KR102007539B1 - 액정 표시 장치 - Google Patents

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KR102007539B1
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Abstract

액정 표시 장치를 제공한다. 액정 표시 장치는, 서로 이격되어 마주하는 제1 전극 및 제2 전극 및 제1 및 제2 전극 사이에 충진되며, 제1 및 제2 전극들 사이에 전위차가 없으면, 제1 또는 제2 전극의 표면의 수직인 제1 배향 방향을 갖는 다수의 액정 분자들을 포함하는 액정층을 포함한다. 액정층은, 비카이럴 스멕틱 액정(achiral smectic liquid crystal) 1 내지 50중량% 및 여분의 네마틱 액정(nematic liquid crystal)을 포함한다.

Description

액정 표시 장치{Liquid Crystal Display Device}
본 발명은 액정 표시 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 네마틱 액정 및 스멕틱 액정을 갖는 액정층을 포함하는 액정 표시 장치에 관한 것이다.
액정 표시 장치는 현재 가장 널리 사용되고 있는 평판 표시 장치 중 하나로서, 고화질, 고휘도 및 대형화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 연구의 일환으로 액정 표시 장치의 고화질, 고휘도 및 대형화를 위하여 액정 표시 장치 내 전극들의 구조가 다양해지고 복잡해지고 있다. 이러한 전극들로 구동 전압이 인가되면, 액정층의 액정 분자들은 인가된 전기장에 의해 그 배열이 변경되는데, 상기 액정 분자들은 상기 전극들에 의해 그 배열이 불균일하고 안정적이지 못하다. 상기 액정 분자들의 불균일하고 불안한 배열은 액정 표시 장치의 휘도를 저하시키는 문제로 발생시키고 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 휘도가 향상된 액정 표시 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 개념에 따른 일 실시예는 액정 표시 장치를 제공한다. 상기 액정 표시 장치는, 서로 이격되어 마주하는 제1 전극 및 제2 전극; 및 상기 제1 및 제2 전극 사이에 충진되며, 상기 제1 및 제2 전극들 사이에 전위차가 없으면, 상기 제1 또는 제2 전극의 표면의 수직인 제1 배향 방향을 갖는 다수의 액정 분자들을 포함하는 액정층을 포함하되, 상기 액정층은, 비카이럴 스멕틱 액정(achiral smectic liquid crystal) 1 내지 50중량%; 및 여분의 네마틱 액정(nematic liquid crystal)을 포함하고, 상기 제1 및 제2 전극들 사이에 전위차가 발생하면, 상기 다수의 액정 분자들은 상기 제1 또는 제2 전극의 연장 방향에 실질적으로 평행한 제2 배향 방향을 갖도록 변화하는 동작을 수행하되, 상기 액정 분자들의 변화되는 동작은, 순차적으로 발생하는 제1 배향 단계 및 제2 배향 단계를 포함하고, 상기 제1 배향 단계에서, 상기 액정 분자들이 상기 제1 또는 제2 배향 방향과는 상이한 제3 배향 방향을 갖도록 변화하며, 상기 제2 배향 단계에서, 상기 제3 배향 방향의 액정 분자들이 상기 제2 배향 방향을 갖도록 변화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 액정 표시 장치는, 상기 액정층과 상기 제1 전극 사이, 및 상기 액정층과 상기 제2 전극 사이 중 적어도 하나에 배치되는 배향막을 더 포함하되, 상기 액정층 및 배향막 중 적어도 하나는 리액티브 메조겐(reactive mesogen) 물질을 포함하며, 상기 리액티브 메조겐에 의해 상기 제1 및 제2 전극들 사이에 전위차가 발생하면, 상기 다수의 액정 분자들은 상기 제1 배향 방향에서 상기 제2 배향 방향으로 변화할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 네마틱 액정은 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정(negative nematic liquid crystal)을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 액정층은, 카이럴 액정(chiral liquid crystal)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 카이럴 액정은, 상기 액정층 내 0.01 중량% 내지 10중량%을 차지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 액정층은, 리액티브 메조겐(reactive mesogen) 물질을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 및 제2 기판들 중 적어도 하나는 슬릿(slit)을 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 전극은, 상기 제1 전극의 가장자리를 따라 연장되는 사각 링 형상의 제1 슬릿을 포함하며, 상기 제2 전극은, 상기 제2 전극의 중심을 관통하는 십자 형상의 제2 슬릿을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 및 제2 전극들 사이에 전위차가 발생할 때, 상기 제1 및 제2 슬릿들에 위치한 액정 분자들은 상기 제1 및 제2 슬릿에 수직인 방향으로 제2 배향 방향을 가지며, 상기 제1 및 제2 슬릿들에 이격된 액정 분자들은 상기 제1 및 제2 슬릿에 45°또는 135°의 각도를 갖는 제2 배향 방향을 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 전극의 제1 슬릿은 중간에 절단 부분을 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 전극은, 상기 제1 전극의 중심을 관통하는 십자 형상의 줄기부; 및 상기 줄기부로부터 방사형으로 연장되며 서로 다수의 슬릿들에 의해 이격되는 가지부들을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 및 제2 전극들 사이에 전위차가 발생할 때, 상기 액정 분자들은 상기 가지부들의 슬릿들의 연장 방향과 실질적으로 평행한 제2 배향 방향을 가질 수 있다.
본 발명의 개념에 따른 다른 실시예는 액정 표시 장치를 제공한다. 상기 액정 표시 장치는, 서로 이격되어 마주하는 제1 전극 및 제2 전극; 및 상기 제1 및 제2 전극 사이에 충진되며, 상기 제1 및 제2 전극들 사이에 전위차가 없으면, 상기 제1 또는 제2 전극의 표면의 수직인 제1 배향 방향을 갖는 다수의 액정 분자들을 포함하는 액정층을 포함하되, 상기 액정층은, 스멕틱 액정 3 내지 50 중량%; 및 여분의 네마틱 액정을 포함하되, 상기 스멕틱 액정은, 비카이럴 스멕틱 액정 70 내지 97 중량%; 및 카이럴 스멕틱 액정 3 내지 30중량%를 포함하며, 상기 제1 및 제2 전극들 사이에 전위차가 발생하면, 상기 제1 및 제2 전극들 사이에 충전된 액정층 내 액정 분자들의 배향이 상기 제1 또는 제2 전극의 연장 방향에 실질적으로 평행한 제2 배향 방향으로 변화되는 동작을 수행하되, 상기 액정 분자들의 변화되는 동작은, 순차적으로 발생하는 제1 배향 단계 및 제2 배향 단계를 포함하고, 상기 제1 배향 단계에서, 상기 액정 분자들이 상기 제1 또는 제2 배향 방향과는 상이한 제3 배향 방향을 갖도록 변화하며, 상기 제2 배향 단계에서, 상기 제3 배향 방향의 액정 분자들이 상기 제2 배향 방향을 갖도록 변화한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 액정층은 카이럴 도펀트(chiral dopant)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 카이럴 스멕틱 액정은 상기 카이럴 도펀트보다 높은 자발 분극(spontaneous polarization) 특성을 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 네마틱 액정은 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 액정층은, 리액티브 메조겐 물질을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 액정 표시 장치는, 상기 액정층과 상기 제1 전극 사이, 및 상기 액정층과 상기 제2 전극 사이 중 적어도 하나에 배치되는 배향막을 더 포함하되, 상기 액정층 및 배향막 중 적어도 하나는 리액티브 메조겐(reactive mesogen) 물질을 포함하며, 상기 리액티브 메조겐에 의해 상기 제1 및 제2 전극들 사이에 전위차가 발생하면, 상기 다수의 액정 분자들은 상기 제1 배향 방향에서 상기 제2 배향 방향으로 변화할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 액정 표시 장치는, 네마틱 액정 및 비카이럴 스멕틱 액정을 갖는 액정층을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 액정층은 카이럴 액정을 더 포함할 수 있다. 상기 액정층을 포함하는 액정 표시 장치에서, 상기 액정층 내 액정 분자들의 배향 균일성 및 안정성이 향상되어 상기 액정 표시 장치의 투과도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 보다 완전한 이해와 도움을 위해, 참조가 아래의 설명에 첨부도면과 함께 주어져 있고 참조번호가 아래에 나타나 있다.
도 1a, 도 2a 및 도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치를 설명하기 위한 사시도들이다.
도 1b, 도 2b 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 1c, 도 2c 및 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치를 설명하기 위한 평면도들이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치를 설명하기 위한 평면도 및 단면도이다.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 실시예들에 따른 제1 및 제2 전극들의 구조를 설명하기 위한 평면도들이다.
도 6은 비교예, 실시예 1 내지 7의 액정 표시 장치들의 투과도를 비교한 그래프이다.
도 7a는 비교예의 액정 표시 장치의 투과도와, 실시예 1 내지 7의 액정 표시 장치들의 액정층 내 비카이럴 성분의 양에 따른 투과도를 나타내는 그래프이다.
도 7b는 비교예의 액정 표시 장치의 투과도와, 실시예 1 내지 7의 액정 표시 장치들의 액정층 내 카이럴 성분의 양에 따른 투과도를 나타내는 그래프이다.
도 8a 내지 도 8h 및 도 9a 내지 도 9h는 비교예, 실시예 1 내지 실시예 7의 액정 표시 장치들의 텍스쳐들이다.
도 10a 및 도 10b는 비교예, 실시예 1 내지 실시예 7의 텍스쳐의 그레이 레벨을 나타내는 그래프들이다.
도 11a 및 도 11b는 비교예, 실시예 1 내지 실시예 7의 텍스쳐들의 거리에 따른 투과도를 나타내는 그래프들이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 그러나 본 발명은, 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 당해 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자는 본 발명의 개념이 어떤 적합한 환경에서 수행될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 장치는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 장치의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 어떤 막(또는 층)이 다른 막(또는 층) 또는 기판상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막(또는 층) 또는 기판상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막(또는 층)이 개재될 수도 있다.
본 명세서의 다양한 실시 예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들(또는 층들) 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막(또는 층)을 다른 영역 또는 막(또는 층)과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에의 제1 막질로 언급된 막질이 다른 실시 예에서는 제2 막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다
본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하, 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다.
[[액정 표시 장치]]
도 1a, 도 2a 및 도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치를 설명하기 위한 사시도들이고, 도 1b, 도 2b 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치를 설명하기 위한 단면도들이고, 도 1c, 도 2c 및 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치를 설명하기 위한 평면도들이다.
도 1a 내지 도 1c는 액정 표시 장치의 제1 및 제2 전극들 사이에 전위차가 없는 경우이다. 도 2a 내지 도 2c 및 도 3a 내지 도 3c는 액정 표시 장치의 제1 및 제2 전극들 사이에 전위차를 발생시킨 경우들이다.
도 1a 내지 도 3c를 참조하면, 액정 표시 장치는, 제1 전극(130)과, 상기 제1 전극(130)과 이격되어 마주하는 제2 전극(230)과, 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230) 사이를 충진하는 액정층(300)을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극(130) 및 상기 제2 전극(230)은 x축 방향으로 연장할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극(130)에는 슬릿(132)이 형성될 수 있다. 상기 제1 전극(130)에 형성된 슬릿(132)은 y축 방향으로 연장할 수 있다. 상기 슬릿(132)의 폭은 수 ㎛일 수 있다. 본 실시예예서는 도 1a 내지 도 3c에 도시된 제1 및 제2 전극(230)을 예시적으로 설명하는 것뿐이지, 본 발명에서 제1 및 제2 전극들(130, 230)의 구조를 상기의 구조로 한정하는 것은 아니다.
상기 액정층(300)은 다수의 액정 분자들(310)을 포함할 수 있다. 도 1a를 참조하면, 상기 다수의 액정 분자들(310)은 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230) 사이에 전위차가 없을 때 상기 제1 또는 제2 전극(130, 230) 표면의 수직인 제1 배향 방향으로 배열될 수 있다. 예컨대, 상기 제1 배향 방향은 z축 방향과 실질적으로 평행할 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극들(130, 230) 사이에 전위차가 발생하면, 상기 액정 분자들(310)의 배향이 상기 제1 또는 제2 전극(130, 230)의 연장 방향에 실질적으로 평행한 제2 배향 방향으로 변화될 수 있다. 예컨대, 상기 제2 배향 방향은 상기 슬릿(132)의 연장 방향과 실질적으로 평행할 수 있다. 전술한 바와 같이 상기 슬릿(132)은 y축 방향으로 연장하기 때문에 상기 제2 배향 방향은 상기 y축 방향과 실질적으로 평행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230) 사이에 전위차가 발생하면, 상기 액정 분자들(310)은 적어도 두 단계로 배향 방향들을 변화시켜 최종적으로 제2 배향 방향으로 배열될 수 있다. 일 예로, 상기 액정 분자들(310)의 배향 방향들을 변화시키는 동작은 순차적으로 발생하는 제1 배향 단계 및 제2 배향 단계를 포함할 수 있다. 이와 같이 상기 액정층(300)의 액정 분자들(310)이 바로 목적하는 방향으로 변화되지 않는 이유는, 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230)의 구조에 따라 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230) 사이에 발생하는 전계의 세기 또는 형태가 상이하기 때문이다.
이하에서는 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230) 사이에 전위차가 발생하여 액정 분자들(310)이 순차적으로 변화하는 제1 배향 단계 및 제2 배향 단계에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 제1 배향 단계(제1 및 제2 전극들 사이에 전위차가 발생하자 마자)는, 상기 제1 배향 방향으로 배향된 액정 분자들(310)을 제3 배향 방향을 갖도록 변화하는 과정일 수 있다. 상기 제3 배향 방향은 상기 제1 또는 제2 배향 방향과는 상이한 방향들을 포함할 수 있다. 상기 액정 분자들(310)의 제3 배향 방향은, 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230)의 구조에 따라 그리고 상기 액정 분자들(310)이 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230) 사이에 배치된 위치에 따라, 다양한 배향 방향을 가질 수 있다.
상기 제1 배향 단계에서의 액정 분자들(310)이 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230) 사이 위치에 따라 배향 방향이 변화되는 것을 예시적으로 보다 상세하게 설명하기로 한다. 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230) 사이에 전위차가 발생하면, 인접한 한 쌍의 슬릿들(132) 사이의 중앙 부위(슬릿과 가장 먼 부분)의 제1 전극(130) 및 제2 전극(230) 사이에는 상대적으로 강한 전계가 상기 제1 또는 제2 전극들(130, 230)의 표면에 대하여 수직하게 형성될 수 있다. 또한, 상기 슬릿(132)이 형성된 부분의 제1 전극(130) 및 제2 전극(230) 사이에는 상대적으로 약한 전계가 사선(oblique)으로 형성될 수 있다.
상대적으로 강한 전계가 발생된 인접한 한 쌍의 슬릿들(132) 사이의 중앙 부위의 제1 전극(130)에 배치된 액정 분자들(310)은, 상기 제1 배향 방향에서 제3 배향 방향으로 변화될 수 있으며, 상기 제3 배향 방향은 임의의 방향이며 예측하기 용이하지 않을 수 있다. 상대적으로 약한 전계가 발생된 슬릿(132)이 형성된 제1 전극(130)에 배치된 액정 분자들(310)은, 상기 제1 배향 방향에서 제3 배향 방향으로 변화될 수 있으며, 상기 제3 배향 방향은 상기 전계의 수직한 방향일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 한 쌍의 슬릿들(132) 중 하나의 슬릿에 배치된 액정 분자들의 배향 방향과, 다른 하나의 슬릿에 배치된 액정 분자들의 배향 방향은 서로 상이할 수 있다. 예컨대, 상기 배향 방향들은 서로 마주보는 방향일 수 있다.
도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 제2 배향 단계(제1 및 제2 전극들 사이에 전위차가 발생한 후 소정의 시간이 지난 후)는, 상기 제3 배향 방향으로 배향된 액정 분자들(310)을 상기 제2 배향 방향을 갖도록 변화하는 과정일 수 있다. 상세하게 설명하면, 제1 전극(130)에 형성된 인접한 한 쌍의 슬릿들(132)의 중앙 부위의 액정 분자들(310)은, 그들과 인접한 액정 분자들(310)의 서로 상이한 배향 방향들을 상쇄시키는 최종 배향 방향으로 변화할 수 있다. 본 실시예에서 상기 최종 배향 방향은, 상기 슬릿(132) 방향과 실질적으로 평행한 제2 배향 방향일 수 있다. 상기 한 쌍의 슬릿들(132)의 중앙 부위의 액정 분자들(310)이 상기 제2 배향 방향으로 변화되면, 그들과 인접한 불안한 배치의 액정 분자들(310)은 상기 한 쌍의 슬릿들(132)의 중앙 부위의 액정 분자들(130)의 배향 방향과 실질적으로 동일한 배향 방향으로 변화될 수 있다. 이로써, 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230) 사이의 액정 분자들(310)이 목적하는 제2 배향 방향으로 변화하게 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 액정 표시 장치는 다수의 픽셀들(pixels)을 포함할 수 있다. 픽셀들 각각은 멀티 도메인(multi domain)을 포함할 수 있다. 상기 픽셀 하나에 멀티 도메인이 형성되는 것은 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230)의 구조에 따라 결정될 수 있다.
본 발명의 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230)의 구조는 다양할 수 있으며, 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230) 사이에 전위차가 발생할 때 상기 액정 분자들(310)이 상기와 같은 제1 및 제2 배향 단계로 순차적으로 변화된다면 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230)의 구조를 본 발명에서 한정하지는 않는다.
일 실시예에 따르면, 액정층(300)은, 네마틱 액정(nematic liquid crystal) 및 비카이럴 스멕틱 액정(achiral smectic liquid crystal)을 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 상기 액정층(300)은, 네마틱 액정 및 스멕틱 액정을 포함할 수 있다. 상기 액정층(300)에 대한 설명은 이하에서 상세하게 설명하기로 한다.
상기 액정층(300)의 네마틱 액정 및 스멕틱 액정에 의해 상기 액정 분자들(310)이 균일하고 안정한 배향을 가질 수 있다. 따라서, 상기 액정층(300)을 포함하는 액정 표시 장치의 휘도가 향상될 수 있다. 이에 대한 실험적 평가는 하기의 실험예를 통하여 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 액정층(300)은 리액티브 메조겐(reactive mesogen) 물질을 포함할 수 있다. 상기 액정층(300) 내의 상기 리액티브 메조겐 물질에 의해 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230)에 전위차가 발생하면, 액정 분자들(310)은 제1 배향 방향에서 바로 제2 배향 방향으로 변화될 수 있다. 즉, 상기 액정 분자들(310)은 상기 제1 배향 방향에서 상기 제3 배향 방향으로 변화되는 과정 없이, 상기 제1 배향 방향에서 상기 제2 배향 방향으로 변화될 수 있어, 상기 액정 표시 장치의 응답 속도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 액정 표시 장치는, 상기 액정층(300)과 제1 전극(130) 사이 및 상기 액정층(300)과 제2 전극(230) 사이 중 적어도 하나에 배향막(140, 240, 도 4a 및 도 4b 참조)을 더 포함할 수 있다. 상기 배향막(140, 240)은 리액티브 메조겐 물질을 포함할 수 있다. 상기 배향막(140, 240) 내의 상기 리액티브 메조겐 물질에 의해 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230)에 전위차가 에 전위차가 발생하면, 액정 분자들(310)은 제1 배향 방향에서 바로 제2 배향 방향으로 변화될 수 있다. 즉, 상기 액정 분자들(310)은 상기 제1 배향 방향에서 상기 제3 배향 방향으로 변화되는 과정 없이, 상기 제1 배향 방향에서 상기 제2 배향 방향으로 변화될 수 있어, 상기 액정 표시 장치의 응답 속도를 향상시킬 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치를 설명하기 위한 평면도 및 단면도이다. 도 4b는 도 4a를 I-I'으로 절단한 단면도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 액정 표시 장치는, 제1 표시판(100)과, 상기 제1 표시판(100)과 이격되어 마주하는 제2 표시판(200)과, 상기 제1 및 제2 표시판들(100, 200) 사이에 배치된 액정층(300)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 액정 표시 장치는, 제1 편광판(400) 및 상기 제1 편광판(400)의 투과축과 수직인 투과축을 갖는 제2 편광판(450)을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 표시판(100)은 제1 기판(110), 박막 트랜지스터(thin film transistor; TFT) 및 제1 전극(130)을 포함할 수 있다. 상기 제1 기판(110)은 유리와 같은 투명한 절연 물질을 포함할 수 있다.
상기 박막 트랜지스터(TFT)는 상기 제1 기판(110)의 일 면에 배치될 수 있다. 상기 박막 트랜지스터(TFT)는, 차례로 적층된 게이트 전극(gate electrode, 112), 게이트 절연막(gate insulating layer, 114), 반도체(semiconductor, 116), 소스 전극(source electrode, 122) 및 드레인 전극(drain electrode, 124)을 포함할 수 있다. 상기 게이트 전극(112)은 단일층 또는 다중층의 금속 또는 금속합금을 포함하며, 상기 게이트 절연막(114)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다. 상기 진성 반도체(116)는 비정질 실리콘을 포함할 수 있다. 상기 소스 전극(122) 및 상기 드레인 전극(124)은 상기 진성 반도체(116) 상에 서로 마주하며 이격되어 배치될 수 있다. 상기 소스 전극(122) 및 상기 드레인 전극(124) 사이의 진성 반도체(116)에는 박막 트랜지스터(TFT)의 채널(channel)이 형성될 수 있다. 상기 소스 전극(122)은 데이터 라인(data line, DL)과 전기적으로 연결되며, 상기 데이터 라인(DL)으로부터 데이터 전압을 인가 받을 수 있다. 상기 드레인 전극(124)은 상기 제1 전극(130)과 전기적으로 연결될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 박막 트랜지스터(TFT)는 상기 진성 반도체(116) 및 상기 소스 및 드레인 전극들(122, 124) 사이에 배치된 저항성 접촉 부재(118, 120)를 더 포함할 수 있다. 상기 저항성 접촉 부재(118, 120)는 실리사이드(silicide) 또는 n형 불순물이 고농도로 도핑되어 있는 n+ 수소화 비정질 실리콘 등을 포함할 수 있다.
상기 박막 트랜지스터(TFT) 상에는 콘택 홀(contact hole, 128)을 갖는 제1 절연막(126)이 형성될 수 있다. 상기 제1 절연막(126)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 등의 무기 절연 물질 또는 수지 등의 유기 절연 물질을 포함할 수 있다. 상기 콘택 홀(128)은 상기 드레인 전극(124)의 상부면을 노출시킬 수 있다.
상기 제1 절연막(126) 상에 제1 전극(130)이 형성될 수 있다. 상기 제1 전극(130)은 화소 전극(pixel electrode)일 수 있다. 상기 제1 전극(130)은 콘택 홀에 의해 드레인 전극과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제1 전극(130)은 드레인 전극으로부터 데이터 전압을 인가 받을 수 있다. 상기 제1 전극(130)은 ITO(Indium Tin Oxide)나 IZO(Indium Zinc Oxide) 등의 투명한 도전물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극(130)은 도메인 분할 수단, 예를 들어 제1 슬릿(132)을 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(130)의 제1 슬릿(132)은 상기 제1 전극(130)이 제거된 부분으로, 상기 제1 전극(130) 및 제2 전극(230)으로 전압이 인가되며, 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230) 사이에 전기장이 생성되며, 상기 제1 전극(130)의 제1 슬릿(132)에 의해 상기 전기장은 상기 제1 기판(110)의 표면에 수직인 방향이 아닌, 수직 및 수평 성분을 동시에 가지므로 경사지게 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 도메인 분할 수단은 상기 제1 전극(130) 상에 형성되어 상기 제1 전극(130)으로부터 액정층(300) 방향으로 돌출된 돌기 형상을 가질 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제1 슬릿(132)은 상기 제1 전극(130)의 가장자리를 따라 형성될 수 있다. 상기 제1 슬릿(132)을 평면적 관점에서 보면, 상기 제1 전극(130)이 사각형일 경우 상기 제1 슬릿(132)은 사각 링 형상일 수 있다. 상기 제1 전극(130)의 제1 슬릿(132)은 다양한 구조를 가질 수 있다. 상기 제1 전극(130)의 구조에 대한 설명은 이하에서 상세하게 하기로 한다.
전술한 바와 같이, 상기 제1 전극(130)의 구조를 한정하는 것은 아니다. 후속하여 설명되는 제2 전극(230)과 함께, 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230) 사이의 액정 분자들의 배향 방향이 적어도 두 단계 이상으로 변화하도록 하는 제1 전극(130)의 구조이면 족한다.
상기 제1 표시판(100)은, 상기 제1 전극(130) 및 상기 액정층(300) 사이에 제1 배향막(140)을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 배향막(140)은, 상기 액정층(300) 내 액정 분자들을 한 방향으로 초기(pre-tilt) 배향시킬 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 제1 배향막(140)은 폴리 아믹산(poly-amic acid), 폴리 이미드(poly-imide), 레시틴(lecithin), 나일론(nylon), PVA(polyvinylalcohol)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 배향막(140)은 리액티브 메조겐(reactive mesogen) 물질을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 편광판(400)은 상기 제1 기판(110)의 타 면에 배치될 수 있다. 상기 제1 기판(110)의 타 면은 상기 일 면에 대응되는 면일 수 있다.
상기 제2 표시판(200)은 제2 기판(210) 및 제2 전극(230)을 포함할 수 있다. 상기 제2 기판(210)은 유리와 같은 투명한 절연 물질을 포함할 수 있다.
상기 제2 전극(230)은 상기 제2 기판(210)의 일면에 배치되며, 상기 제2 기판(210)의 일 면은 상기 제1 표시판(100)을 마주하는 면일 수 있다. 상기 제2 전극(230)은 공통 전극일 수 있다. 상기 제2 전극(230)은 ITO, 또는 IZO 등의 투명한 도전물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 전극(230)은 도메인 분할 수단, 예를 들어, 제2 슬릿(232)을 포함할 수 있다. 상기 제2 슬릿(232)은 상기 제2 전극(230)이 제거된 부분으로 상기 제2 전극(230)이 패턴을 갖도록 할 수 있다. 상기 제2 슬릿(232)은 상기 제1 전극(130) 및 제2 전극(230)으로 전압이 인가되면, 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230) 사이에 전기장이 생성되며, 상기 제2 슬릿(232)에 의해 상기 전기장은 상기 제2 기판(210)의 표면에 수직인 방향이 아닌, 수직 및 수평 성분을 동시에 갖는 경사지게 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제2 전극(230) 상에 형성되어 상기 제2 전극(230)으로부터 액정층(300) 방향으로 돌출된 돌기 형상을 가질 수도 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제2 슬릿(232)은, 상기 제2 전극(230)의 중앙을 제1 방향으로 가로지르는 제1 라인(232a)과, 상기 제2 전극(230)의 중앙을 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 가로지르는 제2 라인(232b)을 포함할 수 있다. 상기 제2 슬릿(232)은 평면적 관점에서, 십자 형상을 가질 수 있다. 상기 제2 전극(230)의 구조에 대한 설명은 이하에서 상세하게 하기로 한다. 다른 측면에 따르면, 상기 제2 전극(230)은 상기 제1 전극(130)의 구조에 따라서 제2 슬릿(232)을 갖지 않을 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 제2 전극(230)의 구조를 한정하는 것은 아니다. 상기 제1 전극(130)과 함께, 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230) 사이의 액정 분자들의 배향 방향이 적어도 두 단계 이상으로 변화하도록 하는 제2 전극(230)의 구조이면 족한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전술한 바와 같이 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230)의 제1 및 제2 슬릿들(132, 232)에 의해 전압이 인가 시 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230) 사이에 경사진 전기장이 형성될 수 있다. 이로 인하여 하나의 픽셀(pixel) 내에 멀티 도메인(multi-domain, D1~D4)이 형성될 수 있다. 도 1를 참조하면, 본 실시예에서는 4방향으로 액정 분자들이 배열되며, 이로써, 하나의 픽셀 내에 4개의 도메인(D1~D4)이 형성될 수 있다. 그러나 본 발명에서, 픽셀 내 형성되는 도메인의 수를 한정하는 것은 아니다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 표시판(200)은 컬러 필터(color filter, 212)를 더 포함할 수 있다. 상기 컬러 필터(212)는 상기 제2 기판(210) 및 상기 제2 전극(230) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 상기 제2 기판(210)의 일 면에는 차광 부재(214)가 배치될 수 있으며, 상기 차광 부재(214)에 의해 한정되는 각 영역에 상기 컬러 필터(212)가 형성될 수 있다. 상기 컬러 필터(212)는 제2 절연막(216)에 의해 보호될 수 있다. 본 실시예에서는, 상기 컬러 필터(212)가 제2 표시판(200)에 배치되는 것으로 설명하고 있으나, 상기 컬러 필터(212)는 상기 제1 표시판(100)에 배치될 수 있다. 본 발명에서 상기 컬러 필터(212)의 위치를 한정하는 것은 아니다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제2 표시판(200)은, 상기 제2 전극(230) 및 상기 액정층(300) 사이에 제2 배향막(240)을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 배향막(240)은, 상기 액정층(300) 내 액정 분자들을 한 방향으로 초기 배향시킬 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 제2 배향막(240)은 폴리 아믹산(poly-amic acid), 폴리 이미드(poly-imide), 레시틴(lecithin), 나일론(nylon), PVA(polyvinylalcohol)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 상기 제2 배향막(240)은 리액티브 메조겐(reactive mesogen) 물질을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 편광판(450)은 상기 제2 기판(210)의 타 면에 배치될 수 있다. 상기 제2 기판(210)의 타 면은 상기 일 면에 대응되는 면일 수 있다. 상기 제2 편광판(450)은 상기 제1 편광판(400)을 통과한 광 중 수직인 방향으로 진동하는 직선 편광 성분을 통과시킬 수 있다.
상기 액정층(300)은 상기 제1 및 제2 표시판들(100, 200) 사이를 충진할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 액정층(300)은, 네마틱 액정(nematic liquid crystal) 및 비카이럴 스멕틱 액정(achiral smectic liquid crystal)을 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 상기 액정층(300)은, 네마틱 액정 및 스멕틱 액정을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 상기 액정층(300)은 리액티브 메조겐 물질을 더 포함할 수 있다. 상기 액정층(300)의 상세한 설명은 이하에서 하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 액정 표시 장치는 광보상필름(optical compensation film, 430)을 더 포함할 수 있다. 상기 광보상필름(430)은 상기 제2 편광판(450) 및 상기 제2 기판(210) 사이에 배치될 수 있다. 상기 액정 분자가 수직 배향 상태를 유지할 경우, 정면에서 관찰하면 제1 편광판(400)과 제2 편광판(450)의 편광축은 서로 직교하여 빛샘이 발생하지 않으나, 측면에서 관찰하면 제1 및 제2 편광판들(400, 450)의 편광축이 이루는 편광 각도가 커지게 되어 빛샘이 발생할 수 있다. 이러한 빛샘을 보상하기 위해 이축성 필름이나 일축성 필름과 같은 광보상필름(430)을 배치할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 액정 표시 장치의 액정층(300)이 강유전성 액정을 포함함으로써, 네마틱 액정과 더불어 액정 조성물의 배향을 균일하게 하고 배향의 안정성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 상기 액정층(300)을 포함하는 액정 표시 장치의 휘도가 향상될 수 있다. 또한, 액정층(300), 제1 및 제2 배향막들(140, 240) 중 적어도 하나에 리액티브 메조겐 물질을 더 포함함으로써, 액정층(300) 내 액정 분자들의 배향 속도가 빨라지며, 배향되는 각도도 커져 광학적 특성이 향상될 수 있다.
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이하에서, 도 4a 및 도 4b에 도시된 제1 및 제2 전극들의 구조를 액정 표시 장치의 구동을 간략하게 살펴보기로 한다.
상기 제1 및 제2 전극들(130, 230)에 전위차가 없는 경우, 상기 액정 분자들은 상기 제1 또는 제2 전극 표면(130, 230)의 수직인 제1 방향으로 배열될 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극들(130, 230) 사이에 전위차가 발생하면, 상기 액정 분자들의 배향이 상기 제1 또는 제2 전극(130, 230)의 연장 방향에 실질적으로 평행한 제2 배향 방향으로 변화될 수 있다. 본 실시예에서는 상기 액정 분자들의 제2 배향 방향은, 상기 제1 및 제2 전극들 사이 어느 곳에 위치 하느냐에 따라 상이할 수 있다. 상기 제1 및 제2 슬릿들이 형성된 제1 및 제2 전극들 사이에 위치한 액정 분자들은 상기 제1 및 제2 슬릿들의 수직인 방향으로 제2 배향 방향을 가질 수 있다. 한편, 상기 제1 및 제2 슬릿들로부터 이격된 제1 및 제2 전극들 사이에 위치한 액정 분자들은, 상기 제1 및 제2 슬릿들에 대하여 약 45° 또는 약 135°로 틀어진 방향으로 제2 배향 방향을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230) 사이에 전위차가 발생하면, 상기 액정 분자들 적어도 두 단계로 배향 방향들을 변화시켜 최종적으로 제2 배향 방향으로 배열될 수 있다. 일 예로, 상기 액정 분자들의 배향 방향들을 변화시키는 동작은 순차적으로 발생하는 제1 배향 단계 및 제2 배향 단계를 포함할 수 있다. 이와 같이 상기 액정층(300)의 액정 분자들이 바로 목적하는 방향으로 변화되지 않는 이유는, 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230)의 구조에 따라 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230) 사이에 발생하는 전계의 세기 또는 형태가 상이하기 때문이다.
이하에서는 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230) 사이에 전위차가 발생하여 액정 분자들이 순차적으로 변화하는 제1 배향 단계 및 제2 배향 단계에 대하여 설명하기로 한다.
제1 배향 단계(제1 및 제2 전극들 사이에 전위차가 발생하자 마자)는, 상기 제1 배향 방향으로 배향된 액정 분자들을 제3 배향 방향을 갖도록 변화하는 과정일 수 있다. 상기 제3 배향 방향은 상기 제1 또는 제2 배향 방향과는 상이한 방향들을 포함할 수 있다.
상기 제1 배향 단계에서의 액정 분자들이 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230) 사이 위치에 따라 배향 방향이 변화되는 것을 예시적으로 설명하기로 한다. 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230) 사이에 전위차가 발생하면, 상기 제1 및 제2 슬릿들로부터 먼 부분은 상대적으로 강한 전계가 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 슬릿들이 형성된 부분은 상대적으로 약한 전계가 형성될 수 있다.
상대적으로 강한 전계가 발생하는 부분의 액정 분자들은, 상기 제1 배향 방향에서 제3 배향 방향으로 변화될 수 있으며, 상기 제3 배향 방향은 임의의 방향이며 예측하기 용이하지 않을 수 있다. 상대적으로 약한 전계가 발생하는 부분의 액정 분자들은, 상기 제1 배향 방향에서 제3 배향 방향으로 변화될 수 있으며, 상기 제3 배향 방향은 상기 제1 및 제2 슬릿의 수직인 방향으로 제3 배향 방향을 가질 수 있다.
제2 배향 단계(제1 및 제2 전극들 사이에 전위차가 발생한 후 소정의 시간이 지난 후)는, 상기 제3 배향 방향으로 배향된 액정 분자들을 상기 제2 배향 방향을 갖도록 변화하는 과정일 수 있다. 상세하게 설명하면, 상대적으로 강한 전계가 발생하는 부분의 액정 분자들은 상기 제1 및 제2 슬릿들에 대하여 약 45° 또는 약 135° 각도 틀어진 제2 배향 방향을 가지도록 변화될 수 있다. 상대적으로 약한 전계가 발생하는 부분의 액정 분자들은, 상기 제1 및 제2 슬릿들의 수직인 방향으로 제2 배향 방향을 가질 수 있다. 이로써, 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230) 사이의 액정 분자들이 목적하는 제2 배향 방향으로 변화하게 될 수 있다.
한편, 상기 액정층(300), 제1 또는 제2 배향막(140, 240)에 리액티브 메조겐을 포함하는 경우, 제1 배향 방향을 갖는 액정 분자들은 상기 제1 및 제2 전극들(130, 230) 사이에 전위차가 발생하면, 바로 상기 제2 배향 방향으로 변화될 수 있다. 즉, 상기 액정 분자들은 제3 배향 방향으로 변화하는 단계를 생략하고, 바로 제1 배향 방향에서 제2 배향 방향으로 변화될 수 있다.
이하, 제1 및 제2 전극들(130, 230)의 구조에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
[제1 및 제2 전극 구조]
이하, 제1 전극의 슬릿 구조에 대하여 상세하게 설명하기로 한다. 하기에서 설명되는 제1 및 제2 전극들의 구조는 예시적인 것이지, 본 발명이 이로 한정되는 것은 아니다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 실시예들에 따른 제1 및 제2 전극들 구조를 설명하기 위한 평면도들이다.
도 5a를 참조하면, 제1 전극(130)은 상기 제1 전극(130)의 가장자리를 따라 형성된 제1 슬릿(132)을 포함할 수 있다. 평면적 관점에서 상기 제1 전극(130)이 사각형일 경우 상기 제1 슬릿(132)은 사각 링 형상을 가질 수 있다. 제2 전극(230)은 상기 제2 전극(230)의 중심을 관통하여 제1 방향(D1)으로 연장하는 제1 라인(232a)과, 상기 제2 전극(230)의 중심을 관통하여 제2 방향(D2)으로 연장하는 제2 라인(232b)을 포함하는 제2 슬릿(232)을 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 방향(D1, D2)은 수직일 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 라인(232a, 232b)은 서로 연통될 수 있다. 예컨대, 상기 제2 전극(230)은 십자 형상을 가질 수 있다.
도 5b를 참조하면, 제1 전극(130)은 전체적으로 상기 제1 전극(130)의 가장자리를 따라 형성된 제1 슬릿(132)을 포함할 수 있다. 도 5a와 다르게 본 실시예에서 상기 제1 슬릿(132)은 연속적으로 형성되지 아니하고 중간에 절단 부분을 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 슬릿(132)의 절단 부분은 변의 중간에 형성될 수 있다. 평면적 관점에서 상기 제1 전극(130)이 사각형일 경우 상기 제1 슬릿(132)은 각 꼭지점에 배치된 꺽쇠 형상을 가질 수 있다. 제2 전극(230)은 도 5a에서 설명된 구조와 실질적으로 동일하여 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 예컨대, 상기 제2 전극(230)의 제2 슬릿(232)은 십자 형상을 가질 수 있다.
본 실시예에서는 상기 제1 슬릿(132)은 상기 제2 슬릿(232)과 중첩되지 않도록 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 제1 슬릿(132)의 절단 부분에 상기 제2 슬릿(232)의 일부가 중첩될 수 있다.
도 5c를 참조하면, 제1 전극(130)은 전체적으로 상기 제1 전극(130)의 가장자리를 따라 형성된 제1 슬릿(132)을 포함할 수 있다. 도 5a와 다르게 본 실시예에서 상기 제1 슬릿(132)은 연속적으로 형성되지 아니하고 중간에 절단 부분을 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 슬릿(132)의 절단 부분은 꼭지점에 형성될 수 있다. 평면적 관점에서 상기 제1 전극(130)이 사각형일 경우, 상기 제1 슬릿(132)은 각 변에 배치된 라인 형상을 가질 수 있다. 제2 전극(230)은 도 5a에서 설명된 구조와 실질적으로 동일하여 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 5d를 참조하면, 제1 전극(130)은 상기 제1 전극(130)의 가장자리를 따라 형성된 제1 라인(132a)과, 상기 제1 전극(130)의 중심을 관통하는 십자 형상의 제2 라인(132b)을 포함하는 제1 슬릿(132)을 포함할 수 있다. 상기 제1 슬릿(132)은 절단 부분들을 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(130)의 제1 슬릿(132)에 의해 제1 전극(130)은 4개의 영역으로 분할될 수 있다. 제2 전극(230)은 상기 제1 전극(130)의 4개의 영역의 중심을 관통하는 십자 형상의 제2 슬릿(232)을 포함할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 상기 제1 및 제2 슬릿들(132, 232)은 서로 중첩되지 않도록 형성될 수 있다.
도 5e를 참조하면, 제1 전극(130)은 십자 형상의 줄기부(130a)와 상기 줄기부(130a)로부터 방사형으로 돌출되어 연장된 복수의 가지부들(130b)을 포함할 수 있다. 상기 줄기부(130a)는 다양한 형상으로 제공될 수 있으며, 일 예로 십자 형상을 가질 수 있다. 상기 가지부들(130b)은 상기 십자 형상의 줄기부(130a)에 의해 분할된 4개의 영역으로 연장할 수 있다. 상기 가지부들(130b)은 각각 꼭지점을 향해 연장되며, 서로 마이크로미터(㎛) 단위의 거리로 이격될 수 있다. 상기 이웃하는 영역의 가지부들(130b)을 서로 거울상일 수 있다. 상기 제1 전극(130)은 상기 가지부들(130b)을 이격시키는 라인 형상의 제1 슬릿들(132)을 포함할 수 있다. 상기 제1 슬릿들(132) 사이의 거리는 수㎛일 수 있다. 상기 제1 슬릿들(132)은 서로 연통되지 않고 각각 분리된 형태를 가질 수 있다. 한편, 본 실시예에서 제2 전극(230)은 슬릿을 갖지 않아 패턴 없는 전극일 수 있다.
도 5f를 참조하면, 제1 전극(130)은 도 5e의 제1 전극(130)과 유사하게 줄기부(130a) 및 가지부들(130b)을 포함하되, 상기 가지부들(130b)을 이격시키는 라인 형상의 제1 슬릿들(132)이 서로 연통될 수 있다. 제2 전극(230)은 슬릿을 갖지 않아 패턴 없는 전극일 수 있다.
이하에서는 액정층에 관하여 상세하게 설명하기로 한다.
(액정층_제1 실시예 )
본 발명의 실시예들에 따른 액정층은, 네마틱 액정(nematic liquid crystal) 및 비카이럴 스멕틱 액정(achiral smectic liquid crystal)을 포함할 수 있다.
상기 액정층은, 약 1중량% 내지 약 50중량%의 비카이럴 스멕틱 액정 및 약 50중량% 내지 약 99중량%의 네마틱 액정을 포함할 수 있다. 상기 비카이럴 스멕틱 액정이 상기 액정층 총량의 약 1중량%이하일 경우, 상기 액정층의 액정 배향성이 불안정할 수 있다. 또한, 상기 비카이럴 스멕틱 액정이 상기 액정층 총량의 약 50중량%을 초과하는 경우, 액정층의 점도가 증가하여 상기 액정층을 포함하는 표시 장치의 응답 속도(response time)가 느려질 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 액정층은, 약 1중량% 내지 약 35중량%의 비카이럴 스멕틱 액정을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 액정층 내, 비카이럴 스멕틱 액정의 양은 상기 비카이럴 스멕틱 액정의 점도(viscosity)에 의해 결정될 수 있다. 비카이럴 스멕틱 액정의 점도가 낮은 경우, 상기 액정층 내 상기 비카이럴 스멕틱 액정이 약 50중량% 이상 포함할 수 있다. 한편, 비카이럴 스멕틱 액정의 점도가 높은 경우, 액정층의 전체 점도를 고려하여, 약 35중량% 이하로 유지하는 것이 바람직할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 네마틱 액정은 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정(negative nematic liquid crystal)을 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 상기 네마틱 액정은 음의 이방성을 갖는 네마틱 액정 및 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정(positive nematic liquid crystal)을 포함할 수 있다. 상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 상기 네마틱 액정의 약 10중량% 정도를 차지할 수 있다.
이하에서, 상기 네마틱 액정 및 상기 비카이럴 스멕틱 액정의 예시적 물질들을 설명하도록 한다. 하기에 설명되는 예시적인 물질들로, 본 발명의 네마틱 액정 및 비카이럴 스멕틱 액정을 이것으로 한정하는 것은 아니다.
우선, 네마틱 액정의 특징을 간략하게 설명하고, 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 및 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정의 예시들을 분류하도록 한다.
네마틱 액정은 액정의 가늘고 긴 분자가 서로의 위치는 불규칙하지만 그 장축은 모두 일정한 방향으로 향하고 있는 상태의 액정을 이른다. 네마틱 액정의 각 분자는 장축 방향으로 자유롭게 움직일 수 있으므로 점성이 작아 흐르기 쉬우며, 네마틱 분자의 방향은 위, 아래가 실질적으로 동일하기 때문에 분극이 상쇄되어 일반적으로 강유전성을 나타내지 않는다. 액정의 분자의 축 방향과 직각 방향에서, 물리적 성질이 매우 다르다. 따라서, 네마틱 액정은 광학적 이방성을 가지는 물질이다. 축 방향이 평행인 유전 이방성과 축 방향이 직각인 유전 이방성의 차이(△ε)가 0보다 작으면 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정이라고 하고, 0보다 크면 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정이라고 한다.
음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정
일 실시예에 따르면, 상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은, 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 분자들을 포함할 수 있다. 일 측면에서, 상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 분자들은 한 종류(single)일 수 있다. 다른 측면에서, 상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 분자들은, 서로 상이한 종류(mixture)일 수 있다. 예를 들면, 상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 분자들은, 제1 유전 이방성을 갖는 액정 분자 및 제2 유전 이방성을 갖는 액정 분자를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제2 유전 이방성은 상기 제1 유전 이방성과 상이할 수 있다. 상기 제1 유전 이방성 및 제2 유전 이방성 중 적어도 하나는 음의 이방성을 갖는 유전 이방성을 가질 수 있다. 상기 제1 유전 이방성을 갖는 액정 분자 및 상기 제2 유전 이방성을 갖는 액정 분자들을 포함하는 네마틱 액정 분자들의 전체적인 유전 이방성이 음의 유전성을 가지면 족한다.
다른 실시예에 따르면, 상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은, 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 분자들 및 기저 액정 분자들을 포함할 수 있다. 상기 기저 액정 분자들 각각은, 음의 유전 이방성을 갖는 액정 분자, 양의 유전 이방성을 갖는 액정 분자, 중성의 액정 분자, 카이럴 액정 분자 및 비카이럴 액정 분자로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 측면에서, 상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은, 한 종류의 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 분자들과, 기저 분자들을 포함할 수 있다. 다른 측면에서, 상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은, 다양한 종류의 음의 유전 이방성을 갖는 액정 분자들과, 기저 액정 분자들을 포함할 수 있다.
이하에서는, 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정의 예들을 나열하여 설명하도록 한다. 하기의 물질들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다.
상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은, 할로겐계(halogen group), 시안화계(cyanide group), 또는 이소시아네이트계(isocyanate group) 네마틱 액정을 포함할 수 있다. 상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은, 할로겐계(halogen group), 시안화계(cyanide group), 또는 이소시아네이트계(isocyanate group) 네마틱 액정을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 기저 액정 분자들을 더 포함할 수 있다.
할로겐계 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 불소계(fluorine group), 염소계(chlorine group) 또는 브롬계(brome group)물질 등을 포함할 수 있으며, 단일 또는 다중환 구조를 가질 수 있다.
할로겐 계열 2환 구조의 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 하기 화학식 1 및 2로 표기될 수 있다.
화학식 1
Figure 112013032698680-pat00001
화학식 2
Figure 112013032698680-pat00002
화학식 1 및 2에서, R은 1 내지 15개의 탄소 원자를 갖는 알킬(alkyl), 또는 알콕시(alkoxy)이고 (여기에서, 수소는 CN, CF3, 또는 할로겐(halogen)으로 치환될 수 있고, -CH2- 그룹은 -CH=CH-, -O-, -CO-, -COO-, -OOC-, -O-OC-O- 또는 -S-로 치환될 수 있음), X는 서로 독립적으로 할로겐(halogen), 1 내지 15개의 탄소 원자를 갖는 할로겐화된 알킬(halogenated alkyl), 알콕시(halogenated alkoxy), 할로겐화된 알케닐(halogenated alkenyl) 또는 알케닐옥시(halogenated oxy)이고, L1 및 L2는 서로 독립적으로 수소 또는 할로겐(halogen)이다.
할로겐 계열 3환 구조의 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 화학식 3 내지 6으로 표기될 수 있다.
화학식 3
Figure 112013032698680-pat00003
화학식 4
Figure 112013032698680-pat00004
화학식 5
Figure 112013032698680-pat00005
화학식 6
Figure 112013032698680-pat00006
화학식 3 내지 6에서, R, L1, 및 L2는 상기 화학식 1 및 2에서 정의된 바와 같고, L3 및 L4는 서로 독립적으로 수소 또는 할로겐(halogen)이며, Z는 단일 결합, -CF2O-, -OCF2-, -COO-, -O-CO-, -CH2CH2-, -CH=CH-, -C≡C-, -CH2O-, -(CH2)4-, CF=CF-, -CH=CF- 또는 -CF=CH-이다.
할로겐 계열 4환 구조의 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 화학식 7 내지 9로 표기될 수 있다.
화학식 7
Figure 112013032698680-pat00007
화학식 8
Figure 112013032698680-pat00008
화학식 9
Figure 112013032698680-pat00009
화학식 7 내지 9에서, Y는 수소 또는 할로겐(halogen)을 나타내고, R1은 1 내지 15개의 탄소 원자를 가지는 알킬(alkyl), 또는 알케닐(alkenyl)을 나타내고, R2는 1 내지 15개의 탄소 원자를 가지는 알킬(alkyl), 알케닐(alkenyl), 또는 알콕시기(alkoxy)를 나타내고(R1, 및 R2에서, 수소는 CN, CF3, 또는 할로겐(halogen) 원자에 의해 치환될 수 있고, CH2 기는 -O-, -S-, -C≡C-, -CH=CH-, -OC-O- 또는 -O-CO-에 의해 치환될 수 있음), Z는 단일 결합, -CF2O-, -OCF2-, -COO-, -O-CO-, -CH2CH2-, -CH=CH-, -C≡C-, -CH2O-, -(CH2)4-, CF=CF-, -CH=CF- 또는 -CF=CH-이다.
할로겐계 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 측면 플루오르화된 인단 유도체를 가지며, 하기 화학식 10으로 표기될 수 있다.
화학식 10
Figure 112013032698680-pat00010
상기 식에서, m은 정수를 나타내고, n은 0 또는 1이다.
시안화계 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 하기 화학식 11 내지 13으로 표기될 수 있다.
화학식 11
Figure 112013032698680-pat00011
화학식 12
Figure 112013032698680-pat00012
화학식 13
Figure 112013032698680-pat00013
화학식 11 내지 13에서, R3은 1 내지 15개의 탄소 원자를 갖는 알킬(alkyl) 그룹 (여기서, 수소는 비치환되거나 CN, CF3 , 또는 할로겐(halogen)에 의해 적어도 일치환될 수 있고, CH2 기는 -O-, -S-, -C≡C-, -CH=CH-, -OC-O- 또는 -O-CO-에 의해 대체될 수 있다)이고, L1 및 L2 서로 독립적으로 수소 또는 할로겐(halogen)이고, Z는 단일 결합, -CF2O-, -OCF2-, -COO-, -O-CO-, -CH2CH2-, -CH=CH-, -C≡C-, -CH2O-, -(CH2)4-, CF=CF-, -CH=CF- 또는 -CF=CH-이다.
상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 단일 물질 또는 혼합물일 수 있다. 실시예에 의하면 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 혼합물은,
(a) -1.5 미만의 유전 이방성을 갖는 화합물 하나 이상으로 이루어진 액정 성분 A:
(b) -1.5 내지 +1.5의 유전 이방성을 갖는 화합물 하나 이상으로 이루어진 액정 성분 B: 및
(c) 카이럴 성분 C를 포함할 수 있다.
상기 액정 성분 A는 하기 화학식 14 내지 17의 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다.
화학식 14
Figure 112013032698680-pat00014
화학식 15
Figure 112013032698680-pat00015
화학식 16
Figure 112013032698680-pat00016
화학식 17
Figure 112013032698680-pat00017
상기 액정 성분 B는 하기 화학식 18 내지 20의 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다. 상기 액정 성분 B는 상술한 제1 기저 액정 분자들일 수 있다.
화학식 18
Figure 112013032698680-pat00018
화학식 19
Figure 112013032698680-pat00019
화학식 20
Figure 112013032698680-pat00020
화학식 18 내지 20에서, R4 및 R5는 각각 서로 독립적으로 탄소수 1 내지 15를 갖는 알킬(alkyl), 알콕시(alkoxy), 알콕시알킬(alkoxy alkyl), 알케닐(alkenyl) 또는 알케닐옥시(alkenyl oxy)이고 (여기에서, 수소는 CN, CF3, 또는 할로겐(halogen) 원자에 의해 치환될 수 있고, -CH2- 그룹은 -CH=CH-, -O-, -CO-, -COO-, -OOC-, -O-OC-O- 또는 -S-에 의해 치환될 수 있음), Y1은 수소 또는 할로겐(halogen)를 나타낸다.
카이럴 성분 C는 하기 예와 같은 다수의 카이럴 도펀트(dopant)가 이용 가능하다. 카이럴 도펀트의 선택은 그 자체로서는 중요하지 않다.
Figure 112013032698680-pat00021
Figure 112013032698680-pat00022
Figure 112013032698680-pat00023

양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정
일 실시예에 따르면, 상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은, 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 분자들을 포함할 수 있다. 일 측면에서, 상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 분자들은 한 종류(single)일 수 있다. 다른 측면에서, 상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 분자들은, 서로 상이한 종류(mixture)일 수 있다. 예를 들면, 상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 분자들은, 제1 유전 이방성을 갖는 액정 분자 및 제2 유전 이방성을 갖는 액정 분자를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제2 유전 이방성은 상기 제1 유전 이방성과 상이할 수 있다. 상기 제1 유전 이방성 및 제2 유전 이방성 중 적어도 하나는 양의 이방성을 갖는 유전 이방성을 가질 수 있다. 상기 제1 유전 이방성을 갖는 액정 분자 및 상기 제2 유전 이방성을 갖는 액정 분자들을 포함하는 네마틱 액정 분자들의 전체적인 유전 이방성이 양의 유전성을 가지면 족한다.
다른 실시예에 따르면, 상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은, 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 분자들 및 기저 액정 분자들을 포함할 수 있다. 상기 기저 액정 분자들 각각은, 음의 유전 이방성을 갖는 액정 분자, 양의 유전 이방성을 갖는 액정 분자, 중성의 액정 분자, 카이럴 액정 분자 및 비카이럴 액정 분자로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 측면에서, 상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은, 한 종류의 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 분자들과, 기저 분자들을 포함할 수 있다. 다른 측면에서, 상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은, 다양한 종류의 양의 유전 이방성을 갖는 액정 분자들과, 기저 액정 분자들을 포함할 수 있다.
이하에서는, 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정을 예들을 나열하여 설명하도록 한다. 하기의 물질들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다.
상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은, 시안화계(cyanide group), 이소시아네이트계(isocyanate group), 할로겐계(halogen group) 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정을 포함할 수 있다. 상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은, 시안화계(cyanide group), 이소시아네이트계(isocyanate group), 할로겐계(halogen group) 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 또한, 상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 제2 기저 액정 분자들을 더 포함할 수 있다.
시안화계 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 2환구조 또는 3환구조를 가질 수 있다.
2환 구조의 시안화계 네마틱 액정은 화학식 21로 표기될 수 있다.
화학식 21
Figure 112013032698680-pat00024
화학식 21에서 R6은 탄소수 1 내지 15의 알케닐(alkenyl)이다. (여기에서, 수소는 CN, CF3, 또는 할로겐(halogen)에 의해 치환될 수 있고, -CH2- 그룹은 -CH=CH-, -O-, -CO-, -COO-, -OOC-, -O-OC-O- 또는 -S-에 의해 임의로 치환될 수 있음) 화학식 21의 구체적인 예들이 다음에 도시된다.
Figure 112013032698680-pat00025
Figure 112013032698680-pat00026
화학식 21에서, R7는 H, CH3, C2H5 또는 n-C3H7이다.
3환 구조의 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 화학식 22로 표기될 수 있다.
화학식 22
Figure 112013032698680-pat00027
R3는 상기 화학식 11 내지 13에서 정의한 바와 같이 R3는 비치환되거나 CN, CF3, 또는 할로겐(halogen)에 의해 적어도 일치환된 15개 이하의 탄소 원자를 갖는 알킬(alkyl) 그룹이고, 여기서 이들 알킬 중에서 하나 이상의 CH2기는 -O-, -S-, -C≡C-, -CH=CH-, -OC-O- 또는 -O-CO-에 의해 대체될 수 있고, L1 및 L2는 각각 서로 독립적으로 수소 또는 할로겐(halogen) 이다.
이소시아네이트 계 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 하기 화학식 23으로 표기될 수 있다.
화학식 23
Figure 112013032698680-pat00028
화학식 23에서, R8은 CnH2n +1O, CnH2n +1, 또는 CnH2n - 1 이며, 이때 n은 1 내지 15이고, A는
Figure 112013032698680-pat00029
또는
Figure 112013032698680-pat00030
이며, B는 -CH2-CH2- 또는 -C≡C- 이며, X1는 수소 또는 할로겐(halogen)이며, m은 1 2,3, 또는 4이다. 화학식 23의 구체적인 예들이 다음에 도시된다.
Figure 112013032698680-pat00031
Figure 112013032698680-pat00032
Figure 112013032698680-pat00033

할로겐계 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 불소계 또는 염소계 물질을 포함할 수 있으며, 단일 또는 다중환 구조를 가질 수 있다. 불소계 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 화학식 24 내지 27로 표시될 수 있다.
화학식 24
Figure 112013032698680-pat00034
화학식 25
Figure 112013032698680-pat00035
화학식 26
Figure 112013032698680-pat00036
화학식 27
Figure 112013032698680-pat00037
화학식 24 내지 27에서, R9 및 R10은 탄소원자 1 내지 15개를 갖는 알킬(alkyl), 알콕시(alkoxy), 불화된 알킬(fluorinated alkyl), 불화된 알콕시(fluorinated alkoxy), 알케닐(alkenyl), 알케닐옥시(alkenyloxy), 알콕시알킬(alkoxy alkyl) 또는 불화된 알케닐(fluorinated alkenyl)이며, L 21 L 22 L 23, 및 L 24는 각각 서로 독립적으로 수소 또는 불소(fluorine)이고, Z는 단일 결합, -CF2O-, -OCF2-, -COO-, -O-CO-, -CH2CH2-, -CH=CH-, -C≡C-, -CH2O-, -(CH2)4-, CF=CF-, -CH=CF- 또는 -CF=CH-를 나타낸다.
할로겐 계열 2환 구조의 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 하기 화학식 28로 표기될 수 있다.
화학식 28
Figure 112013032698680-pat00038
화학식 28에서, R11은 수소, 할로겐(halogen), 탄소수 1 내지 15의 알케닐(alkenyl), 알케닐옥시(alkenyloxy), 알카이닐(alkynyl), 또는 알카인옥시(alkynoxy)를 나타내고, 상기 R11에서 하나 이상의 -CH2-기가 -O-, C=O 또는 -S-로 치환될 수 있고, L5는 할로겐, 탄소수 1 내지 15의 불소화된 알킬(fluorinated alkyl), 알콕시(fluorinated alkoxy), 불소화된 알케닐(fluorinated alkenyl), 알케닐옥시(alkenyloxy) 또는 옥시알킬(oxyalkyl), -OCF3, -OCHFCF3 또는 SF5이고, L6, L7, L8, 및 L9는 각각 서로 독립적으로 수소(H) 또는 할로겐(halogen)이고, Z는 단일 결합, -CF2O-, -OCF2-, -COO-, -O-CO-, -CH2CH2-, -CH=CH-, -C≡C-, -CH2O-, -(CH2)4-, CF=CF-, -CH=CF- 또는 -CF=CH-이다. 화학식 28의 구체적인 예들이 다음에 도시된다.
Figure 112013032698680-pat00039
상기 식에서, n은 1 내지 15이다.
할로겐 계열 3환 구조의 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 화학식 29 내지 화학식 33으로 표기될 수 있다.
화학식 29
Figure 112013032698680-pat00040
화학식 30
Figure 112013032698680-pat00041
화학식 31
Figure 112013032698680-pat00042
화학식 32
Figure 112013032698680-pat00043
화학식 33
Figure 112013032698680-pat00044
화학식 29 내지 33에서, R12는 탄소수 1 내지 15의 알킬(alkyl) 또는 알케닐(alkenyl)이고 (여기에서, 알킬 또는 알케닐은 비치환되거나 CN, CF3, 또는 할로겐에 의해 적어도 일치환될 수 있고, 하나 이상의 -CH2-기는 -O-에 의해 치환될 수 있음), X3는 -F, -Cl, -OCF3, -OCHF2, -OCH2F 또는 -CF3이다. 화학식 29의 구체적인 예는 다음과 같다.
Figure 112013032698680-pat00045
Figure 112013032698680-pat00046
Figure 112013032698680-pat00047
여기에서, R12는 앞서 정의한 바와 같다.
할로겐 계열 4환 구조의 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 화학식 34 내지 화학식 36으로 표기될 수 있다.
화학식 34
Figure 112013032698680-pat00048
화학식 35
Figure 112013032698680-pat00049
화학식 36
Figure 112013032698680-pat00050
화학식 34 내지 36에서 R13은 각각 탄소수 1 내지 15의 알킬(alkyl), 알콕시(alkoxy) 또는 알케닐(alkenyl)이고 (상기 알킬, 알콕시, 또는 알케닐에서 수소는 CN, CF3, 또는 할로겐(halogen)으로 치환될 수 있고, -CH2- 그룹은 -CH=CH-, -O-, -CO-, -COO-, -OOC-, -O-OC-O- 또는 -S-로 치환될 수 있음), Z는 단일 결합, -CF2O-, -OCF2-, -COO-, -O-CO-, -CH2CH2-, -CH=CH-, -C≡C-, -CH2O-, -(CH2)4-, CF=CF-, -CH=CF- 또는 -CF=CH-이다.
삼치환 불소 또는 시안화기를 포함하는 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 화학식 37로 표기될 수 있다.
화학식 37
Figure 112013032698680-pat00051
화학식 37에서, 2개의 R14 및 R15 중 하나 이상은 비치환되거나 CN, CF3 또는 할로겐(halogen)에 의해 적어도 일치환된 15개 이하의 탄소 원자를 갖는 알케닐(alkenyl) 그룹이고, 다른 하나는 비치환되거나 CN, CF3 또는 할로겐에 의해 적어도 일치환된 15개 이하의 탄소 원자를 갖는 알킬(alkyl) 그룹일 수 있고, 여기서 이들 그룹들 중 하나 이상의 CH2 기는 -O-, -S-, -C≡C-, -OCO-, 또는 -O-CO-에 의해 대체될 수 있다. 화학식 37의 구체적인 예들이 다음에 도시된다.
Figure 112013032698680-pat00052
n 및 m은 1 내지 10, 바람직하게는 1 내지 5이고, o 및 p는 각각 서로 독립적으로 동일하거나 상이하며, 0 내지 10, 바람직하게는 0 내지 5이고, 단 o+p의 합은 바람직하게는 7 이하이다.
상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 단일 물질 또는 혼합물일 수 있다. 일 실시예 따른 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 혼합물은,
a) +1.5 초과의 유전성 이방성을 갖는 하나 이상의 화합물로 이루어진 액정 성분 A,
b) -1.5 내지 +1.5의 유전성 이방성을 갖는 하나 이상의 화합물로 이루어진 액정 성분, 및
c) 필요한 경우에 카이럴 성분 C를 포함하는 것으로,
액정 성분 A는 상기 화학식 37의 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다. 액정 성분 B는 하기 화학식 38로 표시되는 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다. 상기 액정 성분 B는 상술한 제2 기저 액정 분자들일 수 있다.
성분 C는 다수의 카이럴 도펀트로 콜레스테릴 노나노에이트(CN), R-811, S-811, S-1011, S-2011(독일 다름스타트 소재의 메르크 카게아아(Merck KGaA)) 및 CB15(영국 풀 소재의 BDH)와 같은 시판되는 다수의 카이럴 도펀트가 이용 가능하다. 도펀트의 선택은 그 자체로서는 중요하지 않다.
화학식 38
Figure 112013032698680-pat00053
R16 및 R17은 각각 서로 독립적으로 동일하거나 상이하며, 각각은 비치환되거나 CN, CF3 , 또는 할로겐(halogen)에 의해 적어도 일치환된 15개 이하의 탄소 원자를 갖는 알킬기(alkyl)이고, 여기서 이들 알킬기 중에서 하나 이상의 CH2는 -O-, -S-, -C≡C-, -CH=CH-, -OC-O- 또는 -OCO-에 의해 대체될 수 있고, 상기 1,4-페닐렌(1,4-phenylene) 고리는 각각 서로 독립적으로 불소(fluorine)에 의해 일치환되거나 다치환될 수도 있다.
비카이럴 스멕틱 액정
스멕틱 액정은 네마틱 액정보다 낮은 온도에서 발견되며, 막대 모양의 액정이 층 모양의 구조를 형성하여 액정들은 서로 평행하게 배열된다. 층의 면에서는 액정의 위치에 규칙성이 없지만, 면에 직각인 방향에는 액정 위치의 규칙성(positional order)을 유지한다. 분자 층 사이의 결합은 비교적 약하여 서로 미끄러지기 쉬운 특성을 갖는다. 이 때문에 스멕틱 액정은 2차원적 유체의 성질을 나타낸다. 그러나 보통의 액체에 비교하면 점도는 매우 높다.
비카이럴 스멕틱 액정은 액정 배열에 따라 다양한 구조를 가질 수 있다. 일 예로, 스멕틱 A 액정은 분자층(plane)과 수직하게 배열된다. 다른 예로, 스멕틱 C 액정은 분자층과 소정의 각도를 가지며 배열된다. 또 다른 예로, 스멕틱 B는 분자층에 수직하게 배열되지만 액정들이 층 내에서 육각형의 네트워크로 배열된다. 스멕틱 액정의 종류는 다양하며, 본 발명에서 스멕틱 액정의 종류를 상기 설명된 것으로 한정하지 않는다.
일 실시예에 따르면, 상기 비카이럴 스멕틱 액정은, 비카이럴 스멕틱 액정 분자들을 포함할 수 있다. 일 측면에서, 상기 비카이럴 스멕틱 액정 분자들은 한 종류(single)일 수 있다. 다른 측면에서, 상기 비카이럴 스멕틱 액정 분자들은, 서로 상이한 종류(mixture)일 수 있다. 예를 들면, 상기 비카이럴 스멕틱 액정 분자들은, 제1 비카이럴 스멕틱 액정 분자 및 제2 비카이럴 스멕틱 액정 분자를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제2 비카이럴 스멕틱 액정 분자는 상기 제1 비카이럴 스멕틱 액정 분자와 상이할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 비카이럴 스멕틱 액정은, 비카이럴 스멕틱 액정 분자들 및 기저 액정 분자들을 포함할 수 있다. 상기 기저 액정 분자들 각각은, 음의 유전 이방성을 갖는 액정 분자, 양의 유전 이방성을 갖는 액정 분자 및 중성의 액정 분자들로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 측면에서, 상기 비카이럴 스멕틱 액정은, 한 종류의 비카이럴 스멕틱 액정 분자들과, 기저 분자들을 포함할 수 있다. 다른 측면에서, 상기 비카이럴 스멕틱 액정은, 서로 상이한 비카이럴 스멕틱 액정 분자들과, 기저 분자들을 포함할 수 있다.
이하에서는, 비카이럴 스멕틱 액정을 예들을 나열하여 설명하도록 한다. 하기의 물질들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다. 상기 비카이럴 스멕틱 액정은, 스멕틱 A 액정, 스멕틱 B 액정, 스멕틱 C 액정 등을 포함할 수 있다.
스멕틱 A 액정은 하기 화학식 39 내지 41로 표기될 수 있다.
화학식 39
화학식 40
Figure 112013032698680-pat00054
여기에서, 1≤n≤15이다.
화학식 41
CH2=C(CH3)COO(CH2)5PhCOOPhPhCF3
여기에서, Ph는 1, 4-phenylene group이다.
스멕틱 B 액정은 60.3 내지 98.5℃ 사이에서, 4-hexyl-4'-[2-(4-isothiocyanatophenyl)ethyl]-1-1'-biphenyl을 포함할 수 있다. 또한, 상기 스멕틱 B 액정은, 1-[5-(4-hexylphenyl)pyramidyl-2]-2-(4-hexyloxyphenyl) ethane, PhPhCHNPhCHCHCOOCH2CH(CH3)2, C6H13OPhCHNPhPh, C8H17OPhPhCOOPhOC5H9, C8H17PhPhCOOPhC8H17, C8H17OPhPhCOOPhOC7H17, C5H11OPhCHNPhPh 및 C16H33OPhCHNPhPh으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
스멕틱 C 액정은 하기 화학식 42 내지 44로 표기될 수 있다.
화화식 42
Figure 112013032698680-pat00055
여기에서, A 및 B 각각은 벤젠 고리 또는 사이클로 핵산고리이고, m 및 n은 0 또는 1이고, R1 및 R2 각각은 탄소가 1 내지 18개 갖는 alkyl 그룹, alkoxy그룹 또는 alkanoyloxy그룹이다.
화학식 43
Figure 112013032698680-pat00056
여기에서, R3 및 R4 각각은 탄소가 1 내지 18개 갖는 alkyl 그룹이다.
화학식 44
Figure 112013032698680-pat00057
여기에서, X는 코발트 본드 또는 -O-이며, n는 0 내지 10이고, R5는 탄소가 1 내지 18개인 alkyl 그룹 또는 alkoxy 그룹이며, R6는 탄소가 2개 내지 18개인 alkyl 그룹이다.
본 실시예에 따르면, 상기 액정층이 네마틱 액정 및 비카이럴 스멕틱 액정을 포함함으로써, 액정층의 배향을 균일하게 하고 배향의 안정성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 액정층은 카이럴 액정을 더 포함할 수 있다. 상기 액정층은, 카이럴 액정, 비카이럴 스멕틱 액정 및 네마틱 액정을 포함할 수 있다. 상기 액정층 중, 카이럴 액정 및 비카이럴 스멕틱 액정의 총량이 약 1중량% 내지 약 50중량%를 차지할 수 있다. 일 예로, 상기 카이럴 액정은 상기 액정층 내 약 0.01 중량% 내지 10중량%을 차지할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 카이럴 액정은 카이럴 액정 분자들을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 카이럴 액정 분자들은 한 종류일 수 있다. 다른 예로, 상기 카이럴 액정 분자들은 서로 상이한 종류일 수 있다. 예를 들면, 상기 카이럴 액정 분자들은 자발 분극(spontaneous polarization)을 갖는 카이럴 액정 분자 및 자발 분극을 갖지 않는 카이럴 액정 분자를 포함할 수 있다. 또한, 상기 카이럴 액정 분자들은 서로 상이한 자발 분극 특성을 갖는 카이럴 액정 분자들을 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 카이럴 액정은 상기 비카이럴 스멕틱 액정과 함께 강유전성 물질로 기능할 수 있다. 강유전성 액정은 전기장을 인가하지 않아도 자발 분극(spontaneous polarization)이 존재하는 특성을 가지며, 전기적으로 절연체인 유전체의 일종이지만 일반적인 유전체와는 달리 유전 분극이 전기장에 비례하지 않고, 분극과 전기장과의 관계가 전기 이력을 갖는 이상성을 나타내는 특징을 갖는다. 강유전성 액정은 특징적으로 자발 분극을 가지고 있을 뿐만 아니라 이 자발 분극이 전기장에 의해 역전되는(polarization reversal) 현상이 나타나는 물성을 갖는다.
이하에서는, 상기 카이럴 액정의 예들을 나열하여 설명하도록 한다. 본 발명에서는 하기의 물질로 상기 카이럴 액정을 한정하는 것은 아니다.
상기 카이럴 액정은, 불소계 카이럴 말단(fluorine chiral end) 액정, 카이럴 아릴 에스테르계(chiral allyl ester) 액정, 중심 코어 다환(center core polyring) 카이럴 액정, 또는 카이럴 스멕틱(chiral smectic) 액정 등을 포함할 수 있다. 또한, 카이럴 액정은 바나나형(banana shape) 액정일 수도 있다.
불소계 카이럴 말단 액정은 하기 화학식 45로 표기될 수 있다.
화학식 45
Figure 112013032698680-pat00058
여기에서, X4, X5, X6 및 X7은 각각 독립적으로 CF3, CF2H, CFH2, 할로겐(halogen), 알킬(alkyl) 또는 알콕시(alkoxy)이고, C 및 D는 독립적으로 페닐(phenyl), 모노플루오르페닐(mono-fluorophenyl), 디플루오르페닐(di-fluorophenyl), 또는 싸이클로헥실(cyclo-hexyl)에서 선택되며, E들은 독립적으로 단일결합, COO, OOC, 및 C≡C에서 선택되며, E중에서 적어도 하나는 단일결합이고, q는 0 또는 1이고, R18은 하기 화학식 40의 말단 그룹이다.
화학식 46
Figure 112013032698680-pat00059
화학식 46에서, Z는 O, (CH2)1O, 또는 (CH2)2O 이고, J 및 M은 독립적으로 수소, 탄소원자 1 내지 15의 알킬(alkyl)에서 선택되며, W는 탄소원자 1 내지 15개의 직선 또는 가지 달린 알킬 체인이고, J, M, W는 각각 다르며, R19는 탄소 원자 1 내지 15개를 포함하는 알케닐(alkenyl), 알케닐옥시(alkenyloxy), 알카이닐(alkynyl), 또는 알카인옥시(alkynoxy)에서 선택된다.
카이럴 아릴 에스테르계 액정은 화학식 47로 표시될 수 있다.
화학식 47
Figure 112013032698680-pat00060
화학식 47에서, Ra와 Rb는 서로에 관계없이 탄소수 1 내지 20의 알킬(alkyl)이고, Q는 -C(=O)O- 또는 -OC(=O)-이고, Z은 불소(florine) 함유 알킬(alkyl) 또는 할로겐(halogen)으로 치환된 알킬 그룹을 나타내고, *는 카이럴 카본을 나타낸다. 화학식 41에 대한 구체적인 예로는 하기 구조식의 4'-n-(옥틸옥시페닐4'-(1,1,1-트리플루오로-2-옥틸옥시카르보닐)비페닐-4-카르복실레이트(4'-n-(octyleoxyphenyl4'-(1,1,1-trigluoro-2- octyloxycarbonyl)biphenyl-4-carboxylate)가 있다.
Figure 112013032698680-pat00061

중심 코어 다환(polyring) 카이럴 액정은 화학식 48 내지 51로 표시될 수 있다.
화학식 48
Figure 112013032698680-pat00062
화학식 48은 S-4-(트랜스-4-헵틸사이클로헥실)-3'-클로로-4"-(1-메틸헵틸옥시)터페닐(S-4-(trans-4-heptylcyclohexyl)-3'-chloro-4"-(1-methylheptyloxy)terphenyl)을 나타낸다.
화학식 49
Figure 112013032698680-pat00063
화학식 49는 R-4-옥틸-3"-클로로-4'''-(1-메틸헥실옥시)쿼터페닐(R-4-octhyl-3"-chloro-4'''-(1-methylhexyloxy)quarterphenyl)을 나타낸다.
화학식 50
Figure 112013032698680-pat00064
화학식 50은 S-4-노닐-3'-플루오로-4'''-(2-클로로프로필옥시)쿼터페닐(S-4-nonyl-3'-fluoro-4'''-(2-chloropropyloxy)quarterphenyl)이다.
화학식 51
Figure 112013032698680-pat00065
화학식 51은 부틸 S-2-(4-옥틸-2'-플루오로-3"-트리플루오로메틸-4'''-쿼터페닐옥시)-프로피오네이트(S-2-(4-octyl-2'-fluoro-3"-trifluoromethyl-4'''-quarterphenyloxy)-propionate)이다.
카이럴 액정은 하기 화학식 52 및 화학식 53 중에서 적어도 하나로 표현될 수 있다.
화학식 52
Figure 112013032698680-pat00066
화학식 53
Figure 112013032698680-pat00067
화학식 52 및 53에서, R20 및 R21은 각각 다른 탄소수 1개 내지 9개의 직선형 알킬(alkyl)기이고, R22 및 R23은 각각 동일하거나 다른 탄소수 1 내지 18개의 직선형 알킬(alkyl)이고(R20 내지 R23에서, 수소는 CN, CF3, 또는 할로겐(halogen) 원자에 의해 치환될 수 있고, -CH2- 그룹은 -CH=CH-, -O-, -CO-, -COO-, -OOC-, -O-OC-O- 또는 -S-에 의해 임의로 치환될 수 있음), X는 수소 또는 할로겐(halogen)을 나타낸다. 상기 화학식 47 및 48의 구체적인 예들이 다음에 도시된다.
Figure 112013032698680-pat00068
Figure 112013032698680-pat00069

카이럴 스멕틱 액정은 상기 화학식 54로 표시될 수 있다.
화학식 54
Figure 112013032698680-pat00070
화학식 54에서, R24는 카이럴(chiral) 또는 비카이럴(achiral)한 탄소수 1 내지 20의 알킬(alkyl) 또는 알케닐(alkenyl), R25는 카이럴 또는 비카이럴의 탄소수 1 내지 20의 알콕시(alkoxy), 알케닐옥시(alkenyloxy), 알킬카보닐옥시(alkylcarbonyloxy, 알킬-COO-) 또는 알케닐카보닐옥시(alkenylcarbonyloxy, 알케닐-COO-)이며(R24 및 R25에서, 수소는 CN, CF3, 또는 할로겐(halogen) 원자에 의해 치환될 수 있고, -CH2- 그룹은 -CH=CH-, -O-, -CO-, -COO-, -OOC-, -O-OC-O- 또는 -S-에 의해 치환될 수 있음), Z1 은 단일 결합, -COO- 또는 -OOC-, -CH2CH2-, -CH=CH-, -C≡C-, -OCH2- 또는 -CH2O-이고, L10 내지 L14는 수소(hydrogen), 할로겐(halogen), 시아노(cyano), 니트로(nitro), 탄소수 1 내지 20의 알킬(alkyl) 또는 알케닐(alkenyl)이고(-CH2- 그룹은 -CH=CH-, -O-, -CO-, -COO-, -OOC-, -O-OC-O- 또는 -S-에 의해 치환될 수 있음), X9는 -CH- 또는 질소이다. 상기 화학식 49의 구체적인 예가 다음에 도시된다.
Figure 112013032698680-pat00071

바나나 형 카이럴 액정은 하기 화학식 55로 표시될 수 있다.
화학식 55
Figure 112013032698680-pat00072
화학식 55에서, A1는
Figure 112013032698680-pat00073
또는
Figure 112013032698680-pat00074
이고, B1는
Figure 112013032698680-pat00075
또는
Figure 112013032698680-pat00076
이며, R26 및 R27은 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐(halogen)이며, R28 및 R29는 독립적으로 탄소원자 8개 내지 16개의 알킬(alkyl) 또는 알콕시(alkoxy)이다. 상기 화학식 50의 구체적인 예들이 다음에 도시된다.
Figure 112013032698680-pat00077
Figure 112013032698680-pat00078

상기 카이럴 액정은 카이럴 액정의 단일 물질 또는 카이럴 액정이 포함된 혼합물일 수 있다.
화학식 56
Figure 112013032698680-pat00079
화학식 56에서, X10은 수소(H)이고, R30은 수소 또는 탄소수 1 내지 15의 알킬(alkyl)이고, R31은 수소, 할로겐(halogen), 탄소수 1 내지 20의 알킬(alkyl) 그룹 또는 알케닐(alkenyl) 그룹(여기서, 각각의 경우, 하나 또는 2개의 -CH2- 그룹은 -O-, -C(=O)O- 또는 -Si(CH3)2-에 의해 대체될 수 있고, 알킬 또는 알케닐 그룹의 하나 이상의 수소는 불소(fluorine) 또는 CH3에 의해 대체될 수 있음)이고, R32, R33, R34, 및 R35는 각각 CH3이다.
본 실시예에 따르면, 상기 액정층이 네마틱 액정 및 비카이럴 스멕틱 액정을 포함함으로써, 액정층의 배향을 균일하게 하고 배향의 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 액정층이 카이럴 액정을 포함함으로써, 상기 비카이럴 스멕틱 액정과 함께 강유전성 특성을 발현시킬 수 있어, 액정층의 배향을 더욱 균일하게 하고 배향의 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 액정층은 리액티브 메조겐 물질을 더 포함할 수 있다. 상기 액정층은, 약 0.01중량% 내지 약 3중량%의 리액티브 메조겐 물질과, 약 1중량% 내지 약 50중량%의 비카이럴 스멕틱 액정과 여분의 네마틱 액정을 포함할 수 있다.
상기 리액티브 메조겐 물질은 중합성 메조겐성 화합물을 의미한다. "메조겐성 화합물" 또는 "메조겐성 물질"은 하나 이상의 막대 모양, 판 모양 또는 디스크 모양 메조겐성 기, 즉 액정상 거동을 유도할 수 있는 능력을 가진 기를 포함하는 물질 또는 화합물을 포함할 수 있다. 상기 리액티브 메조겐 물질은 자외선 등의 광에 의하여 중합되며, 인접한 물질의 배향 상태에 따라 배향되는 물질일 수 있다.
상기 리액티브 메조겐 물질의 예로는 아래의 식으로 표현되는 화합물을 들 수 있다:
P1-A1-(Z1-A2)n-P2,
여기서, P1과 P2는 아크릴레이트(acrylate), 메타크릴레이트(methacrylate), 비닐(vinyl), 비닐옥시(vinyloxy) 및 에폭시(epoxy) 그룹 중 적어도 하나이고, A1과 A2는 1,4-페닐렌(phenylen)과 나프탈렌(naphthalene)-2,6-다일(diyl) 그룹 중에서 적어도 하나이며, Z1은 COO-, OCO- 및 단일 결합 중의 하나이고, n은 0, 1 및 2 중의 하나일 수 있다.
좀 더 구체적으로는 아래의 식 중 하나로 표현되는 화합물을 들 수 있다:
Figure 112013032698680-pat00080
여기서, P1과 P2는 아크릴레이트(acrylate), 메타크릴레이트(methacrylate), 비닐(vinyl), 비닐옥시(vinyloxy) 및 에폭시(epoxy) 그룹 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 상기 액정층이 네마틱 액정 및 비카이럴 스멕틱 액정을 포함함으로써, 액정층의 배향을 균일하게 하고 배향의 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 액정층이 리액티브 메조겐 물질을 포함함으로써, 액정층의 배향 속도가 증가하게 되며, 배향되는 각도도 커져 광학적 특성이 향상될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 액정층은 비카이럴 액정, 네마틱 액정, 카이럴 액정 및 리액티브 메조겐 물질을 포함할 수 있다. 상기 액정층 중, 비카이럴 스멕틱 액정 및 카이럴 액정의 총량은 약 1중량% 내지 약 50중량%을 차지할 수 있다. 상기 액정층 중 카이럴 액정은 약 0.01중량% 내지 10중량%을 차지할 수 있다. 상기 리액티브 메조겐 물질은 상기 액정층 중 약 0.01중량% 내지 약 3중량%을 차지할 수 있다.
상기 비카이럴 액정, 네마틱 액정, 카이럴 액정 및 리액티브 메조겐 물질에 대한 상세한 설명은 상기를 참조한다.
본 실시예에 따르면, 액정층이 상기 비카이럴 액정, 네마틱 액정 및 카이럴 액정을 포함함으로써, 액정층의 배향을 균일하게 하고 배향의 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 액정층이 리액티브 메조겐 물질을 포함함으로써, 액정층의 배향 속도가 증가하게 되며, 배향되는 각도도 커져 광학적 특성이 향상될 수 있다.
(액정층_제2 실시예 )
본 발명의 실시예들에 따른 액정층은, 네마틱 액정 및 스멕틱 액정을 포함할 수 있다. 상기 액정층은 약 50중량% 내지 약 97중량%의 네마틱 액정과, 약 3중량% 내지 약 50중량%의 스멕틱 액정을 포함할 수 있다. 상기 스멕틱 액정이 상기 액정층의 약 3중량%이하일 경우, 상기 액정층의 액정 배향성이 불안정할 수 있다. 또한, 상기 스멕틱 액정이 상기 액정층의 총량의 약 50중량%를 초과하면, 액정층의 점도가 증가하여 상기 액정층을 포함하는 표시 장치의 응답 속도가 느려질 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 액정층은 약 3중량% 내지 약 35중량%의 스멕틱 액정을 포함할 수 있다.
상기 액정층 내, 스멕틱 액정의 양은 상기 스멕틱 액정의 점도에 의해 결정될 수 있다. 스멕틱 액정의 점도가 낮은 경우, 상기 액정층 내 상기 스멕틱 액정이 약 50중량% 이상 포함할 수 있다. 한편, 스멕틱 액정의 점도가 높은 경우, 액정층의 전체 점도를 고려하여, 약 30중량% 이하로 유지하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스멕틱 액정은 비카이럴 스멕틱 액정 및 카이럴 스멕틱 액정을 포함할 수 있다. 상기 스멕틱 액정은 약 70중량% 내지 약 97중량%의 비카이럴 스멕틱 액정 및 약 3중량% 내지 약 30중량%의 카이럴 스멕틱 액정을 포함할 수 있다.
상기 카이럴 스멕틱 액정은 자발 분극 특성을 가질 수 있다. 자발 분극은 전기장을 인가하지 않은 자연 상태에서 물질이 전기적인 분극을 하고 있는 현상을 의미한다. 상기 카이럴 스멕틱 액정에 대해서는 후속하여 상세하게 설명하기로 한다.
일 실시예에 따르면, 상기 네마틱 액정은 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정을 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 상기 네마틱 액정은 음의 이방성을 갖는 네마틱 액정 및 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정을 포함할 수 있다. 상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 상기 네마틱 액정의 약 10중량% 정도를 차지할 수 있다.
본 실시예에서 설명되는 네마틱 액정, 스멕틱 액정의 비카이럴 스멕틱 액정의 구성 요소, 구조 및 예시들은 상술한 것들과 실질적으로 동일하여 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
이하에서는, 상기 카이럴 스멕틱 액정에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
상기 카이럴 스멕틱 액정은 카이럴 스멕틱 액정 분자들을 포함할 수 있다. 일 측면에 따르면, 카이럴 스멕틱 액정 분자들은 한 종류일 수 있다. 다른 측면에서, 상기 카이럴 스멕틱 액정들은 서로 상이한 종류일 수 있다. 예를 들면, 카이럴 스멕틱 액정 분자들은, 제1 카이럴 스멕틱 액정 분자 및 제2 카이럴 스멕틱 액정 분자를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 카이럴 스멕틱 액정 분자들을 서로 상이할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 카이럴 스멕틱 액정은 카이럴 스멕틱 액정 분자들 및 기저 액정 분자들을 포함할 수 있다. 상기 기저 액정 분자들은 음의 유전 이방성을 갖는 액정 분자, 양의 유전 이방성을 갖는 액정 분자, 중성의 액정 분자 및 비카이럴 액정 분자로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 카이럴 스멕틱 액정은 상기 비카이럴 액정 분자와 함께, 상기 액정층이 강유전성 특성을 나타내게 할 수 있다.
카이럴 스멕틱 액정은, 카이럴 스멕틱 C 액정 및 기타 카이럴 스멕틱 액정을 포함한다.
카이럴 스멕틱 C는 화학식 57 내지 화학식 60으로 표시될 수 있다.
화학식 57
Figure 112013032698680-pat00081
또는
화학식 58
Figure 112013032698680-pat00082
화학식 57 및 화학식 58에서, R는 1 내지 10개의 탄소를 갖는 알킬 그룹이거나,
Figure 112013032698680-pat00083
그룹이고, R'은 1 내지 4개의 탄소를 갖는 알킬 그룹이고, T는
Figure 112013032698680-pat00084
이고, X는 적어도 하나의 카이럴 중심을 갖는 알킬 또는 할로겐 치환 알킬 그룹이며, Y는 불소 원자 이며, m는 0, 1 또는 2를 가지며, p는 2, 3 또는 4를 가지며, n는 10, 11 또는 12를 갖는다.
화학식 59
Figure 112013032698680-pat00085
화학식 59에서, R1 및 R2는 1개 내지 9개의 탄소를 포함하는 선형 알킬 그룹이며, 서로 상이하다.
화학식 60
Figure 112013032698680-pat00086
화학식 60에서, R3 및 R4는 1개 내지 18개의 탄소를 포함하는 알킬 그룹이며, 서로 동일하거나 상이하고, X는 수소 또는 불소이다.
화학식 61
Figure 112013032698680-pat00087
화학식 61에서, l은 1 또는 2이며, Y는, -COO-, -CH=N-, -CH2O-, -OCO-, -N=CH-, -OCH2- 또는 단일 연결이며, R10은 1개 내지 18가의 탄소를 갖는 알킬 또는 알콕시 그룹이며, R11은 (S)-2-methylbutyl, (S)-2-methylbutoxy, (S)-2-methylbutoxycarbonyl, (S)-1-methylheptyloxy, (R)-1-methylheptyloxy, (S)-1-methylheptyloxycarbonyl 또는 (R)-1-methylheptyloxycarbonyl이다.
화학식 62
Figure 112013032698680-pat00088
화학식 62에서, n는 1 또는 2이며, R은 1 내지 18개의 탄소를 포함하는 알킬 또는 알콕시 그룹이며, Y는 비대칭 탄소를 갖는 alkyl, alkoxy, aloxycarbonyl, alkanoyl 또는 alkanoyloxy 그룹이며, X는
Figure 112013032698680-pat00089
Figure 112013032698680-pat00090
그룹을 포함한다.
화학식 62에서, Y는
Figure 112013032698680-pat00091
,
Figure 112013032698680-pat00092
,
Figure 112013032698680-pat00093
,
Figure 112013032698680-pat00094
,
Figure 112013032698680-pat00095
,
Figure 112013032698680-pat00096
그룹 중 하나일 수 있다.
본 실시예에 따르면, 상기 액정층이 네마틱 액정과, 비카이럴 스멕틱 액정 및 카이럴 스멕틱 액정을 포함함으로써, 액정층의 배향을 균일하게 하고 배향의 안정성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 액정층은 카이럴 도펀트(chiral dopant)를 더 포함할 수 있다. 상기 카이럴 도펀트는 상기 액정층 내 약 10중량% 이하로 포함될 수 있다. 일 측면에 따르면, 상기 카이럴 도펀트는 자발 분극 특성이 없을 수 있다. 다른 측면에 따르면, 상기 카이럴 도펀트는 상기 카이럴 스멕틱 액정보다 자발 분극 특성이 작을 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 카이럴 도펀트는 다수의 카이럴 도펀트들을 포함할 수 있다. 일 측면에 따르면, 상기 카이럴 도펀트들은 한 종류일 수 있다. 다른 측면에 따르면, 상기 카이럴 도펀트들을 서로 상이한 종류일 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 카이럴 도펀트는, 상기 스멕틱 액정과 함께 강유전성 특정을 나타낼 수 있다.
이하에서는, 상기 카이럴 도펀트의 예들을 나열하여 설명하도록 한다. 하기의 물질들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에서 상기 카이럴 도펀트를 하기의 물질로 한정하는 것은 아니다.
상기 카이럴 도펀트는 화학식 63 내지 70 중 선택된 적어도 하나일 수 있다.
화학식 63
Figure 112013032698680-pat00097
화학식 64
Figure 112013032698680-pat00098
화학식 65
Figure 112013032698680-pat00099
화학식 66
Figure 112013032698680-pat00100
화학식 67
Figure 112013032698680-pat00101
화학식 68
Figure 112013032698680-pat00102
화학식 69
Figure 112013032698680-pat00103
화학식 70
Figure 112013032698680-pat00104
화학식66 내지 화학식 70에서, RK 는 3개 내지 10개의 탄소를 포함하는 알킬 그룹이며, 알킬에서 링에 인접한 -CH2-은 -O-와 대체될 수 있으며, 임의의 -CH2-은 -CH-CH-의해 대체될 수 있다.
카이럴 도펀트로 콜레스테릴 노나노에이트(CN), R-811, S-811, S-1011, S-2011(독일 다름스타트 소재의 메르크 카게아아(Merck KGaA)) 및 CB15(영국 풀 소재의 BDH)와 같은 시판되는 다수의 카이럴 도펀트가 이용 가능하다.
본 실시예에 따르면, 상기 액정층이 네마틱 액정, 비카이럴 스멕틱 액정 및 카이럴 스멕틱 액정을 포함함으로써, 액정층의 배향을 균일하게 하고 배향의 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 액정층이 카이럴 도펀트를 더 포함함으로써, 상기 스멕틱 액정과 함께 강유전성 특성을 발현시킬 수 있어, 액정층의 배향을 더욱 균일하게 하고 배향의 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 액정층은 리액티브 메조겐 물질을 더 포함할 수 있다. 상기 액정층은, 약 0.01중량% 내지 약 3중량%의 리액티브 메조겐 물질을 포함할 수 있다. 상기 리액티브 메조겐 물질에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예에 따르면, 상기 액정층이 네마틱 액정, 비카이럴 스멕틱 액정 및 카이럴 스멕틱 액정을 포함함으로써, 액정층의 배향을 균일하게 하고 배향의 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 액정층이 리액티브 메조겐 물질을 포함함으로써, 액정층의 배향 속도가 증가하게 되며, 배향되는 각도도 커져 광학적 특성이 향상될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 액정층은 네마틱 액정, 스멕틱 액정, 카이럴 도펀트 및 리액티브 메조겐 물질을 포함할 수 있다. 상기 액정층은, 약 3중량% 내지 약 50중량%의 스멕틱 액정, 약 10중량%이하의 카이럴 도펀트 및 약 0.01 중량% 내지 약 3중량%의 리액티브 메조겐 물질을 포함할 수 있다. 상기 네마틱 액정, 스멕틱 액정, 카이럴 도펀트 및 리액티브 메조겐 물질에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예에 따르면, 상기 액정층이 네마틱 액정, 비카이럴 스멕틱 액정, 카이럴 스멕틱 액정 및 카이럴 도펀트를 포함함으로써, 액정층의 배향을 균일하게 하고 배향의 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 액정층이 리액티브 메조겐 물질을 포함함으로써, 액정층의 배향 속도가 증가하게 되며, 배향되는 각도도 커져 광학적 특성이 향상될 수 있다.
(액정층의 제조 방법)
본 발명의 일 실시예에 따르면, 액정층은, 네마틱 액정 및 비카이럴 스멕틱 액정을 혼합하여 제조할 수 있다. 상기 액정층은, 약 50중량% 내지 약 99중량%의 네마틱 액정 및 약 1중량% 내지 약 50중량%의 비카이럴 스멕틱 액정을 혼합하여 제조할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 액정층은 카이럴 액정을 더 포함할 수 있다. 상기 액정층은, 약 10중량% 이하의 카이럴 액정, 약 1중량% 내지 약 50중량%의 비카이럴 스멕틱 액정 및 여분의 네마틱 액정을 혼합하여 제조할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 액정층은 리액티브 메조겐 물질을 더 포함할 수 있다. 상기 액정층은, 약 0.01중량% 내지 약 3중량%의 리액티브 메조겐 물질과, 약 1중량% 내지 약 50중량%의 비카이럴 스멕틱 액정과 여분의 네마틱 액정을 혼합하여 제조할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 액정층은 네마틱 액정, 비카이럴 스멕틱 액정, 카이럴 액정 및 리액티브 메조겐 물질을 포함할 수 있다. 상기 액정층은, 약 0.01중량% 내지 약 3중량%의 리액티브 메조겐 물질과, 약 10중량% 이하의 카이럴 액정, 약 1중량% 내지 약 50중량%의 비카이럴 스멕틱 액정과 여분의 네마틱 액정을 혼합하여 제조할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 액정층은 네마틱 액정 및 스멕틱 액정을 혼합하여 제조할 수 있다. 상기 액정층은 약 50중량% 내지 약 97중량%의 네마틱 액정과 약 3 중량% 내지 약 50중량%의 스멕틱 액정을 혼합하여 제조할 수 있다. 상기 스멕틱 액정은 비카이럴 스멕틱 액정 및 카이럴 스멕틱 액정을 포함할 수 있다. 상기 스멕틱 액정은 약 70중량% 내지 약 97중량%의 비카이럴 스멕틱 액정 및 약 3중량% 내지 약 30중량%의 카이럴 스멕틱 액정을 포함할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 액정층은 카이럴 도펀트를 더 포함할 수 있다. 상기 액정층은, 약 10중량% 이하의 카이럴 도펀트, 약 3중량% 내지 약 50중량%의 스멕틱 액정 및 여분의 네마틱 액정을 혼합하여 제조할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 액정층은 리액티브 메조겐 물질을 더 포함할 수 있다. 상기 액정층은, 약 0.01중량% 내지 약 3중량%의 리액티브 메조겐 물질, 약 3중량% 내지 약 50중량%의 스멕틱 액정 및 여분의 네마틱 액정을 혼합하여 제조할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 액정층은 네마틱 액정, 스멕틱 액정, 카이럴 도펀트 및 리액티브 메조겐 물질을 포함할 수 있다. 상기 액정층은 약 10중량%이하의 카이럴 도펀트, 약 0.01중량% 내지 약 3중량%의 리액티브 메조겐 물질, 약 3중량% 내지 약 50중량%의 스멕틱 액정 및 여분의 네마틱 액정을 혼합하여 제조할 수 있다.
상기 혼합 공정 시, 공정 온도는 상기 액정층 중 가장 많은 양의 물질이 등방성(isotropic) 특성을 나타내는 온도일 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 혼합 공정 온도는 약 90° 내지 약 100° 온도 범위에서 수행될 수 있다. 상기 온도 범위는 네마틱 액정이 등방성 특성을 나타낼 때의 온도 범위일 수 있다. 본 실시예에서, 액정층의 혼합 시, 약 90° 내지 약 100° 온도 범위 내에서 수행하고 있으나, 본 발명이 액정층의 혼합 온도를 한정하는 것은 아니다.
이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 본 발명은 하기 실시예에 의하여 한정되지 않고 다양하게 수정 및 변경될 수 있다.
액정 표시 장치
<비교예>
사각 링의 제1 슬릿을 갖는 제1 전극을 포함하는 제1 표시판과, 십자 형상의 제2 슬릿을 갖는 제2 전극을 포함하는 제2 표시판과, 상기 제1 및 제2 표시판들 사이를 충진하는 액정층을 포함하는 액정 표시 장치를 제조하였다. 상기 액정 표시 장치는 4개의 도메인을 갖는 격자(lattice) 구조 VA(vertical alignment) 모드로 제작되었다.
액정층은 Merck사의 MLC 6608(△n=0.084, △ε=-4.3) 100 중량%로 제조되었다. 상기 액정 표시 장치의 액정층의 두께(cell gap)는 4.5㎛로 제작하였다.
<실시예 1>
사각 링의 제1 슬릿을 갖는 제1 전극을 포함하는 제1 표시판과, 십자 형상의 제2 슬릿을 갖는 제2 전극을 포함하는 제2 표시판과, 상기 제1 및 제2 표시판들 사이를 충진하는 액정층을 포함하는 액정 표시 장치를 제조하였다. 상기 액정 표시 장치는 4개의 도메인을 갖는 격자(lattice) 구조 VA(vertical alignment) 모드로 제작되었다.
액정층은 Merck사의 MLC 6608(△n=0.084, △ε=-4.3) 97중량%와, Kingston Chemical사의 KFLC 7(△n=0.18) 3중량%를 100℃에서 혼합한 액정층로 제조되었다. 상기 액정 표시 장치의 액정층의 두께는 4.5㎛로 제작하였다. 상기 3중량%의 KFLC 7은 2.8중량%의 비카이럴 성분과 0.2중량%의 카이럴 성분을 포함한다.
<실시예 2>
실시예 1의 액정 표시 장치에서 액정층 물질을 제외하고는 동일하게 제작되었다.
액정층은 Merck사의 MLC 6608(△n=0.084, △ε=-4.3) 95중량%와, Kingston Chemical사의 KFLC 10(△n=0.18) 5중량%를 100℃에서 혼합한 액정층로 제조되었다. 상기 5중량%의 KFLC 10은 4.5중량%의 비카이럴 성분과 0.5중량%의 카이럴 성분을 포함한다.
<실시예 3>
실시예 1의 액정 표시 장치에서 액정층 물질을 제외하고는 동일하게 제작되었다.
액정층은 Merck사의 MLC 6608(△n=0.084, △ε=-4.3) 90중량%와, Kingston Chemical사의 KFLC 3(△n=0.18) 10중량%를 100℃에서 혼합한 액정층로 제조되었다. 상기 10중량%의 KFLC 3은 9.7중량%의 비카이럴 성분과 0.3중량%의 카이럴 성분을 포함한다.
<실시예 4>
실시예 1의 액정 표시 장치에서 액정층 물질을 제외하고는 동일하게 제작되었다.
액정층은 Merck사의 MLC 6608(△n=0.084, △ε=-4.3) 90중량%와, Kingston Chemical사의 KFLC 10(△n=0.18) 10중량%를 100℃에서 혼합한 액정층로 제조되었다. 상기 10중량%의 KFLC 10는 9.0중량%의 비카이럴 성분과 1.0중량%의 카이럴 성분을 포함한다.
<실시예 5>
실시예 1의 액정 표시 장치에서 액정층 물질을 제외하고는 동일하게 제작되었다.
액정층은 Merck사의 MLC 6608(△n=0.084, △ε=-4.3) 85중량%와, Kingston Chemical사의 KFLC 5(△n=0.18) 15중량%를 100℃에서 혼합한 액정층로 제조되었다. 상기 15중량%의 KFLC 5는 14.3중량%의 비카이럴 성분과 0.7중량%의 카이럴 성분을 포함한다.
<실시예 6>
실시예 1의 액정 표시 장치에서 액정층 물질을 제외하고는 동일하게 제작되었다.
액정층은 Merck사의 MLC 6608(△n=0.084, △ε=-4.3) 80중량%와, Kingston Chemical사의 KFLC 7(△n=0.18) 20중량%를 100℃에서 혼합한 액정층로 제조되었다. 상기 20중량%의 KFLC 7는 18.6중량%의 비카이럴 성분과 1.6중량%의 카이럴 성분을 포함한다.
<실시예 7>
실시예 1의 액정 표시 장치에서 액정층 물질을 제외하고는 동일하게 제작되었다.
액정층은 Merck사의 MLC 6608(△n=0.084, △ε=-4.3) 70중량%와, Kingston Chemical사의 KFLC 3(△n=0.18) 30중량%를 100℃에서 혼합한 액정층로 제조되었다. 상기 30중량%의 KFLC 3은 29.1중량%의 비카이럴 성분과 0.9중량%의 카이럴 성분을 포함한다.
비교예 및 실시예 1 내지 7 구성 요소 및 액정층 두께는 하기의 표 1을 참조한다.
네마틱 액정 스멕틱 액정 액정층 두께
비카이럴 성분 카이럴 성분
비교예 100 중량% 0 0 4.5㎛
실시예 1 97 중량% 2.8 중량% 0.2 중량% 4.5㎛
실시예 2 95 중량% 4.5 중량% 0.5 중량% 4.5㎛
실시예 3 90 중량% 9.7 중량% 0.3 중량% 4.5㎛
실시예 4 90 중량% 9.0 중량% 1.0 중량% 4.5㎛
실시예 5 85 중량% 14.3 중량% 0.7 중량% 4.5㎛
실시예 6 80 중량% 18.6 중량% 1.6 중량% 4.5㎛
실시예 7 70 중량% 29.1 중량% 0.9 중량% 4.5㎛
투과도 평가
도 6은 비교예, 실시예 1 내지 7의 액정 표시 장치들의 투과도를 비교한 그래프이다. 도 6은 인가되는 전압에 따른 투과도를 나타내는 그래프들이다. 도 3의 x축은 인가된 전압으로 단위는 [V]이고, y축은 투과도를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 실시예 1 내지 7의 액정 표시 장치들의 투과도가 비교예의 액정 표시 장치에 비하여 전반적으로 우수한 투과성을 나타낸다. 더욱 상세하게 설명하면, 실시예 1 및 실시예 2는 비교예에 비하여 투과도 측면에서 그 효과가 미미하나 투과도가 향상한 것을 볼 수 있다. 또한, 실시예 3 내지 7의 액정 표시 장치들은 약 1.2에 가까운 투과도를 나타내며, 약 0.6의 투과도의 비교예의 액정 표시 장치에 비하여 우수한 투과도를 나타내고 있다.
상기의 평가로, 실시예 1 내지 7의 액정층 내 비카이럴 스멕틱 액정이, 액정 분자들을 균일하고 안정하게 배향할 수 있도록 유도하는 것으로 예측된다. 따라서, 실시예 1 내지 7의 액정 표시 장치들의 투과도가 비교예의 액정 표시 장치의 투과도보다 우수하다는 것을 알 수 있다.
도 7a는 비교예의 액정 표시 장치의 투과도와, 실시예 1 내지 7의 액정 표시 장치들의 액정층 내 비카이럴 성분의 양에 따른 투과도를 나타내는 그래프이고, 도 7b는 비교예의 액정 표시 장치의 투과도와, 실시예 1 내지 7의 액정 표시 장치들의 액정층 내 카이럴 성분의 양에 따른 투과도를 나타내는 그래프이다. 도 7a 및 도 7b의 x축은 비카이럴 성분 또는 카이럴 성분의 양을 나타내고 단위는 [중량%]이고, y축은 투과도를 나타낸다.
도 7a를 참조하면, 액정층 내 비카이럴 성분이 증가할수록 액정 표시 장치들의 투과도가 향상되는 것을 볼 수 있다. 더욱 상세하게 설명하면, 비교예 즉, 비카이럴 성분이 없는 경우 약 0.63의 투과도를 나타내나, 액정층 내 비카이럴 성분이 증가할수록 액정 표시 장치들의 투과도가 향상하는 것을 알 수 있다. 또한, 액정층 내 비카이럴 성분이 약 9.7중량%이상인 경우, 투과도가 약 0.8에 가깝게 향상되는 것을 알 수 있다.
도 7b를 참조하면, 액정층 내 카이럴 성분이 증가할수록 액정 표시 장치들의 투과도가, 다소 불규칙하나 전반적으로 향상되는 것을 볼 수 있다. 더욱 상세하게 설명하면, 비교예 즉, 카이럴 성분이 없는 경우 약 0.63의 투과도를 나타내나, 액정층 내 비카이럴 성분이 증가할수록 액정 표시 장치들의 투과도가 향상하는 것을 알 수 있다. 또한, 액정층 내 카이럴 성분이 약 0.9중량%이상인 경우, 투과도가 약 0.8에 가깝게 향상되는 것을 알 수 있다.
텍스쳐 ( texture ) 평가
도 8a 내지 도 8h 및 도 9a 내지 도 9h는 비교예, 실시예 1 내지 실시예 7의 액정 표시 장치들의 텍스쳐들이다.
도 8a 내지 도 8h 및 도 9a 내지 도 9h는 비교예, 실시예 1 내지 실시예 7의 액정 표시 장치들로 7V의 전압을 인가한 후, 교차 편광판을 회전시켜 화이트 이미지들(white images) 및 블랙 이미지들(black images)을 획득하였다.
도 8a 내지 도 8h 의 텍스쳐들은, 교차 편광판 하에서 화이트 이미지들이다. 더욱 상세하게 설명하면, 화이트 이미지들은 교차 편광판과 액정층의 액정 분자들 사이의 각도가 45°인 경우로, 광이 액정층을 통과되어 환한 이미지들을 보여준다. 이는 하기의 수학식 1에서 확인할 수 있다.
Figure 112013032698680-pat00105
상기 식 1에서 T는 투과도, φ은 편광판과 액정 분자가 이루는 각도, △n은 복굴절 값, d는 액정층의 두께이고, λ는 조사되는 광의 파장이다. 상기 식 1에서 φ값이 45°일 경우, sin2의 값이 최고 값을 가져 투과도가 가장 높다.
도 8a 내지 도 8h는 각각 비교예, 실시예 1 내지 7의 텍스쳐들이다. 도 8a를 참조하면, 슬릿의 가장자리 부위들이나 슬릿의 경계에서 까맣게 보이는 불량이 보여지고 있다. 도 8b 내지 도 8h를 참조하면, 슬릿의 가장자리 부위들뿐만 아니라 슬릿의 경계에서의 불량도 제거된 것을 볼 수 있다.
도 9a 내지 도 9h의 텍스쳐들은, 교차 편광판 하에서 블랙 이미지들이다. 더욱 상세하게 설명하면, 블랙 이미지들은 교차 편광판과 액정층의 액정 분자들 사이의 각도가 0°인 경우로, 회전된 상부의 편광판이 액정층을 통과한 편광된 광과 수직인 편광을 가져 어두운 이미지들을 보여준다. 상기 식 1에서 φ값이 0°일 경우, sin2의 값이 0의 값을 가져 투과도가 0이 된다.
도 9a 내지 도 9h는 각각 비교예, 실시예 1 내지 실시예 7의 텍스쳐들이다. 도 9a를 참조하면, 슬릿의 가장자리 부위들이나 슬릿의 경계에서 빛샘 현상이 보여지고 있다. 도 9b 내지 도 9h를 참조하면, 도 9a에 비하여 슬릿의 가장자리 부위 및 경계에서 빛샘 현상이 많이 제거된 것을 볼 수 있다.
상기의 텍스쳐들을 살펴보면, 스멕틱 물질을 포함하는 액정층의 경우, 액정층 내 액정 분자들의 배향이, 강유전성 물질을 포함하지 않는 액정층에 비하여 균일하고 안정하여 액정 표시 장치의 휘도를 향상시킨다는 것을 알 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 비교예, 실시예 1 내지 실시예 7의 텍스쳐의 그레이 레벨을 나타내는 그래프들이다. 도 10a 및 도 10b는 256(28) 그레이 레벨(gray level)로 평가하며, 0으로 갈수록 검정에 가까운 그레이를 나타내며, 0부터 255의 레벨로 그레이의 진하기를 나타낸다.
도 10a는 도 8a 내지 도 8h의 텍스쳐의 그레이 레벨을 나타내는 것으로, 화이트 이미지들로 그레이 레벨의 150 내지 230 근처에서 많이 보여진다. 도 8a의 비교예는 그레이 레벨 약 150 내지 200 사이에서 많이 보여지고, 그 피크의 폭이 넓을 것을 볼 수 있다. 도 8b 내지 도 8h의 실시예 1 내지 실시예 7은 그레이 레벨 약 200 내지 230 사이에서 많이 보여지며, 그 피크 폭이 비교예의 피크 폭보다 좁은 것을 볼 수 있다. 또한, 실시예 1에서 실시예 7로 갈수록 그레이 레벨 약 230 주변에서 많이 보여지고, 피크 폭도 좁아지는 것을 알 수 있다.
도 10b는 도 9a 내지 도 9h의 텍스쳐의 그레이 레벨을 나타내는 것으로, 블랙 이미지들로 그레이 레벨의 0 근처에서 많이 보여진다. 도 9a의 비교예는 그레이 레벨 약 30 내지 50 사이에서 많이 보여지고, 그 피크의 폭이 넓을 것을 볼 수 있다. 도 9b 내지 도 9h의 실시예 1 내지 실시예 7은 그레이 레벨 약 0 내지 25 사이에서 많이 보여지며, 그 피크의 폭이 비교예의 피크 폭보다 좁은 것을 볼 수 있다. 또한, 실시예 1에서 실시예 7로 갈수록 그레이 레벨 약 0 주변에서 많이 보여지고, 피크 폭도 좁아지는 것을 알 수 있다.
도 10a 및 도 10b의 그래프를 살펴보면, 스멕틱 물질을 포함하는 액정층의 경우, 액정층 내 액정 분자들의 배향이, 강유전성 물질을 포함하지 않는 액정층에 비하여 균일하고 안정하여 액정 표시 장치의 휘도를 향상시킨다는 것을 알 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 비교예, 실시예 1 내지 실시예 7의 텍스쳐들의 거리에 따른 투과도를 나타내는 그래프들이다.
도 11a는 도 8a 내지 도 8h의 텍스쳐들을 일 방향으로 절단한 후, 슬릿의 거리에 따라 변화되는 투과도를 나타낸 것이다. 도 11a를 참조하면, 비교예는 슬릿 주변에서 130 내지 180의 투과도를 나타내어슬릿 외 부분보다 까맣게 보여지는 것을 알 수 있다. 실시예 1 내지 실시예 7은 약 180 내지 230의 투과도를 나타낸다. 따라서, 실시예 1 내지 실시예 7의 투과도가 비교예보다 슬릿들 주변에서 투과도가 높은 것을 알 수 있다.
도 11b는 도 9a 내지 도 9h의 텍스쳐들을 일 방향으로 절단한 후, 슬릿의 거리에 따라 변화되는 투과도를 나타낸 것이다. 도 11b를 참조하면, 비교예의 슬릿들 주변에서 80이상의 투과도를 나타내어 빛샘 불량을 보이고 있다. 실시예 1 내지 실시예 7의 슬릿들 주변에서는 80이하로 빛샘 불량이 다소 해결된 것으로 보인다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 제1 표시판 110: 제1 기판
120: 제1 전극 170: 제1 배향판
200: 제2 표시판 220: 제2 전극
270: 제2 배향판 300: 액정층

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  13. 서로 이격되어 마주하는 제1 전극 및 제2 전극; 및
    상기 제1 및 제2 전극 사이에 충진되며, 상기 제1 및 제2 전극들 사이에 전위차가 없으면, 상기 제1 또는 제2 전극의 표면의 수직인 제1 배향 방향을 갖는 다수의 액정 분자들을 포함하는 액정층을 포함하되,
    상기 액정층은, 스멕틱 액정 3 내지 50 중량%; 및 여분의 네마틱 액정을 포함하되, 상기 스멕틱 액정은, 비카이럴 스멕틱 액정 70 내지 97 중량%; 및 카이럴 스멕틱 액정 3 내지 30중량%를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 전극들 사이에 전위차가 발생하면, 상기 제1 및 제2 전극들 사이에 충전된 액정층 내 액정 분자들의 배향이 상기 제1 또는 제2 전극의 연장 방향에 실질적으로 평행한 제2 배향 방향으로 변화되는 동작을 수행하되,
    상기 액정 분자들의 변화되는 동작은, 순차적으로 발생하는 제1 배향 단계 및 제2 배향 단계를 포함하고,
    상기 제1 배향 단계에서, 상기 액정 분자들이 상기 제1 또는 제2 배향 방향과는 상이한 제3 배향 방향을 갖도록 변화하며,
    상기 제2 배향 단계에서, 상기 제3 배향 방향의 액정 분자들이 상기 제2 배향 방향을 갖도록 변화하는 액정 표시 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 액정층은 카이럴 도펀트(chiral dopant)를 더 포함하는 액정 표시 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 카이럴 스멕틱 액정은 상기 카이럴 도펀트보다 높은 자발 분극(spontaneous polarization) 특성을 갖는 액정 표시 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 네마틱 액정은 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정을 포함하는 액정표시 장치.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 액정층은, 리액티브 메조겐 물질을 더 포함하는 액정 표시 장치.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 액정층과 상기 제1 전극 사이, 및 상기 액정층과 상기 제2 전극 사이 중 적어도 하나에 배치되는 배향막을 더 포함하되,
    상기 액정층 및 배향막 중 적어도 하나는 리액티브 메조겐(reactive mesogen) 물질을 포함하며,
    상기 리액티브 메조겐에 의해 상기 제1 및 제2 전극들 사이에 전위차가 발생하면, 상기 다수의 액정 분자들은 상기 제1 배향 방향에서 상기 제2 배향 방향으로 변화하는 액정 표시 장치.
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