KR101684668B1 - 쌍안정 액정표시장치 - Google Patents

Abstract

표시 품질을 향상시킨 쌍안정 액정표시장치가 개시된다. 쌍안정 액정표시장치는 제1 전극, 제1 전극과 절연되어 제1 전극 상에 형성된 패턴 전극 및 패턴 전극 상에 형성된 제1 수직 배향막을 포함하는 제1 기판과, 제1 기판과 대향하고, 제2 수직 배향막을 포함하는 제2 기판과, 제1 및 제2 기판들 사이에 개재되고, 제1 및 제2 수직 배향막들에 의해 제1 안정 상태에서 수직 정렬상을 가지며 제2 안정 상태에서 수직 정렬상의 일부가 트위스트된 트위스트상을 갖는 카이랄 액정을 포함하는 액정층을 포함한다. 이에 따라, 쌍안정 상태의 전이 속도를 증가시키고, 쌍안정 액정표시장치의 명암비를 높일 수 있다.

Description

쌍안정 액정표시장치{BISTABLE LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE}

본 발명은 쌍안정 액정표시장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 메모리 모드용 쌍안정 액정표시장치에 관한 것이다.

일반적으로, 액정표시장치는 서로 대향하는 2개의 기판들 사이에 개재된 액정층에 전계를 형성하고, 상기 전계의 세기 및/또는 방향에 따라 액정이 광의 투과율을 제어하는 방식으로 화상을 표시한다.

한편, 상기 액정표시장치는 전계가 형성된 동안의 액정의 거동에 따라서 크게 다이나믹 모드와 메모리 모드로 나눌 수 있다. 상기 다이나믹 모드는, 상기 액정층에 전계가 형성된 동안에 영상이 표시되고, 상기 전계를 제거하면 상기 액정층은 상기 전계가 형성되기 전의 초기 상태로 되돌아가는 성질을 이용하는 액정 모드이다. 반면, 상기 메모리 모드는 상기 액정층에 전계를 형성한 후 상기 전계를 제거하여 초기 액정 상태와 다른 안정한 상태의 최종 액정 상태를 만들어 역학적 에너지 관점에서 2개의 안정한 상태의 액정상을 이용하는 액정 모드로서, 상기 최종 액정 상태에서는 소정 시간이 지남에도 불구하고 다시 상기 초기 액정 상태로 돌아가지 않고 그 상태를 계속하여 유지하는 특성을 갖는다. 상기 메모리 모드는 상기 초기 액정 상태 및 상기 최종 액정 상태를 쌍안정 상태로 이용함으로써 화면을 전환하기 위해 필요한 전력 이외에 상기 최종 액정 상태를 유지시키기 위한 전력 공급이 필요하지 않으므로 전력 소비가 낮은 표시 장치이다.

상기 메모리 모드는 낮은 전력 소비를 요구하는 전자 종이, 전자책 등의 분야에서 유용하게 이용될 수 있다. 그러나, 상기 메모리 모드에서 상기 초기 액정 상태에 전계를 가한 후 상기 전계를 제거하더라도 상기 초기 액정 상태에서 완전하게 상기 최종 액정 상태로 전이되기 어려워 상기 액정표시장치의 명암비를 저하시킬 수 있다. 상기 명암비를 개선하기 위해서 상기 액정표시장치의 셀 갭을 증가시키거나, 보상 필름 등의 추가적인 광학 필름 등을 이용하고 있지만, 상기 셀 갭이 증가되면 장치의 두께가 증가하고 액정의 필요량이 많아지는 등의 문제가 발생하고 상기 보상 필름과 상기 액정표시장치의 얼라인먼트의 신뢰성을 향상시키는데 한계가 있다. 또한, 상기 초기 액정 상태에서 상기 최종 액정 상태로 전이되는 속도가 수 초 정도로 매우 느려 시인성이 저하될 수 있다.

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 표시 품질이 향상된 쌍안정 액정표시장치를 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 실시예에 따른 쌍안정 액정표시장치는 제1 기판, 상기 제1 기판과 대향하는 제2 기판 및 상기 제1 및 제2 기판들 사이에 개재된 액정층을 포함한다. 상기 제1 기판은 제1 전극, 패턴 전극 및 제1 수직 배향막을 포함한다. 상기 제1 전극은 제1 베이스 기판 상에 형성되고, 상기 패턴 전극은 상기 제1 전극과 절연되어 상기 제1 베이스 기판 상에 형성된다. 상기 제1 수직 배향막은 상기 패턴 전극 상에 형성된다. 상기 제2 기판은 제2 수직 배향막을 포함한다. 상기 액정층은 상기 제1 및 제2 수직 배향막들에 의해 제1 안정 상태에서 수직 정렬상을 가지며 제2 안정 상태에서 상기 수직 정렬상의 일부가 트위스트된 트위스트상을 갖는 카이랄 액정을 포함한다.

일 실시예에서, 상기 제2 안정 상태는 상기 카이랄 액정이 상기 제1 안정 상태에서 상기 제1 전극과 상기 패턴 전극 사이의 수평 전계를 형성한 후 상기 수평 전계를 제거한 무전계에서 형성된다.

일 실시예에서, 상기 제2 안정 상태의 상기 액정층은 상기 트위스트상 및 상기 트위스트상과 인접하게 배치된 수직 정렬상을 가질 수 있다.

일 실시예에서, 상기 카이랄 액정은 양의 유전율 이방성을 가질 수 있다. 이와 달리, 상기 카이랄 액정은 음의 유전율 이방성을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 카이랄 액정은 이중 주파수 액정을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제2 기판은 상기 수직 배향막의 하부에 형성되어 상기 제1 전극과 수직 전계를 형성하는 제2 전극을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 안정 상태는, 상기 제2 안정 상태에서 상기 수직 전계가 형성된 후 상기 수직 전계가 제거되어 형성될 수 있고, 상기 제1 안정 상태의 상기 수직 정렬상의 일부는 상기 제2 안정 상태의 상기 트위스트상이 변화하여 형성될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 수직 배향막들 사이의 거리인 셀 갭(d)과 상기 카이랄 액정의 트위스트 피치(p)의 비율(d/p)의 범위는, 약 0.65에서 약 0.75까지일 수 있다.

이와 같은 쌍안정 액정표시장치에 따르면, 카이랄 액정의 제1 안정 상태인 초기 상태가 수직 정렬상을 갖도록 함으로써 수평 전계를 이용하여 상기 제1 안정 상태와 다른 안정 상태인 제2 안정 상태로 빠르게 전이시킬 수 있다. 또한, 상기 카이랄 액정이 상기 제2 안정 상태에서는 트위스트상 및 상기 수직 정렬상을 모두 가질 수 있어 상기 트위스트상이 상기 수직 정렬상에 의해 안정화될 수 있다. 이에 따라, 상기 카이랄 액정의 전이 속도를 향상시킬 수 있고, 명암비를 향상시킬 수 있으므로 표시 품질이 향상될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 쌍안정 액정표시장치의 평면도이다.
도 2는 도 1의 A 부분의 확대 평면도이다.
도 3은 도 2의 I-I' 라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 3에 도시된 쌍안정 액정표시장치의 동작을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 쌍안정 액정표시장치의 동작을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 쌍안정 액정표시장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 7a 내지 도 7e는 본 발명에 따른 쌍안정 액정표시장치에서 수평 전계의 세기에 따른 제2 무전계 상태의 변화를 설명하기 위한 편광 현미경 사진들이다.
도 8은 본 발명에 따른 쌍안정 액정표시장치의 수평 전계의 세기에 따른 투과된 광의 세기를 설명하기 위한 그래프이다.
도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 쌍안정 액정표시장치의 응답 특성을 설명하기 위한 그래프들이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

첨부된 도면에 있어서, 기판, 층(막) 또는 패턴들 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 본 발명에 있어서, 각 층(막), 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막) 또는 패턴들의 "상에", "상부에" 또는 "하부"에 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 층(막), 패턴 또는 구조물들이 직접 기판, 각 층(막) 또는 패턴들 위에 형성되거나 아래에 위치하는 것을 의미하거나, 다른 층(막), 다른 패턴 또는 다른 구조물들이 기판 상에 추가적으로 형성될 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 쌍안정 액정표시장치의 평면도이고, 도 2는 도 1의 A 부분의 확대 평면도이며, 도 3은 도 2의 I-I' 라인을 따라 절단한 단면도이다.

도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 쌍안정 액정표시장치(500)는 제1 전극(ME1), 패턴 전극(PTE), 신호 배선(SL) 및 제1 수직 배향막(AL1)을 포함하는 제1 기판(100), 상기 제1 기판(100)과 대향하고 제2 전극(ME2) 및 제2 수직 배향막(AL2)을 포함하는 제2 기판(200) 및 상기 제1 및 제2 기판들(100, 200) 사이에 개재된 액정층(300)을 포함한다.

상기 제1 전극(ME1)은 제1 방향(D1)으로 연장되고, 상기 제1 방향(D1)과 다른 제2 방향(D2)으로 다수개가 배열된다. 상기 제2 전극(ME2)은 상기 제2 방향(D2)으로 연장되고, 상기 제1 방향(D1)으로 다수개가 배열된다. 상기 제1 및 제2 전극들(ME1, ME2) 각각은 그 자체가 전기적인 신호를 인가할 수 있다. 상기 제1 및 제2 전극들(ME1, ME2)에 서로 다른 전압 레벨을 갖는 신호들이 각각 인가될 때, 상기 액정층(300)에는 상기 전압 레벨의 전위차에 의해서 상기 제1 및 제2 기판들(100, 200) 사이에 "수직 전계"가 형성된다.

상기 신호 배선(SL)은 상기 제1 방향(D1)으로 연장되고, 상기 제2 방향(D2)으로 다수개가 배열된다. 상기 신호 배선(SL)은 서로 인접한 상기 제1 전극들(ME1)이 형성된 영역에 형성된다. 상기 신호 배선(SL)은 상기 패턴 전극(PTE)과 콘택홀(CNT)을 통해서 전기적으로 연결되어, 상기 신호 배선(SL)에 인가된 신호를 상기 패턴 전극(PTE)에 전달한다.

상기 패턴 전극(PTE)은 평면에서 볼 때, 상기 제1 전극(ME1)과 상기 제2 전극(ME2)이 교차하는 영역에 형성된다. 상기 패턴 전극(PTE)은 서로 전기적으로 연결된 제1 서브 전극(SE1) 및 제2 서브 전극(SE2)을 포함한다. 상기 제1 및 제2 서브 전극들(SE1, SE2)은 상기 제2 방향(D2)으로 연장될 수 있다. 이와 달리, 상기 제1 및 제2 서브 전극들(SE1, SE2)은 상기 제1 방향(D1)으로 연장되거나, 상기 제1 및 제2 방향들(D1, D2) 사이의 방향으로 연장될 수 있다. 상기 제1 및 제2 서브 전극들(SE1, SE2) 각각은 제1 너비(w₁)를 가지고, 서로 제2 너비(w₂)를 가지도록 서로 이격되어 배치된다. 예를 들어, 상기 제1 너비(w₁)는 약 4㎛일 수 있고, 상기 제2 너비(w₂)는 약 4㎛일 수 있다. 상기 패턴 전극(PTE) 및 상기 제1 전극(ME1)에 서로 다른 전압 레벨을 갖는 신호들이 각각 인가될 때, 상기 액정층(300)에는 상기 전압 레벨의 전위차에 의해서 상기 패턴 전극(PTE) 및 상기 제1 전극(ME1) 사이에 "수평 전계"가 형성된다. 상기 패턴 전극(PTE)과 상기 제1 및 제2 전극들(ME1, ME2) 각각은 광을 투과시킬 수 있는 투명한 도전성 물질, 예를 들어 인듐 틴 옥사이드(ITO), 인듐 징크 옥사이드(IZO) 등으로 형성될 수 있다.

상기 제1 배향막(AL1)은 상기 제1 전극(ME1), 상기 신호 배선(SL) 및 상기 패턴 전극(PTE)이 형성된 제1 베이스 기판(110)의 전면에 형성된다. 상기 제2 배향막(AL2)은 상기 제2 전극(ME2)이 형성된 제2 베이스 기판(210)의 전면에 형성된다. 상기 제1 및 제2 배향막들(AL1, AL2)은 상기 액정층(300)에 수평 전계 및/또는 수직 전계가 형성되지 않은 무전계 상태에서 상기 액정층(300)의 카이랄 액정을 수직 정렬시키는 역할을 한다. 상기 제1 및 제2 배향막들(AL1, AL2) 각각은 폴리 이미드계 화합물로 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 배향막들(AL1, AL2)의 표면 배향성은 서로 반대 방향이거나, 서로 동일한 방향일 수 있다.

상기 제1 기판(100)은 제1 절연층(120) 및 제2 절연층(130)을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 절연층(120)은 상기 제1 전극(ME1)이 형성된 상기 제1 베이스 기판(110) 상에 형성되어, 상기 제1 전극(ME1)과 상기 신호 배선(SL)을 절연시킨다. 상기 제2 절연층(130)은 상기 신호 배선(SL)이 형성된 상기 제1 베이스 기판(110) 상에 형성되어, 상기 신호 배선(SL)과 상기 패턴 전극(PTE)을 절연시킨다. 상기 제2 절연층(130)은 상기 신호 배선(SL)을 부분적으로 노출시키는 상기 콘택홀(CNT)을 포함하고, 상기 콘택홀(CNT)에 의해서 상기 신호 배선(SL)과 상기 패턴 전극(PTE)이 전기적으로 연결될 수 있다.

본 실시예에 따른 상기 카이랄 액정은, 액정의 장축이 상기 전계의 방향에 수평한 배열을 선호하는 특성을 갖는 양의 유전율 이방성을 갖는다. 상기 액정층(300)의 상기 카이랄 액정은 네마틱 액정(nematic liquid crystal) 및 카이랄 도펀트(chiral dopant)를 포함한다. 상기 카이랄 액정은 상기 카이랄 도펀트에 의해서 소정 각도로 꼬인 상태로 정의되는 트위스트상(TP, 도 4c 참조)을 가질 수 있고, 상기 카이랄 도펀트에 의해서 상기 트위스트상이 역학적으로 안정화될 수 있는 특성을 갖는다. 상기 카이랄 액정 전체 함량에 대한 상기 카이랄 도펀트의 함량은, 상기 카이랄 액정의 헬리컬 트위스팅 파워(helical twisting power)와 상기 카이랄 액정의 자연발생적인 자연 피치(pitch)에 의존한다. 상기 카이랄 도펀트의 함량은 상기 헬리컬 트위스팅 파워에 반비례하므로, 상기 헬리컬 트위스팅 파워가 높은 카이랄 액정에는 상대적으로 소량이 포함되고 상기 헬리컬 트위스팅 파워가 낮은 카이랄 액정에는 상대적으로 많은 양이 포함된다. 또한, 상기 카이랄 도펀트의 함량은 상기 자연 피치의 크기에 반비례하므로, 상기 자연 피치가 큰 카이랄 액정에는 상대적으로 소량이 포함되고 상기 자연 피치가 작은 카이랄 액정에는 상대적으로 많은 양이 포함된다. 상기 카이랄 액정의 상기 자연 피치(p)는, 상기 제1 및 제2 기판들(100, 200) 사이의 거리로 정의되는 상기 쌍안정 액정표시장치(500)의 셀 갭(cell gap, d) 사이의 d/p의 값의 범위는 약 0.65에서 약 0.75까지일 수 있다. 상기 d/p가 약 0.65 미만일 경우에는 상기 카이랄 액정은 역학적으로 안정한 2개의 안정한 상태를 갖는 쌍안정(bistable)의 특성을 가지지 못하므로 메모리 모드로 이용할 수 없다. 또한, 상기 d/p가 약 0.75 초과인 경우 상기 쌍안정의 특성을 가질 수는 있으나 제1 안정 상태에서 제2 안정 상태가 만들어진 후에, 상기 제2 안정 상태에서 다시 상기 제1 안정 상태로 되돌릴 수 없다. 따라서, 상기 쌍안정 액정표시장치(500)에서는 d/p의 값의 범위가 약 0.65 에서 약 0.75까지인 카이랄 액정을 사용하는 것이 바람직하다.

도면으로 도시하지 않았으나, 상기 쌍안정 액정표시장치(500)의 하부에는, 상기 쌍안정 액정표시장치(500)로 백라이트를 제공하는 백라이트 어셈블리가 배치될 수 있다. 이때, 상기 제1 기판(100)의 외측면에는 하부 편광판이 배치되고, 상기 제2 기판의 외측면에는 상부 편광판이 배치될 수 있다. 상기 하부 편광판의 투과축 방향은 상기 상부 편광판의 투과축 방향과 평행하거나, 서로 교차할 수 있다.

또한, 상기 쌍안정 액정표시장치(500)와 상기 하부 편광판 사이 및/또는 상기 쌍안정 액정표시장치(500)과 상기 상부 편광판 사이에는 위상 지연 필름이 배치될 수 있다.

또한, 상기 쌍안정 액정표시장치(500)는 컬러필터(미도시)를 더 포함함으로써 컬러를 표시할 수 있고, 반사판(미도시)을 더 포함함으로써 상기 백라이트 어셈블리를 이용하지 않는 반사형 또는 반사-투과형 액정표시장치로 이용할 수 있다.

상기 쌍안정 액정표시장치(500)는 패시브(passive) 방식으로 구동된다. 간략하게 설명하면, 상기 제1 및 제2 전극들(ME1, ME2)이 교차하는 영역이 하나의 도트(dot) 영역(A)으로 정의되고, 상기 도트 영역(A)이 상기 쌍안정 액정표시장치(500)의 화소(pixel)로 정의될 수 있다. 상기 도트 영역(A)은 상기 패턴 전극(PTE)이 형성된 영역과 실질적으로 동일한 영역으로도 정의될 수 있다. 하나의 도트 영역(A)이 선택되기 위해서는, 상기 하나의 도트 영역(A)에 대응하는 상기 제1 및 제2 전극들(ME1, ME2)에 전압이 인가되거나, 상기 하나의 도트 영역(A)에 대응하는 상기 제1 전극(ME1) 및 상기 패턴 전극(PTE)에 전압이 인가되어야 한다.

이하, 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 본 실시예에 따른 상기 쌍안정 액정표시장치(500)의 메모리 모드에서의 동작을 구체적으로 설명한다.

도 4a 내지 도 4c는 도 3에 도시된 쌍안정 액정표시장치의 동작을 설명하기 위한 개념도들이다.

도 4a를 참조하면, 상기 액정층(300)의 상기 카이랄 액정은 제1 안정 상태인 초기 상태에서 수직 정렬상(VP)을 갖는다. 상기 제1 안정 상태는 상기 제1 및 제2 전극들(ME1, ME2)과 상기 패턴 전극(PTE)에 전압이 인가되지 않은 무전계 상태에서의 상기 카이랄 액정의 상태로 정의한다. 상기 카이랄 액정은 상기 제1 및 제2 수직 배향막들(AL1, AL2) 사이에 개재됨으로써 상기 제1 안정 상태에서 상기 수직 정렬상(VP)을 갖게 된다. 상기 제1 및 제2 수직 배향막들(AL1, AL2)에 의해서, 상기 카이랄 액정은 상기 쌍안정 액정표시장치(500)의 전 영역에서 상기 수직 정렬상(VP)을 갖는다.

구체적으로, 상기 제1 및 제2 서브 전극들(SE1, SE2)이 형성된 제1 영역(A1)에서 상기 카이랄 액정은 상기 수직 정렬상(VP)을 갖는다. 또한, 상기 제1 및 제2 서브 전극들(SE1, SE2) 사이의 이격 영역인 제2 영역(A2)에서도 상기 카이랄 액정은 상기 수직 정렬상(VP)을 갖는다.

도 4b를 참조하면, 상기 제1 전극(ME1)과 상기 패턴 전극(PTE) 각각에 전압이 인가되어 상기 액정층(300)에 상기 수평 전계가 형성된 때, 상기 카이랄 액정의 일부는 수평 정렬상(PP)을 갖는다. 상기 수평 전계가 형성된 때의 상기 카이랄 액정의 상태를 준안정 상태로 정의한다. 즉, 상기 액정층(300)에 상기 수평 전계가 형성됨으로써 상기 카이랄 액정은 상기 제1 안정 상태에서 상전이되어 상기 준안정 상태가 된다. 상기 카이랄 액정은 상기 제1 안정 상태에서 단순하게 상기 수평 전계를 형성하기만 하면 용이하게 상기 준안정 상태로 전이될 수 있다. 상기 제1 안정 상태에서 상기 준안정 상태로 전이되는 시간은 수 내지 수십 밀리 초(milli second, ms)에 불과하다.

구체적으로, 상기 카이랄 액정은 상기 수평 전계의 방향을 따라 상기 제1 영역(A1)에서는 상기 수직 정렬상(VP)을 갖는다. 반면, 상기 제2 영역(A2)에서는 상기 카이랄 액정이 상기 수직 정렬상(VP)과 동시에 상기 수평 정렬상(PP)을 갖는다. 상기 제2 영역(A1)의 중심부(CT)에서는 전계의 전이대(transition area)가 형성되므로 상기 전계의 방향과 액정의 장축이 평행하도록 상기 카이랄 액정은 상기 수직 정렬상(VP)이 된다. 상기 제2 영역(A2)에서 상기 중심부(CT)의 양측부(SD)에는 상기 수평 전계가 형성되므로 상기 카이랄 액정은 상기 수평 전계의 방향과 수평한 방향으로 장축이 배열되므로 상기 수평 정렬상(PP)을 갖는다. 상기 제1 기판(100)과 인접한 상기 액정층(300)에서부터 상기 카이랄 액정이 상기 수평 정렬상(PP)을 갖게 되면, 상기 수평 정렬상(PP)에 의해서 상기 제2 기판(200)과 인접한 상기 액정층(300)이더라도 상기 수평 정렬상(PP)이 될 수 있다.

도 4c를 참조하면, 상기 준안정 상태에서 상기 수평 전계를 제거한 때, 상기 카이랄 액정의 일부는 상기 트위스트상(TP)을 갖는다. 상기 수평 전계를 제거한 무전계 상태에서의 상기 카이랄 액정의 상태를 제2 안정 상태로 정의한다. 즉, 상기 액정층(300)에 상기 수평 전계를 제거함으로써 상기 카이랄 액정은 상기 준안정 상태에서 상전이되어 상기 제2 안정 상태가 된다. 상기 카이랄 액정은 단순히 상기 수평 전계가 형성된 상태에서 상기 수평 전계를 제거하는 것만으로도 용이하게 상기 준안정 상태에서 상기 제2 안정 상태로 상전이될 수 있다. 상기 준안정 상태에서 상기 제2 안정 상태로 전이되는 시간도, 수 내지 수십 ms에 불과하다.

구체적으로, 상기 카이랄 액정은 상기 수평 전계가 제거됨으로써 상기 수평 정렬상(PP)이 상기 트위스트상(TP)으로 전이된다. 상기 트위스트상(TP)은 상기 카이랄 액정의 상기 카이랄 도펀트에 의해서 상기 네마틱 액정을 트위스트시킴으로써 형성되고, 상기 카이랄 도펀트는 상기 트위스트된 네마틱 액정이 다시 풀어지는 것을 방지하도록 상기 트위스트상(TP)을 안정화시킬 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 제1 영역(A1) 및 상기 제2 영역(A2)의 상기 중심부(CT)에서는 상기 카이랄 액정이 상기 수직 정렬상(VP)을 갖고 , 상기 제2 영역(A2)의 상기 양측부(SD)에서는 상기 카이랄 액정은 상기 트위스트상(TP)을 갖는다. 상기 제2 안정 상태의 상기 카이랄 액정은 상기 카이랄 도펀트에 의해서 안정화될 수 있고, 이에 따라 상기 수평 전계가 제거되더라도 상기 트위스트상(TP)이 상기 수평 정렬상(PP) 또는 상기 수직 정렬상(VP)으로 전이되지 않는다. 또한, 상기 수직 정렬상(VP)이 상기 트위스트상(TP)들을 둘러싸는 격벽(barrier)의 역할을 함으로써 상기 트위스트상(TP)을 안정화시킬 수 있다. 상기 카이랄 액정의 상기 제2 안정 상태의 유지 시간이 상기 쌍안정 액정표시장치(500)의 메모리 시간으로 정의될 수 있다.

이어서, 상기 제2 안정 상태를 갖는 상기 카이랄 액정은 상기 제1 및 제2 전극들(ME1, ME2)에 전압을 인가하여 상기 수직 전계를 형성하고 상기 수직 전계를 제거함으로써 다시 상기 제1 안정 상태로 되돌릴 수 있다. 상기 수직 전계에 의해서 상기 카이랄 액정은 상기 수직 전계의 방향과 평행한 방향으로 장축이 배열되고 상기 수직 전계가 제거된 후에 상기 제1 및 제2 수직 배향막들(AL1, AL2)에 의해서 상기 카이랄 액정은 전체적으로 상기 수직 정렬상(VP)을 갖게됨으로써, 상기 제2 안정 상태에서 도 4a에서 설명한 상기 제1 안정 상태로 전이될 수 있다. 상기 제2 안정 상태에서 상기 제1 안정 상태로 전이되는 시간도, 수 내지 수십 ms에 불과하다.

상기 제1 안정 상태로 복귀된 상기 카이랄 액정은 다시 상기 수평 전계를 인가함으로써 도 4b에서 설명한 상기 준안정 상태로 전이될 수 있고, 상기 수평 전계를 제거함으로써 도 4c에서 설명한 상기 제2 안정 상태로 전이될 수 있다. 다만, 상기 수평 전계의 세기에 따라서 상기 제2 안정 상태에서의 상기 트위스트상(TP)이 달라질 수 있다. 상기 트위스트상(TP)의 꼬임 배열을 조절함으로써 상기 제2 안정 상태가 투과시키는 광량이 달리지고, 이에 따라 상기 쌍안정 액정표시장치(500)의 다양한 계조를 표현할 수 있다.

상기에서 설명한 본 실시예에 따르면, 상기 제1 및 제2 배향막들(AL1, AL2)을 이용함으로써 상기 제1 및 제2 영역들(A1, A2) 모두에서, 상기 제1 안정 상태를 용이하게 안정화시킬 수 있고, 상기 제2 안정 상태를 더욱 안정화시킬 수 있으며, 상기 제2 안정 상태에서 상기 제1 안정 상태로 용이하게 전이시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 카이랄 액정의 상전이 속도와 비례하는 상기 쌍안정 액정표시장치(500)의 응답 속도를 향상시킬 수 있고, 명암비를 향상시킬 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 쌍안정 액정표시장치의 동작을 설명하기 위한 개념도들이다.

먼저, 도 5a를 참조하여 본 실시예에 따른 쌍안정 액정표시장치(502)를 간략하게 설명하고, 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 본 실시예에 따른 쌍안정 액정표시장치(502)의 동작을 설명한다. 본 실시예에 따른 쌍안정 액정표시장치(502)는 제1 기판(100), 제2 기판(200) 및 액정층(302)을 포함한다. 본 실시예에 따른 쌍안정 액정표시장치(502)는 상기 액정층(300)에 포함된 카이랄 액정이 음의 유전율 이방성을 갖는 것을 제외하고는 도 1 내지 도 3에 도시된 쌍안정 액정표시장치(500)와 실질적으로 동일하다. 따라서, 중복되는 설명은 생략한다.

상기 액정층(302)은 음의 유전율 이방성을 갖는 카이랄 액정을 포함한다. 따라서, 상기 카이랄 액정의 장축은 전계의 방향과 수직한 방향으로 배열되려는 특성을 갖는다. 상기 액정층(302)의 상기 카이랄 액정은 제1 안정 상태에서 제1 수직 배향막(AL1) 및 제2 수직 배향막(AL2)에 의해서 수직 정렬상을 갖는다. 상기 제1 안정 상태는 도 4a에서 설명한 양의 유전율 이방성을 갖는 카이랄 액정의 초기 상태인 제1 안정 상태와 실질적으로 동일하다. 따라서, 중복되는 구체적인 설명은 생략한다.

도 5a를 참조하면, 상기 제1 기판(100)의 제1 전극(ME1) 및 패턴 전극(PTE) 각각에 전압이 인가되어 상기 액정층(302)에 수평 전계가 형성된 때, 상기 카이랄 액정의 일부는 수평 정렬상(PP)으로 전이되어 상기 카이랄 액정은 상기 수평 정렬상(PP)과 수직 정렬상(VP)을 포함하는 준안정 상태가 된다. 상기 제1 안정 상태에서 상기 패턴 전극(PTE)의 제1 서브 전극(SE1) 및 제2 서브 전극(SE2)이 형성된 영역에서는 상기 수평 정렬상(PP)을 갖고, 상기 수평 전계의 전이대에서도 상기 수평 정렬상(PP)을 가지며, 상기 전이대의 양측부에서는 상기 수직 정렬상(VP)을 갖는다. 도 5a에 도시된 상기 준안정 상태는 도 4b에서 설명한 양의 유전율 이방성을 갖는 카이랄 액정의 준안정 상태의 수직 정렬상 및 수평 정렬상이 배치되는 영역을 제외하고는 제1 안정 상태에서 상기 수평 전계에 의해서 준안정 상태로 전이되는 원리와 실질적으로 동일하므로, 중복되는 설명은 생략한다.

도 5b를 참조하면, 상기 준안정 상태에서 상기 수평 전계를 제거한 때, 상기 카이랄 액정의 일부는 트위스트상(TP)을 갖는다. 상기 수평 전계를 제거함으로써 무전계 상태에서, 상기 카이랄 액정이 제2 안정 상태를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 카이랄 액정은 상기 수평 전계가 제거됨으로써 상기 수평 정렬상(PP)이 상기 트위스트상(TP)으로 전이된다. 상기 트위스트상(TP)은 상기 카이랄 액정의 상기 카이랄 도펀트에 의해서 상기 네마틱 액정을 트위스트시킴으로써 형성되고, 상기 카이랄 도펀트는 상기 트위스트된 네마틱 액정이 다시 풀어지는 것을 방지하도록 상기 트위스트상(TP)을 안정화시킬 수 있다. 또한, 상기 수직 정렬상(VP)이 상기 트위스트상(TP)들을 둘러싸는 격벽(barrier)의 역할을 함으로써 상기 트위스트상(TP)을 안정화시킬 수 있다.

이어서, 상기 제2 안정 상태를 갖는 상기 카이랄 액정은 상기 제1 전극(ME1)과 상기 제2 기판(200)의 제2 전극(ME2)에 전압을 인가하여 수직 전계를 형성한 후 상기 수직 전계를 제거함으로써 다시 상기 제1 안정 상태로 되돌릴 수 있다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 쌍안정 액정표시장치를 설명하기 위한 개념도이다.

본 실시예에 따른 쌍안정 액정표시장치는 액정층이 이중 주파수 액정을 포함하는 것을 제외하고는 도 1 내지 도 3에서 설명한 쌍안정 액정표시장치(500)와 실질적으로 동일하다. 따라서, 상기 이중 주파수 액정에 대해서 설명하고, 쌍안정 액정표시장치에서 구조적으로 중복되는 구체적인 설명은 생략한다.

상기 이중 주파수 액정은 상기 쌍안정 액정표시장치의 전극들에 인가되는 교류 전압의 중심 주파수(f _c )를 기준으로 하여 상기 중심 주파수보다 높은 고주파수 영역에서의 액정의 특성이 상기 중심 주파수보다 낮은 저주파수 영역에서의 액정의 특성과 다르다. 상기 중심 주파수는 상기 이중 주파수 액정의 종류에 따라 다르다. 상기 저주파수 영역에서는 상기 이중 주파수 액정은 양의 유전율 이방성을 가지는 액정과 실질적으로 동일한 특성을 갖는다. 상기 이중 주파수 액정의 예로서, 약 1kHz에서는 유전율 이방성이 약 3.3이고 약 100kHz에서는 유전율 이방성이 약 -2.7인 머크(Merck, 회사명, 독일)사의 MLC-2048 (상품명)을 들 수 있다. 상기 저주파수 영역에서 상기 이중 주파수 액정의 경사각은, 상기 고주파수 영역에서의 상기 이중 주파수 액정의 경사각에 비해 상대적으로 높을 수 있다.

상기 이중 주파수 액정을 포함하는 쌍안정 액정표시장치에 수평 전계를 형성하도록 저주파수를 갖는 교류 전압을 도 3에 도시된 제1 전극(ME1)과 패턴 전극(PTE)에 각각 인가한 경우에는 상기 이중 주파수 액정은 도 4a에 도시된 제1 안정 상태에서 도 4b에 도시된 준안정 상태로 전이되고, 상기 준안정 상태에서 상기 수평 전계를 제거한 후 도 4c에 도시된 제2 안정 상태로 전이될 수 있다.

이와 달리, 상기 수평 전계를 고주파수를 갖는 교류 전압을 도 3에 도시된 제1 전극(ME1)과 패턴 전극(PTE)에 각각 인가한 경우에는 상기 이중 주파수 액정은 도 4a에 도시된 제1 안정 상태에서 도 5a에 도시된 준안정 상태로 전이되고, 상기 준안정 상태에서 상기 수평 전계를 제거한 후 도 5b에 도시된 제2 안정 상태로 전이될 수 있다.

쌍안정 액정표시장치 샘플의 준비

제1 전극이 형성된 제1 베이스 기판 상에, 제1 서브 전극 및 제2 서브 전극 각각이 약 4㎛이 너비를 가지고 서로 약 4㎛으로 이격된 패턴 전극 및 제1 수직 배향막을 형성하고, 제2 전극 및 제2 수직 배향막이 형성된 제2 베이스 기판을 상기 제1 및 제2 수직 배향막들 사이의 거리(d)가 약 2.5㎛이 되도록 결합시켰다. 결합된 제1 및 제2 베이스 기판들 사이에, 카이랄 도펀트로서 S811(상품명, Merck, 독일)을 수직 유전율(ε_⊥)이 약 13.3이고 수평 유전율(ε_∥)이 약 4.2인 ZLI-5070(상품명, Merck, 독일)에 첨가되고 자연 피치(p)와 상기 거리(d) 사이의 관계가 0.65≤d/p≤0.75인 카이랄 액정을 주입하여 쌍안정 액정표시장치 샘플을 준비하였다.

쌍안정 액정표시장치의 특성 평가

실험 1

상기 쌍안정 액정표시장치 샘플의 상기 제1 전극과 상기 패턴 전극 사이의 전계의 세기가 각각 약 15 V, 약 20 V, 약 30 V, 약 40 V 및 약 45 V를 갖는 수평 전계를 가한 후 상기 수평 전계를 제거한 후 상기 쌍안정 액정표시장치를 편광 현미경으로서 Nikon ECLIPSE E400 POL(상품명, 니콘사, 일본)으로 촬영하였고, 그 사진을 도 7a 내지 도 7e에 나타낸다.

도 7a 내지 도 7e는 본 발명에 따른 쌍안정 액정표시장치에서 수평 전계의 세기에 따른 제2 무전계 상태의 변화를 설명하기 위한 편광 현미경 사진들이다.

도 7a는 상기 쌍안정 액정표시장치에 약 15 V의 수평 전계가 가해진 후 제거된 경우의 현미경 사진이고, 도 7b는 약 20 V의 수평 전계가 가해진 후 제거된 경우의 현미경 사진이고, 도 7c는 약 30 V의 수평 전계가 가해진 후 제거된 경우의 현미경 사진이고, 도 7d는 약 40 V의 수평 전계가 가해진 후 제거된 경우의 현미경 사진이며, 도 7e는 약 45 V의 수평 전계가 가해진 후 제거된 경우의 현미경 사진이다. 도 7a 내지 도 7e에서, 카이랄 액정의 수직 정렬상은 상대적으로 어둡게 나타나고, 상기 카이랄 액정의 트위스트상은 상대적으로 밝게 나타난다.

도 7a 내지 도 7e를 참조하면, 상기 수평 전계의 세기에 따라 상기 수평 전계 제거 후의 카이랄 액정의 액정상이 달라지는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 상기 수평 전계의 세기가 클수록 액정층은 수직 정렬상에 비해서 트위스트상이 더 많이 나타남을 알 수 있다.

실험 2

상기 쌍안정 액정표시장치 샘플에 약 0 V부터 약 45 V까지 수평 전계의 세기를 변화시키면서 상기 수평 전계의 세기에 따른 투과광의 세기를 측정하였고, 그 결과를 도 8에 나타낸다.

도 8은 본 발명에 따른 쌍안정 액정표시장치의 수평 전계의 세기에 따른 투과된 광의 세기를 설명하기 위한 그래프이다.

도 8에서, x축은 수평 전계의 세기(단위: V)를 나타내고, y축은 실제 투과광의 세기를 정규화(normalized)시킨 투과광의 상대 세기(단위: a.u.)를 나타낸다.

도 8을 참조하면, 상기 수평 전계의 세기가 0 V부터 약 12 V까지는 상기 투과광의 상대 세기가 약 0 a.u.이고, 상기 수평 전계의 세기가 약 12 V 내지 약 37 V인 경우에는 상기 투과광의 상대 세기가 약 0 a.u.에서 약 1 a.u.로 급격하게 증가함을 알 수 있다. 상기 수평 전계의 세기가 약 37 V 내지 약 45 V인 경우에는 상기 투과광의 상대 세기가 약 1.0 a.u.임을 알 수 있다. 따라서, 상기 수평 전계의 세기가 커짐에 따라 투과광의 세기도 증가함을 확인할 수 있다.

실험 3

상기 쌍안정 액정표시장치 샘플에 약 45 V의 수평 전계를 형성한 후 카이랄 액정의 상전이가 될 때 소요되는 전이 시간인 응답 시간을 측정하고, 상기 수평 전계를 제거한 후 상기 카이랄 액정의 응답 시간을 측정하였으며, 그 결과를 도 9에 나타내었다. 또한, 상기 수평 전계가 제거된 무전계 상태에 약 10 V의 수직 전계를 형성하여 상기 카이랄 액정의 응답 시간을 측정하였고, 그 결과를 도 10에 나타내었다.

도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 쌍안정 액정표시장치의 응답 특성을 설명하기 위한 그래프들이다.

도 9 및 도 10 각각에서, x축은 시간(단위: 밀리 초, milli second, ms)을 나타내고, y축은 실제 투과광의 세기를 정규화(normalized)시킨 투과광의 상대 세기(단위: a.u.)를 나타낸다.

도 9를 참조하면, 상기 쌍안정 액정표시장치의 액정층에 수평 전계가 가해짐으로써 투과광의 세기가 증가함을 알 수 있다. 상기 수평 전계에 의해서 상기 카이랄 액정이 상변화함을 알 수 있고, 이때의 응답 시간은 약 13.2 ms임을 알 수 있다. 또한, 상기 수평 전계를 제거할 때, 상기 카이랄 액정이 상변화 함으로써 상기 투과광의 세기가 다시 감소함을 알 수 있다. 이때의 응답 시간은 약 69 ms임을 알 수 있다. 도 10을 참조하면, 상기 액정층에 수직 전계가 가해짐으로써 상기 카이랄 액정이 상변화하여 투과광의 세기가 다시 감소함을 알 수 있다. 이때의 응답 시간은 약 1.6 ms임을 알 수 있다.

이상에서 상세하게 설명한 바에 의하면, 초기에 수직 배향된 카이랄 액정에 수평 전계를 가한 후 상기 수평 전계를 제거함으로써 상기 초기 상태와 다르지만 역학적으로 안정한 상태를 용이하게 형성할 수 있다. 이에 따라, 액정표시장치의 명암비를 향상시키고, 응답 속도를 향상시킴으로써 표시 품질을 향상시킬 수 있다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

ME1, ME2: 제1, 제2 전극 PTE: 패턴 전극
SL: 신호 배선 SE1, SE2: 제1, 제2 서브 전극
AL1, AL2: 제1, 제2 수직 배향막 VP: 수직 정렬상
PP: 수평 정렬상 TP: 트위스트상

Claims (12)

1. 제1 전극, 상기 제1 전극과 절연되어 상기 제1 전극 상에 형성되며, 일 방향으로 서로 이격되어 배치된 제1 서브 전극 및 제2 서브 전극을 포함하는 패턴 전극 및 상기 패턴 전극 상에 형성된 제1 수직 배향막을 포함하는 제1 기판;
   상기 제1 기판과 대향하고, 제2 수직 배향막을 포함하는 제2 기판; 및
   상기 제1 및 제2 기판들 사이에 개재되고, 상기 제1 및 제2 수직 배향막들에 의해 제1 안정 상태에서 수직 정렬상을 가지며 제2 안정 상태에서 상기 수직 정렬상의 일부가 트위스트된 트위스트상 및 상기 트위스트상에 인접한 수직 정렬상을 가지며, 상기 제2 안정 상태에서, 상기 제1 및 제2 서브 전극들과 중첩하지 않는, 상기 제1 및 제2 서브 전극들 사이의 이격 영역 내에서 상기 트위스트상과 상기 수직 정렬상은 상기 일 방향을 따라 교대로 배열되는 카이랄 액정을 포함하는 액정층을 포함하는 쌍안정 액정표시장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2 안정 상태는
   상기 카이랄 액정이 상기 제1 안정 상태에서 상기 제1 전극과 상기 패턴 전극 사이의 수평 전계를 형성한 후 상기 수평 전계를 제거한 무전계에서 형성된 것을 특징으로 하는 쌍안정 액정표시장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 카이랄 액정은 양의 유전율 이방성을 갖고,
   상기 제2 안정 상태의 상기 액정층은 상기 제1 및 제2 서브 전극들이 형성된 영역과 상기 제1 및 제2 서브 전극들 사이의 이격 영역의 중앙부에서 상기 수직 정렬상을 가지며 상기 이격 영역의 양단부에서 각각 상기 트위스트상을 갖는 것을 특징으로 하는 쌍안정 액정표시장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 카이랄 액정은 음의 유전율 이방성을 갖고,
   상기 제2 안정 상태의 상기 액정층은 상기 제1 및 제2 서브 전극들이 형성된 영역과 상기 제1 및 제2 서브 전극들 사이의 이격 영역의 중앙부에서 상기 트위스트상을 가지며 상기 이격 영역의 양단부에서 각각 수직 정렬상을 갖는 것을 특징으로 하는 쌍안정 액정표시장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 카이랄 액정은
   중심 주파수(f_c )를 기준으로 저주파수 영역에서는 양의 유전율 이방성을 갖고 고주파수 영역에서 음의 유전율 이방성을 갖는 이중 주파수 액정을 포함하는 것을 특징으로 하는 쌍안정 액정표시장치.
8. 제2항에 있어서, 상기 제2 안정 상태는
   상기 카이랄 액정이 상기 수평 전계에 의해 상기 수직 정렬상의 상기 일부가 수평 배향된 수평 정렬상을 갖는 준안정 상태를 거쳐 형성된 것을 특징으로 하는 쌍안정 액정표시장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 제2 안정 상태의 상기 트위스트상은
   상기 수평 전계가 제거됨에 따라 상기 준안정 상태의 상기 수평 정렬상이 전이된 것을 특징으로 하는 쌍안정 액정표시장치.
10. 제1항에 있어서, 상기 제2 기판은
    상기 제2 수직 배향막의 하부에 형성되어 상기 제1 전극과 수직 전계를 형성하는 제2 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 쌍안정 액정표시장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 제1 안정 상태는 상기 제2 안정 상태에서 상기 수직 전계가 형성된 후 상기 수직 전계가 제거되어 형성되고,
    상기 제1 안정 상태의 상기 수직 정렬상의 일부는 상기 제2 안정 상태의 상기 트위스트상이 변화하여 형성된 것을 특징으로 하는 쌍안정 액정표시장치.
12. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 수직 배향막들 사이의 거리인 셀 갭(d)과 상기 카이랄 액정의 트위스트 피치(p)의 비율(d/p)의 범위는, 0.65에서 0.75까지 것을 특징으로 하는 쌍안정 액정표시장치.

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