KR100878991B1 - 액정 셀 시스템 및 액정 시스템 개선 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 액정 재료와, 상기 액정 재료를 밀폐하는 적어도 하나의 투명 기판을 포함하며, 각각의 기판은 전극 수단을 구비하는 액정 셀 시스템에 관한 것으로, 상기 액정 셀 시스템은, 상기 적어도 하나의 액정 셀과 커패시턴스 수단(C) 및/또는 저항 수단(R) 사이에 분압기(voltage divider)가 형성되도록 상기 액정 셀에 접속되는 커패시턴스 수단(C) 및/또는 저항 수단(R)을 더 포함하며, 상기 커패시턴스 수단(C) 및/또는 저항 수단(R)은, 상기 적어도 하나의 액정 셀이 소정의 동작 주파수(f)에 대하여 실질적으로 무임계(thresholdless) V-형 형태의 특성 그래프 "광 투과율 대 외부 인가 전압(V)"을 나타내도록 구성되는 것에 특징이 있다. 본 발명은 또한 액정 셀 시스템을 개선하는 방법에 관한 것이다.
강유전, 투과율, 네마틱, 분극, 점성

Description

액정 셀 시스템 및 액정 시스템 개선 방법{Liquid crystal cell system and method for improving a liquid crystal cell system}
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 액정 셀의 실시예의 등가 회로들을 도시하는 도면.
도 2는 종래 기술에 따른 통상적인 액정 셀을 도시하는 도면.
도 3a 및 도 3b는 종래의 액정 셀의 등가 전기 회로들을 도시하는 도면.
도 4는 종래 기술에 따른 액정 셀의 상이한 동작 주파수들에 대한 투과율 대 인가 전압을 도시한 도면.
도 5는 종래 기술에 따른 액정 셀(곡선 1)과 본 발명에 따른 수정된 액정 셀(곡선 2)의 주파수 함수로서 광 투과율에 대한 임계 전압을 도시한 도면.
도 6a 내지 도 6d는 종래 기술에 따른 셀(도 6a) 및 본 발명에 따른 액정 셀("이력 현상 반전 주파수(hysteresis inversion frequency)"에 대한 도 6b 내지 도 6d)의 V-형 광 투과율 대 외부 인가 전압을 나타내는 그래프.
도 7은 종래 기술에 따른 상이한 셀(도 7a) 및 "이력 현상 반전 주파수"에 대한 본 발명에 따른 각각의 수정된 셀(도 7b)의 V-형 광 투과율 대 외부 인가 전압을 도시한 도면.
도 8은 도 7의 투과율의 측정들에 이용되는 셀의 주파수 함수로서 광 투과율 에 대한 임계 전압을 도시한 도면.
도 9는 본 발명에 따른 셀에 대한 액정 셀의 전압(Ucell), 재분극 전류(repolarization current:Ip), 외부 전압(Utot)의 오실로그램(oscillogram) 형태를 도시하는 도면.
도 10은 상이한 좌표들에서 셀의 광 투과율, 즉 액정 셀의 총 전압의 함수 T(Utot)와 전압의 함수 R(Ucell)를 도시하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 투명 기판
2: 투명 전극막
3: 정렬 층
5: 액정 재료
6: 광원
7: 광전자 증배관
10: 액정 셀
11: 교차 편광자
12: 광빔
50: 액정 셀 시스템
기술 분야
본 발명은 일반적으로 액정 장치 기술에 관한 것으로, 구체적으로는 적어도 하나의 강유전성 또는 반 강유전성 액정 셀을 구비한 액정 셀 시스템에 관한 것이며, 이 셀은 액정 재료 및 상기 액정 재료를 밀폐하는 적어도 2개의 투명 기판들을 포함하며, 각각의 기판은 전극 수단과 상기 액정 재료를 정렬하기 위한 정렬 층(alignment layer)을 구비한다.
또한, 본 발명은 적어도 하나의 액정 셀의 소정의 동작 주파수(f) 및 소정의 동작 전압 범위에 대하여 적어도 하나의 액정 셀을 포함하는 액정 셀 시스템의 실질적으로 무임계 V형 특성 그래프 "광 투과율 대 외부 인가 전압(V)" 을 달성함으로써 액정 셀 시스템을 개선하는 방법에 관한 것이다.
종래 기술
종래 기술의 액정 셀은 적어도 2개의 투명 기판들, 통상은 스페이서들(spacers)에 의해 이격되는 2개의 유리판들로 구성된다. 기판들의 내부 표면들은 투명 전극막으로 커버되며, 그 위에는 일반적으로 상기 기판들 사이에서 밀폐되는 액정 재료를 정렬하는 얇은 정렬층들이 배치된다(하지만, 대체로 이러한 정렬층이 없는 셀을 제공하는 것이 가능함). 이러한 종래의 액정 셀은, 디스플레이들, 광 셔터들(light shutters), 편향기들(deflectors) 및 공간 광 변조기(sptial light modulators) 등과 같은 대다수의 액정 장치들의 주요 기본 엘리먼트이다.
종래에는 상이한 액정 셀 시스템들이 공지되어 있다. 통상적인 액정 셀들은 네마틱(nematic) 액정 구성, 평면, 호메오트로픽(homeotropic), 하이브리드(hybrid), 트위스티드(twisted), 슈퍼트위스티드(supertwisted) 등의 액정 구성을 가진다. 이들은 예를 들면, Wiley-VCH, Weinheim의, Handbook of Liquid Crystals의 Chapter 9, I.C. Sage "Displays"(1998, vol.1, page 731)에서 취해질 수 있는 현대의 디스플레이 기술에 광범위하게 사용된다.
네마틱 액정들은 무극성 재료들이고, 그들의 응답은 인가된 전계의 극성과 무관하다. 따라서, 인가된 전계의 임의 극성에 의해 "온(on)" 상태로 구동될 수 있지만, 전계가 인가되지 않는 경우에는 "오프(off)" 상태로 다시 느리게 완화된다. 이러한 특성은 네마틱 액정들의 전계 응답의 속도를 제한한다.
한편, 카이럴(chiral) 층상(스멕틱(smectic)) 조직을 가진 강유전성 액정들은 고유의 극성을 갖는다. 이러한 셀들은 반대 극성들을 가진 외부 전압에 의해 "온" 및 "오프"(또는 "0", "1")로 구동될 수 있으며, 이러한 스위칭은 전술된 바와 같이 네마틱 액정의 스위칭 보다 훨씬 고속이다. 2개의 강유전성 상태들은 진성 메모리(intrinsic memory)를 가지기 때문에, 쌍안정의 강유전성 액정 셀이 필요에 따라 실현될 수 있다.
또한, 반 강유전성 액정은 2개의 전계 유도 강유전성 상태로 구동될 수 있으며, 이로 인해, 예를 들면, H.Takezoe 등의 "On the Appearance of the Antiferroelectric Phase", Ferroelectric 122, 167(1991)에서 언급되는 바와 같이, 전기 광 응답의 특성 이력 현상이 나타나게 된다.
그러나, 일부 애플리케이션들에서, 이력 현상은 원하지 않은 형태의 전기 광 응답을 초래하며, 이것은 예를 들면, 그레이 스케일의 실현을 허용하지 않는다. 몇 가지 공개 문헌은, 강유전성 액정들(ferroelectric liquid crystals:FLC) 및 반 강유전성 액정들(antiferroelectric liquid crytals: AFLC)의 소위 말하는 "V-형" 또는 "무임계(thresholdless)" 스위칭 모드를 다루고 있으며, 예를 들면, Lagerwall, S,.T, "강유전성 및 반 강유전성 액정", Wiley-VCH, WeinHeim, 1999, page 390을 참조한다. 이 문서에서, 셀은 입사광의 전기 벡터에 따라 양호한 분자 지향(molecular orientation)을 갖는 교차 편광자들(crossed polaizers) 사이에 설치되는 스멕틱 층의 북셀프(bookshelf) 정렬에 대하여 기술된다. 삼각형 전압 파형이 셀에 인가되는 경우, 전계 유도 광 투과(field induced optical transmission)는 (특성 그래프 "광 투과율 대 외부 인가 전압"에서) 임계 및 이력 현상을 전혀 나타내지 않고, 전계의 한 임의 동작 주파수(f)에 대해서만 나타난다. 광 투과 대 외부 인가 전압을 나타내는 특성 그래프가 문자 "V"와 유사하여, 고유 주파수에서의 이 스위칭 모드는 전술되는 바와 같이 "V형" 스위칭 모드로 불리어진다.
"V-형", 즉 "무임계" 스위칭 모드는, 동작 주파수(f)를 변화시키는 경우 이력 현상의 방향이 정상적인 이력 현상에서 비정상적인 이력 현상으로 변화할 때(후자의 경우, 통상적인 의미와는 반대로 광 축(optical axis)은 전계에 대해서 지연되지 않고, 전계 보다 앞서 진행한다) 하나의 임의 주파수에서만 실현된다. 또한, 전술된 바와 같이, 실제 V-형 스위칭 모드는 소위 말하는 이력 현상 반전 주파수에서만 관찰될 뿐만 아니라, 통상적으로 (ⅰ) 0.1Hz 와 수 Hz 사이의 낮은 주파수 범위의 임의 영역, (ⅱ) 두께가 1 내지 2마이크로미터의 액정 층, (ⅲ) 강유전성 및 반 강유전성 액정(FLC 또는 AFLC)을 지향하는 보다 두꺼운 폴리이미드 층에서도 실현된다. 또한, V-형, 즉 무임계 스위칭 모드의 실현은 이용되는 액정 재료에 상당히 의존된다.
상기 "V-형", 즉 "무임계" 스위칭 모드가 발생하는 이유 및 발생하는 시기를 설명하는 몇 가지 모델들이 있지만, 아직 입증된 설명은 알려져 있지 않다.
한 설명(Langevin model)에 따르면, V-형 스위칭 모드가 특정 반 강유전성 액정(AFLC)에 대해서만 관찰될 수 있다고 가정할 경우, 기울기의 방위 방향이 층에서 층으로 "요동(fluctuating)할 때 임의의 부진 위상(frustrated phase)이 나타나고, 전계는 한 방향으로 국부 (단일 층들의) 분극 모두를 "콜렉트(collect)"한다(예를 들면, Takeuchi, M., et al; "V-shaped Switching Due to Frustoelectricity in Antiferroelectric Liquid Crystals", Ferroelectrics, 246, 1(2000) 참조). 이 모델에서, 누적 이온 전하들은(accumulated ionic charges) 이력 현상의 반전에서 중요한 역할을 한다.
다른 모델에 따르면, 소위 말하는 "블록 모델(block medel)", 높은 자발 분극(Ps)을 갖는 임의 종래의 강유전성 액정(FLC)은 균일 지향(uniformly oriented) 국부 자발 분극(Ps)의 블록을 자동적으로 형성하고, 양 인터페이스들에 인접하게 지향성 킹크들(kinks)이 존재한다. 전계의 영향하에서, 전체 블록이 재형성되고, 킹크는 윤활제 역할을 한다. (예를 들면, Rudquist, R. et al, "Unraveling the Mystery of Thrsholdless Antiferroelectricity: High Contrast Analog Electro-Optics in Chiral Smectic C", J.Mat. Chem., 9, 1257(1999) 참조).
상기 모델에 따르면, 강유전성 액정 재료의 매우 높은 자발 분극(Ps)은 소망의 결과를 달성하는데 필요하다.
제 3 모델에 따르면, V-형 스위칭 모드는 중합체 정렬층(polymer aligning layer)에 강유전성 액정(FLC)을 고정시키는 특별한 종류의 자극(磁極)에 의한 것이다(Rudquist, P., et al; "The Hysteretic Behavior of V-shape Switching Smectic Materials", Ferroelectrics, 246, 21(2000)).
전술된 문서는 통상적으로, V-형 스위칭을 위한 메커니즘을 아직 이해시키지 못하고, 상기의 V-형, 즉 무임계 스위칭 모드에 관한 실현은 다소 우연적인 것이며 액정 셀의 매우 낮은 동작 주파수에서만 특히 발생할 수 있음을 보이고 있다.
따라서, 본 발명은, 다양한 액정 재료들 및 다양한 액정 셀 기하학 장치들에 대해서 보다 높은 동작 주파수를 갖는 V-형 즉, 무임계 스위칭 모드에서 동작할 수 있는 적어도 하나의 액정 셀을 포함하는 액정 셀 시스템을 제공하는 것을 목적으로 하며, 이것에 의해 액정 셀 시스템이 보다 용이하게 실현 가능하다. 또한, 본 발명은 소정의 기하학 및 소정의 액정 재료를 갖는 액정 셀 시스템과 소정의 동작 주파수 및/또는 소정의 동작 전압 범위에 대해서 실질적으로 무임계 V-형 스위칭 모드를 달성하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적은 청구항 제 1 항에 따른 액정 셀 시스템과 청구항 제 20 항에 따른 방법에 의해서 달성된다. 청구항 제 2 항 내지 제 19 항은 액정 셀 시스템의 양호한 실시예에 대한 것이고, 청구항 제 21 항 내지 제 25 항은 청구항 제 20 항에 따른 본 발명의 방법에 관한 바람직하고 구체적인 구현들에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 액정 셀 시스템은 적어도 하나의 액정 셀과 커패시티 수단(C) 및/또는 상기 저항 수단(R) 사이에 분압기가 형성되도록 각각의 셀 시스템의 적어도 하나의 액정 셀에 결합되는 커패시턴스 수단(C) 및/또는 저항 수단(R)을 포함한다. 상기 커패시턴스 수단(C) 및/또는 상기 저항 수단(R)은, 상기 적어도 하나의 액정 셀이 적어도 하나의 액정 셀의 소정의 동작 주파수(F)와 소정의 동작 전압 범위에 대하여 실질적으로 무임계 V-형 특성 그래프 "광 투과율 대 외부 인가 전압(V)"를 나타내는 방법으로 구성된다.
이것은 강유전성 또는 반 강유전성 액정 재료로 채워진 전기 광 셀에 상기 액정 셀에 직렬 또는 병렬 접속되는 커패시터들 및/또는 저항기들 및/또는 이들의 다른 조합들을 포함하나 간단한 "전기 회로"를 제공함으로써 실현될 수 있다. 이로써 액정 셀과 상기 전기 회로는 분압기를 형성하고, 복소 분배 비(complex dividing ratio)는 주파수, 인가되는 전계 및 2개의 구현된 임피던스들의 크기, 즉 상기 회로의 임피던스와 상기 액정 셀의 임피던스의 크기에 의존한다.
액정 셀의 임피던스가 전압에 의존하기 때문에, 분배 비, 셀 양단의 전압 및 외부 전압에 대한 그 위상은 셀 스위칭 동안에 변화한다. 이것은 동적 피드백을 제공하고, 시스템에 인가되는 외부 전압에 대한 셀의 전기 광 응답에 동적으로 영향을 미친다.
임의로 선택되는 액정 셀의 강유전성 또는 반 강유전성 액정 재료들이 소망의 동작 주파수(f)에 대하여 원하지 않은 이력 현상의 전기 광 응답을 나타내는 경우(통상적으로 보다 높은 주파수(f)가 요구되는 경우일 때), 액정 셀에 대한 상기 전기 소자의 접속에 의해 체제가 변화되고, 스위칭은 무임계로 되고, 광 투과의 전계 의존은 소위 말하는 V-형을 얻고, 그렇지 않은 경우에는 액정 셀의 특정 기하학뿐만 아니라 특정 강유전성 또는 반 강유전성 혼합물들 및 정렬층의 개발을 요구하거나, 또는 소망의 주파수에 대해서 전혀 불가능해 질 수 있다.
본 발명은 "무임계의, 이력 현상이 없는 V-형" 스위칭이 실질적인 결과가 아닌 외견상의 결과라고 하는 구현에 기초한 것이다. 광 투과율이 "액정 셀의 전체 전압"에 대해서가 아니고 "액정 층의 전압"에 대해서 플롯팅되는 경우, 액정 층의 다이렉터(director)(광축)의 스위칭은 실제로는 임계 및 정상 이력 현상을 나타나며, 상기 액정 층은 항상 내부에 유전체 층들을 포함한다. 이들 층들에 의해, 유전체 층들과 액정 층 사이에 형성되고 분압기가 형성되고, 액정은 함수 발생기(function generator)로부터 액정 셀 시스템의 액정 셀에 인가되는 전압에 대하여 상당한 위상 천이로 전압이 감소된다.
액정 층은 임의 전압 하에서 스위칭 동안에 동적 임피던스를 변화시키기 때문에, 분압 비가 변화된다. 이러한 "피드백" 결과로, 액정 층을 가로지는 전압 파형(및 완성 액정 셀을 가로지르지 않는 전압 파형)은, 외부 인가 전압(Utot)이 삼각형 형태가 아닌 경우에도, 삼각형 형태가 아닌 새로운 형태를 얻게 된다. 광축(다 이렉터) 또는 새로운 파형에 의해 제어되는 액정 재료는 임계 및 이력 현상에 대하여 여전히 회전하지만, 더 복잡한 방법으로 회전하지 않는다. 결국, 광 투과율 대 "셀 양단 전압"은 특정 주파수에 대하여 이력 현상이 나타나지 않는 무임계 V-형 곡선을 나타낸다.
따라서, 전술된 커패시턴스 수단(C) 및/또는 저항 수단(R)을 적어도 하나의 액정 셀 또는 셀 시스템 각각에 접속시킴으로써 액정 재료의 광 투과율에 효과적인 전압 파형에 영향을 미치는 것이 가능해져서, 커패시턴스 및 저항의 값은 V-형 스위칭 모드(V-형 그래프 "광 투과율 대 외부 인가 전압")가 셀의 소망의 동작 주파수에 대해서 달성되도록 셀에 이용되는 액정 재료 및 액정 셀의 기하학에 의존한다.
바람직한 실시예에서, 커패시터 수단(C)은 상기 적어도 하나의 액정 셀과 직렬 접속된다. 또한, 저항 수단은 적어도 하나의 액정 셀과 병렬로 접속하는 것이 바람직하며, 커패시터 수단(C)과 저항 수단(R)의 결합이 특히 바람직하다.
바람직하게는, 커패시터 수단(C)은 액정 층의 커패시터(CLC)의 1/10 내지 10배 사이의 범위 내의 값을 갖도록 선택된다.
바람직한 실시예에 따르면, 저항 수단(R)은 이하의 수학식 1에 따라 선택된다.
Figure 112002024846134-pat00001
여기서, f는 소정의 또는 소망의 동작 주파수이고, RLC 및 CLC는 상기 액정 층의 저항 및 커패시턴스이다. 상기 커패시턴스 수단의 크기에 있어서, 액정 셀 또는 각 시스템에 이용되는 대부분의 기하학적 구성 및 액정 재료는 커버될 수 있으며, V-형 스위치 모드는 매우 높은 동작 주파수에서도 달성될 수 있다.
저항 수단(R)은 저항이 상기 액정 층의 저항(RLC)보다 상당히 작은 것으로 선택되는 것이 바람직하고, 상기 액정 층의 저항(RLC)의 50% 보다 작은 값으로 선택되는 것이 바람직하다. 이것은 또한 액정 셀의 V-형 응답 파라미터들의 온도 드리프트(drift)를 줄인다.
특히 바람직한 실시예에서, 액정 셀 시스템은, 상기 적어도 하나의 액정 셀과 직렬 접속되는 커패시턴스 수단(C)과 상기 적어도 하나의 액정 셀과 병렬 접속되는 저항 수단(R), 상기 커패시턴스 수단(C)에 병렬 접속되는 추가 저항 수단(R1)을 구비한다. 이것은 특히 D.C. 바이어스 전압을 액정 층에 인가하거나 또는 누적 전하들에 의해 액정 층을 방전할 가능성을 제공한다.
바람직하게는, 저항기(R1)는 1/2πfC를 초과하는 높은 저항 크기를 가지며, C는 전술된 바와 같이 커패시턴스 수단이다.
본 발명에 따른 커패시턴스 수단(C) 및/또는 저항 수단(R)은 상이한 형태로 실현될 수 있다. 액정 셀 시스템에 관한 한가지 바람직한 실시예에서, 각각의 액정 셀은 상기 커패시턴스 및/또는 저항 수단을 포함하고, 이들 수단들은 바람직하게는 상기 액정 셀 내에 통합된다. 이렇게 통합된 커패시턴스 및/또는 저항 수단의 경우, 이 수단은 각 액정 셀의 상기 투명 기판들의 내부 또는 상기 투명 기판들의 외부에 제공될 수 있다. 특히, 커패시턴스 및/또는 저항 수단을 전술된 바와 같이 상기 액정 셀의 상기 투명 기판에 구성되는 유전체 또는 반도체 층들로 구현되는 것이 바람직하다.
바람직한 실시예에서, 커패시터는 상기 액정 셀의 내부 표면에 배치되는 것이 바람직한 중합체 층의 형태로 제조될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 저항기는 전극을 변화시키거나 또는 액정 재료를 변화시킴으로써 제조될 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 커패시턴스 및/또는 저항 수단은 상기 액정 셀의 외부 또는 상기 액정 셀 시스템의 외부에도 구성될 수 있다. 이 경우에 또한 시스템에서 2개 이상의 액정 셀들 또는 모든 셀들을 커패시턴스 수단 및/또는 저항 수단에 접속하는 것이 가능할 수 있다.
커패시턴스 및/또는 저항 수단의 외부 구성은 보다 용이하게 그리고 대체로 보다 저렴하게 구현되기 때문에, 표준 전자 저항기 및/또는 커패시터 또는 이 저항기 및/또는 커패시터로 구성된 적분 회로를 실현할 수 있다. 다른 기술적 애플리케이션의 경우, 예를 들면 매트릭스 디스플레이에서, 적분 구현이 보다 바람직할 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 액정 셀 시스템은, 모자이크 구성 또는 매트릭스 구성 또는 이들의 임의 결합에서 임의 방법, 바람직하게는 직렬, 병렬로 접속되는 복수의 액정 셀을 포함한다. 이것에 의해 대형 액정 셀 시스템은 상이한 애플리케이션들에 대해서 제공될 수 있다. 액정 재료는, 바람직하게는 5nC/㎠ 보다 큰, 더 바람직하게는 15nC/㎠ 보다 큰, 가장 바람직하게는 30nC/㎠ 보다 큰 값들에 도달하는 높은 자발 분극(Ps)을 갖는다.
또한, 액정 셀에 이용되는 액정 재료는 가능한 낮은, 바람직하게는 15아래 , 더 바람직하게는 10아래, 가장 바람직하게는 5아래의 값인 회전 점성도를 가진다.
액정 재료는 또한 도전성 불순물들, 특히 이온 불순물들로 도핑되어 그 임피던스를 최적화하는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 특히 종래의 액정 셀들 또는 액정 셀 시스템들에 기초하는 개선된 액정 셀들 또는 액정 셀 시스템을 달성하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 커패시턴스 수단(C) 및/또는 저항 수단(R)은 상기 적어도 하나의 액정 셀과 상기 커패시턴스 수단(C) 및/또는 저항 수단(R) 사이에 분압기가 형성되도록, 액정 셀 시스템의 상기 적어도 하나의 액정 셀에 접속된다. 이것에 의해 전술된 바와 같이, 특히 보다 높은 동작 주파수(f)에 대하여 복수의 애플리케이션들에 있어서 중요한 특성 무임계 V-형 그래프 "광 투과율 대 외부 인가 전압(V)"을 셀에 제공하는 방법으로 액정 셀의 특성 조건에 영향을 미치는 것이 가능하다. 또한, 이것에 의해 (본 발명의 액정 셀 시스템에 있어서 뿐만 아니라) 본 발명의 방법에 있어서, 무임계 V-형 스위칭 모드는 많은 현대 애플리케이션에서 필수적인 높은 동작 주파수에 대해서 구현될 수 있다. 본 발명의 방법의 구체적인 구현을 위하여, 액정 셀 시스템에 관한 상기 기술을 참조하고 , 이것에 의해 대체로 전술된 발명의 모든 측정들은 본 발명의 방법에도 적용 가능하다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 이하의 개략적인 도면을 참조하면 보다 명백해지게 된다.
도 2는 종래 기술에 따른 액정 셀 시스템(50)의 통상적인 액정 셀(10)을 도시하고 있다. 액정 셀(10)은 이 실시예에서 2개의 유리판들로 하는 2개의 투명 기판들(1)을 포함한다. 기판들(1)의 내부 표면들은 투명 전극막(2)으로 커버되며, 그 위에는 액정 재료(5)를 정렬하는 얇은 정렬 층(3)이 배치된다.
액정 재료(5)는 투명 전극막(2)으로 커버되는 기판(1) 사이에서 밀폐되어, 기판들(1)은 얇은 스페이서(4)에 의해 분리된다.
단순하게 하기 위하여, 하나의 액정 셀(10)을 도시하고 있지만, 액정 시스템(50)은 복수의 액정 셀들(10)을 포함할 수 있음을 이해할 수 있다.
통상적인 애플리케이션에서, 액정 셀(10)은 2개의 교차 편광자들(11) 사이에 배치되고, 광원(6)은 셀(10)을 통과하는 광 빔(12)을 발광한다.
도 2에 도시되는 실시예에서, 광 투과율은 광전자 증배관(7)에 의해 검출되기 때문에, 도시된 구성은 후술되는 측정에 사용될 수도 있다.
또한, 광전자 증배관(7) 대신에 임의 다른 장치가 제공될 수 있으며, 시스템 사용자가 셀을 통과하여 투과되는 광빔을 볼 수도 있게 된다.
도 2에 도시된 대략적인 구조에 따라 실현되는 통상적인 셀은, 정렬 층으로서 각각의 두께가 약 50nm 2개의 중합체 층과, 두께가 약2㎛인 FLC(강유전성 액정) 층을 포함한다. 셀 면적은 1㎠이고, 사용되는 중합체의 유전 상수는 εP =2.6이며, 고유 저항은 ρp
Figure 112002024846134-pat00002
1014Ω㎝이다. 이것에 의해 중합체의 커패시턴스는 Cp
Figure 112002024846134-pat00003
50nF이 되고, 중합체 저항은 Rp
Figure 112002024846134-pat00004
10㏁이 되며, 특성 RC 상수를 τp
Figure 112002024846134-pat00005
500초가 된다. 이러한 점에서, 1개 정렬 층만을 구비하거나 또는 어떠한 정렬 층도 구비하지 않는 셀이 실현될 수 있다.
도 3a는 도 2에 도시된 액정 셀의 등가 전기 회로를 도시하고 있다. 커패시터(Cp) 및 저항기(Rp)는 정렬층(2)으로 사용되는 중합체의 영구 커패시턴스 및 저항에 대응하고, 커패시터(CLC) 및 저항기(RLC)는 액정 층의 동적 커패시턴스 및 저항에 대응한다. Utot는 셀에 인가되는 총 전압(외부 인가 전압)이고, ULC는 액정에서 "본(seen)" 전압이며, 따라서 광 투과율에 효과적인 전압은 액정 셀에 의해 실현된다.
매우 낮은 주파수, 특히 f<<(2πτp)-1
Figure 112007027650348-pat00006
1 mHz의 주파수에 관심이 없는 경우, 정렬 층의 저항(Rp)은 무시되고, 등가 회로는 도 3b에 도시되는 바와 같이 간단하게 될 수 있다.
FLC의 저 주파수 유전체 상수가 통상적으로 약 100이고, 인가 전계 증가에 따라 인가 전압이 증가함에 따라 5까지 동적으로 감소된다. 따라서, FLC 층 커패시턴스(CLC)는 셀의 전압에 따라서 약 100nF에서 5nF으로 변한다. 특정 저항이 ρLC
Figure 112007027650348-pat00007
1010Ω㎝인 경우, 액정의 RLC
Figure 112007027650348-pat00008
2㏁ 및 RC 시정수(τLC)는 200에서 약 10㎳로 변화다. 주파수 f<<(2πτLC)-1
Figure 112007027650348-pat00009
100Hz에서, 액정 층의 A.C. 전압(ULC)은 2개의 임피던스, 즉 정렬층으로 사용되는 중합체의 임피던스 A=(ωCp)-1와 액정 층의 임피던스 B=[(RLC)-1+ωCLC]-1 로 조정되며, 전압(ULC)은 식 ULC=B/(A+B)에 따른다. 중합체 정렬 층의 임피던스 A는 상수이며, 액정 층의 임피던스 B는 동적으로 변화한다(주파수 증가에 따라, 자발 분극의 스위칭은 유전체 상실을 수반하고, 또 RLC 값에 기여하며, 따라서 CLC 및 RLC 모두 동적 파라미터이다).
중합체 정렬 층은 액정 재료를 정렬시킬 뿐만 아니라 분압기(ULC, Utot)용 숄더(shoulder)를 형성하고, 또 액정 재료와 중합체 층간의 인터페이스에서 누적되는 임의 표면 전하를 방전할 수 있다. 액정 재료는 스위처(switcher) 역할을 하고, 또 분압 비 변화에 기여한다.
도 1a은 전술된 엘리먼트 및 파라미터를 포함하기도 하는 액정 셀의 등가 회로를 도시하고 있지만, 본 발명에 따라 변경되기도 한다. 도 3b에 도시된 소자에 추가하여, 액정 셀 시스템의 액정 셀은 추가 커패시터 수단 및 저항 수단, 도 1에서는 추가 커패시터(C), 추가 저항기(R) 및 다른 저항기(R1)를 구비한다. 커패시터(C) 및 저항기(R)는 본 발명에 따른 효과를 부여하고, V-형 무임계 스위치 모드가 소망의 높은 동작 주파수(f)에 대해서 실현될 수 있는 효과를 이용하여 "이력 현상 반전 주파수"를 증가시킨다.
저항기(R1)는 선택적이므로 파선들로 도시되고, 액정 셀에 D.C. 바이어스 전압을 인가하거나 또는 커패시턴스(CP) 또는 커패시터(C)에 누적되는 전하에 의해 액정 셀을 방전할(임의 비대칭인 경우) 가능성을 제공한다.
도 1b는 정렬 층을 가지지 않는 셀의 등가 회로를 도시하며, 액정 재료는 쉬케어 테크닉(shcar technique)에 의해 지향된다. 따라서, 등가 회로에서 커패시턴스(Cp)는 생략된다.
또한, 액정 셀은 전도성이 매우 낮은 액정 재료를 포함하며, 액정 재료의 저항(RLC)은 무시될 수 있고, 또 도 1b에 도시된 등가 회로에서도 생략된다. 본 발명에 따른 셀의 이러한 간단한 등가 회로를 분석할 경우, 최적의 위상 천이
Figure 112002024846134-pat00010
=tan-1[ωR(C+CLC)]-1 와 그에 따른 무임계 V-형 스위칭 모드는 주파수 f=ω/2π=[2πR(C+CLC)]-1 에서 구현될 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 소망의 동작 주파수인 주파수(f)는 추가 회로 소자, 즉 커패시터 수단(C) 및 저항 수단(R)의 값들을 선택함으로써 제어될 수 있다.
이것이 물론 바람직하긴 하지만, 물론 커패시터 수단(C) 및 저항 수단(R)이 전술된 식에 따라 정확하게 구성되지 않아서 편차가 발생하지만, 여전히 적어도 V-형 무임계 스위칭 모드에 근사한 스위칭 모드가 가능하다는 점에 대해서 언급되고 있다. 대개, ±5% 또는 ±10%, 또는 최대 ±50 %또는 ±100 %의 R 및 C 값의 편차들이 발생할 수 있기 때문에, 여전히 소망의 효과가 달성되게 된다.
도 4는 상이한 주파수, 즉 1Hz, 7Hz 및 50Hz에 대하여, 예를 들면 도 2에 도시된 종래 기술에 따른 셀의 투과율 대 외부 인가 전압(V)을 도시하고 있다. 이 측정에 사용되는 셀은 중합체 정렬 층(셀 No.1)을 갖는 최적 층이다. 사용 재료는 전이 온도가 Cr-10℃-SmC*-58℃-SmA-80℃-Iso이고, 자발 분극 Ps=100nC/㎠, 기울기 각도가 23.5도이고, 점성도가 0.7Poise인 혼합물이다. 셀의 액정 재료는 두께가 1.7㎛이고, 면적이 14mm×18mm이며, 전술된 혼합물로 채워지고, 스멕틱 C* 위상에서 냉각된다. 액정 재료는, 두께가 각각 80nm인 2개의 폴리이미드(polyimide) 정렬층으로 형성되고, 그 폴리이미드 정렬층의 하나는 마찰된다.
도 4의 그래프는, 삼각형 전압 파형 ±8.3V에 의해 유도되는 셀의 광 투과율이 주파수 7Hz에서만 통상적인 무임계 스위칭 모드를 나타내고 있음(도 4b 참조)을 도시하고 있다.
상기 주파수 이상에서 정상적인 이력 현상이 관찰되며(50Hz에 대한 도 4c 참조), 보다 낮은 주파수에 있어서는 비정상적인 이력 현상이 발생한다(1Hz에 대한 도 4a 참조).
이력 현상의 폭은 2배의 임계 전압(2Uc)과 동일하며, 이것은 2배의 보자력 전계(coercive field: 2Ec)에 해당하고, 각각의 주파수에 대한 도 3a 및 도 3c에서 2개의 최소 투과율간의 거리로 밝혀질 수 있다.
이 셀의 광 투과율의 임계 전압의 주파수 의존도는 도 5의 곡선 1로 도시되며, 도 5는 임계 전압(Uth) 대 주파수(f)의 log를 도시하고 있다. 상기 곡선으로부터 취해질 수 있는 바와 같이, V-형 무임계 스위칭 모드는 f=1.....10Hz 범위의 이력 현상 반전 주파수 부근에서만 실현될 수 있다.
본 발명에 따른 액정 셀을 측정할 경우, 여기서 액정 셀은 전술된 셀 No.1에 따른 것이지만, 이 셀과 직렬 접속되는 커패시터 C=22nF과, 병렬 접속되는 저항기 R=180㏀을 구비하며, 그 결과는 도 5의 곡선 2에 도시된 것이다. 도시되는 바와 같이, 본 발명에 따른 셀은 주파수 100Hz에서 V-형 즉 무임계 스위칭 모드로 동작할 수 있으며, 이것에 의해 동작 주파수가 어느 정도의 크기까지 증가된다.
본 발명에 따른 액정 셀을 구성함으로써, 즉 전술된 커패시터(C) 및 저항기(R)를 추가 배치함으로써, 광 콘트라스트(contrast)는 동일하게 되지만, 최대 투과에 대응하는 포화 전압은 증가한다는 점에서 언급된다. 증가 주파수와 증가 전압간의 절충물은 추가 소자의 값을 설정할 때 용이하게 밝혀진다.
또 다른 실시예는 본 발명의 상당한 이점을 지원한다: 1.5Hz의 반전 주파수를 갖는 종래의 액정 셀(전술된 바와 같이 셀 No.1)은 본 발명에 따르면 직렬 접속되는 커패시터(C=22nF)를 구비할 수 있다. 이 측정에서 반전 주파수가 1.5Hz에서 8.9Hz로 시프트(shift)되어, 예상 동작 주파수는 약 인수 6까지 증가된다. 또한 저항기(R=180㏀)가 병렬 접속되는 경우, 반전 주파수는 최대 99Hz(약 인수 60)까지 또 이동되며, 병렬 저항기(R=82㏀)는 반전 주파수를 159Hz(인수>100)로 이동시킨다.
투과율 대 전압의 각각의 측정은 도 6a 내지 도 6d에 도시되며, 모든 이 그래프는 이력 현상 반전 주파수에서, 즉 이력 현상이 없는 측정을 나타낸다(따라서, 도 6의 그래프는 도 4b에 도시된 바와 같은 상황을 나타낸다). 측정 주파수 이상 및 이하에서, 비정상적 또는 정상적인 이력 현상은 도 4a 및 도 4c를 참조하여 전술되는 바와 같이 발생하게 된다.
도 6a는 1.5Hz의 반전 주파수를 갖는 종래 기술에 다른 셀 No.1의 측정을 도시한다. 본 발명에 따르면 직렬 접속되는 커패시터(C=22nF)를 추가함으로써, 반전 주파수는 8.9Hz로 이동한다(도 6b 참조). 병렬 저항기(R=180㏀)를 더 추가함으로써, 반전 주파수는 최대 거의 99Hz까지 또 이동된다(도 6c 참조). 병렬 저항기(R=180㏀)를 추가하지 않고, 병렬 저항기(82㏀)이 본 발명에 따른 셀에 접속될 수 있으며, 반전 주파수를 최대 159Hz까지 이동시킨다(도 6d 참조).
다른 실시예(셀 No.2)가 측정되고 도 7을 참조하여 설명한다: 셀 No.2는 액정 재료의 두께가 2㎛인 표준 EHC 셀이다. 액정 재료는 자발 분극, Ps
Figure 112008020522216-pat00011
16nC/㎠의 낮은 값을 갖는 치소(Chisso) CS-1025 혼합물이다. 이러한 셀의 경우, 어떠한 V-형 스위칭은 전술된 바와 같이 문헌에서 논의되는 임의 모델로부터 기대된다. 사실상, 치소 재료가 새로운 경우, 이력 현상 반전 주파수는 매우 낮다. 즉, 약 0.7Hz 범위 내에 있다. 그러나, 셀 No.2이 오래되고 보다 많은 전도성 재료(작은 값의 RLC를 초래)로 충전되는 경우, V-형 스위칭은 보다 높은 주파수, 즉 약 f=3.5Hz 범위내의 주파수에서 관찰된다. 이 상황은 도 6a에 도시되며, 도 6a는 외부 전압이 인가될 때 측정되는 투과율을 도시하고 있다.
본 발명에 따른 셀 No.2를 개선함으로써, 즉 커패시터(C=2.7nF)를 직렬 접속함으로써, 이력 현상 반전 주파수는 인수 약 150까지 증가하여, 도 6b에 도시되는 바와 같이 530Hz에 도달한다. 따라서, 예상 동작 주파수의 놀라운 증가는 본 발명에 의해 보다 용이하게 달성된다.
도 8은 종래 기술에 따른 전술된 셀 No.2(곡선 1) 및 본 발명에 따른 개선된 셀(곡선 2)에 대한 log f에 대한 임계 전압(Uth)의 측정을 도시하고 있다. 따라서, 도 8은 도 5에 대응하지만, 셀 No.2만에 대한 것이다.
또 다른 실시예에서처럼, 추가 셀(셀 No.3)이 측정된다. 셀 No.3은 21nC/㎠의 자발 분극을 갖는 FLC 혼합물(스멕틱 C* 위상)의 액정 층을 구비한다. 이 셀은 정렬 층으로서 매우 얇은 폴리아미드 층을 한 기판 상에 배치한다. 이러한 구성에서, 이력 현상 반전 주파수는 f=0.25Hz이다.
외부 커패시터(C=22nF)가 본 발명에 따라 상기 셀에 직렬 접속되는 경우, 이력 현상 반전 주파수는 거의 2개의 크기가 보다 큰 경우, 즉 f=21Hz일 때 측정되며, 이것에 의해 현대 기술에서 중요한 동작 주파수를 상당히 크게 하는 상당한 이 점을 제공하게 된다.
다른 실시예에서처럼, 셀은 실온에서 180nC/㎠의 자발 분극을 갖는 FLC 혼합물의 액정 층을 구비한다. 전이 온도는 Cr-10℃-SmC*-50℃ SmA-58℃-Iso이다. 혼합물은 0.27㎛의 헬리컬 피치를 가진다.
도 9에서, 외부 인가 전압(UTOT)은 시간에 대하여 플롯팅되며, 삼각형 전압 형태를 도시하고 있다. 도 9는 액정 셀에서 본 전압과, 액정 셀(Ucell)의 "유효 전압"을 도시하고 있다. 전술된 바와 같이, 도면을 통해서 Ucell의 모양이 UTOT과 꽤 상이하고, UTOT 및 Ucell의 제로 포인트들이 서로 일치하지 않고, 이 차가 액정 층의 이력 현상 동작을 변경시키고, 전류 오실로그램(IP)의 모양도 도 9에 도시됨을 알 수 있다.
본 발명의 이해를 기초로 하여, 도 10에 도시되는 "유효 전압"인 액정 셀(Ucell)의 전압과 외부 인가 전압(Utot) 둘 모두에 대한 투과율의 그래프를 도시할 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 통상적인 V-형 형태는 광 투과율이 회로에 인가되는 총 전압 T(Utot)의 함수로서 플롯팅될 때만 관찰되지만, 종래의 FLC 재료의 이력 현상은 곡선 T(Ucell)로 명백히 도시된다.
본 발명은, 다양한 액정 재료 및 다양한 액정 셀 기하학 구성에 대해서 보다 높은 동작 주파수를 갖는 V-형 즉, 무임계 스위칭 모드에서 동작할 수 있는 적어도 하나의 액정 셀을 포함하는 액정 셀 시스템을 제공함으로써, 액정 셀 시스템이 보다 용이하게 실현 가능하다. 또한, 본 발명은 소정의 기하학 및 소정의 액정 재료를 갖는 액정 셀 시스템과 소정의 동작 주파수 및/또는 소정의 동작 전압 범위에 대해서 대체로 무임계 V-형 스위칭 모드를 달성하는 방법을 제공하게 된다.
본 발명에 관한 다양한 변경은 전술된 기술과 첨부 도면을 통해서 당업자에게 명백해지게 된다. 따라서, 본 발명은 이하의 청구 범위의 범위에 의해서만 한정된다.

Claims (25)

  1. 액정 셀 시스템(50)으로서:
    a) 적어도 하나는 투명인 두 개의 기판들;
    b) 적어도 하나의 강유전성 또는 반 강유전성 액정 셀을 포함하고, 상기 액정 셀은:
    b1) 상기 두 개의 기판들 상에 각각 제공되는 두 개의 전극 수단들; 및
    b2) 상기 두 개의 전극 수단들 사이에 제공되고, 저항(RLC) 및 커패시턴스(CLC)를 갖는 강유전성 또는 반 강유전성 액정 재료의 층을 포함하는, 상기 액정 셀 시스템(50)에 있어서,
    상기 액정 셀(10)에 직렬로 접속된 커패시턴스 수단(C) 및 상기 액정 셀(10)에 병렬로 접속된 저항 수단(R)을 더 포함하며,
    상기 커패시턴스 수단(C) 및 저항 수단(R)은, 상기 액정 셀(10)이 주어진 동작 주파수(f)에 대하여 무임계(thresholdless) V-형 형태의 특성 그래프로서 "광 투과율 대 외부 인가 전압(V)"을 나타내도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 액정 셀 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 커패시턴스 수단(C)은 상기 적어도 하나의 액정 셀(10)의 상기 액정 재료(5) 층의 커패시턴스(CLC)의 1/10 내지 10배의 값을 갖는 것을 특징으로 하는, 액정 셀 시스템.
  5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 저항 수단(R)은 상기 액정 재료(5) 층의 저항(RLC)의 50% 이하의 값을 갖는 것을 특징으로 하는, 액정 셀 시스템.
  6. 삭제
  7. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 추가 저항 수단(R1)이 상기 커패시턴스 수단(C)에 병렬 접속되는 것을 특징으로 하는, 액정 셀 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 추가 저항 수단(R1)은 1/2πfC 이상의 값을 가지며, 여기서 f는 동작 주파수이고, C는 커패시턴스 수단인 것을 특징으로 하는, 액정 셀 시스템.
  9. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 액정 셀 시스템은 적어도 두 개의 액정 셀들(10)을 포함하고, 상기 액정 셀 시스템(50) 내의 각 액정 셀(10)은 상기 커패시턴스 수단(C) 및 상기 저항 수단(R)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 액정 셀 시스템.
  10. 삭제
  11. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 커패시턴스 수단(C) 및 상기 저항 수단(R)은 상기 투명 기판의 내부 표면에 제공되는 것을 특징으로 하는, 액정 셀 시스템.
  12. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 커패시턴스 수단(C) 및 상기 저항 수단(R)은 상기 투명 기판의 외부 표면에 제공되는 것을 특징으로 하는, 액정 셀 시스템.
  13. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 커패시턴스 수단(C) 및 저항 수단(R)은 유전체 또는 반도체 층들에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는, 액정 셀 시스템.
  14. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 두 개 이상의 액정 셀들(10)은 상기 커패시턴스 수단(C) 및 저항 수단(R)에 접속되는 것을 특징으로 하는, 액정 셀 시스템.
  15. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 액정 셀 시스템은 적어도 두 개의 액정 셀들(10)을 포함하고, 상기 액정 셀들(10)은 직렬, 병렬, 모자이크 및 매트릭스 구성들 중 하나로 접속되는 것을 특징으로 하는, 액정 셀 시스템.
  16. 삭제
  17. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 액정 재료(5)는 5 nC/㎠ 보다 큰 자발 분극(spontaneous polarization: Ps)을 갖는 것을 특징으로 하는, 액정 셀 시스템.
  18. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 액정 재료(5)는 1.5 Paㆍs 이하의 회전 점성(rotational viscosity)을 갖는 것을 특징으로 하는, 액정 셀 시스템.
  19. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 액정 재료(5)는 이온 불순물들로 도핑되는 것을 특징으로 하는, 액정 셀 시스템.
  20. 주어진 동작 주파수(f)에 대하여 액정 셀 시스템(50)의 무임계 V-형 형태의 특성 그래프 "광 투과율 대 외부 인가 전압(V)"을 달성하기 위한 방법에 있어서, 상기 액정 셀 시스템(50)은,
    a) 적어도 하나는 투명인 두 개의 기판들;
    b) 적어도 하나의 강유전성 또는 반 강유전성 액정 셀을 포함하고, 상기 액정 셀은:
    b1) 상기 두 개의 기판들 상에 각각 제공되는 두 개의 전극 수단들; 및
    b2) 상기 두 개의 전극 수단들 사이에 제공되고, 저항(RLC) 및 커패시턴스(CLC)를 갖는 강유전성 또는 반 강유전성 액정 재료의 층을 포함하고,
    커패시턴스 수단(C)을 상기 액정 셀(10)과 직렬로 접속시키고, 저항 수단(R)을 상기 액정 셀(10)에 병렬로 접속시키는 것을 특징으로 하는, 방법.
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 제 20 항에 있어서, 상기 커패시턴스 수단(C)은 상기 적어도 하나의 액정 셀(10)의 상기 액정 재료(5) 층의 커패시턴스(CLC)의 1/10 내지 10배의 값을 갖는 것을 특징으로 하는, 방법.
  24. 제 20 항 또는 제 23 항에 있어서, 상기 저항 수단(R)은 상기 액정 재료(5) 층의 저항(RLC)의 50% 이하의 값을 갖는 것을 특징으로 하는, 방법.
  25. 제 20 항 또는 제 23 항에 있어서, 상기 저항 수단(R)은 식 f=(R+RLC)/2πR*RLCCLC 에 따라 구성되며, 여기서 f는 동작 주파수이고, RLC 및 CLC는 상기 액정 재료(5) 층의 저항 및 커패시턴스인 것을 특징으로 하는, 방법.
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