KR100857952B1 - 액정 디스플레이용 컴펜세이터 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 액정 디스플레이용 컴펜세이터 요소는 하나 이상의 폴리시클릭 유기 화합물에 의해 형성된 이축의 네가티브 복굴절 물질의 하나 이상의 층을 포함한다.

Description

액정 디스플레이용 컴펜세이터 {COMPENSATOR FOR LIQUID CRYSTAL DISPLAY}
본 발명은 액정 디스플레이(LCD)의 디자인에 관한 것이며, 보다 특히 광범위한 시야각에 걸쳐 상대적 그레이 레벨(gray level)에서 높은 콘트라스트비(contrast ratio) 및 최소 분산(minimal variance)을 유지시킴으로써 이러한 디스플레이의 시야각을 최대화시키는 기술에 관한 것이다.
액정 디스플레이(LCD)는 시계, 사진기, 공학 기기, 컴퓨터, 평면 TV, 프로젝션 스크린 및 대형 정보화 기기에 광범위하게 사용되고 있다. 많은 액정 디스플레이스에서 정보는 패턴으로 배열된 다수의 세그먼트화된 전극에 의해 생성되는 숫자 또는 문자로 된 열의 형태로 제공된다. 세그먼트는 개개의 리드(lead)에 의해 구동하는 전자기기에 접속되어, 전압을 적합한 세그먼트 조합에 인가시켜 세그먼트를 통해 통과되는 빛을 제어함으로써 목적하는 정보를 디스플레이한다. 그래픽 정보 또는 텔레비젼 디스플레이는 두 셋의 직각을 이루는 전도체 간에 X-Y 순차적 주소지정 체계(X-Y sequential addressing scheme)에 의해 연결되는 화소(pixel)의 행렬에 의해 달성될 수 있다. 보다 진보된 주소지정 체계는 개개의 화소에서 구동 전압을 제어하기 위해 박막 트랜지스터 어레이를 사용한다. 이러한 체계는 트위스트 네마틱(twisted nematic) 액정 디스플레이에 주로 적용되지만, 또한 고성능 형 태의 슈퍼 트위스트(super twist) 액정 디스플레이에도 사용된다.
이상적인 디스플레이는 균등한 콘트라스트 및 색 부여, 상이한 각도 하에서의 바라봄, 정상 관찰 방향으로부터의 편향을 나타내야 한다. 그러나, 네마틱 액정에 기초한 상이한 종류의 디스플레이는 콘트라스트의 각 의존도를 지닌다. 즉, 수직 관찰 방향으로부터 편향되는 각에서, 콘트라스트가 낮아지게 되어 정보의 가시성(visibility)이 감소된다. 네마틱 LCD에 통상적으로 사용되는 물질은 광학적으로 단축으로 포지티브 복굴절을 나타내며, 이는 통상의 굴절 지수인 no보다 큰 특이적인 굴절 지수 ne를 나타낸다: Δn = ne - no > 0. 빗각 하에서 디스플레이의 가시성은 네가티브 복굴절(Δn < 0)을 지닌 광학 컴펜세이터(compensator)를 사용함으로써 개선될 수 있다. 또한, 콘트라스트의 손실은 큰 시야각에서 흑색 상태 화소를 통한 누광에 의한 것이다. 칼라 액정 디스플레이에서, 이러한 누광은 또한 포화된 등급 및 그레이 등급 색상 둘 모두에 대해 심각한 색 변동을 초래한다. 이러한 제약은 조종사 디스플레이의 부기장 시야가 중요한 항공전자 분야에 특히 중요하다. 광범위 시야에 대해 고품질의 높은 콘트라스트 이미지를 제공할 수 있는 액정 디스플레이를 제공하는 것은 당해 상당히 유익할 것이다.
액정 상태로 배향되는 디스코틱(discotic) 네마틱 또는 단축 칼럼 상을 포함하는 광학 컴펜세이터가 EP 0 656 559에 기술되어 있다. 고체-디스코틱 상전이는 매우 높으며, 이에 따라 200℃ 초과 온도로의 가열이 필요하다. 이는 불편한 절차이며, 상당히 민감성인 물질로 분해를 일으킬 수 있다.
광학 컴펜세이터에 대해 디스코틱 물질을 사용하는 것의 개선점은 미국 특허 제 5,699,136호에 기술되어 있다. 상기 물질은 매우 다양한 화학 구조를 포함하는, 폴리머 매트릭스에서 배향된 분자량 액정으로 이루어진 광학적 네가티브 복굴절을 지닌 디스코틱 네마틱 상을 포함한다. 이들 상은 모두 현격히 상승된 온도에서 물질을 액정 상태로 변형시킨 후, 정렬층 또는 전기장 또는 자기장을 적용시키면 디스코틱 액정 상태로 배향되어야 한다. 광축은 시트 표면에 수직인 방향에 대해 10 내지 40°의 각만큼 기울어진다.
디스코틱 네마틱 상의 상 전이 온도를 적어도 10℃ 만큼 낮추는 방법이 EP 0 676 652 A2에 기술되어 있으나, 상기 전이 온도는 여전히 105℃ 이상으로 높다. 이는, 상기 방법은 또한 상기 단점과 연결된 층의 강력한 가열을 요구한다는 것을 의미한다.
또한, 다층 박막 컴펜세이터가 광범위한 시야에 걸쳐 고품질의 높은 콘트라스트 이미지를 제공할 수 있는 액정 디스플레이를 제공하기 위해 사용된다. 상기 다층 컴펜세이터는 각각 제 1 굴절 지수 및 제 1 두께를 지닌 다수의 제 1층과, 이와 교호되는, 각각 제 2 굴절 지수 및 제 2 두께를 지닌 다수의 제 2 층을 포함한다. 제 1 및 제 2 굴절 지수 및 두께의 값은 다층의 상 지연이 크기는 균등하지만, 선결된 시야각 범위에 걸쳐 호메오트로피컬(homeotropical) 배열된 상태에서 액정 층의 상 지연에 대해 부호가 반대이다.
유기 이색성(dichroic) 염료는 바람직한 광학 및 작업 특성을 지닌 광학적 비등방성 막 제조에 있어서 최근 우세한 새로운 부류의 물질이다. 이들 물질을 기 재로 하는 막은 염료 분자에 의해 형성된 초분자의 액정(LC) 수용액을 기재 표면에 코팅하고 이어서 물을 증발시킴으로써 형성된다. 생성된 막은 미국 특허 제 2,553,961호에 기술된 바와 같이 하부 기재 표면의 예비 기계적 서열화(ordering)에 의해, 또는 미국 특허 제 5,739,296호 및 제 6,174,394호에 기술된 바와 같이 액정 기재 물질 상의 코팅에 외부의 기계적, 전자기적 힘, 또는 다른 배향성 힘을 인가함으로써 비등방성이 부여된다.
광학 비등성 막을 제조하기 위한 새로운 타입의 물질은 종래 기술에 공지되어 있다. 이와 같은 막은 초분자를 기재로 하는 리오트로픽 액정으로부터 형성된다. 칼럼에서 염료 분자의 실질적인 서열화는 이러한 메조상(mesophase)의 사용이 배향된 강력하게 이색성인 막을 형성시키도록 한다. 초분자 액정 메조상을 형성하는 염료 분자는 특별하다. 이들 분자는 염료의 수용해도를 결정하는 분자 주변에 위치하는 작용기를 함유한다. 유기 염료 메조상은 문헌(J. Lydon, Chromonics, Handbook of Liquid Crystals, (Wiley VCH: Weinheim, 1998), V. 2B, p. 981-1007)에 보다 자세히 기술된 바와 같이, 특이적인 구조, 상태도, 광학 특성 및 용해 능력에 의해 특징된다.
높은 광학 비등방성에 의해 특징되는 비등방성 막은 이색성 염료에 기초한 LLC 시스템으로부터 형성될 수 있다. 이러한 막은 초분자 착물에 의한 광흡수로 인한 E-타입 편광층의 특성, 및 지연제의 특성 둘 모두를 나타낸다. 지연제는 흡수성이 결여되어 있는 그러한 스펙트럼 영역에서 상 지연 특성을 지닌 막이다. 막의 상 지연 특성은 이들의 이중 굴절 특성인 LC 용액 증착의 방향 및 증착 방향에 수직인 방향에서 상이한 굴절 지수에 의해 측정된다. 막 형성에 고강도 염료가 사용될 경우, 막은 또한 높은 열적 및 광 안정성에 의해 특징된다.
증착 조건의 조작을 통해 염료 기재 막을 제조하는 새로운 방법을 개발하는 것을 목표로 하는 집중적인 연구가 최근 진행 중이다. 추가의 관심 분야는 리오트로픽 액정의 신규 조성물을 개발하는 것이다. 신규 LLC 조성물은 공지된 염료에 개질화, 안정화 계면활성제 및 그 밖의 첨가제를 도입시킴으로써 막 특성을 개선시키는 것을 통해 개발될 수 있다. 이러한 공정에 대해 보다 자세한 논의는 미국 특허 제 5,739,296호 및 제 6,174,394호, 그리고 유럽 특허 출원 공개 제 961138호에 제시되어 있다.
본 발명의 목적은 상이한 타입의 LCD를 위한 보상 플레이트(특히: "네가티브 A-플레이트", "포지티브" 및 "네가티브 C-플레이트")를 제조하는 간단하고 신뢰성있는 방법을 제공하는 것이다.
발명의 요약
결정 구조의 이축 네가티브 복굴절 물질의 하나 이상의 층을 포함하는 컴펜세이터 디자인은 광범위한 시야각에 걸쳐 액정 디스플레이의 콘트라스트비 및 색상 부여 특성에 있어서 상당히 개선시킬 수 있다.
액정 디스플레이용 컴펜세이터는 작동 범위에서 투명한 이축 네가티브 복굴절 물질의 하나 이상의 층을 포함하며, 이러한 복굴절 물질은 컨쥬게이트된 π-시스템을 지닌 하나 이상의 폴리시클릭 유기 화합물에 의해 형성된 결정 구조를 지니며, 3.4±0.3Å의 분자간 거리가 예외적 광축의 방향으로 존재한다.
도 1은 광학적 비등방성 매질의 일반적인 경우에서의 주요 유전 텐서(dielectric tensor) 축 배향을 도시한 것이다.
도 2는 네가티브 A-플레이트 컴펜세이터의 경우에서의 주요 유전 텐서 축 배향을 도시한 것이다.
도 3은 포지티브 A-플레이트 컴펜세이터의 경우에서의 주요 유전 텐서 축 배향을 도시한 것이다.
도 4는 포지티브 C-플레이트 컴펜세이터의 경우에서의 주요 유전 텐서 축 배향을 도시한 것이다.
도 5는 네가티브 C-플레이트 컴펜세이터의 경우에서의 주요 유전 텐서 축 배향을 도시한 것이다.
도 6은 액정 디스플레이의 광학 구조(선행 기술)을 보여주는 블록도이다.
도 7은 본 발명에 따라 제조된 막에 있어서 파장에 대한 굴적 지수 텐서 성분(nx, ny, nz)의 의존도를 나타낸다.
도 8은 정렬 방향에 평행 및 수직으로 측정된 "무색 물질"(설폰화된 아세나프톨[1,2-b]-퀴녹살린 유도체)로부터 제조된 막에 있어서 파장에 대한 굴절 지수(ne, no) 및 흡광 계수(ke, ko)의 의존도를 나타낸다.
도 9는 O-플레이트 컴펜세이터를 지닌 액정 디스플레이의 광학 구조를 보여주는 블록도이다.
도 10은 본 발명에 따른 액정 디스플레이의 광학 구조를 보여주는 블록도이다.
도 11(a) 및 (b)는 교차된 O-타입 편광층 사이의 o-플레이트에 의해 보상된 트위스트 LC 층에 대한 코노스코피(conoscopy)(a) 및 콘트라스트비 맵(b)이다.
도 12(a) 및 (b)는 본 발명에 따른 o-플레이트 및 A- 및 C-플레이트에 의해 보상된 트위스트 LC 층에 대한 코노스코피 (a) 및 콘트라스트비 맵(b)이다.
요구되는 광학 보상의 타입은 사용되는 디스플레이의 타입, 즉, 노멀리 블랙(normally black) 또는 노멀리 화이트(normally white)에 의존한다.
모든 광학적 비등방성 매질은 제 2위 유전 텐서에 의해 특징된다. 컴펜세이터 플레이트의 분류는 플레이트의 자연 좌표틀과 관련한 특정 유전 텐서의 주축의 방향과 긴밀하게 연결된다. 상기 플레이트의 자연 xyz 좌표틀은 z축이 수직 방향에 대해 평행이 되는 방식으로 선택된다.
주축의 방향은 세개의 오일러 각(Euler angel), 즉, θ,
Figure 112007070025645-pct00001
, ψ에 의해 특징될 수 있으며, 이들은 주요 유전 텐서 성분(εA, εB, εC)과 함께 상이한 타입의 광학 컴펜세이터를 특이적으로 정의한다(도 1). 유전 텐서의 주 성분 모두가 불균등한 경우는 이축 컴펜세이터에 해당한다. 이러한 경우에, 플레이트는 두개의 광축을 갖는다. 예를 들어, εA< εB< εC인 경우, 이들 광축은 C축에 대해 양측 상에 C 및 A 축의 면에 존재한다. εA= εB 경우 일축에서, 본 발명자들은 이들 두개의 축이 단지 단일 광축인 C 축과 일치하는 겹쳐진 경우를 갖는다.
C축과 z축 간의 천정각 θ은 상이한 컴펜세이터 타입의 정의에서 매우 중요하다.
플레이트가 오일러 각 θ= π/2 및 εA= εB,≠ εC에 의해 정의되는 경우, "A-플레이트"로 불리운다. 이러한 경우에, 주 C축은 플레이트의 면(xy-면)에 있게 되는 반면, A축은 면 표면에 수직이다(일축 겹침으로 인해, A 및 B 축의 직교 배향은 xy-면에 수직인 면에서 임의로 선택될 수 있다). εA= εB< εC인 경우, 플레이트는 "포지티브 A-플레이트"로 불리운다(도 2). 반대로, εA= εB >εC인 경우, 플레이트는 "네가티브 A-플레이트"로서 정의된다(도 3).
일축 C-플레이트는 오일러 각 θ=0 및 εA= εB,≠ εC에 의해 정의된다. 따라서, 주 C축은 플레이트 표면(xy-면)에 대해 수직이다. εA= εB< εC인 경우, 플레이트는 "포지티브 C-플레이트"로 불리운다(도 4). 반대로, εA= εB >εC인 경우, 플레이트는 "네가티브 C-플레이트"로서 정의된다(도 5).
A-플레이트 경우와 유사하게, C-플레이트는 포지티브(εA= εB< εC)이거나 네가티브(εA= εB >εC)일 수 있다.
노멀리 블랙 디스플레이(도 6)에서, 트위스트 네마틱 셀(1)은 편광층(2 및 3) 사이에 위치하며, 이의 투과축은 서로 평행하고, 셀의 후면(즉, 관찰자로부터 떨어진 셀의 측면)에서 액정의 방향자의 방향에 대해 평행하다.
트위스트 네마틱 셀(1)은 일반적으로 두개의 평행한 평평한 플레이트(4 및 5)를 포함하며, 그 내면은 광학적으로 투명한 유도 물질 및 정렬층의 패턴으로 코팅되어 있다(도면에는 미도시됨). 플레이트 간의 공간은 액정(6)으로 충전되어, 5-20mkm 두께의 층을 형성하고, 전기장의 영향 하에서 광학 특성을 변화시키는 활성 매질의 역할을 한다. 비활성화 상태(전압이 인가되지 않음)에서, 일반적으로 역광으로부터의 입사광은 제 1 편광층에 의해 편광되고, 셀을 통과함에 있어서 셀의 트위스트각(twist angle)에 의해 회전된 편광 방향을 갖는다. 이는 후속되는 단열에 의해 초래되며, 이는 또한 도파 효과(waveguiding effect)로서 공지되어 있다. 트위스트각은 광이 출력 편광층에 의해 차단되도록 90°로 설정된다. 전압이 셀에 걸쳐 인가되는 경우, 액정 분자는 전기장과 보다 가깝게 배열되도록 되어 트위스트 네마틱 대칭을 제거한다. 이러한 방향에서 셀의 광축(c-축)은 셀 벽에 직각을 이룬다. 이후, 액정층은 일반적으로 입사광에 대해 등방성을 나타내어 도파 효과를 제거함으로써 편광 상태가 액정 층을 통한 전파에 의해 변하지 않도록 하며, 이러한 광이 출력 편광층을 통과할 수 있도록 한다. 패턴은 밝게 나타나게 되는 디스플레이의 부분에 전압을 선택적으로 인가함으로써 디스플레이에 기록될 수 있다.
그러나, 광각에서 바라보는 경우, 노멀리 블랙인 디스플레이의 어두운(비활성화 상태의) 영역은 이러한 각에서 액정을 통과하는 광에 대해 각 의존성 지연 효과로 인해 밝게 보일 것이다. 즉, 오프-노멀(off-normal) 입사광이 편광의 각 의존성 변화를 감지한다. 콘트라스트는 트위스트 셀의 것과 유사한 광학 대칭을 가지나, 그 효과를 역전시키는 보상 요소를 사용함으로써 회복될 수 있다. 한 방법은 역나선성의 트위스트 셀을 갖는 활성 액정 층을 사용하는 것이다. 다른 방법은 하나 이상의 A-플레이트 지연 컴펜세이터를 사용하는 것이다. 이러한 보상 방법은, 보상 요소가 트위스트 네마틱 셀을 갖는 광학 대칭을 공유하기 때문에 작용한다; 둘 모두 수직의 광전파 방향에 직교하는 예외 축을 갖는 일축 복굴절 물질이다. 보상에 대한 이들 방법은 요구되는 광학 대칭을 지닌 물질의 즉석 이용성으로 인해 광범위하게 사용되어 왔다.
이러한 보상 기술의 유효성에도 불구하고, 노멀리 블랙 작동 모드와 관련된 상기 방법에는 문제점이 있다. 노멀리 블랙 디스플레이의 화면배색(appearance)이 셀 갭(cell gap)에 매우 민감하다는 것이다. 결과적으로, 균일한 어두운 화면배색을 유지시키기 위해서는 액정 셀을 매우 두껍게 만들 필요가 있거나(이는 수용하기 힘든 긴 액정 반응 시간을 초래한다), 구치-태리(Gooch-Tarry)에서 작업할 필요가 있다. 그러나, 이러한 방법은 액정 셀 갭에 대해 달성하기 어려운 생산 허용오차를 부과한다. 또한, 역트위스트 보상 기술은 제 2 액정 셀을 광학 트레인(optical train)에 삽입할 것을 요하며, 이는 디스플레이에 상당한 비용, 중량 및 크기를 부가시킨다. 이러한 이유로, 이들 단점을 피하기 위해 노멀리 화이트 디스플레이를 보상하는 것이 매우 바람직할 수 있다.
노멀리 화이트 디스플레이구성에 있어서, 90°트위스트 네마틱 셀은 교차되는 편광층 사이에 위치함으로써, 각 편광층의 투과축이 그것에 인접하는 셀의 영역에서 액정 분자의 방향자 방향에 평행이 된다. 이것은 노멀리 블랙 디스플레이의 것으로부터 빛과 어둠의 의미를 역전시킨다. 비활성화된(인가되는 전압이 없음) 영역은 노멀리 화이트 디스플레이에서 밝게 나타나는 반면, 활성화된 영역은 어둡게 나나탄다. 광각에서 바라보는 경우에 밝게 나타나는 외견상 어두운 영역의 문제점이 여전히 나타나지만, 그 이유가 다르며, 이의 보정은 상이한 타입의 광학 보상 요소를 필요로 한다. 활성화 영역에서, 액정 분자는 인가된 전기장에 의해 정렬하는 경향이 있다. 이러한 정렬이 완벽할 경우, 셀내 모든 액정 분자는 기재 유리에 수직인 장축을 가질 것이다. 호메오트로픽(homeotropic) 배치로서 공지된 이러한 배열은 포지티브 복굴절 C-플레이트의 광학 대칭을 나타낸다. 활성화 상태에서, 노멀리 화이트 디스플레이는 일반적으로 입사광에 등방성을 나타내며, 이는 교차된 편광층에 의해 차단된다.
시야각에 의한 콘트라스트의 손실은 호메오트로픽 액정 층이 오프-노멀 광에 대해 등방성을 나타내지 않기 때문에 발생한다. 오프-노멀 각으로 향한 빛은 상기 층의 복굴절로 인해 두개의 모드로 전파되고, 이들 모드 간에 빛의 입사각에 의해 증가하는 상 지연이 일어난다. 입사 각에 대한 이러한 상 의존도는 편광 상태에 타원율을 도입시켜 제 2 편광층에 의해 불완전하게 소멸되어 누광을 일으킨다. C-플레이트 대칭으로 인해, 복굴절은 방위각 의존성을 갖지 않는다. 분명히 필요한 것은 C-플레이트 대칭에서 또한 네가티브(ne < no) 복굴절을 지닌 광학 보상 요소이다. 이러한 컴펜세이터는 액정 층에 의한 표시에서 있어서 반대로 상지연을 도입시킬 것이며, 이에 따라 원래의 편광 상태로 회복시켜 빛이 출력 편광층에 의해 차단되게 할 것이다.
이러한 기술은 요구되는 광학 대칭을 지닌 C-플레이트 컴펜세이터를 구성하는 것이 어렵거나 불가능하였기 때문에 과거에는 사용되지 않았다. 네가티브 C-플레이트 광학 대칭 및 요구되는 균일성을 지닌 대형 막을 수득하기 위해 폴리머를 신장시키거나 압축시킬 방법이 없었고, 사파이어와 같은 네가티브 복굴절 결정으로부터 컴펜세이터를 형성하는 것도 가능하지 않았다. 이러한 컴펜세이터가 효과적이기 위해서는, 이러한 플레이트의 상 지연이 액정의 상 지연과 동일한 크기를 가져야 하고, 또한 액정의 상 지연의 변화와 동일한 비율로 시야 각에 의한 변화를 가져야 할 것이다. 이러한 제약은 네가티브 플레이트의 두께가 10mkm 정도여서, 플레이트 표면이 평행하게 남아있도록 보장하면서 올바른 (네가티브) 복굴절을 지닌 극히 얇은 플레이트의 연마를 필요로 할 것이기 때문에, 이러한 방법을 달성하기 매우 어렵게 만든다. 이러한 디스플레이는 크기가 상대적으로 크기 때문에, 충분한 크기의 네가티브 복굴절 결정의 이용가능성이 또한 큰 장애가 될 것이다. 교차된 A-플레이트 컴펜세이터를 사용하는 보상 기술이 제안되어 왔다. 그러나, 이러한 배열은 방위각(C-플레이트) 대칭을 지닌 컴펜세이터를 생성할 수 없다. 이러한 문제점 때문에, 당해에서는 적합한 컴펜세이터를 이용할 수 있는 경우에 노멀리 화이트 타입이 보다 우수한 품질의 디스플레이를 제조할 수 있음에도 불구하고, 노멀리 블랙 디스플레이에 의존하여 왔다.
액정 디스플레이에 대한 상기 기술된 컴펜세이터는 방향족 폴리시클릭 화합물을 기재로 하는 결정 박막(thin crystal film: TCF)인 이축 네가티브 복굴절 물질의 하나 이상의 층을 포함한다. 상기 물질은 일반적으로 이축 네가티브 특징, n1 0 ≥ n2 0 ≥ ne을 지닌다. 동일 물질의 예외 광축은 항상 정렬 방향과 일치한다. 실제 적용을 위해, 결정 박막은 일축 막으로서 간주될 수 있다: n1 0
Figure 112007070025645-pct00002
n2 0.
필요한 조건은 분자의 컨쥬게이트된 방향족 고리 사이의 π-컨쥬게이트 결합의 전개된 시스템의 존재 및 분자의 면에 위치하고 방향족 시스템의 결합과 관련된 기(예컨대, 아민, 페놀, 케톤 등)가 존재하는 것이다. 분자 및/또는 이들의 분자 분획은 평면 구조를 지니며, 용액 중에서 초분자를 형성할 수 있다. 또 다른 필요 조건은 초분자 스택에 π 오비탈이 최대 중첩하는 것이다. 컴펜세이터를 제조하기 위한 원료의 선택은 이러한 화합물의 스펙트럼 특징을 다룬다.
TCF를 얻기에 적합한 방향족 폴리시클릭 화합물은 일반식 {R}{F}n에 의해 특징되며, 여기에서, R은 π 전자 시스템을 특징으로 하는 폴리시클릭 분획이고, F는 비극성 또는 극성 용매(수성 매질 포함) 중에서 주어진 화합물의 용해도를 보장하는 개질화 작용기이고, n은 작용기의 수이다.
상기 TCF는 옵티바, 인코포레이티드에 의해 개발된 소위 캐스케이드(Cascade) 결정화 공정으로 불리우는 방법에 의해 얻어질 수 있다[참조: P. Lazarev and M. Paukshto, Proceedings of the 7th International Workshop "Displays, Materials and Components"(Kobe, Japan, November 29-December 1, 2000), pp. 1159-1160]. 상기 방법에 따르면, 적합한 용매 중에 용해된 이러한 유기 화합물은 콜로이드 시스템(리오트로픽 액정 용액)을 형성하고, 여기에서 분자들이 시스템의 키네틱 단위(kinetic unit)를 구성하는 초분자로 응집된다. 이러한 액정 상태는 본질적으로 시스템의 정렬된 상태의 전구체이며, 이로부터 고체 비등방성 결정막(때로는 소위 박막 결정(thin-film crystal), TCF로 일컫어짐)이 후속되는 초분자의 정렬 및 용매의 제거 과정으로 형성된다.
콜로이드 시스템으로부터 초분자에 의해 결정 박막을 합성하기 위한 방법은 하기 단계를 포함한다:
(i) 상기 언급된 콜로이드 시스템을 기재(또는 소자 또는 다층 구조내 어느 한 층) 상에 도포하는 단계로서, 상기 콜로이드 시스템은 분산 상의 특정 농도 및 미리 맞춰진 온도를 유지시킴으로써 제공되는 틱소프로프(thixotropic) 특성을 지녀야 한다;
(ii) 도포된 콜로이드 시스템을 용액의 점도를 감소시키는 임의의 외부 작용(가열, 시어 스트레이닝(shear straining))에 의해 높은 유동(감소된 점도) 상태로 전환시키는 단계로서, 이러한 작용은 전체 후속 정렬 단계 동안에 또는 마지막에 최소한의 필요한 시간 동안에 인가될 수 있으며, 이로써 시스템이 정렬 단계 동안에 증가된 점도를 갖는 상태로 이완되지 않을 것이다;
(iii) 기계적 인자를 사용하거나 임의의 다른 수단에 의해 일어날 수 있는, 시스템에 대한 외부 정렬 작용 단계로서, 외부 작용의 정도는 콜로이드 시스템의 키네틱 단위가 비등방성 박막 결정의 결정 격자의 베이스(base)로서 작용할 수 있는 구조를 형성하고 필요한 방향을 획득하기에 충분해야 한다;
(iv) 외부 작용으로 인해 달성된 감소된 점도의 상태로부터 층의 정렬된 영역을 초기 또는 보다 높은 점도의 상태로 전환시키는 단계로서, 이러한 전이는 비등방성 박막 결정 구조의 방향상실을 유발시키지 않도록, 그리고 표면 결함을 생성하지 않도록 수행된다;
(v) 비등방성 박막 결정 구조가 형성되는 과정에서 용매를 제거(건조)하는 최종 단계로서, 이 단계는 또한 초분자의 구조 및 손상되지 않은 컨쥬게이트된 방향족 결정 층의 결정 구조를 유지하면서 상기 결정 수화물 구조로부터 물 분자를 완전히 또는 적어도 부분적으로 제거할 수 있도록 선택되는 지속시간, 특성, 및 온도에 의해 특징되는 추가의 열처리(어닐링)를 포함할 수 있다.
형성되는 비등방성 TCF에 있어서, 분자 면은 서로 평행하고, 분자는 층의 적어도 일부에 3차원 결정 구조를 형성한다. 제조 기술의 최적화는 단결정 막의 형성을 가능하게 할 수 있다. 이러한 막이 네가티브 A-플레이트 및 네가티브 또는 포지티브 C-플레이트를 제조하기 위한 베이스로서 본 발명에서 기술된다.
TCF 두께는 보통 대략 1mkm를 초과하지 않는다. 막 두께는 도포된 용액 중의 고형 물질의 함량을 변경시킴으로써, 그리고 도포된 층 두께를 변화시킴으로써 조절될 수 있다. 목적하는 광학 특성을 지닌 막을 얻기 위해서는, 혼합된 콜로이드 시스템(이러한 혼합물은 결합(joint) 초분자를 형성할 수 있다)을 사용하는 것이 가능하다.
용액 중 유기 화합물의 혼합은 가변적 조성의 혼합 응집물을 형성시킨다. 염료 혼합물에 대한 X선 회절 패턴의 분석은 3.1 내지 3.7Å 범위의 면간 거리에 상응하는 특징적인 회절 피크의 존재에 의해 초분자내 분자 패킹에 대해 판단할 수 있게 한다. 일반적으로, 이러한 값은 결정 및 응집물의 형태로 방향족 화합물에 대해 통상적이다. 그러나, 피크 강도 및 예리함은 건조 과정에서는 증가하나, 피크 위치에서는 변화가 없는 것으로 관찰된다. 이러한 회절 피크는 응집물(스택)내에서 분자간 거리에 해당하며, 다양한 물질의 X선 회절 패턴에서 관찰되었다. 혼합은 분자(또는 이의 분획)의 면 구조에 의해, 그리고 고려 중인 유기 화합물 중 한 분자 치수의 일치에 의해 유리하게 된다. 도포된 수성 층에서, 유기 분자는 한 방향으로 장거리 질서를 지니며, 이는 기재 표면 상의 초분자의 정렬과 관련된다. 용매가 증발됨에 따라, 분자가 3차원 결정 구조를 형성하는 것이 매우 유리할 수 있다.
컴펜세이터가 작동 범위에서 비흡수성인 화합물을 사용하는 것이 필요하다. 새로운 화합물 계열, 즉, 아세나프토[1,2-b]퀴녹살린 설포유도체가 합성되었으며, 이는 광학 컴펜세이터의 구성에 매우 적합하다. 이들 화합물은 하기 일반식을 갖는다:
Figure 112007070025645-pct00003
상기 식에서,
n은 1 내지 4의 정수이고; m은 0 내지 4의 정수이고; z는 0 내지 6의 정수이고; m+z+n ≤ 10이고;
X 및 Y는 개별적으로 CH3, C2H5, OCH3, OC2H5, Cl, Br, OH 및 NH2로 이루어진 군으로부터 선택되고,
M은 상대 이온이고,
j는 분자내 상대 이온의 수이다.
다른 구체예에서, 본 발명은 아세나프토[1,2-b]퀴녹살린 설포유도체의 구조식이 하기 구조식(I) 내지 (VIII)로 이루어진 군으로부터 선택되는 컴펜세이터를 제공한다:
Figure 112007070025645-pct00004
(여기에서, m은 0 내지 3의 정수이고, z는 0 내지 6의 정수이다);
Figure 112007070025645-pct00005
(여기에서, m은 0 내지 4의 정수이고, z는 0 내지 5의 정수이다);
Figure 112007070025645-pct00006
(여기에서, m은 0 내지 2의 정수이고, z는 0 내지 6의 정수이다);
Figure 112007070025645-pct00007
(여기에서, m은 0 내지 4의 정수이고, z는 0 내지 4의 정수이다);
Figure 112007070025645-pct00008
(여기에서, m은 0 내지 3의 정수이고, z는 0 내지 5의 정수이다);
Figure 112007070025645-pct00009
(여기에서, m은 0 내지 3의 정수이고, z는 0 내지 4의 정수이다);
Figure 112007070025645-pct00010
(여기에서, m은 0 내지 2의 정수이고, z는 0 내지 5의 정수이다);
Figure 112007070025645-pct00011
(여기에서, m은 0 내지 2의 정수이고, z는 0 내지 4의 정수이다);
상기 식에서,
X 및 Y는 개별적으로 CH3, C2H5, OCH3, OC2H5, Cl, Br, OH 및 NH2로 이루어진 군으로부터 선택되고,
M은 상대 이온이고,
j는 분자내 상대 이온의 수이다.
아세나프토[1,2-b]퀴녹살린 설포유도체로부터 형성된 물질은, 본 발명이 이 화합물만 사용하는 것으로 제한되지 않아야 하지만, 액정 디스플레이를 위한 광학 컴펜세이터를 구성하는 데 매우 적합하다.
본 발명은 가시 스펙트럼 영역에서 흡수하지 않거나 단지 약하게 흡수하고, 리오트로프 액정(LLC) 상을 형성할 수 있는 화합물을 분류하는 것에 확장된다. 막의 높은 광학 비등방성(가시 스펙트럼 영역에서 Δn = 0.6 이하), 및 높은 투명도(소광 계수가 10-3 정도임)는 LCD용 고효율 컴펜세이터가 설계될 수 있도록 한다.
실시예 1
A-플레이트 컴펜세이터를 본 발명에 따라 제조하고, 광학적 특징을 측정하기 위해 분석하였다.
리오트로픽 액정은 14%의 아세나프토[1,2-b]퀴녹살린 설포유도체 혼합물과 0.1%의 PAV(Zonyl FS 300)을 함유하였다. LLC를 유리 기재(디스플레이 유리) 상에 20℃의 온도 및 65%의 상대 습도에서 메이어(Mayer) 막대 #1.5를 사용하여 코팅시켰다. 막을 동일한 습도 및 온도에서 건조시켰다. 제조된 막 두께는 390nm였다.
막의 광학적 특징을 측정하기 위해, 샘플 투과 스펙트럼을 캐리-500(Cary-500) 분광계를 사용하여 400 내지 800nm의 파장 범위에서 편광을 측정하였다. 얻 어진 데이터를 굴절 지수 텐서 성분(nX, nY, nZ)을 계산하는 데 사용하였다(도 7). 여기에서, Z 축은 막 표면에 대해 수직이고, Y 축은 정렬 방향에 대해 평행하다. 제조된 막은 A-플레이트 컴펜세이터이며, 가시 스펙트럼 범위에서 0.24에서 0.48까지 증가하는 높은 지연 특징 Δn = nX - nY를 나타냈다. 낮은 흡광 계수 값(kX ,Y,Z < 2*10-3)이 막의 높은 투명도를 확인시켜 주었다.
실시예 2
A-플레이트 컴펜세이터를 본 발명에 따라 제조하고, 막의 광학적 특징을 측정하기 위해 분석하였다. 12g의 아세나프토[1,2-b]퀴녹살린 설포유도체 혼합물을 20℃의 온도에서 교반하면서 65.0g의 탈이온수에 도입하였다. 이후, 5.3ml의 25% 암모니아 수용액을 첨가하고, 혼합물을 교반하여 완전히 용해시켰다. 이 용액을 회전 증발기 상에서 30%로 농축시키고, 15mm s-1의 선형 속도, 20℃의 온도 및 65% 상대 습도에서 메이어 막대 #2.5를 사용하여 폴리머 기재(SONY-막, "Zeonor") 상에 코팅하였다. 막을 동일한 습도 및 온도에서 건조시켰다. 기재 상의 이 막이 네가티브 A-플레이트 컴펜세이터이다.
막의 광학적 특징을 측정하기 위해, 샘플 투과 스펙트럼을 캐리-500 분광계를 사용하여 400 내지 800nm의 파장 범위에서 편광을 측정하였다. 결과는 430nm 초과의 파장에서 가시 스펙트럼 범위에서 막의 흡광도가 매우 낮다는 것이 입증되었다.
얻어진 데이터를 굴절 지수(ne, n0) 및 정렬 방향에 대해 평행하고 수직인 흡광 계수(ke, k0)를 계산하는 데 사용하였다(도 8). 제조된 막은 광학적 비등방성이며, 가시 스펙트럼 범위에서 0.21에서 0.38까지 증가하는 높은 지연 특징 Δn = no - ne를 나타냈다. 낮은 흡광 계수 값 ko 및 ke가 막의 높은 투명도를 확인시켜 주었다.
실시예 3
C-플레이트 컴펜세이터를 본 발명에 따라 다층 구조로서 제조하였다. 이 컴펜세이터를 하기 방식으로 얻었다. 먼저, 비등방성 층 TCF를 상기 기술된 바와 같이 폴리머 기재 상에 형성시켰다. 이후, 두께가 100nm인 SiO2의 분리층을 증착시키고, 다른 동일한 비등방성 층을 증착시켜 제 1 및 제 2 비등방성 층의 광축 방향이 직각이게 하였다. 임의의 적합한 투명한 물질, 예컨대 락커, 폴리 등이 상기 분리층으로서 사용될 수 있다.
실시예 4
도 9 및 10은 몇몇 보상 플레이트를 포함하는 액정 디스플레이의 광학 구성에 대한 블록도를 도시한 것이다.
도 9에 제시된 바와 같이, 트위스트-네마틱 액정 디스플레이의 개략도가 전통적인 보상 체계에 따라 이루어졌다. 이러한 디자인은 두개의 평행한 평평한 플레이트(4 및 5)로 이루어진 트위스트-네마틱 액정 셀을 포함하고, 플레이트 내표면은 광학적으로 투명한 전도 물질 및 정렬 층(도면에 미도시됨)의 패턴으로 코팅되 어 있다. 플레이트 사이의 공간은 액정(6)으로 충전되어 있다. 컴펜세이터 셋업은 후지 포토 막, 코., 엘티디(Fuji Photo Film Co., Ltd.)에 의해 제조된 두개의 O-플레이트(7 및 8)를 포함한다. 도 11(a) 및 (b)는 컴펜세이터로서 사용된 O-플레이트를 갖는 트위스트 LC에 대한 코노스코피(a) 및 콘트라스트비(b)를 보여준다.
본 발명에 따라 제조된 트위스트-네타믹 액정 디스플레이(도 10)는 트위스트 네마틱 셀(1), 두개의 편광층(2 및 3)을 포함하고, 보상된 셋업은 두개의 O-플레이트(7 및 8), 및 A-플레이트(9), 및 본 발명에 따른 C-플레이트(10)를 포함한다. O-플레이트로서 후지 포토 막 코., 엘티디에 의해 제조된 O-플레이트를 사용하였다. 상기 층에 대한 몇몇 물리적 파라미터가 표 1에 기재된다.
요소 두께, nm C축의 천정각(°) C축의 방위각(°) 광학 비등방성, Δn=ne-no
O 타입의 제 1 편광층, (2) 90 90
O-플레이트, (7) 1 45 0 -0.2
액정 층, (ZLI-3092-000), (6) 4.4 +0.109
O-플레이트, (8) 1 45 90 -0.2
A-플레이트, (9) 0.9 90 90 -0.2
C-플레이트, (10) 1 0 - -0.2
O 타입의 제 2 편광층, (3) 90 0
보상된 셋업은 LC 층 및 편광층 둘 모두를 보상한다. 도 12(a) 및 (b)는 이러한 LCD에 대한 코노스코피(a) 및 콘트라스트비 맵(b)을 보여준다. O-플레이트와 함께 컴펜세이터 셋업이 본 발명에 의해 기술된 A- 및 C-플레이트를 포함하는 광학적 디자인을 갖는 상기 LCD는 종래의 체계와 비교하여 탁월한 콘트라스트-시야각 특성을 보여준다.

Claims (9)

  1. 하나 이상의 복굴절 물질 층을 포함하는 액정 디스플레이용 컴펜세이터(compensator)에 있어서,
    복굴절 물질이 컨쥬게이트된 π-시스템을 갖는 하나 이상의 폴리시클릭 유기 화합물에 의해 형성된 결정 구조를 지니며, 3.4±0.3Å의 분자간 거리가 하나 이상의 광축 방향으로 존재하고,
    상기 유기 화합물이 하기 일반식의 아세나프토[1,2-b]퀴녹살린 설포유도체인 컴펜세이터:
    Figure 112008041377701-pct00033
    상기 식에서,
    n은 1 내지 4의 정수이고; m은 0 내지 4의 정수이고; z는 0 내지 6의 정수이고; m+z+n ≤ 10이고;
    X 및 Y는 개별적으로 CH3, C2H5, OCH3, OC2H5, Cl, Br, OH 및 NH2로 이루어진 군으로부터 선택되고,
    M은 상대 이온이고,
    j는 분자내 상대 이온의 수이다.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 광축이 복굴절 물질 층의 면에 놓여 있고, 상기 광축의 방향과 일치하는 컴펜세이터.
  3. 제 1항에 있어서, 유기 화합물이 -COOH, -SO3H, PO3H, NH2의 군으로부터 선택된 개질화용 이온화 작용기를 포함하는 컴펜세이터.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서, 아세나프토[1,2-b]퀴녹살린 설포유도체의 구조식이 하기 구조식(I) 내지 (VIII)로 이루어진 군으로부터 선택되는 컴펜세이터:
    Figure 112008041377701-pct00013
    (여기에서, m은 0 내지 3의 정수이고, z는 0 내지 6의 정수이다);
    Figure 112008041377701-pct00014
    (여기에서, m은 0 내지 4의 정수이고, z는 0 내지 5의 정수이다);
    Figure 112008041377701-pct00015
    (여기에서, m은 0 내지 2의 정수이고, z는 0 내지 6의 정수이다);
    Figure 112008041377701-pct00016
    (여기에서, m은 0 내지 4의 정수이고, z는 0 내지 4의 정수이다);
    Figure 112008041377701-pct00017
    (여기에서, m은 0 내지 3의 정수이고, z는 0 내지 5의 정수이다);
    Figure 112008041377701-pct00018
    (여기에서, m은 0 내지 3의 정수이고, z는 0 내지 4의 정수이다);
    Figure 112008041377701-pct00019
    (여기에서, m은 0 내지 2의 정수이고, z는 0 내지 5의 정수이다);
    Figure 112008041377701-pct00020
    (여기에서, m은 0 내지 2의 정수이고, z는 0 내지 4의 정수이다);
    상기 식에서,
    X 및 Y는 개별적으로 CH3, C2H5, OCH3, OC2H5, Cl, Br, OH 및 NH2로 이루어진 군으로부터 선택되고,
    M은 상대 이온이고,
    j는 분자내 상대 이온의 수이다.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 컴펜세이터가 네가티브 A-플레이트로서 작동하는 컴펜세이터.
  7. 제 1항에 있어서, 두개 이상의 복굴절 물질 층을 포함하고, 상기 복굴절 물질의 두개의 인접하는 층의 광축이 서로 직각을 이루는 컴펜세이터.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 컴펜세이터가 포지티브 C-플레이트로서 작동하는 컴 펜세이터.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 컴펜세이터가 네가티브 C-플레이트로서 작동하는 컴펜세이터.
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