KR101464497B1 - 다안정성 반사형 액정 장치 - Google Patents

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앤드류 데이비드슨
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시브레 리미티드
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Abstract

하나 또는 다수개의 공동 내에 액정 분자들을 갖는 다안정성 액정 장치를 개시하며, 여기서 적어도 하나의 고 왜곡 액정 영역(100, 110)이 각 공동 내에 형성되고, 왜곡 영역(100, 110)은 전계의 인가시 적어도 2개의 안정 상태 사이에서 스위칭가능하며, 이 다안정성 액정 장치에서는 그 안정 상태들 중 적어도 하나의 안정 상태가 반사형 모드로 활용될 수 있다.
액정 분자, 다안정성 반사형 액정 장치, 고 왜곡 영역,

Description

다안정성 반사형 액정 장치{MULTISTABLE REFLECTIVE LIQUID CRYSTAL DEVICE}
본 발명은 다안정성 반사형 액정 장치 및 이러한 장치를 포함하는 액정 디스플레이에 관한 것이다.
액정 물질(LC)은 서로 평행하게 배향되려 하고 인가된 전계에 의해 배향될 수 있는 막대형 분자들로 이루어진다. 분자들의 국부적인 배향으로 인해 야기되는 장거리 질서에 의해, 평균 분자 방향인 방향자(director)가 정의될 수 있다. 이러한 분자들의 장축과 단축은 서로 다른 광학 특성을 나타내며, 이에 따라 소정의 분자 배향은 입사광의 강도와 편광을 변경할 수 있다. 이러한 재배향과 편광 효과는, 광 스위치, 가변 위상 격자(changeable phase grating) 또는 디스플레이와 같은 광학 장치를 제공하도록 편광층 및 반사층과 같은 광학 소자들에 관련되어 활용될 수 있다.
기존의 LC 장치들은 일반적으로 각 투명 기판의 내측 상에 픽셀로 패터닝(patterning)될 수 있는 반투명 전극을 갖는 2개의 투명 기판을 구비하며, 이 2개의 투명 기판 사이에는 액정(LC) 물질이 샌드위칭(sandwiching)된다. 일단 입사광이 투과 모드(transmissive mode)에서 보다 액정층을 투과했을 때 LC 장치가 입사광을 반사하도록 사용되는 경우 하나의 기판에 반사형 코팅을 배치할 수 있다. 편광판은 보통 하나의 기판 또는 2개의 기판 모두의 외부 표면에 배치된다. 액정층과 각 전극/기판 사이에서 배향막(alignment layer)은 기판에 가까이 있는 LC 분자들의 배향을 특정하는 데 사용된다. 각 픽셀은, 픽셀 행 전극 및 픽셀 열 전극에 걸쳐 인가되는 전압을 이용하여 "수동적으로", 또는 단일 픽셀(single pixel)에 걸쳐 전계를 선택적으로 인가하기 위해 박막 트랜지스터를 이용하여 "능동적으로" 어드레싱될 수 있다. 이 전계는 2개의 배향 상태 사이에서 액정 분자들을 스위칭하는 데 사용될 수 있고, 이러한 배향 상태들은 LC 층을 통과하는 광에 서로 다른 효과를 가지며, 그 결과 그 배향 상태에 따라, 광이 편광판(들)에 의해 투과될 수 있거나 차단될 수 있다.
이를 달성하는 한 가지 방법은 트위스티드 네마틱(twisted nematic) 구성을 이용하는 것이다. 이러한 장치에서, 배향막은 대향 기판들에 가까이 있는 LC 분자들을 서로 수직하는 방향으로 배향하는 데 사용되고, 하나의 픽셀에 걸쳐 전계가 인가되지 않은 상태에서는, 기판에 가까운 수직 LC 배향으로 인해, 면을 이동해감에 따라 LC 배향에 90도 트위스트가 발생한다. 이것은 광의 편광을 90도 회전시키는 효과를 갖는다. 편광판이 각 기판에서 배향 방향에 평행하게 배치되는 경우, 입사광은 초기에 제1 편광판에 의해 하나의 방향으로 편광되고, 이어서 이 입사광의 편광 방향이 LC에 의해 90도 회전하여 나머지 하나의 기판에서의 제2 편광판과 일치하게 되어, 광이 픽셀로부터의 출력이 되도록 된다. 컬러 필터를 배치하여 색을 띠는 픽셀을 생성할 수 있다. 픽셀의 전극들 사이에 전압을 인가하는 경우, LC는 전계 방향, 즉 양측 기판의 평면에 수직으로 배향된다. 이러한 상태에서, LC 분자들은 광 전파 방향에 평행하게 배향되므로, LC 구성으로 인한 광의 편광 변화는 일어나지 않는다. 따라서, 제1 편광판으로부터의 편광된 광은 수직 방향인 제2 편광판에 의해 차단된다. 이러한 유형의 장치는 입사광이 한 쪽의 광원(즉, 디스플레이 모듈에서의 백라이트)으로부터 다른 쪽의 관찰자를 향하여 그 장치를 통과하므로, 투과형(transmissive)이다.
액정 장치를 이용하여 정보를 표시하는 다른 방법은 반사형(reflective) LC 장치를 이용하는 것이다. 통상적인 반사형 장치는, 관찰자로부터 가장 멀리 떨어져 있는 편광판이 반사형 소자로 대체된다는 점을 제외하고 투과형 장치와 유사한 방식으로 구성된다. 광은 그 장치의 관찰자와 동일한 측으로부터 입사되고 초기에 편광판에 의해 한 방향으로 편광된다. 가능한 LC 구성들 중 한 가지는, 광의 편광 방향이 광이 반사형 소자에 의해 반사되고 이어서 다시 45도 회전되기 전에, LC에 의해 45도 회전되도록 하는 것이다. 이러한 편광의 90도 전회전(total rotation)은 광이 편광판에 의해 차단된다는 것을 의미한다. 픽셀의 전극들 사이에 전압이 인가되는 경우, LC 구성이 광의 편광에 영향을 끼치지 않도록 LC의 재배향이 발생하고, 입사광이 편광되고, LC를 통해 투과되고, 광의 편광방향의 변화없이 다시 LC를 통해 반사되고 투과되어, 편광판은 광이 방출되어 관찰될 수 있게 해 준다. 컬러 필터는 색을 띠는 픽셀을 생성하도록 픽셀 위에 배치될 수 있다.
LC 디스플레이는 음극선관과 같은 다른 유형의 디스플레이와 비교할 때, 매우 평평하고, 가볍고 강건(robust)하다는 등의 많은 이점을 갖는다. 그래서 LC 디스플레이는 이동 전화와 PDA와 같은 휴대가능한 소형 장치에 이상적이다. 그러나, LC 디스플레이는 픽셀을 한 상태로 유지(hold)하기 위해 인가되는 지속적인 전력이 필요하므로, 고 에너지가 요구된다. 게다가, 투과형 디스플레이는 통상적으로 고 콘트라스트의 밝은 화면을 얻기 위해 광원으로부터의 백라이팅을 필요로 하고, 이는 다시 전력 소모를 더 증가시켜 배터리 수명을 단축시킨다. 또한, 이러한 시스템은, LC 분자들이 전계가 존재하는 상태에서 기판의 평면에 수직으로 배향되는 평면외 스위칭(out of plane switching)을 채용하므로, 복굴절 효과가 측면에서 볼 때 콘트라스트의 손실로 이어질 수 있다. 그 결과로 인해 기하학적 구조가 시차 효과(parallax effect)로 인해 색 왜곡으로 이어질 수도 있다.
전술한 장치들에 관련된 문제점들 중 일부는 다안정성(multistable) 반사형 액정 기술, 또는, 특히, 쌍안정성(bistable) 반사형 액정 기술에 의해 다루어진다. 다안정성 액정 장치에서 LC는 하나 이상의 안정성 방향자 구성을 갖는다. 이처럼, 일단 LC가 안정 상태로 스위칭되면, LC는 구성을 변경하도록 전계가 인가될 때까지 그 상태로 유지된다. 이러한 유형의 동작에는 전력이 상태를 변경하는 데에만 공급되고 상태를 계속 유지하는 데에는 공급되지 않으므로, 전력이 덜 필요하다. 이러한 기술의 반사형 양태에서는 백라이트가 필요없으며, 전력 소모가 더욱 감소된다.
Thurston 등에 의한 IEEE Transactions on Electronic Devices Ed-27, no. 11, pp. 2069- 2080 1980에서는, 다수의 가능한 다안정성 시스템을 갖는 LC 장치를 개시하고 있다. 특히, 기판 평면으로부터 왜곡을 발생시키는 정점 다안정성 장치(zenithal multistable device)를 개시하고 있다. 기판 상에 패터닝된 배향 영역에 의존하는 평면내(in-plane) 다안정성 장치도 개시되어 있다.
US 4,333,708에서는 장치 기판에 평행한 회위(disclination)나 특이점(singular point)의 움직임을 포함하는 다수의 다안정성 모드를 갖는 쌍안정성 LC 장치의 일 예를 개시하고 있다. EP 0,517,715 및 WO 92/00546에서는 쌍안정성 LC 장치의 다른 예들을 개시하고 있으며, 여기에서는 표면 처리(SiO의 증착)를 이용하여 쌍안정성 표면 배향막을 생성한다. 이 표면은 2개의 가능한 방향자 구성을 나타낸다. 표면에서의 방향자를 적절한 전압 파형의 인가로 스위칭함으로써, 2개 상태 사이의 스위칭이 가능하다.
또 다른 가능한 쌍안정성 장치가 US 5,796,459에 개시되어 있다. 이것은 하나의 기판 또는 양측 기판 상에 쌍격자(bigrating)가 존재하도록 처리된 기판 표면을 갖는다. 이러한 쌍격자 배치는 LC 분자들이 배치될 수 있는 2개의 서로 다른 가능성있는 각 방향(angular direction)을 생성한다. WO 97/14990은 쌍안정성 장치의 다른 예를 개시하고 있다. 이것은 양측 기판들 중 적어도 하나의 기판 상에 표면 배향 단격자(monograting)를 갖는다. 상기 표면 단격자는 2개의 방향자 배향 배열울 위한 대략 동일한 에너지를 갖게 하는 홈 높이 대 폭 비(groove height to width ratio)를 갖는다. 방향자 배향 배열들은 주로 기판의 평면으로부터의 방향자의 각도에 의해 서로 다르다. 상기 장치는 적절한 전압 펄스를 이용하여 스위칭된다.
쌍안정성 액정 장치를 생성하는 다른 방안은 기판들 중 하나의 기판 상에 배치된 홀(hole)이나 포스트(post)의 어레이를 구비하는 것을 포함한다. 이러한 유형의 장치들은 EP 1,271,225 및 EP 1,139,151에 개시되어 있다. 홀이나 포스트가 존재함으로써 다수의 방향자 배향이 안정될 수 있다. 방향자 배향들 사이의 차이는 주로 기판들의 주 평면으로부터의 방향자 각도의 차이에 있다. 이러한 상태들 사이의 스위칭은 분자 쌍극에 결합된 적절한 전압 펄스를 이용하여 달성된다.
전술한 모든 장치들에서 각 안정 상태는 광의 편광에 서로 다른 효과를 갖고, 광의 투과를 허용하거나 차단하도록 적절히 배향된 편광판들과 함께 이용될 수 있다. 이러한 시스템들은 장치의 후면에서의 면으로부터 반사되거나 그 장치를 투과한 광을 이용하여 사용될 수 있다. 서브픽셀 레벨에서의 표면 처리의 변동을 이용하여 그레이스케일을 달성할 수 있다. 이러한 것들은 보다 많은 종래의 장치들에 대하여 일부 이점들을 제공하지만, 스위칭이 평면외라는 단점이 있으며, 이것은 시차 오차로 인해 비스듬한 관찰 각도에서의 콘트라스트의 손실 및 색 변형으로 이어질 수 있다.
전술한 장치들 중 일부는 LC 결함 영역을 포함할 수 있다. LC가 컨테이너 내에 포함되어 있는 경우, 분자 방향은 컨테이너 표면에 의해 영향을 받는다. 이것은 일정 영역에서의 충돌로 이어질 수 있어서, 결함이 발생할 수 있다. 이러한 결함 영역에서 분자들은, Repnik 등에 의한 European Journal of Physics, Vol. 24, pages 481-492 (2003)에 개시된 바와 같이, 분자 질서의 감소에 관련된 고 왜곡 에너지 구조가 형성되는 방식으로 배향된다. 컨테이너의 형상과 치수, 표면의 지형도, 온도, 인가된 전계, 벽의 표면 에너지와 같은 인자들에 따라, 액정 분자들의 여러 구성이 가능할 수 있다. 각 구성은 벌크 액정 분자의 배향 및 다양한 결함 위치를 가질 수 있다. 그러나, 결함은 일반적으로 장치 효율성을 감소시키기 때문에 바람직하지 못한 것으로서 간주된다. 따라서, 대부분의 알려져 있는 장치에서는 이 러한 결함을 제거하거나 이러한 결함의 형성을 모두 피하게 하는 조치를 취한다.
본 발명의 첫번째 측면에 따르면, 격납 구조(containment structure)의 개별 공동(cavity) 내에 포함된 액정 물질을 갖는 다안정성 반사형 액정 장치를 제공하고, 이 공동은 액정 분자들의 배열시 고 왜곡이나 결함 중 적어도 하나의 영역이 형성되고, 왜곡 영역이 전계의 인가시 적어도 2개의 안정 상태 사이에서 스위칭가능하도록 되어 있으며, 액정 장치는 그러한 상태들 중 적어도 하나의 상태에 있는 반사형이다.
종래 기술의 일부 장치와는 대조적으로 결함을 제거하려 하기보다는, 본 발명은 이러한 결함의 이점을 활용하고 이를 이용하여 다안정성 상태를 제공한다. 실제로 격납 구조의 벽은 결함 구조의 형성을 유도하는 데 사용된다. 적절한 전계를 인가함으로써, 왜곡 영역(들)은 이러한 상태들 사이에서 스위칭될 수 있다. 이것은 대략 평면내로 행해질 수 있고, 이에 따라 비스듬한 관찰시 콘트라스트의 손실을 피하거나 적어도 감소시킬 수 있다.
본 발명의 한정된 격납 구조는, Thurston 등에 의한 IEEE Transactions on Electronic Devices Ed-27, no. 11, pp. 2069-2080 1980에 개시된 시스템과 같은 비한정 시스템(unconfined system)에 비하여, 비한정 장치에서는 Thurston에 의한 장치의 스위칭가능 영역들 사이의 개방 영역이 콘트라스트 및 반사율 특성에 악영향을 끼치는 반면 본원 발명에서는 격납 구조가 균질하며 최소화될 수 있는 계산가능한 고정된 광학 효과를 갖는다는 점에서 많은 이점들을 제공한다.
전계를 펄스로서 인가하기 위한 수단을 제공할 수 있다. 그 펄스의 지속 기간과 크기를 가변하기 위한 수단을 제공할 수 있다.
액정 분자 및 격납 구조는 유연성있거나 단단하고, 유리나 플라스틱일 수 있는 2개의 투명 기판 사이에 있는 것이 바람직하다. 유연성있는 기판에 대해서는 하나의 공동 내의 액정을 둘러싸는 공동들로부터 분리하는 것이 특히 유익하며, 그 이유는 이 구성이 스위칭과 광학 품질을 붕괴시키는 액정층 두께 변동 및 흐름 효과(flow effect)를 최소화하기 때문이다. 투명 기판들은 자신의 어느 쪽 표면 상에반투명 전극 또는 투명 전극을 구비할 수 있다.
전극은 하나 이상의 공동에 관련될 수 있다. 전극들은 공동 벽 상에 추가로 또는 달리 위치할 수 있다. 이러한 전극들의 각각은 스위칭 장치에 부착될 수 있다. 상기 스위칭 장치는 하나 이상의 박막 트랜지스터를 포함할 수 있다.
장치는 반사형 백플레이트(backplate)를 구비할 수 있다. 투명 기판은 편광층으로 라미네이팅될 수 있다. 편광층은 입사광을 편광한다. 편광된 광은 액정 분자의 배향에 따라 광의 편광을 변경하거나 변경하지 않을 수 있는 액정을 통과한다. 이 광은 반사성 백플레이트로부터 반사되고 액정에 의해 야기된 광의 편광 변경에 따라 편광판에 의해 선택적으로 투과되거나 차단된다.
적어도 하나의 안정 상태에 있는 액정 분자들의 대부분의 방향이 적어도 다른 하나의 안정 상태에 있는 액정 분자들의 대부분의 방향에 대하여 대략 45도로 되도록 각 공동을 배치할 수 있다. 적어도 하나의 상태에서 액정 배향은 관찰자에게 가장 가까운 편광판의 방향에 대략 평행할 수 있고, 여기서 다른 상태에서의 배향은 편광판 방향에 대하여 대략 45도의 각도로 된다. 통상적으로 1㎛ 내지 50㎛인 적절한 액정 두께를 이용함으로써, 이러한 2개의 액정 구성 상태는 각각 입사광을 그 장치로부터 반사시킬 수 있고 또는 입사광을 반사하는 것을 허용하지 않을 수 있다. 대조적으로 안정 상태들 사이에서 90도 스위칭을 행하는 액정 장치는 반사형 백플레이트로 사용하기엔 부적절하며, 그 이유는 반사에 관련된 90도 스위칭이 편광판을 이용한 광의 방향을 재배향하고 반사광의 차단을 방지하기 때문이다.
격납 구조는 투명 기판에 평행한 평면에서 각 안정 상태에서의 벌크 액정 분자들이 다른 안정 상태에서의 그 액정 분자들의 배향에 대하여 비스듬한 각도로 있는 육각형 또는 다른 다각형 단면을 갖는 공동들을 가질 수 있다. 이 단면의 각도를 뚜렷하게 정의할 필요는 없다.
공동 벽은 격납 구조의 베이스 또는 기판에 대략 수직으로 연장되는 것이 바람직하다. 격납 구조는 포토리소그래피를 이용하여 포토레지스트 또는 폴리머로 형성될 수 있다.
격납 구조 내의 공동들은 단부 개방형일 수 있으며, 투명 기판 또는 전술한 라미네이팅된 층들 중 임의의 층들과 일체형이거나 동일 평면(flush)으로 될 수 있으며, 여기서 각 공동 내의 액정은 인접하는 공동들 내의 액정으로부터 분리된다.
액정 분자들의 대부분은 투명 기판의 평면에 대략 평행한 평면 내에 있을 수 있다. 일 실시예에서, 동일한 에너지의 안정 상태들은 임의의 안정 상태가 기판에 수직하는 축에 대한 회전에 의해 다른 임의의 안정 상태로부터 얻어질 수 있도록 형성된다.
공동들 중 적어도 두 개의 공동은 적어도 하나의 통신 채널에 의해 링크될 수 있다. 통신 채널의 폭은 20㎛ 미만일 수 있으며 5㎛ 미만이 바람직할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 격납 구조의 공동 내에 액정 분자들을 포함하는 액정 장치에서 상태들을 스위칭하는 방법을 제공하며, 여기서 공동은 적어도 하나의 고 왜곡 영역이 형성되는 것이며, 이 방법은 결함의 움직임에 의해 제1 안정 상태로부터 적어도 하나의 제2 안정 상태로 스위칭하기 위해 액정 분자들에 전계를 인가하는 단계를 포함하고, 액정 장치에서는 상기 안정 상태들 중 적어도 두 개는 광의 다른 양이 장치로부터 반사될 수 있다.
공동은 적어도 하나의 안정 상태에 있는 액정 분자들의 대부분의 방향이 적어도 다른 하나의 안정 상태에 있는 액정 분자들의 대부분의 방향에 대하여 대략 45도로 되도록 배치될 수 있다. 전계는 액정 분자에 평행할 수 있으며 또는 평면내 스위칭의 효력을 내기 위해 그 액정 분자에 평행한 성분을 포함할 수 있다. 스위칭은 유사한 에너지들 또는 동일한 에너지들을 가지는 상태 사이에서 행해지는 것이 바람직하다.
본 발명의 장치와 방법은 디스플레이 기판, 원격통신용 위상 장치, 광 스위치나 가변형 위상 격자를 비롯한 다양한 응용 분야에서 이용될 수 있다.
이제 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 양태들을 단지 예로서 설명한다.
도 1a는 액정 장치의 확대된 도면이다.
도 1b는 도 1s의 확대된 도의 단면도이다.
도 2는 도 1의 장치의 공동 내에서 안정 상태에 있는 액정 분자들의 배향을 도시하는 도면이다.
도 3은 도 1의 장치의 공동 내에서 다른 안정 상태에 있는 액정 분자들의 배향을 도시하는 도면이다.
도 4는 다른 액정 장치의 평면도이다.
도 5a는 도 4의 장치의 공동 내의 안정 상태를 도시하는 도면이다.
도 5b는 도 4의 장치의 공동 내의 다른 안정 상태를 도시하는 도면이다.
도 6은 스위칭 전압의 크기 및 도 4의 장치를 안정 상태들 사이에서 스위칭하기 위해 스위칭 전압이 인가되는 시간 사이의 관계를 도시하는 도면이다.
일정의 형상 및 치수를 갖는 격납 구조 내에 액정들을 포함함으로써, 액정 분자들을 다수의 안정 상태 중 하나로 배열하는 경향이 나타날 수 있으며, 여기서 각 안정 상태는 서로 다른 방향자 구조와, 발생 가능한 고 왜곡의 서로 다른 영역들의 위치들을 갖는다. 고 왜곡 위치는 액정 분자 질서가 벌크에 비해 상당히 감소되어 있고, Repnik 등에 의한 European Journal of Physics, Vol. 24, pages 481-492 (2003)에서 설명한 바와 같이 큰 탄성 왜곡이 발생하는 영역이다.
도 1a 및 도 1b는, 다수의 개구부(21)를 정의하는 격납 구조(20) 내에 있는 액정 물질(10)을 갖는 반사형 액정 장치를 도시한다. 격납 구조(20)는 2개의 투명 기판(30, 35) 사이에 샌드위칭되어 있으며, 이 투명 기판들은 액정 물질(10)에 접 하는 면에 부착된 배향 준비층(40, 45)을 가질 수 있다. 격납 구조(20) 및 투명 기판(30, 35)은 모두 액정 물질(10)을 포함하기 위한 다수의 공동을 정의한다. 각 공동 내의 액정 물질(10)은 해당 공동을 완전히 채우고, 이에 따라 액정 물질은 공동 벽/표면 모두와 직접 접하며, 인접하는 공동들은 서로 완전히 분리되어 있다.
편광판(50)은 하나의 투명 기판(30)의 외측에 라미네이팅되고, 그 위에 컬러 필터(70)가 배치될 수 있다. 컬러 필터(70)는 투과색 섹션(transparent coloured section)들의 일련의 스트립이나 정사각형으로서 제공될 수 있다. 각 공동은 자신에 관련된 컬러 필터(70)의 영역을 가질 수 있다. 각 컬러 필터는 여러 공동들을 커버할 수 있다. 컬러 필터(70)는 적색, 녹색 청색의 투과색의 섹션을 가질 수 있다. 반사형 백플레이트로서 기능을 하는 반사층(85)은 액정 장치의 배면에서 기판(35)에 라미네이팅된다.
도 2와 도 3에 도시한 바와 같이, 격납 구조(20)의 공동들은 투명 기판(30, 35)에 평행한 평면에서 코너(120, 130, 140, 150, 160, 170)가 뽀족하거나 둥근 대략 육각형의 단면을 갖는다. 다른 실시예들에서 공동들의 단면은 벌크 액정의 배향이 다른 안정 상태에 있는 액정의 배향에 대하여 비스듬한 각도로 되도록 코너를 갖는 임의의 다각형일 수 있다. 공동의 육각형 단면의 측면들의 길이는 다를 수 있으며, 10㎛ 내지 100㎛일 수 있고, 공동의 깊이는 1㎛ 내지 50㎛일 수 있다. 육각형 단면에 의해 두 개 이상의 안정 상태가 가능해질 수 있다.
액정(10)을 대향하며 표면 상에서 투명 기판(30, 35)은, 예를 들어 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 도전 물질의 박층으로 형성된 패터닝된 투명 전 극(75, 80)을 갖는다. 평면내 스위칭을 달성하기 위해, 이러한 전극(75, 80)들은 투명 기판(30, 35)들의 성분에 평행한 평면 내의 성분을 갖는 전계를 생성하는 데 사용될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 대향 전극이 작업 전극 바로 아래에 있지 않도록 전극들을 엇걸리게(stagger) 배치함으로써 달성될 수 있다. 다른 방안으로 또는 추가하여, 전극들은 기판에 평행한 전계를 생성하기 위해 공동 벽들 내에 통합될 수 있다. 각 전극은 하나 이상의 공동에 관련될 수 있고, 두 개 이상의 안정 상태 사이에서 스위칭이 가능하도록 전극들의 세트가 하나보다 많을 수 있다.
격납 구조(20) 내의 공동들 및 관련 전극(75, 80)들은 표시된 이미지의 픽셀에 대응할 수 있고, 여러 공동들 및 전극(75, 80)들은 그레이스케일 또는 풀 컬러 출력을 달성하기 위해 하나의 픽셀에 대응할 수 있다.
격납 구조(20) 상의 액정 분자(10)들의 배향은 다수의 인자에 의해 정해진다. 예를 들어, 격납 구조(20)가 폴리머 물질로 형성된 경우, 폴리머 방향은 분자 방향을 가리킨다. 다른 방안으로, SU8과 같은 포토레지스트 물질이 격납 구조(20)를 생성하는 데 사용되는 경우, 액정 분자들은 표면에 대하여 평행한 임의의 방향으로 배치된다. 또 다른 방안으로, 수직(homeotropic) 배향 표면 처리를 이용하는 경우, 액정 분자들은 투명 기판(30, 35)에선 평행하게 배향되지만 공동 표면에 대해선 수직으로 위치한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 육각형 공동에 대하여 그리고 격납 구조(20)의 벽에서의 액정 분자(10)의 수평 배향(planar alignment) 및 투명 기판(30, 35)에서의 수평 배향(planar alignment)에 대하여, 영역의 벌크에 있는 액정 분자(10)는 투명 기판(30, 35)에 평행한 평면에서 공동의 측벽에 대하여 45도로 배향되는 경향이 있다. 이러한 액정 분자(10)의 바람직한 배향을 수용하기 위해, 고 왜곡 영역(100, 110)이 공동의 2개의 대향 코너(120, 150)에 형성된다. 공동의 인접하는 벽들 사이의 상대적으로 급격한 전이(relatively sharp transition)는 국부적인 고 왜곡 영역들의 형성을 향상시키고, 이러한 영역들을 공동의 코너(120, 150)에 고정(pin)시킨다는 점에서 유익하다. 이러한 고 왜곡 사이트(100, 110)들의 영역 내의 액정 분자(10)들은 벌크 내의 액정 분자들의 대부분과 다르게 배향된다. LC 분자가 고 왜곡 사이트로부터 멀어질수록, LC 분자의 배향이 벌크의 배향, 즉, 공동의 벽에 대하여 45도로 되는 배향과 유사해진다.
도 3에 도시한 바와 같이, 액정 분자(10)의 방향의 평면 내에서 성분을 갖는 적절한 전계를 인가함으로써, 고 왜곡 영역(100, 110)이 이동하게 되는데, 이 경우, 스위칭이 공동의 코너(120, 150)로부터 공동의 코너(140, 170)로 발생하게 된다. 벌크 LC 분자(10)들은 자신들의 이전 방향에 대하여 45도로 위치하지만, 여전히 투명 기판(30, 35)의 위치에 평행한 평면 내에 있도록 재배향되어, 고 왜곡 영역의 위치 변경에 맞추게 된다. 따라서, 스위칭은 평면 내로 유지된다. 즉, 벌크 액정 분자(10)들은 투명 기판(30, 35)의 위치에 평행한 평면 내에 항상 위치하게 된다. 이것은 복굴절 효과가 없으므로 인해 넓은 범위의 시야각을 가능하게 하고, 상태들 사이의 45도 스위칭으로 인해 고 정도의 콘트라스트 및 반사율을 제공한다는 점에서 유익하다.
본 발명의 장치는 반사형이기 때문에, 사용시 광원(90)이 관찰자(95)와 동일한 측에 위치한다. 장치로의 입사광은 초기에 편광판(50)에 의해 제1 방향으로 편 광된다. 발생가능한 안정 상태의 액정(10) 구성들 중 하나는, 광의 편광 방향이 반사 소자(85)에 의해 반사되고 이어서 액정(10)에 의해 다시 45도로 회전되기 전에 액정(10)에 의해 45도 만큼 회전되는 것이다. 90도 만큼의 편광의 전회전은, 광이 편광판(50)에 의해 차단된다는 것을 의미한다. 픽셀의 전극들 사이에 전압이 인가되는 경우, 액정 분자들의 벌크는 제2 안정 상태로 45도 만큼 스위칭될 수 있고, 이 상태에서는 액정 분자(10)들이 편광판(50)의 방향으로 지배적으로 배향된다. 이 제2 안정 상태에서의 입사광(90)은 편광되고, 액정을 통해 투과되며, 반사 소자(85)에 의해 반사되고, 편광 방향에 어떠한 변경도 없이 액정에 의해 다시 투과된다. 이 경우 편광판(50)은 광이 방출되어 관찰될 수 있게 한다. 이러한 방식으로 광은 검출(95)되고 또는 화면이 장치의 광원(90)과 동일한 측에서 관찰된다.
공동의 코너의 뾰족함은 고 왜곡 영역들이 서로 다른 코너들에 위치한 서로 다른 상태들의 안정성 및 상태들 사이에 장치를 스위칭하는 데 필요한 전압 둘 다를 결정한다. 보다 뾰족한 코너에 대해서는 2개의 서로 다른 분자 구성 사이의 탄성 에너지 장벽이 보다 매끄러운 코너에 비하여 높다. 에너지 장벽의 증가는 2개 상태의 안정성을 증가시키고, 그 2개 상태 사이에 스위칭을 행하는 데 필요한 전압을 증가시킨다.
본 발명이 구현되는 장치는 많은 이점을 제공한다. 액정을 공동 내에 포함하는 것은 장치가 노크(knock) 및 진동으로 인한 손상에 대하여 종래의 구성보다 영향을 덜 받음을 의미한다. 또한, 공동의 정확한 다각형 형상을 변경함으로써, 동일한 에너지를 갖는 2개의 일정한 안정 상태를 이용할 수 있다. 이것은 그 2개의 상 태 사이의 스위칭을 보다 쉽게 행할 수 있게 한다.
본 발명에 의하면, 양호한 콘트라스트와 반사율, 양호한 광학 특성을 갖는 넓은 범위의 시야각, 그레이스케일이나 풀 컬러의 범위, 상태들 사이의 광의 45도 회전, 저 전력 소모를 갖춘 강건한 장치를 달성할 수 있다. 본 발명은 이러한 특성들에 의해 광학 스위치, 액정 디스플레이, 가변형 위상 격자에서 특히 유용하다. 본 발명에 따른 액정 디스플레이는, 양호한 콘트라스트, 넓은 시야각, 저 전력 소모, 수동적 어드레싱의 이용으로 인해 휴대형 장치 내의 전자 문서 또는 디스플레이에 특히 적절하고 이에 따라 현재의 장치보다 상당히 많은 픽셀들을 이용할 수 있다.
전술한 장치가 각 공동의 콘텐츠를 유익하게 분리하고 있지만, 일부 상황에서는, 예를 들어, 공동을 액정 물질로 채우는 것을 돕도록 공동들 사이의 유동성 전달(fluid communication)을 허용하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 도 4에 도시한 바와 같은 다른 실시예에서, 2개 이상의 공동은 적어도 하나의 채널(180)에 의해 링크된다. 채널(180)의 크기가 증가함에 따라, 채널(180)의 방향으로 배향되고 배향되는 액정(10)의 탄성 선호가 증가하게 된다. 채널(180)이 너무 넓으면, 액정(10)이 채널(180)에 대하여 수직하는 안정 상태의 안정성이 감소되며, 이 상태가 더 이상 안정적이지 않은 정도로 감소될 수 있다. 또한, 채널(180)은 장치의 광학 특성에 영향을 끼칠 수 있다. 따라서, 이러한 영향을 최소화하기 위해, 각 채널(180)의 폭은 20㎛ 미만이 유익하고 5㎛ 미만이 바람직하다.
다른 실시예에서, 전술한 채널 배향 효과는 적어도 하나의 추가 안정 상태를 제공하도록 채널(180)의 크기를 조절하고 위치시킴으로써, 유익하게 활용될 수 있다. 편광판(50)의 배향 및 채널(180)의 위치에 따라, 그 추가 상태는 단지 밝거나 어두운 상태라기보다 그레이(grey) 상태일 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 도 4의 장치의 공동에서의 2개의 서로 다른 안정 상태를 각각 도시한다. 도 5a에 도시한 공동 내의 액정 분자는 편광판(50)의 편광 방향으로 배향되어 있는 반면, 도 5b에 도시한 액정 분자는 도 5a에 도시한 액정 분자에 대하여 45도로 배향되어 있다. 이 예에서, 공동은 80㎛의 수평 폭을 갖고 교차된 편광판들 아래에 배치된다. 도 5a의 안정 상태는 도 5b의 안정 상태보다 어두움을 알 수 있다.
전술한 장치들의 스위칭은 스위칭 전계가 인가되는 시간 및 최대 인가 전압에 의존한다. 이것의 일 예가 도 6에 도시되어 있으며, 서로 다른 시간 길이들 및 최대 인가 전압들에 대하여 10kHz 전계를 인가함에 따른 스위칭을 도시하고 있다. 선(190) 위의 영역에서 장치가 동작함에 따라 안정 상태들 사이의 스위칭이 발생하는 반면, 선(190) 아래에서는 스위칭이 없다. 도시한 바와 같이, 스위칭 전계가 인가되는 시간이 짧을수록, 스위칭을 달성하는 데 필요한 최대 인가 전압이 보다 높아지고, 그 반대의 경우도 가능하다.
본 발명으로부터 벗어나지 않고서 전술한 구성들의 변동이 가능하다는 점을 당업자라면 인식할 것이다. 예를 들어, 회절 효과를 최소화하기 위해, 격납 구조(20) 내의 공동들은 임의로 배열될 수 있다. 다른 방안으로 회절 효과가 필요하다면, 공동들은 당해 기술에 알려져 있듯이 필요한 회절 효과를 얻기 위해 M x N 그리드와 같은 순서를 갖는 방식으로 배열될 수 있다. 게다가, 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한 장치에서, 수평 배향은 공동의 벽 상에 존재하고, 투명 기판(30, 35)들의 물질은 투명 기판들과 접하고 있는 액정 분자들이 이에 평행한 방향으로 배향되도록 선택되고, 수직 배향 기술이 공동 상에 이용될 수 있다는 점을 인식할 것이다.
이에 따라, 전술한 특정 실시예의 설명은 예일 뿐이며 제한적이지 않다. 전술한 동작을 상당히 변경하지 않고서 작은 수정을 행할 수 있다는 것은 당업자에겐 명백할 것이다.

Claims (28)

  1. 단면이 다각형인 하나 또는 그 이상의 공동들(20) 내에서 두 개의 기판 사이에 액정분자들(10)을 가지는 반사형 다안정성 액정장치(reflective multistable liquid crystal device)로서, 액정물질을 한정된 격납구조(confined containment structure) 내에 가지고, 상기 액정분자들은 각 공동의 벽과 직접 접촉하고, 각 공동 내에서 코너(corner)(120, 130, 140, 150, 160, 170)에 적어도 하나의 고 왜곡(high distortion)의 액정영역(100, 110)이 형성되고, 상기 고 왜곡의 액정영역(들)은 적어도 두 개의 안정적인 왜곡 상태를 가지며, 상기 액정장치는 하나의 입측 편광층(entrance polariser)을 가지고 상기 기판들과 평행한 요소를 가지는 전계를 인가하도록 배열된 전극들과 함께 구성되고, 상기 전계에 의해 상기 고 왜곡의 액정영역이 상기 적어도 두 개의 안정된 상태들 사이에서, 상기 적어도 두 개의 안정된 상태들에서 상기 액정물질의 벌크(bulk) 내에 있는 액정분자들의 방향 사이의 비스듬한 회전각도로, 스위칭이 가능하게 되는 것을 특징으로 하는 반사형 다안정성 액정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 액정 분자와 상기 공동은 투명 기판과 반사형 기판 사이에 있는 다안정성 액정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 안정 상태에 있는 상기 액정 분자들의 대부분은, 적어도 다른 하나의 안정 상태에 있는 상기 액정 분자들의 대부분의 방향에 대하여 비스듬한 각도로 배향되어 있는 다안정성 액정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 적어도 하나의 안정 상태에 있는 상기 액정 분자들의 대부분은 적어도 다른 하나의 안정 상태에 있는 상기 액정 분자들의 대부분의 방향에 대하여 45도로 배향되어 있는 다안정성 액정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 또는 다수개의 공동은 육각형 단면을 갖는 다안정성 액정 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 인접하는 공동 벽들 사이에 하나의 급격한 전이(sharp transition)가 존재하는 다안정성 액정 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 공동을 정의하는 벽은 베이스 또는 기판에 수직하는 다안정성 액정 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 고 왜곡의 액정영역은 상기 공동의 코너에 위치하고 있는 다안정성 액정 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 안정 상태에 있는 상기 액정 분자들은 상기 공동의 베이스에 평행한 평면 내에 있는 다안정성 액정 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 각 공동 내의 상기 액정은 인접하는 공동들 내의 상기 액정으로부터 분리되어 있는 다안정성 액정 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 적어도 두 개의 공동이 적어도 하나의 채널에 의해 링크되어 있는 다안정성 액정 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 채널의 폭은 20㎛ 미만인 다안정성 액정 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 액정 장치는 네마틱 액정 장치인 다안정성 액정 장치.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 액정 분자들 중 적어도 일부에 평행한 평면 내에서 전계의 적어도 하나의 성분을 인가하기 위한 수단을 포함하는 다안정성 액정 장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 공동의 벽 상에 전극이 위치해 있는 다안정성 액정 장치.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 격납 구조는 포토레지스트 또는 폴리머 물질로 형성되어 있는 다안정성 액정 장치.
  17. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 전극이 하나 또는 다수개의 공동에 관련되어 있고, 스위칭 장치에 부착되어 있는 다안정성 액정 장치.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 스위칭 장치는 하나 또는 다수개의 박막 트랜지스터를 포함하는 다안정성 액정 장치.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 장치는 적어도 하나의 편광층을 갖는 다안정성 액정 장치.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 편광층은 상기 안정 상태 중 적어도 하나의 안정 상태에서 광을 차단하고, 적어도 다른 하나의 상태에서 광을 투과시키도록 동작가능한 다안정성 액정 장치.
  21. 제 1 항에 따른 다안정성 액정 장치를 포함하는 디스플레이 장치.
  22. 제 1 항에 따른 다안정성 액정 장치를 포함하는 원격통신용 위상 장치(phase device for telecommunication).
  23. 제 1 항에 따른 다안정성 액정 장치를 포함하는 광 스위치.
  24. 제 1 항에 따른 다안정성 액정 장치를 포함하는 가변형 위상 격자(changeable phase grating) 장치.
  25. 격납 구조에서, 적어도 하나의 고 왜곡의 국부 영역이 형성되는 공동 내에 액정 분자들을 포함하는 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 따른 액정 장치의 상태들을 스위칭하는 방법으로서,
    상기 고 왜곡의 국부 영역을 제1 상태로부터 적어도 하나의 제2 상태로 스위칭하기 위해 상기 액정 분자들에 전계를 인가하는 단계를 포함하고,
    상기 액정 장치는 상기 제1 상태와 상기 제2 상태 중 적어도 하나가 광이 상기 액정 장치로부터 반사될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 상태 스위칭 방법.
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 삭제
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