KR101043248B1 - Cholesteric liquid crystal display - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 한쪽이 투광성을 갖는 한 쌍의 기판; 상기 기판 사이에 협지되며, 0 ≤

Figure 112009068504635-pat00001
< 1의 조건을 만족하고, 나선 축이 기판에 수직하도록 평면 배향된 콜레스테릭 액정 조성물; 상기 기판에 평행한 횡단 전기장을 인가하는 전극; 및 상기 기판의 양단에 서로 수직하도록 각각 설치되는 편광자 및 검광자;로 구성되는 것을 특징으로 하는 콜레스테릭 액정 디스플레이에 관한 것이다. 이때, e는 플렉소전기분극 계수(flexoelectric coefficient)의 평균, Δε는 유전이방성(dielectric anisotropy), K는 탄성 상수(elastic constant)의 평균을 나타낸다. The present invention is a pair of substrate having at least one light-transmitting; Sandwiched between the substrates, 0 ≦
Figure 112009068504635-pat00001
A cholesteric liquid crystal composition which satisfies the condition of <1 and is oriented in a plane such that the spiral axis is perpendicular to the substrate; An electrode applying a transverse electric field parallel to said substrate; And a polarizer and an analyzer respectively installed at both ends of the substrate so as to be perpendicular to each other. In this case, e is an average of the flexoelectric coefficient, Δε is the dielectric anisotropy, K is the average of the elastic constant (elastic constant).

본 발명의 액정 디스플레이는 평면 배열된 콜레스테릭 액정의 유전 반응을 이용하여 네마틱 액정 디스플레이와 같이 광효율이 우수하면서도 응답 속도가 빠르고, 인가되는 전기장의 극성에 무관하므로 보다 다양한 분야에 정보 표시를 위하여 널리 이용될 수 있다. The liquid crystal display of the present invention uses a dielectric reaction of a planar cholesteric liquid crystal, such as a nematic liquid crystal display, has an excellent optical efficiency and a fast response speed, and is independent of the polarity of an applied electric field. It can be widely used.

콜레스테릭 액정, 디스플레이, 유전이방성, 피치, 전계 Cholesteric liquid crystal, display, dielectric anisotropy, pitch, electric field

Description

콜레스테릭 액정 디스플레이{Cholesteric liquid crystal display}Cholesteric liquid crystal display

본 발명은 액정 디스플레이에 관한 것으로, 보다 상세하게는 평면 배열된 콜레스테릭 액정의 유전 반응을 이용하여 응답 속도가 빠르고, 인가되는 전기장의 극성에 무관한 액정 디스플레이에 관한 것이다. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a liquid crystal display, and more particularly, to a liquid crystal display having a fast response speed and irrespective of the polarity of an applied electric field by using a dielectric reaction of a planar cholesteric liquid crystal.

액정 디스플레이(LCD)는 액정표시장치는 2개의 기판 사이에 고체와 액체의 중간 물질인 액정을 주입하여 두 기판에 배치된 전극 간에 형성되는 전계에 의해 액정 분자의 배열을 변화시킴으로써 화상을 표시하는 디스플레이 장치로서, 각종 표시 소자 중에서도 두께가 얇고 경량이면서 소비 전력이 작아, 텔레비전이나 모니터 등의 화상 표시 장치나, 워드 프로세서, 퍼스널 컴퓨터 등의 OA(Office Automation) 기기, 카메라, 휴대 전화 등의 정보 단말기 등 여러 분야에서 정보를 디스플레이하는데 사용되어 지고 있다. 또한, 유기전계발광소자(OLEDs), 플라즈마 디스플레이 패널(PDPs)와 같은 새로운 평면 패널 디스플레이의 개발과 제조가 가속되고 있으며, 새로운 응용분야의 도입은 이들의 요구조건을 충족시키기 위해 새롭 고 더 높은 성능을 요구한다. A liquid crystal display (LCD) is a display in which a liquid crystal display displays an image by injecting a liquid crystal, which is an intermediate material between a solid and a liquid, between two substrates and changing an arrangement of liquid crystal molecules by an electric field formed between electrodes disposed on the two substrates. Among the various display elements, the device is thin, lightweight, and low in power consumption, and is used for image display devices such as televisions and monitors, OA (Office Automation) devices such as word processors and personal computers, and information terminals such as cameras and mobile phones. It is used to display information in various fields. In addition, the development and manufacture of new flat panel displays such as organic light emitting diodes (OLEDs) and plasma display panels (PDPs) is accelerating, and the introduction of new applications is driving new and higher performance to meet their requirements. Requires.

종래 중소형 디스플레이에서 응용되고 있는 액정 표시 소자로서 TN(Twisted Nematic) 표시 방법은 투과율이 높은 장점에도 불구하고, 시야각 특성, 콘트라스트, 응답 특성 상의 결점으로 인하여 CRT(cathod ray tube)를 능가하는데 장애가 된다. 좁은 시야각 특성을 향상시키기 위하여 수평 전기장을 이용한 IPS(in-plane switching) 모드가 개발되었으나, 전극 윗부분에서 액정분자들이 회전하지 않아서 광효율이 떨어지고, 구동전압이 높으며, 시야각에 따른 색띰 문제가 존재한다. 최근, 블루상을 이용하는 액정 디스플레이가 현재의 네마틱 액정 모드에서는 얻을 수 없는 빠른 반응이 가능할 것으로 기대되어 주목을 받고 있다. 이와 같이 다양한 모드의 액정 디스플레이가 널리 사용되고 있으나, 각 액정 디스플레이들은 여전히 특유의 장점과 함께 한계를 갖고 있어 이를 극복할 수 있는 모드를 찾기 위한 노력이 계속되고 있다. 특히, 최근의 디스플레이에서 요구되는 풀컬러 동영상을 실현하기 위해서는, 응답시간을 크게 개선하는 것을 필요로 한다.TN (Twisted Nematic) display method as a liquid crystal display device applied in a small and medium-sized display, despite the advantage of high transmittance, it is a barrier to surpass the CRT (cathod ray tube) due to defects in viewing angle characteristics, contrast, and response characteristics. In order to improve the narrow viewing angle characteristics, an in-plane switching (IPS) mode using a horizontal electric field has been developed. However, liquid crystal molecules do not rotate in the upper part of the electrode. In recent years, the liquid crystal display using the blue phase is attracting attention because it is expected that a quick reaction that cannot be obtained in the current nematic liquid crystal mode is possible. As described above, liquid crystal displays of various modes are widely used, but each liquid crystal display still has limitations with unique advantages, and efforts to find a mode capable of overcoming them continue. In particular, in order to realize the full-color moving picture required in recent displays, it is necessary to greatly improve the response time.

콜레스테릭 액정은 천연 콜레스테롤로 만들어진 화합물에서 최초로 발견되었으며, 이 때문에 콜레스테릭 액정이라 명명되었다. 그 후로 네마틱 액정에 카이럴 첨가물(chiral dopant)를 섞는 방법을 통하여 동일한 분자구조를 갖는 액정을 만들게 되었고 이를 카이럴 네마틱 액정이라 명하게 되었다. 두 액정상의 분자구조가 동일하므로 두 단어는 동일한 의미로 사용된다. Cholesteric liquid crystals were first discovered in compounds made of natural cholesterol, which is why they are called cholesteric liquid crystals. Since then, chiral dopants are mixed with nematic liquid crystals to form liquid crystals having the same molecular structure, which is called chiral nematic liquid crystal. Since the two liquid crystal phases have the same molecular structure, the two words have the same meaning.

콜레스테릭 LC(CLC)는 CLC의 피치에 필적하는 파장의 빛에 대해 키랄 성(chirality), 편광 및 색 선택성을 나타내며, 이러한 성질을 이용하여 유익한 광학 장치를 생산하려는 많은 시도가 있어왔다. 평면(planar) 배열의 콜레스테릭 액정 편광기는 반사되는 빛을 재활용하여 종래의 선편광 시트 편광기에 비해 효율이 증가될 것으로 기대된다. 유전 반응에 의한 피치 연장은 동적으로 반사되는 파장을 제어함으로써 가시광선과 near-IR영역의 반사광의 파장을 제어하는 도구로 사용할 수 있다. 포칼 코닉(focal conic) 및 평면 배열 사이의 쌍안정(bistable) 상변이(phase transition)를 이용하는 디스플레이는 각 상태에서 액정의 상태가 달라 반사되는 빛의 세기가 달라지고, 또한 각 상태에서 전기장을 인가하지 않아도 안정한 상태를 유지함으로 에너지-절약형 쌍안정 장치에 이용될 수 있다. 균일하게 비틀린(twisted) 콜레스테릭 액정의 플랙소 전기분극(flexoelectric) 효과는 나선형 축의 경사를 야기한다고 알려져 있으며, 이 효과를 이용하여 콜레스테릭 액정을 빠른 전기광학 장치에 응용할 수 있다. 그렇지만 아직까지 어느 것도 상용화 수준에까지는 이르지 못한 상황이다.Cholesteric LC (CLC) exhibits chirality, polarization and color selectivity for light with wavelengths comparable to the pitch of CLC, and many attempts have been made to produce beneficial optical devices using these properties. Planar arrangements of cholesteric liquid crystal polarizers are expected to increase the efficiency compared to conventional linearly polarized sheet polarizers by recycling the reflected light. The pitch extension by the dielectric reaction can be used as a tool for controlling the wavelength of reflected light in the visible light and near-IR region by controlling the dynamically reflected wavelength. Displays using bistable phase transitions between focal conic and planar arrays have different states of the liquid crystal in each state, resulting in different light intensities and also applying an electric field in each state. It can be used in energy-saving bistable devices by keeping them stable even if they are not. The flexoelectric effect of uniformly twisted cholesteric liquid crystals is known to cause inclination of the helical axis, which can be used to apply cholesteric liquid crystals to fast electro-optical devices. However, nothing has yet reached the level of commercialization.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 네마틱 액정 디스플레이와 같이 광효율이 우수하면서도 반응 응답 속도가 빠른 액정 디스플레이를 제공하는 것이다.The present invention is to solve the problems of the prior art, to provide a liquid crystal display having a high optical efficiency and a fast response response speed, like a nematic liquid crystal display.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 적어도 한쪽이 투광성을 갖는 한 쌍의 기판; 상기 기판 사이에 협지되며, 0 ≤

Figure 112009068504635-pat00002
< 1의 조건을 만족하고, 나선 축이 기판에 수직하도록 평면 배향된 콜레스테릭 액정 조성물; 상기 기판에 평행한 횡단 전기장을 인가하는 전극; 및 상기 기판의 양단에 서로 수직하도록 각각 설치되는 편광자 및 검광자;로 구성되는 것을 특징으로 하는 콜레스테릭 액정 디스플레이에 관한 것이다. 이때, e는 플렉소전기분극 계수(flexoelectric coefficient)의 절대값 평균, Δε는 유전이방성(dielectric anisotropy), K는 탄성 상수(elastic constant)의 평균을 나타낸다. The present invention for achieving the above object is a pair of substrate having at least one light-transmitting; Sandwiched between the substrates, 0 ≦
Figure 112009068504635-pat00002
A cholesteric liquid crystal composition which satisfies the condition of <1 and is oriented in a plane such that the spiral axis is perpendicular to the substrate; An electrode applying a transverse electric field parallel to said substrate; And a polarizer and an analyzer respectively installed at both ends of the substrate so as to be perpendicular to each other. In this case, e represents an absolute value of the flexoelectric coefficient, Δε represents a dielectric anisotropy, and K represents an average of the elastic constants.

도 1은 본 발명의 콜레스테릭 액정 디스플레이의 구조를 보여주는 모식도이다. 전기장이 인가되지 않았을 때에는 콜레스테릭 액정의 방향자는 셀에서 셀간격 방향으로 일정 정도로 방향을 바꾸면서 나선축이 기판에 수직하도록 나선 정렬되어 있다. 본 디스플레이에서는 액정 층에서 빛의 편광 변화가 매우 적고, 편광자와 검광자가 수직방향이기 때문에 어떠한 빛이 조사되던지 전기장이 인가되지 않은 상 태에서는 빛이 투과되지 않으므로 어두운 상이 유지된다. 여기에 전기장을 인가하게 되면 전기장의 세기에 따라 액정 방향자가 전기장 방향으로 늘어선다. 이것에 의해 투과하는 빛의 편광이 변화하며 밝은 상을 나타내게 된다. 이때 액정 방향자 방향과 전기장의 방향이 수직에 가까운 방향자들은 전기장에 관계없이 방향을 바꾸기 어려우므로 원래의 방향을 유지한다. 전기장을 증가시키면 전 체계를 안정시키기 위해 피치가 증가하게 된다. 피치가 증가하면 거기에 맞추어 앞에서와 같이 방향자들이 전기장과 같은 방향으로 늘어서게 된다. 그렇지만 피치의 변화는 전체 액정 셀의 투과율 변화에 미미하게 기여를 한다. 전체적으로 일정한 피체 내에서 액정의 방향의 변화는 짧은 피치로 인해, 매우 작은 셀 간격과 같은 역할을 하여 매우 빠르게 반응을 하게 된다. 1 is a schematic diagram showing the structure of a cholesteric liquid crystal display of the present invention. When no electric field is applied, the directors of the cholesteric liquid crystal are helically aligned so that the helix axis is perpendicular to the substrate while changing the direction from the cell to the cell spacing direction to some extent. In this display, since the polarization change of the light in the liquid crystal layer is very small and the polarizer and the analyzer are in the vertical direction, the dark image is maintained because no light is transmitted in the state in which no light is irradiated. When the electric field is applied thereto, the liquid crystal directors line up in the electric field direction according to the strength of the electric field. As a result, the polarization of the transmitted light is changed to show a bright image. At this time, the direction of the liquid crystal director and the direction of the electric field close to the vertical direction is difficult to change the direction regardless of the electric field, so maintain the original direction. Increasing the electric field increases the pitch to stabilize the entire system. As the pitch increases, the directors line up in the same direction as the electric field. However, the change in pitch contributes slightly to the change in transmittance of the entire liquid crystal cell. Due to the short pitch, the change in the direction of the liquid crystal within a constant body as a whole, acts like a very small cell spacing and reacts very quickly.

이상과 같은 본 발명의 콜레스테릭 액정 디스플레이는 종래의 뒤틀린 네마틱(twisted nematic) 액정 디스플레이에 비해 응답 속도가 매우 빠르기 때문에 보다 다양한 분야에 정보 표시를 위하여 널리 이용될 수 있다. 또한, 인가되는 전기장의 극성에 무관하기 때문에 액정 내에 존재하는 이온에 의해 디스플레이의 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있다. The cholesteric liquid crystal display of the present invention as described above can be widely used for displaying information in a wider variety of fields because the response speed is very fast compared to the conventional twisted nematic liquid crystal display. In addition, since the polarity of the electric field is applied, the quality of the display can be prevented from being deteriorated by the ions present in the liquid crystal.

이하 도면 및 구체적인 실시 예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 그 러나, 이들 실시예는 예시적인 목적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and specific examples. However, these examples are illustrative only and the present invention is not limited thereto.

실시예 1 : 콜레스테릭 액정 디스플레이의 제조Example 1 Preparation of Cholesteric Liquid Crystal Display

액정 셀을 제작하기 위하여 두개의 유리 기판을 준비하였다. 하나는 약 120 또는 10㎛ 간격으로 2개의 평행한 Cr 전극을 코팅하였다. 다른 하나에는 전극을 형성하지 않았다. 양 기판을 polyimide AL-3046(JSR)로 스핀 코팅한 후 220℃에서 소성하였다. 통상의 러빙(rubbing) 기술에 의해 균일하고 충분히 러빙하였다. 러빙된 표면에서의 전경사(pretilt) 각도는 전형적인 액정에서 보이는 수ㅀ보다 크지 않은 것으로 보인다. 양 기판을 셀 간격이 약 10㎛가 되도록 에폭시 수지를 사용해서 고정하였다. 셀을 고정하기 전에, 두 기판의 러빙 방향을 평행 또는 수직으로 조정하였다. 하기 실험 결과, 러빙 방향은 실험 결과에 거의 영향을 미치지 않았다.Two glass substrates were prepared to produce a liquid crystal cell. One coated two parallel Cr electrodes at intervals of about 120 or 10 μm. No electrode was formed on the other. Both substrates were spin coated with polyimide AL-3046 (JSR) and then fired at 220 ° C. Rubbing was performed uniformly and sufficiently by conventional rubbing techniques. The pretilt angle at the rubbed surface does not appear to be greater than the order of magnitude seen in a typical liquid crystal. Both substrates were fixed using an epoxy resin so that the cell spacing was about 10 mu m. Before fixing the cell, the rubbing direction of the two substrates was adjusted in parallel or vertically. As a result of the following experiment, the rubbing direction had little effect on the experimental results.

액정 조성물(Chisso)로는 4-cyano-t'-pentylbiphenyl(5CB) 44.0 wt%, JC-1041XX 48.2 wt% 및 2, 5-bis-[4'-(hexyloxy)-phenyl-4-carbonyl]-1,4;3, 6-dianyhydride-D-sorbitol[ISO-(C6OBA)2] 7.8 wt %의 혼합물을 사용하였다. 상기 조성물은 고온으로부터 냉각함에 따라 등방상, blue phase 및 콜레스테릭 상을 순차적으로 나타내며, 실험이 행해진 상온에서는 콜레스테릭 상을 나타낸다. 액정 조성물은 등방상(isotropic phase)에서 셀에 주입하고 온도를 실온으로 서서히 냉각하였다. The liquid crystal composition (Chisso) includes 44.0 wt% of 4-cyano-t'-pentylbiphenyl (5CB), 48.2 wt% of JC-1041XX and 2, 5-bis- [4 '-(hexyloxy) -phenyl-4-carbonyl] -1 7.8 wt% of a mixture of 4,3,6-dianyhydride-D-sorbitol [ISO- (C6OBA) 2 ] was used. The composition sequentially shows the isotropic phase, blue phase and cholesteric phase as it cools from high temperature, and shows cholesteric phase at room temperature at which the experiment was conducted. The liquid crystal composition was injected into the cell in an isotropic phase and the temperature was slowly cooled to room temperature.

Cano cell 측정 결과, 상온에서 상기 콜레스테릭 액정의 피치는 0.22㎛이며 셀 간격은 10.0㎛이다. 비전계하에서 셀의 반 피치 수는 91이다. As a result of cano cell measurement, the cholesteric liquid crystal has a pitch of 0.22 μm and a cell gap of 10.0 μm at room temperature. Under a non-system, the half pitch number of the cell is 91.

도 1에 도시된 것과 같이 기판의 양단에는 편광자(polarizer)와 검광자(analyzer)를 각각 설치하였다. 편광자와 검광자는 서로 수직 방향으로 조정하였으며, 전기장의 방향은 편광기에 대해 π/4방향을 향한다. 전기장은 함수 발생기(function generator)와 증폭기를 통해서 최고 10V/㎛까지 가하였다. 투과율 또는 텍스처의 측정을 위해서는 1 kHz의 사인파 또는 square파를 인가하였으며, 응답 시간의 측정을 위해서는 펄스 타입의 bipolar square 전기장을 인가하였다. 하기에서 전기장은 모두 제곱 평균값(root mean squared value)으로 나타내었다.As shown in FIG. 1, polarizers and analyzers are provided at both ends of the substrate. The polarizer and the analyzer were adjusted perpendicular to each other, and the direction of the electric field was in the π / 4 direction with respect to the polarizer. The electric field was applied up to 10V / μm through function generators and amplifiers. A sine or square wave of 1 kHz was applied to measure transmittance or texture, and a pulsed bipolar square electric field was applied to measure response time. In the following, all electric fields are expressed as root mean squared values.

실시예 2 : 콜레스테릭 액정 디스플레이의 특성 측정Example 2: Characterization of cholesteric liquid crystal display

실시예 1에서 제조된 콜레스테릭 액정 디스플레이의 텍스처와 투과율 특성을 측정하였다.The texture and transmittance characteristics of the cholesteric liquid crystal display prepared in Example 1 were measured.

콜레스테릭 상에서, 몇몇 유성(oily) 스트라이크를 제외하고는 텍스처는 균일한 어두운 이미지를 나타내었다. 샘플의 회전은 밝기에 거의 영향을 미치지 않았며, 아주 어두운 상(state)이 교차된 편광자에 유지되었다. 전기장을 증가시킴에 따라 편광경(conoscope)의 이미지는 등방성 배열의 대칭 패턴과 정전용량(capacitance)의 증가를 나타내었다. 이러한 결과로부터, 콜레스테릭상의 방향은 나선 축이 기판에 대해 수직인 평면 배열을 갖는 것을 확인할 수 있다.On cholesteric, except for some oily strikes, the texture showed a uniform dark image. The rotation of the sample had little effect on the brightness and very dark states remained in the crossed polarizers. As the electric field was increased, the image of the polarizer showed an symmetric pattern of isotropic array and an increase in capacitance. From these results, it can be seen that the direction of the cholesteric phase has a spiral arrangement in which the spiral axis is perpendicular to the substrate.

셀의 밝기는 도 2의 (a)에 보여주는 것과 같이 평면 전계(in-plane field strength)가 증가함에 따라 증가하였다. 도 2의 (b)는 전기장의 세기에 따라 백색광 및 적색광의 투과율의 변화를 보여주는 그래프이다. 백색광은 580nm(half width 180nm)인 현미경 광원을, 적색광은 640nm(half width 80nm)의 빛을 사용하였다. 전기장은 1kHz의 사인파이며, 도면 상에 기재된 세기는 제곱평균값이다. 전기장이 낮은 경우에는 투과율의 변화는 매우 완만하며, 점차 급경사로 된다. 8V/㎛의 전기장에서, 투과율은 최고점에 달하고 점차 감소한다. 백색광의 명암비(contrast ratio)는 약 10이며, 적색광 일때는 약 80까지 증가하였다. 전기장 크기의 증가와 감소에 따른 히스테리시스(hysteresis)는 거의 없었다.The brightness of the cell was increased as the in-plane field strength increased as shown in FIG. 2 (b) is a graph showing the change in transmittance of white light and red light according to the intensity of the electric field. White light used a microscope light source of 580 nm (half width 180 nm), and red light 640 nm (half width 80 nm). The electric field is a sinusoidal wave of 1 kHz, and the intensity described on the figure is the square mean value. When the electric field is low, the change in transmittance is very gentle and gradually becomes steep. At an electric field of 8 V / µm, the transmittance reaches its peak and gradually decreases. The contrast ratio of the white light was about 10, and the red light increased to about 80. There was little hysteresis with increasing and decreasing electric field size.

도 3은 square 전계를 인가하였을 때의 시간에 따른 투과율의 변화를 보여주는 그래프로 전기장의 세기는 9V/㎛이다. 도 3의 그래프로부터 본 콜레스테릭 액정 디스플레이의 응답 시간은 약 0.1ms임을 확인할 수 있었다. On/off 시간에는 눈에 띄는 차이는 없었다. 별도의 데이터로 도시하지는 않았으나, 응답 시간은 실험 범위내의 다른 전기장의 세기와 극성에서도 유사한 수치를 나타내었다. Figure 3 is a graph showing the change in transmittance with time when a square electric field is applied, the intensity of the electric field is 9V / ㎛. It can be seen from the graph of FIG. 3 that the response time of the cholesteric liquid crystal display is about 0.1 ms. There was no noticeable difference in on / off time. Although not shown as separate data, the response time showed similar values in the strength and polarity of other electric fields within the experimental range.

실시예 3 : 콜레스테릭 액정 디스플레이의 특성 계산Example 3 Calculation of Characteristics of Cholesteric Liquid Crystal Display

디렉터는 경사지지 않은 기판에 무한한 상호작용 (anchoring)에 의해 고정되었고, 비전계하에서 셀에서의 액정의 피치는 원래의 액정 자체의 피치와 거의 같고, 전계가 균일하다고 가정하면 본 발명의 디스플레이에 대해 다음과 같이 계산할 수 있다. The director was fixed by an infinite anchoring on an unslanted substrate, and under the field of vision, the pitch of the liquid crystal in the cell is about the same as the pitch of the original liquid crystal itself, assuming that the electric field is uniform for the display of the present invention. It can be calculated as follows.

비전계하에서 투과율(transmission) I는 피치 수, 복굴절 및 빛의 파장에 의 존한다. 평면 배향된 콜레스테릭 액정을 통화할 때 빛은 위상 지연(phase retardation)이 일어난다. 기판에 수직으로 주사된 빛의 투과율은 편광자와 감광자가 수직인 구조에서 다음 식으로 표현될 수 있다(Optical Waves in Crystal, Wiley, New Jersey, 2003).Under the field system, transmission I depends on the number of pitches, birefringence and the wavelength of light. When talking through planar oriented cholesteric liquid crystals, light causes phase retardation. The transmittance of light scanned perpendicular to the substrate can be expressed by the following equation in a structure in which the polarizer and the photosensitive member are vertical (Optical Waves in Crystal, Wiley, New Jersey, 2003).

Figure 112009068504635-pat00003
식 (1)
Figure 112009068504635-pat00003
Formula (1)

여기서, 반피치수 M은 셀 간격(d)에 존재하는 반 피치의 수로 po를 피치라 하면 d=Mpo/2로 나타낼 수 있다. j은 편광자와 배향층의 디렉터 방향 사이의 각도이며, Γ는 빛의 위상지연을 나타낸다. 위상지연 Γ=2Δnd/λ로 정의된다. Δn은 굴절율의 이방성을 의미한다.Here, the half-pitch M may be expressed as d = Mpo / 2 when po is a pitch as the number of half pitches existing in the cell gap d. j is the angle between the polarizer and the director direction of the alignment layer, and Γ represents the phase delay of the light. The phase delay is defined as Γ = 2Δnd / λ. Δn means the anisotropy of the refractive index.

상기 식에서 j=π/4 이고, M≫ Γ/2, 즉, 2λ/Δn≫po인 조건에서, 투과율 I ∝(Γ2/8πM)2로 어림잡을 수 있다. 이 식으로 부터, M값이 커질수록 투과율은 감소하므로 적절한 M값에 대해, 투과율은 충분히 어두울 것으로 기대된다. 도 4의 (a)는 상기 실시예 1에서 제작된 디스플레이에 대해 고정된 셀간격에서 반피치수의 변화에 따른 투과율 계산 결과를 보여주는 그래프이다. 셀갭은 10㎛, 빛의 파장은 램프의 중심 스펙트럼(spectrum) 라인인 0.58㎛, 굴절율 이방성은 5CB의 굴절율 이방성인 1.702-1.539=0.163로 간주하였다. In the above formula, j = π / 4, and M »Γ / 2, that is, 2λ / Δn >> po, it can be estimated as transmittance I ∝ (Γ 2 / 8πM) 2 . From this equation, the transmittance decreases as the M value increases, so for an appropriate M value, the transmittance is expected to be sufficiently dark. Figure 4 (a) is a graph showing the result of the transmittance calculation according to the change in half pitch at a fixed cell interval for the display fabricated in Example 1. The cell gap was 10 mu m, the wavelength of light was 0.58 mu m, which is the central spectral line of the lamp, and the refractive index anisotropy was 1.702-1.539 = 0.163, which is the refractive index anisotropy of 5CB.

전기장이 인가되었을 때와 인가되지 않았을 때의 대비비가 2.5이상이라면 반사형 디스플레이에서 식별이 가능하다. 도 4의 (a)에서 확인할 수 있듯이 전기 장이 인가되지 않았을 경우 피치수가 10(반피치수가 20)인 경우 투과율은 0.4이다. 전기장이 인가되었을 때의 투과율은 이론적으로 1이 되므로 대비비가 2.5가 된다. 따라서 대략적으로 셀간격(d)/피치(po)는 10이상이어야 한다. 상기 수치는 실시예 1의 액정 물질에 대한 계산 값이기는 하지만 통상 액정물질의 굴절율 이방성의 편차가 크지 않고, 셀간격의 조절에 의해 굴절율 이방성의 편차로 인한 투과율의 차이를 조절할 수 있다. 도 4의 (a)에서 반피치수가 큰 경우, 비전계하에서의 투과율이 0에 가까우므로 반피치수는 10 이상이면 어떤 값이어도 무방하나, 액정 셀의 갭이 무한하지 않고 통상적으로 10㎛ 미만이며 피치수 역시 일정 제한이 따르므로 실질적으로는 1000 이상을 넘는 것은 어려울 것이다. 신문의 경우 대비비는 10 정도이고, 통상 반사형 디스플레이는 신문 이상의 대비비를 추구하므로 d/po는 무전계하에서 0.1의 투과율을 나타내는 20 (반피치수 40) 이상인 것이 보다 바람직하다. 도 2의 (b)의 백색광과 적색광에 대한 두 곡선의 명암비가 상이한 것은 field strength가 0인 경우 상 지연(Γ)이 빛의 파장에 반비례하므로, 상기 투과율 식에 의해 부분적으로 설명될 수 있다.If the contrast ratio between when the electric field is applied and when it is not applied is 2.5 or more, it can be identified on the reflective display. As can be seen in FIG. 4A, when the electric field is not applied, the transmittance is 0.4 when the pitch number is 10 (the half pitch number is 20). When the electric field is applied, the transmittance is theoretically 1, so the contrast ratio is 2.5. Therefore, the cell spacing (d) / pitch (po) should be approximately 10 or more. Although the numerical value is a calculated value for the liquid crystal material of Example 1, the variation in refractive index anisotropy of the liquid crystal material is not large, and the difference in transmittance due to the variation in refractive index anisotropy may be adjusted by adjusting the cell interval. In FIG. 4A, when the half pitch is large, the transmittance under the non-electric field is close to zero, and the half pitch may be any value as long as 10 or more. However, the gap of the liquid crystal cell is not infinite and is typically less than 10 μm, and the pitch Numbers also come with some limitations, so it will be difficult to actually exceed 1000. In the case of newspapers, the contrast ratio is about 10, and since the reflection type display usually pursues the contrast ratio of newspapers or more, it is more preferable that d / po is 20 or more (half pitch 40) which shows a transmittance of 0.1 under an electric field. The contrast ratios of the two curves with respect to the white light and the red light of FIG. 2 (b) may be partially explained by the above transmittance equation because the phase delay Γ is inversely proportional to the wavelength of light when the field strength is zero.

본 발명의 디스플레이에서 피치는 380/n(평균 굴절율) nm보다 작은 것이 바람직하다. 콜레스테릭 액정의 플래너 상태에서는 입사광에 대해 특정 파장의 빛을 반사하며 이를 브래그반사 (Bragg reflection)이라고 한다. 반사되는 빛의 파장은 콜레스테릭 액정의 장축의 굴절율과 단축의 굴절율의 평균값인 평균 굴절율(n)과 피치(po)의 곱으로 나타내어진다 (λ = n × po). 디스플레이가 효율적이기 위해서는 비전계하에서 가시광선의 투과율이 낮아야 하므로 반사되는 빛의 파장 이 가시광선 영역을 피해야 한다. 통상 가시광선에 해당하는 파장은 380~750nm 범위이므로, 따라서, 본 발명의 디스플레이에서 피치는 380nm/n보다 작은 것이 바람직하다.In the display of the present invention, the pitch is preferably smaller than 380 / n (average refractive index) nm. In the planar state of the cholesteric liquid crystal, light of a specific wavelength is reflected to incident light, which is called Bragg reflection. The wavelength of the reflected light is represented by the product of the average refractive index n and the pitch po, which is the average value of the refractive index of the long axis and the short axis of the cholesteric liquid crystal (λ = n × po). In order for a display to be efficient, the visible light transmittance must be low under a vision system, so the wavelength of the reflected light must be avoided in the visible light region. Usually, the wavelength corresponding to visible light is in the range of 380 to 750 nm, therefore, in the display of the present invention, the pitch is preferably smaller than 380 nm / n.

수평 전기장을 걸어주고, flexoelectric반응을 무시하면, 나선이 풀어지는 것과 동시에 피치가 증가한다. 셀 간격이 아주 긴 경우에는, 피치는 전기장의 세기가 증가함에 따라 계속적으로 증가하며 마침내

Figure 112009068504635-pat00004
에서 디렉터가 필드의 방향으로 배열할 것이다. 그러나 실제로는 셀 간격에서의 피치수는 유한값이며 전기장을 증가시킴에 따라 나선의 풀림은 이산된다.Applying a horizontal electric field and ignoring the flexoelectric reaction increases the pitch as the helix is released. For very long cell gaps, the pitch continues to increase as the field strength increases and finally
Figure 112009068504635-pat00004
In the director will arrange in the direction of the field. In practice, however, the number of pitches in the cell gap is finite and the helix loosening is discrete as the electric field increases.

탄성변형, flexoelectric반응 및 유전 에너지를 포함된 자유에너지(F)를 이용하여 전기장에 따른 피치와 투과율 변화를 계산하면 다음과 같다(Appl. Opt. 43, 5006 (2004)). 평면 배열의 경우, 디렉터의 변화는 셀 두께(z)를 방향에 따라 이루어진다. Using the free energy (F) including elastic deformation, flexoelectric reaction and dielectric energy, the change of pitch and transmittance according to the electric field is calculated as follows (Appl. Opt. 43, 5006 (2004)). In the case of the planar arrangement, the change of director is made along the direction of the cell thickness z.

Figure 112009068504635-pat00005
식 (2)
Figure 112009068504635-pat00005
Formula (2)

LC 구조가 반 피치의 주기성에 따라 반복되므로 적분 범위는 반 피치의 길이가 된다. 여기에서, M은 반 피치수, n은 디렉터 벡터, K1, K2, K3은 탄성 상수, qo는 2π/po, po는 전기장이 없을 때의 LC의 피치, P는 flexoelectricity에 의해 야기된 편광 벡터이며, E는 전기장 벡터이다. Since the LC structure is repeated according to the periodicity of the half pitch, the integral range becomes the length of the half pitch. Where M is the half pitch number, n is the director vector, K1, K2, K3 is the elastic constant, qo is 2π / po, po is the pitch of LC in the absence of an electric field, P is the polarization vector caused by flexoelectricity , E is the electric field vector.

계산의 단순화를 위해서, 하나의 탄성 상수(K) 근사치와 평균 flexoelectric계수(e)를 사용하였다. E는 (e1+e2)/2를 나타내며 반응이 작은 콜레스테릭 액정에서 flexoelectric 효과를 표현하는 것으로 알려져 있다. 변형된 상태(반 피치수가 L)와 변형되어 풀린 상태(반 피치수가 L-1) 사의의 자유 에너지를 비교하면, 주어진 장의 세기에 대한 적절한 피치수를 용이하게 결정할 수 있다. For simplicity, one elastic constant (K) approximation and average flexoelectric coefficient (e) are used. E represents (e1 + e2) / 2 and is known to express flexoelectric effects in small cholesteric liquid crystals. By comparing the free energy of the deformed state (half pitch number L) and the deformed and unrolled state (half pitch number L-1), it is possible to easily determine the appropriate pitch number for a given field strength.

도 4의 (b)는 실시예 1의 조건에서 피치수와 electric coherence length

Figure 112009068504635-pat00006
사이의 관계를 보여준다. 피치의 변화는 electric coherence length가 큰 영역에서 불연속적이다. 즉, 전기장이 약한 범위에서 전기장을 증가시킴에 따라 불연속적인 피치사이의 전기장 간격이 감소하여 포화점 부근에서는 거의 연속적이다. 계산을 위한 액정 물질의 변수로는 액정 조성물 중 5CB의 값을 사용하였다. 5CB의 유전 이방성(Δε)은 8.8X10-11F/m이며, 굴절율 이방성은 1.702-1.539=0.163, K1, K2, K3의 평균 탄성 상수(K)는 6.5 X 10-12 N, e1과 e2의 평균 flexoelectric계수(e)는 -23X10-12 C/m이다. 셀갭은 10㎛, 빛의 파장은 램프의 중심 스펙트럼(spectrum) 라인인 0.58㎛로 간주하였다. Figure 4 (b) is the pitch number and electric coherence length under the conditions of Example 1
Figure 112009068504635-pat00006
Show the relationship between The change in pitch is discontinuous in the region with large electric coherence length. In other words, as the electric field increases in a weak range, the electric field spacing between discontinuous pitches decreases and is almost continuous near the saturation point. A value of 5 CB in the liquid crystal composition was used as a parameter of the liquid crystal material for the calculation. The dielectric anisotropy (Δε) of 5CB is 8.8X10 -11 F / m, and the refractive index anisotropy is 1.702-1.539 = 0.163, and the average elastic constant (K) of K1, K2, K3 is 6.5 X 10 -12 N, e1 and e2. The average flexoelectric coefficient (e) is -23X10 -12 C / m. The cell gap was assumed to be 10 mu m and the wavelength of light was 0.58 mu m, which is the central spectrum line of the lamp.

셀을 통과하는 빛은 장의 세기가 달라지면 상이 변화한다. 투과율은 도 5의 (a)에서 볼 수 있듯이 전기장의 함수로 계산된다. 수의 계산은 이하의 방법으로 실행하였다. 첫째, 디렉터 방향과 피치수는 식 (2)를 사용하여 계산하였다. 둘째, 셀을 얇은 층으로 나누고 해당 층에서 광학 변위(variation)을 계산하였다. 셋째, 총 광합 변화를 셀의 모든 층을 합하여 계산하였다. The light passing through the cell changes as the field strength changes. The transmittance is calculated as a function of the electric field as can be seen in FIG. The calculation of the number was performed by the following method. First, the director direction and the pitch number were calculated using Equation (2). Second, the cell was divided into thin layers and the optical variation calculated in that layer. Third, the total photosynthesis change was calculated by summing all the layers of the cell.

만약 전기장의 계산 범위를 확장한다면, flexoelectric효과를 갖는 도 5의 (a)의 곡선은 도 2의 (b)의 측정값에 가까울 것이다. 그러나, 높은 필드 세기에서의 이러한 계산은 반응이 적은 상황에서만 기본적으로 유효한 평균 flexoelctric 계수를 사용했기 때문에 낮은 필드에서에 비해 그다지 정확하지 않을 수 있다.If we extend the calculation range of the electric field, the curve of Fig. 5 (a) with the flexoelectric effect will be close to the measurement of Fig. 2 (b). However, this calculation at high field strengths may be less accurate than at low fields, since the average flexoelctric coefficients, which are basically valid only in low response situations, are used.

유전 반응과 flexoelectric 반응 사이의 비는

Figure 112009068504635-pat00007
에 의해 결정된다. 유전 이방성이 0인 액정의 경우, flexoelectric 효과가 주요한 전기 반응으로 액정이 광학 장치로 기능하도록 한다. 상기 값이 1보다 작은 경우에는 flexoelectric 반응은 유전 이방성에 의한 유전 반응에 비해 미미하다. 본 발명의 유전 이방성과 flexoelectricity 모두가 전기 반응에 기여하나 유전 반응이 주된 기능을 하므로
Figure 112009068504635-pat00008
은 1보다 작아야 한다. 또한, 그 값이 0에 가까울수록 flexoelectric 반응을 무시할 수 있으므로 본 발명의 디스플레이의 콜레스테릭 액정으로써 이상적이다. 따라서, 본 발명의 콜레스테릭 액정물질은 0≤
Figure 112009068504635-pat00009
< 1의 조건을 만족하여야 한다. flexoelectric 효과는 전기장의 극성에 민감하며, 반응은 전기장의 방향에 대칭이다. 유전 반응과 flexoelectric 반응은 서로 직각이다. 복굴절에 대해서, 유전 반응은 주요한 요인이며 flexoelectricity는 복굴절의 증가를 지연시킨다. 만약 flexoelectricity가 없다면, 투과율은 도 5의 (a)에서처럼 더 작은 전계에서 포화될 것이다. The ratio between the dielectric and flexoelectric reactions
Figure 112009068504635-pat00007
Determined by In the case of liquid crystals with zero dielectric anisotropy, the flexoelectric effect is the primary electrical reaction that allows the liquid crystal to function as an optical device. If the value is less than 1, the flexoelectric reaction is insignificant compared to the dielectric reaction due to dielectric anisotropy. Although both the dielectric anisotropy and flexoelectricity of the present invention contribute to the electrical reaction, the dielectric reaction plays a main role
Figure 112009068504635-pat00008
Must be less than 1. In addition, since the value is closer to zero, the flexoelectric reaction can be neglected, making it ideal as a cholesteric liquid crystal of the display of the present invention. Therefore, the cholesteric liquid crystal material of the present invention is 0≤
Figure 112009068504635-pat00009
The condition of <1 must be satisfied. The flexoelectric effect is sensitive to the polarity of the electric field and the reaction is symmetrical to the direction of the electric field. The dielectric and flexoelectric reactions are perpendicular to each other. For birefringence, the dielectric response is a major factor and flexoelectricity delays the increase in birefringence. If there is no flexoelectricity, the transmittance will saturate at the smaller electric field as in FIG.

피치 증가에도 불구하고, 투과율은 주로 디렉터의 배향(orientating)에 기인한다. 피치 연장에 따른 트랜스미션의 변화는 도 5의 (b)에서 확인할 수 있듯이 전 전기장 영역에서 그 차이는 최대값이 1% 미만으로 무시할만하다. Despite the increase in pitch, the transmittance is mainly due to the orientation of the director. As shown in (b) of FIG. 5, the change of the transmission due to the extension of the pitch is negligible as the difference is less than 1% in the maximum electric field region.

외부 장이 없는 경우의 투과율은 식 (1)에서 보듯이 빛의 파장에 의존하므로, 전기장이 있을 때의 투과율은 빛의 파장에 영향을 받는다. 도 5의 (c)는 전기장 존재 시의 셀의 투과율이 파장에 의존하는 것을 보여준다. 도 2의 (b)와 마찬가지로 빛의 파장이 긴 경우 0 필드 세기에서 투과율이 보다 낮으므로 좋은 명암비를 얻기 위해서는 긴 파장의 빛을 사용하는 것이 좋다. 그러나 충분한 투과율션을 얻기위해서는 필드 세기가 강한 것이 필수적이다. 피치는 전기장을 증가시키는 것에 의해 증가하며, 투과율에 비정상적인 변화를 야기할 수 있다. 전기장이 없을 때의 피치가 가시광선의 파장과 콜레스테릭 액정의 굴절율의 곱보다 작다고 하더라도, 전기장이 적용되면 빛의 특정 파장을 선택적으로 반사시킬 수 있다. 선택적인 반사 파장의 투과율을 특정 전기장에 대해 줄이는 것이 가능할 것이다. Since the transmittance in the absence of an external field depends on the wavelength of light as shown in Equation (1), the transmission in the presence of an electric field is affected by the wavelength of light. 5C shows that the cell transmittance in the presence of an electric field depends on the wavelength. As shown in FIG. 2B, when the light wavelength is long, the transmittance is lower at zero field intensity. Therefore, light having a long wavelength may be used to obtain a good contrast ratio. However, strong field strength is essential to obtain sufficient transmittance. The pitch is increased by increasing the electric field, which can cause abnormal changes in transmittance. Although the pitch in the absence of an electric field is smaller than the product of the wavelength of visible light and the refractive index of the cholesteric liquid crystal, the electric field is applied to selectively reflect a specific wavelength of light. It would be possible to reduce the transmission of the selective reflection wavelength for a particular electric field.

주어진 피치에 대해, 디렉터 변형은 주기적으로 반 피치의 고정된 경계조건에 의해 일어난다. 계산에 의하면 필드 세기가 피지 연장의 포화 세기 EH보다 작다면 피치는 광범위한 전기장 세기에서 단지 수백 나노미터정도에 불과하다. 따라서, LC스위칭은 매우 얇은 셀에서의 스위칭과 동일하다. 스위칭 시간(τ)은, 진폭이 작은 것으로 근사하였을 때(small amplitute approximation) τ∝po2로 표시된다. 이는 도 3에서 볼 수 있듯이 종래의 네마틱 디스플레이에 비해 매우 빠른 반응을 야기한다. For a given pitch, director deformation occurs periodically with a fixed boundary condition of half pitch. The calculation shows that if the field strength is less than the saturation intensity E H of the sebum extension, the pitch is only a few hundred nanometers over a wide range of electric field strengths. Thus, LC switching is equivalent to switching in very thin cells. The switching time τ is represented by τ∝po 2 when the amplitude is approximated as small amplitute approximation. This causes a very quick response as compared to the conventional nematic display as shown in FIG. 3.

도 1은 본 발명의 콜레스테릭 액정 디스플레이의 구조를 보여주는 모식도.1 is a schematic diagram showing the structure of a cholesteric liquid crystal display of the present invention.

도 2는 전기장의 인가에 따른 텍스처 및 투과율의 변화를 보여주는 사진 및 그래프.2 is a photograph and graph showing changes in texture and transmittance with application of an electric field.

도 3은 스퀘어(square) 전기장 인가 시의 시간에 따른 투과율의 변화를 보여주는 그래프.3 is a graph showing a change in transmittance with time when a square electric field is applied.

도 4는 이론적으로 계산된 피치수에 따른 투과율의 변화 및 전기장 인가에 따른 피치수의 변화를 보여주는 그래프.4 is a graph showing a change in transmittance according to the theoretically calculated number of pitches and a change in pitch number according to application of an electric field.

도 5는 전기장의 세기에 따른 투과율의 변화의 이론값을 보여주는 그래프.5 is a graph showing the theoretical value of the change in transmittance according to the intensity of the electric field.

Claims (3)

적어도 한쪽이 투광성을 갖는 한 쌍의 기판;A pair of substrates having at least one light transmitting property; 상기 기판 사이에 협지되며, 0 ≤
Figure 112009068504635-pat00010
< 1의 조건을 만족하고, 나선 축이 기판에 수직하도록 평면 배향된 콜레스테릭 액정 조성물;
Sandwiched between the substrates, 0 ≦
Figure 112009068504635-pat00010
A cholesteric liquid crystal composition which satisfies the condition of <1 and is oriented in a plane such that the spiral axis is perpendicular to the substrate;
상기 기판에 평행한 횡단 전기장을 인가하는 전극;An electrode applying a transverse electric field parallel to said substrate; 상기 기판의 양단에 서로 수직하도록 각각 설치되는 편광자 및 검광자;Polarizers and analyzers respectively installed at both ends of the substrate to be perpendicular to each other; 로 구성되는 것을 특징으로 하는 콜레스테릭 액정 디스플레이.A cholesteric liquid crystal display, characterized in that consisting of. 단, e는 플렉소전기분극 계수(flexoelectric coefficient)의 절대값의 평균, Δε는 유전이방성(dielectric anisotropy), K는 탄성 상수(elastic constant)의 평균. Where e is the average of the absolute values of the flexoelectric coefficient, Δε is the dielectric anisotropy, and K is the average of the elastic constants.
제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 기판간의 간격과 콜레스테릭 액정의 피치의 비(d/po)가 10이상인 것을 특징으로 하는 콜레스테릭 액정 디스플레이.And a ratio (d / po) of the pitch between the substrates and the pitch of the cholesteric liquid crystal is 10 or more. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 콜레스테릭 액정의 나선 피치가 380/n (nm)보다 작은 것을 특징으로 하 는 콜레스테릭 액정 디스플레이. A helical pitch of the cholesteric liquid crystal is less than 380 / n (nm) cholesteric liquid crystal display. 단, n은 콜레스테릭 액정의 평균 굴절율.N is the average refractive index of the cholesteric liquid crystal.
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