 전체 영역에 대해서 한 방향으로 단축방향으로 포토정렬된다.
포토 정렬층은 통상적으로 50nm으로 얇고 시바 특수 화학 주식회사의 LPP 포토폴리머 JP265가 사이클로펜타논(cyclopentanon)에서 용해된 2%의 포토폴리머의 용액의 형태로 사용된다. 액정 혼합물은 머크 엘티디의 상표 MLC 14000로 구입할 수 있는 0.129의 복굴절을 갖는 슈퍼비틀림 네마틱(STN) 혼합물이다. 바람직한 특성의 비틀림 구성을 얻기 위하여 LC 혼합물은 머크 엘티디의 네거티브 핸디드 카이럴 첨가물(negative handed chiral additive)로 도핑된다. 셀 갭은 5.1㎛이고 0.58 중량%의 카이럴 농도가 선택되었으며, 이것은 0.3의 d/p 비율로 된다.
LPP 포토 정렬 재료는 3000rpm으로 30초 동안의 스핀 코팅으로 적용되어서 그후에 30분 동안 150℃의 뜨거운 플레이트에서 베이크(bake)된다. LPP 코팅 기판들은 350와트 머큐리 전구가 장착된 칼-수에스(Karl-Suess) UV-노광 램프와 UV-편광자로 조명된다. 310nm에서의 UV-라이트 강도는 0.8mW/cm2이다. 기판들은 본원에 기술된 노광을 위하여 수직 기판에 대해서 35도의 폴러 각도(polar angle)에서 선형으로 편광된 UV 라이트에 노광되었다. 베이스(하부) 기판(10) 상에 도 3의 두 도메인 정렬을 이루기 위하여, 기판(10)은 크롬 마스크로써 프레임 영역을 마스크하면서, 제 1 단계에서 135초 동안 UV 라이트에 노광되었다. 선형 편광 라이트의 방위 배향은 픽셀 경계부들중 하나와 평행하고 0도로 한정된다. 제 2 노광 단계에서, 마스크는 제거되었고 전체 기판은 180도의 방위 각도와, 다시 35도의 폴러 각도에서 15 초동안 노광되었다. 다른 실험에서, 그에 따른 예비경사 각도가 픽셀 영역(1)에서 5도와 10도 사이에 있고(부호 "14" 참조) 프레임 영역(2)에서 약 70도(부호 "15" 참조)인 것으로 측정된다. 5도와 10도 사이에 있는 측정된 균일 예비경사 각도로 안내되는 상부 기판은 150초 동안 노광되었고; 대응하는 방위 각도는 +90도 이었다(부호 "14,15"와 비교하여 부호 "16"을 참조하시오). 따라서, 픽셀 영역에서 정렬층의 방위 배향과 함께 카이럴리 네가티브 도핑 LC는 -90도의 비틀림 각도[(φ0) = -90도 = 바닥 상태]를 나타내고, 예비경사 각도는 +90도 또는 -270도의 비틀림을 나타낸다[즉, {(φ0) = -90도} ±180도는 두 쌍안정 상태이다].
115℃의 이방성 형태 부근에서 D-BTN 셀을 LC 혼합물로 충전하고 실온으로 냉각시킨 후에, 셀의 주요 부분은 디스클리네이션(disclination)으로 커버된다. 두 하기 방법들은 원하는 픽셀 구성을 얻기 위하여 적용되었다.
10ms 지속기간의 전기 사인파 펄스와 50Vrms의 전압을 실온에서 셀에 인가함으로써, 픽셀들은 낮은 비틀림 쌍안정 상태(+90도)로 된다.
65℃에서 2초 동안 38Vrms의 사인파 AC 전기장을 인가함으로써 모든 접지상태의 픽셀들은 +90도의 쌍안정 상태로 되고 교란되는 디스클리네이션 라인들이 사라진다.
안정한 바닥 상태에 있고 전환되는 동안 그 LC 구성을 거의 변화시키지 않는 경계 도메인에서, 전환가능한 픽셀 도메인, 디스클리네이션 라인이 형성되는 것으로 추정된다. 디스클리네이션 라인은 포토 패턴 픽셀의 에지에 위치하고 접지상태가 픽셀 영역으로 전달되는 것을 방지한다.
두 쌍안정 상태 사이에서 전환되는 것은 여러 유형의 펄스로써 달성될 수 있다. 여기서 쌍안정 상태를 나타내기 위하여, 단순한 펄스 형태가 선택되었다. 높은 비틀림 상태(-270도)로 전환되는 것은 21Vrms의 500㎲ 사인파 펄스로써 행해진다. 결과적으로 100ms의 광학 전환 시간이 된다. 낮은 비틀림 상태로 전환되는 것은 약 100㎲의 짧은 상승 시간 또는 약 60ms의 쇠퇴 시간과 함께, 5V(피크값)의 톱니형 펄스로써 달성될 수 있다. 이러한 펄스는 230ms의 광학 전환시간이 된다. 낮은 비틀림 픽셀 상태는 D-BTN 셀의 정렬층 배향이 편광자와 평행한 상태에서 평행한 편광자에 대해서 녹색 간섭 색상을 나타낸다. 높은 비틀림 상태의 색상은 동일 편광자 구성에 대해서 적색을 나타낸다.
색상을 가능하게 조정하기 위한, 다양한 방법들이 당기술에 숙련된 기술자에게 공지되어 있다. 예를 들어, LC 층의 광학 지연(retardation)의 양호한 선택, 내부 또는 외부 광학 보상 필름 및 편광자들의 적당한 배향으로 두 간섭 색상들은 블랙 디스플레이와 화이트 디스플레이가 나타나도록 변형될 수 있다. 또한, 얇은 LC 층을 사용할 때, 반응 시간이 더욱 빨라진다. 매우 빠른 다중전송 어드레싱 방식에 대한 BTN's 전위와 함께, 비디오 업데이트 속도를 허용하는 D-BTN 컨셉(concept)으로 많은 정보 내용의 디스플레이가 제조될 수 있다.
상술한 바와 같이 제조된 샘플 셀들은 일반적으로 수개월인 전체 관찰 주기에 대해서 그 쌍안정 상태를 유지한다.
도 4는 두 쌍안정 비틀림 상태 +90도와 -270도 사이에서 전환되는 양 셀 기판(20,21) 상의 포토 정렬 배향 패턴을 갖는 보기 2의 D-BTN LCD의 개략도이다. 도 4는 조합된 기판들(하부 부분에서) 뿐 아니라 두 기판들(상부 부분에서)의 두 도메인 정렬 패턴을 도시한다.
보기 2의 D-BTN LCD 셀은 보기 1과 유사한 방식으로 준비되었다. 그러나, 보기 1과는 대조적으로, 양 기판(20,21)들은 스트라이프(22,23,24,25)의 형태로 두 도메인 포트 정렬층을 나타낸다. 각 정렬층은 두 영역들의 두 다른 정렬 방향으로 , 100㎛의 픽셀 영역을 제조하는 넓은 스트라이프(22,24)를 각각 커버하고 30㎛의 프레임 영역을 제조하는 좁은 스트라이프(23,25)를 각각 커버한다. UV 노광 시간은 픽셀 영역에 대해서는 135초이고 프레임 영역에 대해서는 15초이다. 예비경사 각도들은 픽셀 영역(1)에서 5도와 10도 사이로 측정되고(부호 "14.16") 프레임 영역(2)에서는 약 70도로 추정된다(부호 "17 또는 18"에 따른 적어도 하나의 LC 배향).
보기 1로써, 픽셀 영역(1)에서 정렬층의 방위 배향과 함께 카이럴리 네가티브 도핑 LC는 -90도의 비틀림 각도를 나타내고[바닥 상태(φ0) = -90도], 예비경사 각도는 +90도 또는 -270도의 비틀림을 나타낸다(두 쌍안정 상태).
보기 1에 기재된 것의 전기장 처리 아날로그는 원하는 쌍안정 픽셀 구성들을 얻기 위하여 마찬가지로 여기에서 실행된다.
23Vrms의 500㎲ 사인파 펄스는 디스플레이를 높은 비틀림 상태로 전환하기 위하여 사용되었다. 결과적으로 80ms의 광학 전환 시간이 된다. 낮은 비틀림 상태로 전환되는 것은 짧은 상승 시간 또는 약 40ms의 쇠퇴 시간과 함께, 6V(피크값)의 톱니형 펄스로써 달성될 수 있다. 이러한 펄스는 200ms의 광학 전환시간이 된다. 낮은 비틀림 픽셀 상태는 편광자에 대한 45도의 D-BTN 셀의 정렬층 배향과 함께 평행한 편광자에서 푸른색 빛인 간섭 색상을 나타낸다. 높은 비틀림 상태의 색상은 적색을 나타낸다.
상기 부분적으로 전환된 제조 디스플레이의 두 쌍안정 상태는 도 6에 도시되어 있다. 그것은 푸른색의 490nm 간섭 필터를 통해서 관찰된다. 낮은 비틀림 상태(41)의 픽셀 색상은 푸른색 빛이고 높은 비틀림 상태(42)의 픽셀 색상은 검은색 빛이다. 또한, 기술자는 프레임 도메인의 두 다른 영역들을 구별할 수 있다. 픽셀 영역(1)의 코너(43)[즉, 프레임 영역(2)을 제조하는 상부 및 하부 기판의 정렬층의 기판(23,25)의 교차 지점들]에는, 평행한 편광자들 사이에 밝은 빛을 나타내는 높은 경사(도 4)를 갖는 영역(43)이 있다. [두 인접 픽셀 영역(1) 사이의] 에지(44)에는, 어두운 빛을 나타내는 중간 경사를 갖는 영역이 있다. 프레임 영역(2)의 양 영역(43,44)들은 매우 안정한 상태를 가진다. 또한, 숙련된 기술자는 프레임 영역(2)으로부터 픽셀 영역(1)을 분리하는 디스클리네이션 라인들을 볼 수 있다.
LC 층의 양호한 선택, 내부 또는 외부 광학 보상 필름 및 편광자들의 적당한 배향으로 두 간섭 색상들은 블랙 디스플레이와 화이트 디스클레이가 나타나도록 변형될 수 있다. 또한, 얇은 LC 층을 사용할 때, 반응 시간이 더욱 빨라진다. 매우 빠른 다중전송 어드레싱 방식에 대한 BTN's 전위와 함께, 비디오 업 데이트 속도를 허용하는 D-BTN 컨셉(concept)으로 많은 정보 내용의 디스플레이가 제조될 수 있다.
D-BTN 셀들의 안정성을 시험하기 위하여, LC-유동이 발생하도록 강한 압력조건에 장치를 놓는다. 압력 상태에서 낮은 에너지가 나타났다. 이 상태는 d/p 속도와 각 예비경사 각도들을 조정함으로써 제어될 수 있다. 단지 매우 강한 유동 또는 매우 높은 전기장만이 바닥 상태가 다시 발생하도록 실행했다. 이것은 본 발명에 따른 도메인 안정 LC 셀들에서 바닥 상태(φ0)의 형성에 대하여 쌍안정 상태의 높은 안정도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예의 보기를 도시한다. 그것은 양 기판(30,31)들에서의 픽셀 안정화에 대한 한 픽셀에 기초한다. 즉, 뚜렷한 프레임 영역 대신에 인접 픽셀(51,52)들의 구성이 두 쌍안정 상태들을 안정시키기 위하여 사용된다. 픽셀들에서의 방위 배향은 보기 1에서의 픽셀의 배향과 동일하고 90도/-270도 유형의 D-BTN 셀에서 귀결된다. 인접 픽셀(51,52)들에서 적당한 정렬을 이루기 위하여, 하부 및 상부 기판(30,31)들은 보기 1에서 설명된 절차에 따른 단일 포토 마스크와 정렬된다. 그러나, 보기 1과는 대조적으로, 두 정렬층들은 인접 픽셀 도메인(51,52)들이 서로 대향하게 배치되는 방식으로 서로에 대해서 정렬된다(도 5에서, 부호 "14,19;16,29" 참조). D-BTN LCDs에 대한 매우 높은 충전 요소가 상기 접근방안으로 귀착된다.
본 발명의 다른 실시예는 도 7에 도시된다. 그것은 양 기판(60,61)들 상의 두 도메인 정렬층으로 구성되는 +90도/-270도[φ0 = -90도] 요소를 나타낸다. 기판(60,61)은 다른 정렬 방향들을 갖는 픽셀 영역(62,64)들과 프레임 영역(63,65)들을 포함한다. 두 기판들의 정렬층들은 두 기판들의 픽셀 영역들이 서로에 대향하게 배치되는 방식으로 서로에 대해서 조정된다. 픽셀 영역들에서의 방위 및 예비경사 배향은 종래 BTN 셀에서의 배향과 유사하다. 이러한 기판들을 사용함으로써, 픽셀 도메인에서의 예비경사 각도 및 프레임 도메인에서의 예비경사 각도는 독립적으로 선택될 수 있다. 이것은 도 3과 도 4에 도시된 실시예와 대조된다. 만약, 도 3에 도시된 실시예에 대해서, 하부 기판(10)의 픽셀 영역(1)에서의 낮은 예비경사도와 단축방향으로 정렬된 상부 기판(11)에서의 낮은 예비경사도 및 기판(10)의 프레임 영역(2)에서의 다른 높은 예비경사도가 선택된다면, 중간 평균 경사 각도는 셀의 프레임 도메인에 귀결된다. 동일한 것이 도 4에 도시된 실시예에도 적용된다. 도 7에 도시된 실시예에서, 픽셀 도메인에서의 낮은 예비경사 각도와 프레임 도메인에서의 높은 예비경사 각도가 선택될 수 있다.
본 발명에 따른 쌍안정의 네마틱 LCDs에 대한 도메인 안정 접근방안은 BTN 셀들에서 전환가능한 도메인을 안정시킬 뿐 아니라 본 명세서의 도입부에 기재된 것과 같이, 0도와 180도 비틀림 구성 사이에서 전환되는 셀들을 안정시킬 수 있다[개괄적인 기술은 비틀림 각도(φ0) ±90도, 통상적으로는 φ0 < 180도를 갖는 장치를 포함한다]. 종래의 0도 내지 180도 비틀림 셀을 전환시킨 후에, 전환된 도메인들은 일반적으로 임의의 형태를 나타낸다. 본 발명으로써 잘 한정된 영역을 얻을 수 있다. 셀의 제조는 보기 1에 따라서 행해질 수 있지만, 픽셀 영역에서 필요한 구성이 발생하는 방식으로 방위각으로 배향된다. 픽셀의 크기는 상기 유형의 셀들을 설계할 때 중요한 변수이다.
본 발명은 기판에 수직하는 전기장과 기판 평면에 평행한 성분을 가지는 전기장을 인가할 수 있는 평면형 전극 형태를 수용하는 쌍안정 셀을 포함한다. 이러한 전극들은 방향[φ- ⇒ φ+ 또는 φ-
Figure 112003000132980-pct00001
φ+] 또는 양 방향[φ- ⇔ φ+]으로 셀을 전환시킬 수 있다. 한 또는 양 전극이 분할된 보기 1에 따른 셀 보기가 인용될 수 있다.
보기에서 편향 비틀림 각도
Figure 112007011918911-pct00002
(바닥 상태)의 절대값은 항상 90도이다. 일반적으로, 편향 비틀림 각도
Figure 112007011918911-pct00003
< 300도의 절대값이 양호하지만,
Figure 112007011918911-pct00004
≥300도 역시 사용될 수 있다. 비틀림 각도 차이 △φ= ±180는 △φ이 양자화된 크기(quantized size)이고 대략 ±180도이라는 것을 의미한다[△φ는 각각 φ0 - φ+ 또는 φ0 - φ-이다].
양호하게는, 패턴의 인접 영역들 사이의 예비경사 각도 차이는 70도와 110도 사이의 범위에 있고, 양호하게는 80도와 100도 사이의 범위에 있으며, 더욱 양호하게는, 85도와 95도 사이의 범위에 있다. 용어 "예비경사 각도 차이"는 패턴의 인접 영역들에서 소정의 예비경사 각도를 유지하는 인터페이스 액정 분자들에 의해서 규정된 벡터들 사이의 각도 차이를 의미한다. 예를 들어, 만약, 도 3의 픽셀 영역(1)에서 예비경사 각도가 10도이고 프레임 영역(2)에서 80도이라면, 그때 예비경사 각도 차이는 90도이다.
픽셀 영역(1)에서의 예비경사 각도는 통상적으로 약 20도(양 기판에서) 이하이지만, 더 큰 경사 각도가 사용될 수 있다. 프레임 영역(2)에서의 예비경사 각도는 통상적으로 약 45도 보다 크지만, 더 작을 수 있다.
±90도 셀에서 편향 비틀림 각도
Figure 112003000132980-pct00005
의 절대값은 통상적으로
Figure 112003000132980-pct00006
< 300도이지만,
Figure 112003000132980-pct00007
≥300도 역시 사용될 수 있다. 비틀림 각도 차이 △φ= ±90도는 △φ이 양자화된 크기(quantized size)이고 대략 ±90도라는 것을 의미한다.
픽셀 영역(1)의 크기는 통상적으로 일부에서는 10㎛이고, 많은 적용에서 양호하게는, 4㎛ 내지 400㎛이지만, 많은 더 클 뿐 아니라 많이 작을 수 있다.
상기 설명에 기재된 도메인 안정은 둘 이상의 안정 상태(5,6)를 발생시킨다.
본 발명에 따른 도메인 안정 셀들은 명도 및/또는 콘트라스트를 개선하기 위 하여, 적당한 내부 또는 외부 광학 보상층들을 추가로 수용할 수 있다. 상기 보상체들은, 예를 들어, 액정 박막들(단축방향 또는 비틀림 층들), 연장된 중합체 막 또는 이러한 막들의 조합체 막을 포함할 수 있다.
본 발명은 투과성 및 반사성 디스플레이에 적용할 수 있다. 기판, 양호하게는, 유리, 플라스틱 또는 CMOS가 사용될 수 있다.
그러나, 디스플레이 이외의 적용도 가능하다. 이것은 예를 들어, 전기광학 셔터와 공간적인 라이트 모듈레이터를 포함한다.
전기광학 셔터는 일반적으로 라이트 빔을 켜고 끄기 위하여 사용된다. 매우 높은 콘트라스트 및 명도는 처리되는 광원이 좁은 스펙트럼 폭을 유지할 때 달성될 수 있다. 보기들은 전기통신 및 다른 적용에서 통상적으로 사용되는 LEDs 또는 레이저들이다. 양호한 콘트라스트 및 밝은 명도는 더 넓은 스펙트럼 폭을 갖는 광원에 대해서 달성될 수 있다. D-BTN 디자인에 따라서, 블랙 매트릭스는 픽셀들 사이의 안정 경계 영역을 투과하는 빛을 억제하는데 필요하다.
공간적인 라이트 모듈레이터(SLM)에서, 각 픽셀은 D-BTN 소자일 수 있다. 여러 SLMs 사이에는 전기 및 광학적으로 어드레스된 SLMs, 투과성 및 반사성, 그리고 양 및 형태 조절 SLMs이 있다. SLM은 각 픽셀이 두 상태들중 하나일 수 있기 때문에 2진 SLM을 나타낸다. 그러나, D-BTN 픽셀은 서브 픽셀 크기가 관련 LC 소자의 셀 갭 보다 크다면, 서브 픽셀들로 분할될 수 있다.
대부분의 경우에, 전극 크기는 포토 패턴 픽셀의 크기 보다 크거나 또는 거의 동일하다.
대부분의 경우에 본 발명에 따른 도메인 안정 셀들은 필요한 온도 범위에 대해서 안정한 피치를 가지므로, 온도에 따라서 좌우되지 않는 피치를 가지는 LC 혼합물을 사용하는 것을 추전할 수 있다. 상기 LC 혼합물에 대한 가능한 접근방안은 롤릭 엘티디의 유럽 특허 제 0 450 025호에 기재되어 있다.
하기 설명은 양호하게는, 양 기판 상에 패턴 정렬층을 가지는 추가 디자인 및 최적화 가능성을 제시한다. 이러한 최적화된 픽셀들은 셀에서 유동을 유발하는 압력에 대한 증가한 기계 안정성을 전환하거나 및/또는 유지하기가 더욱 용이할 수 있다. (전환하기 더욱 용이한) 픽셀들의 제 1 카테고리는 다중전송 디스플레이에 대해서 일반적으로 더욱 적합할 수 있으며, 후자의 픽셀 유형은 기계적 내구성을 요구하는 장기간의 쌍안정 장치에서 더욱 적합하다. 상기 두 경우 사이에 놓여지는 특성을 갖는 절충형 픽셀들을 예상할 수도 있다.
일단, 픽셀들이 에너지가 약간 높은 상태에서 준비되고 기계적 요동이 시작된다면, 픽셀의 여러 측면은 상기 요동을 극복하고 원래 상태로 남아있기 위한 강도에서 상이하다는 사실을 관찰하였다. 일단, 어떤 크기의 서브 영역이 에너지가 낮은 상태로 전환되면, 전체 픽셀은 상기 상태로 전환된다. 서브 영역은 픽셀들의 내구성을 기계적으로 제한하는 것을 가장 용이하게 전환한다. 이러한 특성은 원형 픽셀의 보기로써 설명된다.
도 8은 하부 정렬층 상의 원형 픽셀의 보기를 도시한다. 픽셀 영역(1)와 프레임 영역(2)은 도 1과 같은 방식으로 기재된다. 원형 정렬 패턴 픽셀의 상면 내의 각도(ψ)는 픽셀 경계를 따라서 픽셀 경계 영역(B)의 위치를 표시한다. 기준 각도(ψ= 0도)는 픽셀 정렬 배향의 방위 배향으로 선택된다. 따라서, 각도(ψ)는 방위 픽셀 배향과 경계 배향 사이의 각도 차이를 표시한다. 양 상태로의 전환 특성(낮은 비틀림에서 높은 비틀림으로, 그리고 높은 비틀림에서 낮은 비틀림으로)과 다른 픽셀 영역(B)에서 기계적인 요동에 대한 낮은 비틀림 상태의 기계 강도는 각도(ψ)에 좌우된다.
도 8의 설명은 주어진 쌍안정의 비틀림 네마틱 장치의 두 쌍안정 상태 즉, 낮은 비틀림(LT) 상태와 높은 비틀림 (HT) 상태가 있다는 가정에서 시작된다. 본 발명에 따른 픽셀들 즉, 단지 한 정렬 기판 상의 직사각형 패턴 픽셀들을 갖는 상기 장치에서, 여러 픽셀 경계에 따른 픽셀 서브 영역들이 전환 특성에서 상이하다는 사실이 관찰된다. 일반 픽셀 경계 서브 영역들은 다른 것 보다 전환하기 위하여 더욱 많은 전기 에너지를 필요로 한다.
HT 상태가 LT 상태 보다 약간 작은 에너지를 유지하는, HT에서 LT 상태로 장치의 픽셀들의 적당한 장기간의 전환에 대해서, 모든 픽셀 서브 영역들은 다른 픽셀이 본래의 HT 상태로 가기 때문에 전환되어야 한다. 따라서, 서브 영역은 전체 픽셀의 전환 성능을 전환 제한하는 것이 가장 어렵다. 원형 픽셀의 경우에, 특성들은 그에 따라서 픽셀 경계 서브 영역을 표시하는 각도(ψ)에 따라 좌우된다.
단지 한 기판 상에 한정된 픽셀들을 갖는 장치들에 대해서, 픽셀 기하학적 형태에는 제 1 자유도(a first degree of freedom)가 있다. 단지 한 기판 상에 한정된 직사각형 패턴 정렬 픽셀들에 대해서, 이것은 자유도가 직사각형 픽셀들의 측 및 픽셀 방위 배향 사이의 각도라는 것을 의미한다. 기하학적 형태 또는 직사각형 픽셀 패턴들의 경우에 픽셀 정렬 배향에 대한 그 배향은 상기 제 1 디자인 변수를 표시한다. 제 2 및 그 이상의 효율적인 디자인 자유도는 양 정렬층 상의 픽셀 패턴들을 사용하여 상승한다. 중대한 디자인 가능성(기회)은 방위 픽셀 배향과 관련된 픽셀 한정 측면의 경계 배향 사이의 각도 차이값이다(예를 들어, 직사각형 픽셀들에 대한 각도 ψ1, ψ2, ψ3, ψ4).
도 9 내지 도 14는 양 기판들 상의 정렬 픽셀 패턴을 갖는 여러 실시예들을 도시한다. 이 경우에 최적화하는 한 자유 변수는 두 픽셀 한정 패턴이 서로에 대해서 이동하는 방향이다(그리고 그에 따라서 ψ1 - ψ4이 된다.) 그것은 기본적으로 양호한 픽셀 측면이 그에 따른 픽셀에 기여하는 방식으로 행해질 수 있다. 픽셀들의 양호한 전환 특성에 대해서 작은 예비경사 각도들이 요구되고 픽셀들 주위의 안정 도메인들은 높은 예비경사 각도를 유지하므로, 그에 따른 전환가능한 픽셀 영역은 양 패턴 기판이 낮은 예비경사 각도를 유지하는 영역이다.
도 9는 낮은 예비경사 각도 영역(62,64)들과 그에 따른 픽셀(1)들을 갖는 두 패턴 정렬 기판들을 도시한다. 하부 픽셀 패턴 경계부는 점선으로 도시되고 상부 픽셀 패턴 경계부는 실선으로 도시된다. 그에 따른 픽셀(1)은 두 하부 경계 라인(73,74)과, 두 상부 경계 라인(71,72)으로 제한된다. 여기서, 두 기판 상의 관련 정렬 영역(64,62)들은 동일 크기 및 동일 형태를 가진다. 두 픽셀 패턴들의 완전한 중첩(overlap)으로부터 시작되는, 서로에 대한 두 패턴들의 상호 이동은 비스듬한 방향(80)이다. 픽셀(1)의 그에 따른 픽셀 영역은 두 정렬 패턴의 영역(62,64) 보다 약간 작다.
도 10은 양측 상의 정렬 패턴과 그에 따른 장치 픽셀들을 갖는 도메인 안정 네마틱 액정 장치의 상부 및 하부 정렬 기판의 보기를 도시한다. 기여 정렬 패턴(62,64)의 완전한 중첩으로 시작되는, 두 기판들은 비스듬한 방향(80)으로 서로에 대해서 약간 이동하여 픽셀 영역(1)으로 귀결된다. 하부 기판 상의 픽셀 정렬 배향은 페이지(page)에 대해서 수평이고 두 픽셀 측부에 대해서 평행하다. 두 패턴들의 상호 이동은 도 9의 이전 보기와 비교할 때 반대 방향이다. 방향(80)(45도 방향과 연관된)으로의 이동 가능성 이외에, 상기 방향은 45도와 다른 각도, 즉, 40도, 30도 등의 각도를 가질 수 있다.
도 11은 그 픽셀 영역들과 그에 따른 픽셀들을 갖는 두 패턴 정렬 기판을 도시한다. 이것은 45도 회전한 픽셀 정렬 방향을 제외하고는, 도 10에 도시된 상황에 대응한다.
도 12는 동일하지 않은 정렬 패턴(62,64)들을 가지는 다른 실시예를 도시한다. 정렬 기판들은 그에 따른 픽셀들이 하부 정렬 기판으로부터의 3개의 측부(71,72,74)와 상부 기판으로부터의 한 측부(73)에 의해서 한정된다. 따라서, 한 정렬 기판은 3개의 픽셀 측에 기여하고 다른 정렬 기판은 한 픽셀 측에 기여한다.
도 13은 편광자와 분광자 사이에 놓여진 제조 장치들의 두 화상을 도시한다. 상부 화상은 양 정렬 기판들이 4개의 다른 픽셀들이 발생하는 방식으로 서로에 대해서 패턴되고 이동하는 장치를 도시한다. 픽셀들을 LT 상태에서 준비하고 강한 기계력을 적용한 후에, 4개의 픽셀들중 3개는 에너지가 약간 낮은 HT 상태로 전이된다. 강한 픽셀로 인하여, "잔존한(survived)" 제 4 픽셀 유형은 기계 요동부(상부 우측 픽셀)와 경계를 이룬다. 후자 픽셀은 도 9에 도시된 것과 유사한 배향을 유지한다.
도 13의 하부 화상은 도 9의 기하학적 형태에 따른 모든 픽셀들을 갖는 장치의 보기이다. 절반 픽셀들은 LT 상태이고 나머지 절반 픽셀들은 HT 상태이다.
도 13의 보기 3의 상부 화상은 다른 유형의 픽셀들을 갖는 제조 장치에서 다른 기계적 안정성을 나타낸다. 양 패턴 정렬 기판들은 하부 패턴 정렬 기판에 대한 보기 1에 기재된 방법에 따라 준비된다. 셀 두께는 다시 5㎛이고 밴티코(Vantico)(전신 시바 특수 화학 주식회사)의 동일 LPP 포토폴리머 JP265와 머크의 동일 액정 MLC14000이 사용된다. 두 기판들의 정렬 패턴들은 도 9의 상부 절반에 도시된다. 픽셀 정렬 패턴들은 300 ×300㎛2이다. 최종 장치에서, 하부 픽셀 영역 위의 4개의 상부 픽셀 영역들이 4개의 코너에서 발생한 방식으로, 두 정렬 기판들이 서로에 대해서 이동한다. 이러한 셀의 일부는 도 13의 상부 절반부에 도시되며, 여기서 두 상기 4개의 폴드 픽셀 어레이가 보여진다.
픽셀들은 먼저 LT 상태에서 준비된다(제 1 보기에 기술된 바와 같이). 다음, 장치는 셀에서 유동을 유발하는 강한 기계적 요동에 노출된다. 이 유동은 한 픽셀 유형 즉, 상부 우측 픽셀을 제외하고는 모든 픽셀에서 LT로부터 HT 상태로 전이(transition)을 유발한다. 픽셀 유형들과 기계적으로 유발된 유동에 대한 그 내 구성은 픽셀/LT 안정성의 하기 목록에 요약된다:
Figure 112003000132980-pct00008
상부 우측 픽셀들이 잔존하고 기계적 요동이 도 13의 상부 절반부에서 볼 수 있는 바와 같이, 편광자와 분광자의 쌍 사이에서 어두운 색으로 나타난다. LT와 HT 상태의 본래 간섭 색상들은 평행한 편광자/분광자 사이에서 녹색 및 적색이다. 픽셀들의 광학 콘트라스트(contrast)를 개선하기 위하여, 5㎛의 두께를 갖는 패시브(passive) -90도 비틀림 네마틱 셀이 액정 장치 뒤의 광학 경로에 부가되었다. 이들 보상된 픽셀들은 도 13에 도시된 바와 같이, LT 상태에서 어두어지고 HT 상태에서 밝아진다.
도 13의 보기 4의 하부 화상은 보기 1에 대해서 사용된 것(300 ×300㎛2의 픽셀 정렬 패턴들)과 동일한 두 패턴 정렬 기판들로 구성된 소자를 도시하지만, 상기 두 기판들은 단지 우측 상부 코너 픽셀 유형이 발생하는 방식으로 서로에 대해서 조정된다. 두 대응 정렬 패턴들과 그에 따른 패턴들은 도 9에 도시된다. 한 기판이 다른 기판에 대해서 이동하는 거리는 상기 소자에 대해서 양호하게는 3과 20㎛ 사이에 있다. 화상에 대해서, 그에 따라 제조된 소자는 LT 상태와 HT 상태의 픽셀들로써 준비된다. 알 수 있는 바와 같이, 픽셀 주위의 비중첩 영역은 그에 따른 전체 픽셀 영역의 작은 부분일 수 있다. 다시, 픽셀들의 광학 콘트라스트를 개선하기 위하여, 패시브 -90도 비틀림 네마틱 셀이 광학 빔 경로에 부가되었다.
양호하게는, 방위 픽셀 배향과 픽셀의 한정 측부의 경계 배향 사이의 각도 차이의 특수한 값을 사용할 수 있는 본 발명의 다른 실시예는 도 14에 도시된다. 본 실시예는 도면의 상부 부분에서 스케치된 두 패턴 정렬 기판(60,61)들로써 구성된다. 상기 기술된 패턴 기판들과는 대조적으로, 본 기판들은 L-사각형의 안정 도메인(프레임 영역들)(63,65)의 단지 작은 영역만을 구비한다.
두 패턴 기판(60,61)들이 조합될 대, 픽셀 영역(1)이 도면의 하부 부분에 도시된 바와 같이 형성되는 방식으로 서로에 대해서 조정된다. 상부 기판은 하부 좌측 경계부(71,72)의 픽셀을 제한하지만, 하부 기판은 상부 우측 경계부(73,74)에 기여하도록, 프레임 또는 경계 영역(2)을 설정하는 안정화 도메인(63,65)에 의해서 경계설정된다.

Claims (27)

  1. 한 쌍의 기판들(10,11;20,21;30,31;60,61)과, 정렬 표면들 또는 정렬층들을 구비한 각 대향 내면들과, 상기 정렬 표면들 또는 정렬층들의 쌍 사이에 샌드위치된 네마틱 액정을 포함하는 액정 전기광학 소자(12)에 있어서,
    적어도 하나의 상기 정렬 표면들 또는 정렬층들은, 방위(azimuth) 또는 예비경사도(pretilt) 또는 양 정렬 방향들(14 내지 15, 14 내지 17, 16 내지 18, 14 내지 19, 16 내지 29)이 패턴의 인접 영역들에서 상이하며, 이에 의해 상기 액정의 적어도 일부 도메인(domain)에서 바닥 상태(ground state; φ0)와 적어도 두 쌍안정 또는 다중안정 상태들(φ+, φ-)을 정의하고, 상기 액정의 상기 바닥 상태의 성장을 억제하는 방식으로 패턴화되는 것을 특징으로 하는, 액정 전기광학 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴의 인접 영역들 사이의 예비경사 각도 차이는 70도와 110도 사이의 범위에 있는 것을 특징으로 하는, 액정 전기광학 소자.
  3. 청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 2 항에 있어서,
    상기 패턴의 인접 영역들 사이의 예비경사 각도 차이는 80도와 100도 사이의 범위에 있는 것을 특징으로 하는, 액정 전기광학 소자.
  4. 청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 3 항에 있어서,
    상기 패턴의 인접 영역들 사이의 예비경사 각도 차이는 85도와 95도 사이의 범위에 있는 것을 특징으로 하는, 액정 전기광학 소자.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    한 기판(11)에 대응하는 정렬층은 전체 기판(11)에 대한 포괄적인 배향(global orientation)을 포함하고; 다른 기판에 대응하는 정렬층은 서로 이격된 제 1 부분들(32)의 제 1 정렬 방향들(14)과 상기 제 1 부분들(32) 사이에 제공된 제 2 부분들(33)의 제 2 정렬 방향들(15)을 포함하고, 상기 제 1 부분들(32)의 영역들은 픽셀 영역들(1)을 형성하는 것을 특징으로 하는, 액정 전기광학 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    제 1 정렬층(34)의 예비경사 각도는 20도 이하이고, 상기 픽셀 영역들(1)에 기여하지 않는 영역들(33)의 제 2 정렬층의 예비경사 각도는 50도 이상이고, 상기 픽셀 영역들(1)에 기여하는 영역들(32)의 제 2 정렬층의 예비경사 각도는 20도 이하인 것을 특징으로 하는, 액정 전기광학 소자.
  7. 제 5 항에 있어서,
    제 1 정렬층(34)과 상기 픽셀 영역들(1)에 기여하는 영역들(32) 사이의 방위 각도 차이는 +90도이고, 제 1 정렬층(34)과 상기 픽셀 영역들(1)에 기여하지 않는 영역들(33) 사이의 방위 각도 차이는 -90도인 것을 특징으로 하는, 액정 전기광학 소자.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    한 기판(21)에 대응하는 정렬층은 서로 이격된 제 1 스트라이프 부분들(stripe portion;24)의 제 1 정렬 방향들(16)과 상기 제 1 스트라이프 부분들(24) 사이에 제공된 제 2 스트라이프 부분들(25)의 제 2 정렬 방향들(18)을 포함하고, 다른 기판(20)에 대응하는 정렬층은 서로 이격된 제 3 스트라이프 부분들(22)의 제 3 정렬 방향들(14)과 상기 제 3 스트라이프 부분들(22) 사이에 제공된 제 4 스트라이프 부분들(23)의 제 4 정렬 방향들(17)을 포함하고, 상기 기판들(20,21)은 상기 제 1 및 제 2 스트라이프 부분들(24,25)이 상기 제 3 및 제 4 스트라이프 부분들(22,23)에 대해 일정 각도를 가지도록 설치되고, 상기 제 1 및 제 3 스트라이프 부분들(22,24)을 갖는 샌드위치된 영역들은 픽셀 영역들(1)을 형성하는 것을 특징으로 하는, 액정 전기광학 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 스트라이프 부분들(24)의 제 1 정렬층의 예비경사 각도는 20도 이하이고, 상기 제 2 스트라이프 부분들(25)의 제 1 정렬층의 예비경사 각도는 50도 이상이고, 상기 제 3 스트라이프 부분들(22)의 제 2 정렬층의 예비경사 각도는 20도 이하이고, 상기 제 4 스트라이프 부분들(23)의 제 2 정렬층의 예비경사 각도는 50도 이상인 것을 특징으로 하는, 액정 전기광학 소자.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 스트라이프 부분들(24)과 상기 제 3 스트라이프 부분들(22) 사이의 방위 각도 차이는 +90도이고, 제 1 및 제 2 스트라이프 부분들(24,25) 사이와 제 3 및 제 4 스트라이프 부분들(22,23) 사이의 방위 각도 차이는 각각 180도인 것을 특징으로 하는, 액정 전기광학 소자.
  11. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    한 기판(31)에 대응하는 정렬층은 제 1 부분들(35)의 제 1 정렬 방향들(16)의 체커 패턴(chequered pattern)과 제 2 부분들(36)의 제 2 정렬 방향들(29)의 체커 패턴을 포함하며, 다른 기판(30)에 대응하는 정렬층은 제 3 부분들(37)의 제 3 정렬 방향들(14)의 체커 패턴과 제 4 부분들(38)의 제 4 정렬 방향들(19)의 체커 패턴을 포함하며, 상기 기판들(30,31)은 상기 제 1 및 제 2 부분들(35,36)이 상기 제 3 및 제 4 부분들(37,38)와 각각 합동하도록 장착되고, 각 샌드위치 부분들(35 및 37에서의 51, 36 및 38에서의 52)은 픽셀 영역(1)을 형성하는 것을 특징으로 하는, 액정 전기광학 소자.
  12. 제 11 항에 있어서,
    한 기판(31)에 대응하는 제 1 정렬층과 다른 기판(30)에 대응하는 제 2 정렬층의 예비경사 각도는 50도 보다 작은 것을 특징으로 하는, 액정 전기광학 소자.
  13. 제 11 항에 있어서,
    한 기판(31)에 대응하는 제 1 정렬층의 제 1 부분들(35)과 제 2 부분들(36) 사이의 방위 각도 차이는 180도이고; 다른 기판(30)에 대응하는 제 2 정렬층의 제 3 부분들(37)과 제 4 부분들(38) 사이의 방위 각도 차이는 180도이고; 제 1 및 제 3 부분들(35,37) 사이와 제 2 및 제 4 부분들(36,38) 사이의 방위 각도 차이는 90도인 것을 특징으로 하는, 액정 전기광학 소자.
  14. 제 11 항에 있어서,
    제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 부분들(35,36,37,38)은 직사각형 부분들인 것을 특징으로 하는, 액정 전기광학 소자.
  15. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    한 기판(61)에 대응하는 정렬층은 서로 이격된 제 1 부분들(64)의 제 1 정렬 방향들(16)과 상기 제 1 부분들(64) 사이에 제공된 제 2 부분들(65)의 제 2 정렬 방향들(18)을 포함하고, 다른 기판(60)에 대응하는 정렬층은 서로 이격된 제 3 부분들(62)의 제 3 정렬 방향들(14)과 상기 제 3 부분들(62) 사이에 제공된 제 4 부분들(63)의 제 4 정렬 방향들(17)을 포함하고, 상기 기판들(60,61)은 상기 제 1 및 제 2 부분들(64,65)이 상기 제 3 및 제 4 부분들(62,63)와 각각 합동하도록 설치되고, 상기 제 1 부분들(64) 및 제 3 부분들(62)의 영역들은 픽셀 영역들(1)을 형성하는 것을 특징으로 하는, 액정 전기광학 소자.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 부분들(64)의 예비경사 각도는 20도 이하이고, 상기 제 2 부분들(65)의 예비경사 각도는 50도 이상이고, 상기 제 3 부분들(62)의 예비경사 각도는 20도 이하이며, 상기 제 4 부분들(63)의 예비경사 각도는 50도 이상인 것을 특징으로 하는, 액정 전기광학 소자.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 부분들(64)과 상기 제 3 부분들(62) 사이의 방위 각도 차이는 +90도이고, 상기 픽셀 영역에 기여하지 않는 상기 제 4 부분들(63)과 상기 제 2 부분들(65) 사이의 방위 각도 차이는 -90도인 것을 특징으로 하는, 액정 전기광학 소자.
  18. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    한 기판(61)에 대응하는 정렬층은 서로 이격된 제 1 부분들(64)의 제 1 정렬 방향들(16)과 상기 제 1 부분들(64) 사이에 제공된 제 2 부분들(65)의 제 2 정렬 방향들(18)을 포함하고, 다른 기판(60)에 대응하는 정렬층은 서로 이격된 제 3 부분들(62)의 제 3 정렬 방향들(14)과 상기 제 3 부분들(62) 사이에 제공된 제 4 부분들(63)의 제 4 정렬 방향들(17)을 포함하고,
    쌍안정 또는 다중안정 상태들(φ+, φ-) 사이의 전환은 각각 제 1 부분들(64)과 제 3 부분들(62)의 경계부를 따른 다른 서브 영역(sub-area)들에서 다른 에너지를 필요로 하고,
    픽셀 영역들(1)이 상기 제 1 부분들(64)의 경계부에 따른 제 1 선택 서브 영역들(71,72)과 상기 제 3 부분들(62)의 경계부에 따른 제 2 선택 서브 영역들(73,74)에 의해서 제한되도록, 상기 제 1 부분들(64)과 상기 제 3 부분들(62)의 영역들이 픽셀 영역들(1)을 형성하는 방식으로, 기판들(60,61)이 설치되고,
    상기 제 1 및 제 2 선택 서브 영역들(71,72,73,74)은 상기 제 1 부분들(64)과 상기 제 3 부분들(62)의 경계부에 따른 잔여 서브 영역들보다 (a) 더 큰 전환 에너지를 필요한 경우 또는 (b) 더 작은 전환 에너지를 필요한 경우에 따르는 것을 특징으로 하는, 액정 전기광학 소자.
  19. 제 18 항에 있어서,
    기판들(60,61)은 상기 제 1 및 제 2 부분들(64,65)이 상기 제 3 및 제 4 부분들(62,63)과 각각 합동하지 않고 방향(80)으로 이동하는 방식으로 설치되는 것을 특징으로 하는, 액정 전기광학 소자.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 부분들(64)의 예비경사 각도는 20도 이하이고, 상기 제 2 부분들(65)의 예비경사 각도는 50도 이상이고, 상기 제 3 부분들(62)의 예비경사 각도는 20도 이하이고, 상기 제 4 부분들(63)의 예비경사 각도는 50도 이상인 것을 특징으로 하는, 액정 전기광학 소자.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 부분들(64)과 상기 제 3 부분들(62) 사이의 방위 각도 차이는 +90도이고, 상기 픽셀 영역에 기여하지 않는 상기 제 4 부분들(63)과 상기 제 2 부분들(65) 사이의 방위 각도 차이는 -90도인 것을 특징으로 하는, 액정 전기광학 소자.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 부분들(64)과 상기 제 3 부분들(62)은 다른 형태이고, 상기 제 1 부분들(64)의 일부는 상기 제 4 부분들(63)과 겹쳐지고 상기 제 2 부분들(65)의 일부는 상기 제 3 부분들(62)과 겹쳐지는 것을 특징으로 하는, 액정 전기광학 소자.
  23. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 정렬층에서의 정렬 방향들은 포토 정렬을 통해서 생성되는 것을 특징으로 하는, 액정 전기광학 소자.
  24. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 액정 전기광학 소자를 포함하는 액정 디스플레이 장치.
  25. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 액정 전기광학 소자의 각 전극들을 픽셀들을 갖는 스캐닝(scanning) 전극 그룹과 신호(signal) 전극 그룹으로 형성하여 매트릭스가 배치되고, 상기 픽셀들은 상기 스캐닝 전극 그룹과 상기 신호 전극 그룹의 교차에 의해서 형성되는 액정 디스플레이 장치.
  26. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 액정 전기광학 소자를 포함하는 전기광학 셔터.
  27. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 액정 전기광학 소자를 포함하는 공간적인 라이트 모듈레이터.
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