KR102020996B1

KR102020996B1 - 폴리머 네트워크 안정화된 플렉소일렉트릭 편광 방법

Info

Publication number: KR102020996B1
Application number: KR1020120120610A
Authority: KR
Inventors: 라헤짜르 코미토프; 구루멀시 헤그드; 이승희
Original assignee: 라헤짜르 코미토프
Priority date: 2011-11-09
Filing date: 2012-10-29
Publication date: 2019-09-11
Also published as: TWI556032B; TW201335667A; JP6230225B2; CN103105692B; US9239494B2; KR20130051404A; US20130114008A1; JP2013101343A; CN103105692A

Abstract

본 발명은, 제1 기판; 제2 기판; 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 샌드위치된 액정층을 포함하는 액정 장치로서, 상기 액정층은 네마틱 액정 물질과 폴리머 네트워크를 포함하는 액정 장치에 관한 것이다. 상기 폴리머 네트워크는 상기 제1 기판에 고정되어, 상기 제1 기판에 평행한 선을 따라 네마틱 액정 물질의 스플레이 변형과 벤드 변형을 교대로 유도하도록 구성되어 있다. 이로써, 액정 장치의 이완 시간 τ_fall이 감소된다.

Description

폴리머 네트워크 안정화된 플렉소일렉트릭 편광 방법 {POLYMER NETWORK STABILIZED FLEXOELECTRIC POLARIZATION}

본 발명은 폴리머 네트워크를 포함하는 액정 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 액정 장치의 제조 방법에 관한 것이다.

통상적 네마틱(nematic) 액정 장치 및 디스플레이의 전기광학적 응답의 중요한 특징은 스위칭 상승 시간(swithing rise time) τ_rise 및 하강 시간(fall time) τ_fall이며 이것들은 보통 2/1000초 정도이다. τ_rise는 인가되는 전기장에 의해 효과적으로 제어될 수 있지만, τ_fall은 그렇지 않은 것으로 잘 알려져 있다. 예를 들어 3D LCD와 같은 액정의 많은 장치 응용 분야에 있어서, τ_rise와 τ_f _a _ll이 모두 바람직하게는 10^-6초 수준인, 액정 장치의 빠른 스위칭이 요구된다. 네마틱 액정 장치 및 디스플레이에서, 그러한 빠른 스위칭을 달성하는 것은 어렵고, 특히 τ_fall에 관해서는 매우 복잡한 작업이다.

알려져 있는 바와 같이, τ_fall은 액정 물질의 성질, 탄성 계수 및 점도에 크게 의존한다. τ_fall은 또한 액정을 수용하는 샌드위치 셀의 특성, 셀 갭 d 및 앵커 강도(anchoring strength) W에 의존한다. 강한 앵커 상태의 존재 하에, τ_fall은 셀 갭의 제곱, 즉 d²에 비례하는 반면, 앵커 상태가 약하면, τ_fall은 d와 1/W에 비례한다. 셀 갭을 감소시키는 것이 τ_fall을 감소시키는 하나의 가능한 방법임에는 틀림없다. 그러나, 그러한 접근법은 LCD 기술의 한계로 인해 이용하기가 쉽지 않다.

τ_fall을 감소시키는 또 다른 가능한 방법은 액정과 고체 표면 사이의 접촉 면적을 증가시키는 것이다. 따라서, 인가된 전기장을 턴 오프한 후 액정에서 일어나는 이완 공정(relaxation process)에 대한 액정/고체 표면 상호작용의 복원력의 효과는 실질적으로 확대되어 τ_fall의 감소를 초래한다.

이러한 접근법은 특허문헌 US 2010/0245723에 기재되어 있는데, 동 문헌에는 폴리머 네트워크가 액정층의 액정 분자들 사이에 배치되어 있는 트위스티드 네마틱 타입의 액정 장치가 개시되어 있다. 상기 폴리머 네트워크는 액정 분자를 비틀리지 않은 상태쪽으로 편향시키도록 배열된다.

이 방법은, 특허문헌 US 2010/0245723에 따른 액정 장치의 총 응답 시간(τ_rise + τ_fall)의 감소를 초래할 것으로 예상되는 이완 시간(비틀린 상태로부터 비틀리지 않은 상태로의 시간)을 단축할 것이다.

그러나, 특허문헌 US 2010/0245723에 따른 액정 장치의 폴리머 네트워크는 동시에 회전 시간(액정 물질을 비틀리지 않은 상태로부터 비틀린 상태로 전환시키기 위한 시간)을 증가시킬 것이다. 또한, 폴리머 네트워크의 도입은 폴리머 네트워크가 없는 경우에 비해서 스위칭용 역치 전압의 증가를 초래하기 쉽다. 특허문헌 US 2010/0245723에 따른 액정 장치에서와 같은 폴리머 네트워크의 제공을 통해 도입될 수 있는 또 다른 바람직하지 않은 효과로는, 광 산란과 잔류 복굴절(residual birefringence)이 포함되는데, 이것들은 액정 장치의 광학적 성능에 불리한 영향을 줄 수 있다.

본 발명의 목적은, 전술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해소하고, 짧은 상승 시간(전기장이 인가되었을 때) 및 짧은 하강 시간(전기장이 제거되었을 때 초기 필드 OFF 상태로 이완시키는 데 걸리는 시간)을 가능하게 하도록 구성되는 향상된 액정 장치를 제공하는 것이다. 특히, 전술한 역치 전압의 증가, 광 산란 및 잔류 복굴절과 같은 불필요한 부작용의 발생을 감소시키면서 이러한 목적을 달성하는 것이 바람직할 것이다.

따라서, 본 발명의 제1 측면에 따르면, 제1 기판; 제2 기판; 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 샌드위치된 액정층을 포함하는 액정 장치로서, 상기 액정층은 네마틱 액정 물질과 폴리머 네트워크를 포함하고; 상기 폴리머 네트워크는 상기 제1 기판에 고정되어, 상기 제1 기판에 평행한 선을 따라 네마틱 액정 물질의 스플레이 변형(splay deformation)과 벤드 변형(bend deformation)을 교대로 유도하도록 구성되어 있는, 액정 장치가 제공된다.

폴리머 네트워크가 "제1 기판에 고정된다"는 것은 액정층과 대면하는 제1 기판의 표면과 폴리머 네트워크간에 결합이 있다는 것을 의미하는 것으로 이해해야 한다.

본 발명은, "필드 OFF" 상태(액정 장치에 스위칭 전기장이 존재하지 않는 상태)에서 액정 물질에 플렉소일렉트릭 편광(flexoelectric polarization)의 존재가 액정 장치의 이완 시간 τ_fall을 감소시킨다는 발견을 토대로 한다. 이러한 사실의 배경이 되는 이론은, 이하의 "이론적 설명"이라는 제목의 단락에서 더 설명할 것이다. 본 발명자들은 또한, 필드 OFF 상태, 즉 액정층에 전기장이 부재인 상태에서의 그러한 플렉소일렉트릭 편광은, 액정 장치의 기판 중 하나에 고정되어 제1 기판에 평행한 선을 따라 네마틱 액정 물질의 스플레이 변형과 벤드 변형을 교대로 유도하도록 구성되어 있는 폴리머 네트워크를 제공함으로써 달성될 수 있다는 사실을 발견했다.

본 발명자들은, 전술한 액정 장치의 감소된 이완 시간 τ_fall은 제1 기판에 인접한 좁은 부위에서 네마틱 액정 물질의 스플레이 변형과 벤드 변형을 교대로 유도하도록 구성되어 있는 폴리머 네트워크를 이용하여 달성할 수 있다는 것을 발견했다. 특히, 스플레이 및 벤드 변형이 유도되는 부위는 가시광의 파장에 해당하는 간격보다 좁을 수 있다. 따라서, 유도된 이완 시간은, 배경 기술 섹션에서 언급한 광 산란 및/또는 잔류 복굴절과 같은 일체의 광학적 교란을 실질적으로 일으키지 않고 달성할 수 있다.

또한 본 발명자들은, 본 발명의 다양한 구현예에 따른 액정 장치의 폴리머 네트워크는 액정 장치의 스위칭 시간 τ_rise을 실질적으로 전혀 증가시키지 않고 액정 장치의 이완 시간 τ_fall을 감소시킨다는 놀라운 사실을 발견했다. 이전의 경험을 토대로, 액정 장치의 스위칭 시간 τ_rise의 그러한 증가는 예상되었지만, 교대로 유도되는 스플레이 및 벤드 변형도 제1 기판에 인접한 액정 분자의 약간의 프리틸트(pretilt)를 수반하기 때문에, 폴리머 네트워크로 인한 액정 분자의 감소된 이동성(mobility)의 효과는 상기 프리틸트로 인한 향상된 스위칭 성능에 의해 실질적으로 상쇄된다(또는 심지어 능가한다).

제1 기판에 고정되고, 제1 기판에 평행한 선을 따라 네마틱 액정 물질의 스플레이 변형과 벤드 변형을 교대로 유도하도록 구성된 폴리머 네트워크를 얻는 하나의 유리한 방법은, 네마틱 액정 물질과 광중합성 프리폴리머의 혼합물을, 제1 기판에 대해, 실질적으로 수직인 것과 제1 기판에 대해 실질적으로 평행한 것이 교대되는 전기장에 진입시킨 다음, 전기장이 인가되어 있는 상태에서 광중합성 프리폴리머를 중합하기 위해 광을 조사함으로써, 전기장의 영향 하에 네마틱 액정 물질의 형태에 의해 영향을 받은 폴리머 네트워크를 형성하는 것이다. 이것은 본 발명의 제2 측면에 따른 방법의 일 구현예를 참조하여 이하에서 상세히 설명하기로 한다.

그러한, 공간적으로 교대되는 전기장은 액정 장치의 외부에 있는 전극을 이용하는 제조 공정에서 적용될 수 있다.

그러나, 다양한 구현예에 따르면, 본 발명의 액정 장치는, 제1 및 제2 전극 사이에 전압이 인가되면 액정층 내부에 전기장이 발생되도록 배열되고 구성된 개별적으로 제어가능한 제1 및 제2 전극을 추가로 포함할 수 있고, 상기 전기장은 제1 기판에 평행한 선을 따라, 제1 기판에 실질적으로 수직인 것과, 제1 기판에 실질적으로 평행한 것이 교대된다.

액정 장치에 개별적으로 제어가능한 제1 및 제2 전극을 포함시킴으로써, 제1 기판에 집중적으로 국한시키는 적합한 전기장을 형성하기가 더 용이할 수 있다. 또한, 완성된 액정 장치의 스위칭을 컨트롤하는 데 동일한 전극을 사용할 수 있다.

개별적으로 제어가능한 제1 및 제2 전극은, 개별적으로 제어가능한 제1 전극과 제2 전극 사이에 절연층이 배열되어 있는 적층된 형태로 제1 기판 상에 배열될 수 있고, 절연층은 개별적으로 제어가능한 제1 전극과 제2 전극 사이에 전기 전도성 접속을 방지하도록 배열되고, 제1 기판에 대해 수직인 방향으로 개별적으로 제어가능한 제1 및 제2 전극들을 물리적으로 분리시키도록 배열되어 있다.

개별적으로 제어가능한 제2 전극은 개별적으로 제어가능한 제1 전극과 액정층 사이에 배열될 수 있고, 개별적으로 제어가능한 제2 전극은 개별적으로 제어가능한 제1 전극을, 교대로 차폐 및 노출하도록 배열될 수 있다.

이러한 형태의 전극 구성은 일반적으로 "프린지 필드 스위칭(fringe field switching)", 즉 FFS 구성으로 지칭되고, 집중적으로 국한되고 공간적으로 교대되는 전기장의 형성에 적합하다.

대안적으로, 개별적으로 제어가능한 제1 및 제2 전극은, 소위 "인-플레인 스위칭(in-plane switching)", 즉 IPS 구성을 형성하도록 동일 평면에 배열될 수 있다.

FFS-구성과 IPS-구성은 모두 당업자에게 잘 알려져 있으며, 다양한 액정 장치를 스위칭하는 데 널리 사용된다.

본 발명의 액정 장치의 다양한 구현예에 따르면, 폴리머 네트워크는, 액정층과 대면하는 제1 기판의 표면으로부터 1㎛ 이내에서만, 네마틱 액정 물질의 스플레이 변형과 벤드 변형을 교대로 유도하도록 유리하게 구성될 수 있다. 표면으로부터 1㎛ 이내에서, 유도된 스플레이 및 벤드 변형의 크기는 표면으로부터의 거리에 따라 점진적으로 감소될 수 있다.

이로써, 필드 OFF 상태에서 액정 분자의 배향의 변동에 따른 광학적 영향이 최소로 유지될 수 있다. 배향의 변동에 따른 광학적 영향을 더욱 감소시키거나, 심지어는 배제하기 위해서, 폴리머 네트워크는 액정층과 대면하는 제1 기판의 표면으로부터 약 0.4㎛ 이내에서만 네마틱 액정 물질의 스플레이 변형과 벤드 변형을 교대로 유도하도록 구성될 수 있고, 그 결과 제1 기판에 인접한 네마틱 액정 물질의 국부적인 왜곡(distortion)에 의해 가시광이 영향을 받지 않게 된다.

다양한 구현예에 따르면, 제1 기판은 액정층과 대면하는 정렬층을 포함할 수 있고, 상기 정렬층은 실질적으로 호메오트로픽 정렬(homeotropic alignment), 즉 전기장이 존재하지 않는 상태에서, 정렬층에 인접한 액정 분자가 실질적으로 제1 기판에 대해 수직인 구성을 촉진한다.

또한, 제2 기판도 상기 액정층과 대면하는 정렬층을 포함할 수 있고, 상기 정렬층은 호메오트로픽 정렬을 실질적으로 촉진한다.

또한, 액정 물질은 포지티브 유전 이방성(dielectric anisotropy) 또는 네거티브 유전 이방성 중 어느 하나를 가질 수 있다.

본 발명의 액정 장치의 다양한 구현예에 따르면, 네마틱 액정 물질은 유리하게는, 네마틱 액정 물질의 스플레이 변형이 제1 기판에 대해 수직인 제1 플렉소일렉트릭 편광 성분을 초래하고, 네마틱 액정 물질의 벤드 변형이 제1 플렉소일렉트릭 편광 성분과 동일한 방향을 가진 제2 플렉소일렉트릭 편광 성분을 초래하는, 플렉소일렉트릭 계수를 가질 수 있다.

상기 성질을 가지는 네마틱 액정의 선택을 통해, 전체적인 플렉소일렉트릭 편광(스플레이 변형으로 인한 플렉소일렉트릭 편광과, 벤드 변형으로 인한 플렉소일렉트릭 편광의 벡터 합)은 더 높아질 것이고, 이것은 액정 장치의 이완 시간 τ_fall의 추가적 감소를 가져올 것이다. 이것은 예시적 경우에 대한 이하의 "이론적 설명" 항목에서 더 설명된다.

본 발명에 따른 액정 장치의 다양한 구현예는, 제2 기판에 고정되어, 제2 기판에 평행한 선을 따라 네마틱 액정 물질의 스플레이 변형과 벤드 변형을 교대로 유도하도록 구성되어 있는 폴리머 네트워크를 추가로 포함할 수 있다.

또한, 상기 액정 장치는 제2 기판 상에 배열되고, 제3 전극과 제4 전극 사이에 전압을 인가하면 액정층 내부에 전기장을 발생하도록 구성되어 있는 개별적으로 제어가능한 제3 및 제4 전극을 추가로 포함할 수 있고, 상기 전기장은 제2 기판에 평행한 선을 따라, 제2 기판에 대해 실질적으로 수직인 것과, 제2 기판에 대해 실질적으로 평행한 것이 교대된다.

본 발명의 제2 측면에 따르면, 네마틱 액정 물질과 광중합성 프리폴리머를 포함하는 액정층이 제1 기판과 제2 기판 사이에 샌드위치된 액정 장치를 제공하는 단계; 및 폴리머 네트워크가 형성되도록 상기 광중합성 프리폴리머를 광중합하는 단계로서, 상기 폴리머 네트워크는 상기 제1 기판에 고정되어, 상기 제1 기판에 평행한 선을 따라 상기 네마틱 액정 물질의 스플레이 변형과 벤드 변형을 교대로 유도하도록 구성되어 있는 단계를 포함하는 액정 장치의 제조 방법이 제공된다.

"광중합성 프리폴리머"라는 용어는, 광이 조사되면 폴리머를 형성시키는 임의의 물질을 의미하는 것으로 이해해야 한다. 광중합성 프리폴리머의 예는 모노머, 또는 폴리머의 임의의 적합한 부분, 예를 들면 다이머를 포함한다.

일 구현예에 따르면, 광중합성 프리폴리머를 광중합하는 단계는, 액정층 내부에 불균일한 전기장을 형성하는 단계로서, 상기 전기장은 제1 기판에 평행한 선을 따라, 제1 기판에 실질적으로 수직인 것과 제1 기판에 실질적으로 평행한 것이 교대되는 것인 전기장의 형성 단계; 및 상기 전기장을 유지하면서 제1 기판에 인접하여 광중합성 프리폴리머를 중합하기 위해 상기 액정 장치에 광을 조사하는 단계를 포함할 수 있다.

유리하게는, 불균일한 전기장은, 제1 기판에 대해 수직인 방향으로, 제1 기판으로부터 1㎛보다 멀리 이격된 액정층 내부의 임의의 전기장이 실질적으로 균일하도록, 제1 기판에 국한될 수 있다.

이로써, 제1 기판의 인근의 좁은 부위 내에서만, 전기장의 부재 하에 스플레이 및 벤드 변형을 교대로 유도하는 폴리머 네트워크가 형성된다.

또 다른 구현예에 따르면, 광중합성 프리폴리머를 광중합하는 단계는, 제1 역치보다 낮은 투광도(optical transmittance)를 가지는 제1 복수의 부분 및 상기 제1 역치보다 큰 제2 역치보다 높은 투광도를 가지는 제2 복수의 부분을 포함하는 마스크를 통해 상기 액정 장치에 광을 조사하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 제1 복수의 부분과 상기 제2 복수의 부분은 교대로 배열된다.

상기 제1 복수의 부분과 상기 제2 복수의 부분은, 예를 들면, 스트라이프(striped) 구성 또는 바둑판(checker-board) 구성으로 배열될 수 있다. 또한, 상기 마스크는 유리하게는 소위 그레이 스케일 마스크일 수 있어서, 서로 인접하게 배열된 제1 복수의 부분과 제2 복수의 부분 사이에서 투광도가 점진적으로 변한다.

본 발명에 따른 방법의 다양한 구현예에 따르면, 액정 장치에 광을 조사하는 데 사용되는 광은, 제1 기판에 대해 수직인 방향으로, 제1 기판으로부터 1㎛ 이내에서만 광중합성 프리폴리머가 중합되도록 선택된 광학적 성질을 가질 수 있다.

이러한 본 발명의 제2 측면의 구현예 및 그것을 통해 얻어지는 효과는 본 발명의 제1 측면에 대해 전술한 내용과 대체로 동일하다.

본 발명에 의하면, 역치 전압의 증가, 광 산란 및 잔류 복굴절과 같은 불필요한 부작용의 발생을 감소시키면서, 짧은 상승 시간 및 짧은 하강 시간을 가능하게 하는 액정 장치가 제공된다.

이상과 같은 본 발명의 측면 및 그 밖의 측면을, 본 발명의 구현예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 다양한 구현예에 따른 액정 장치의 개략적 사시도이다.
도 2는 도 1의 액정 장치에 포함된 액정 셀의 단면도이다.
도 3은 도 2의 액정 셀의 제조 방법을 예시하는 플로 차트이다.
도 4의 a∼d는 도 3의 관련 방법 단계 이후의 액정 셀의 상태를 각각 개략적으로 예시하는 단면도이다.
도 5의 a∼d는 각각 광중합 이전과 이후의 액정 셀의 광학적 응답에 대한 플롯이다.

이하의 상세한 설명에 있어서, 본 발명의 구현예는 주로 단일셀 액정 장치를 참조하여 설명된다. 그러나, 본 명세서에 제시되는 설명은, 예를 들면 텔레비전과 같은 디스플레이 장치에 사용되는 액정 패널과 같은 개별적으로 제어가능한 복수 개의 셀을 포함하는 액정 장치에도 동일하게 적용될 수 있다. 그러한 복수 개의 셀을 포함하는 액정 장치는 물론 특허청구범위에도 포함된다.

또한, 이하에 설명되는 액정 셀은 제1 기판에만 포함되는 컨트롤 전극을 가진 단면(single sided) 액정 셀이고, 폴리머 네트워크는 제1 기판에 고정되고, 제1 기판의 인근에서 필드 OFF 상태에서 네마틱 액정 물질에 영향을 주도록 구성되어 있다. 본 발명은 그러한 단면 액정 셀에 한정되지 않고, 양 기판에 컨트롤 전극 및/또는 폴리머 네트워크를 가지는 양면(double sided) 액정 셀에도 동일하게 잘 적용된다는 것을 알아야 한다.

도 1은 본 발명의 다양한 구현예에 따른 액정 장치(1)의 개략적 사시도이다. 액정 장치(1)는 교차된 2개의 편광판(polarizer plate)(3, 4) - 광원(5)에 가장 근접한 "편광자"(3)와 관찰자(6)에 가장 근접한 "애널라이저"(4) - 사이에 배열된 액정 셀(2)을 포함한다. 편광자(3)와 애널라이저(4)의 각각의 편광 방향은 도 1에서 점선으로 표시되어 있다.

작동시, 액정 장치(1)는 액정 장치(1)에 포함되어 있는 컨트롤 전극들(도 1에는 도시되지 않음) 사이에 인가된 전압의 변조를 통해 밝은 상태와 어두운 상태 사이를 왕복하여 스위칭된다. 밝은 상태에서, 액정 장치(1)는 편광자(3)를 통과한 광을, 광이 애널라이저(4)도 통과할 수 있도록 변형하고, 어두운 상태에서, 편광자(3)를 통과한 광은 애널라이저(4)를 통과할 수 없다.

선분 A-A'을 따른 절단면에 대한 도 1의 액정 셀의 개략적 단면도인 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 액정 셀(2)은 제1 기판(10), 제2 기판(11) 및 제1 기판(10)과 제2 기판(11) 사이에 샌드위치된 액정층(12)을 포함한다.

액정층(12)은 네마틱 액정 물질(13)과 폴리머 네트워크(14)를 포함한다. 네마틱 액정 물질(13)은 일반적으로 몇 개의 개략적 액정 분자로 표시되고, 폴리머 네트워크(14)는 일종의 폴리머 스트랜드(strand)로 표시되어 있다. 액정 물질(13)의 액정 분자와 셀 갭(제1 기판(10)과 제2 기판(11) 사이의 간격)은 동일한 축척으로 도시된 것은 아니고, 폴리머 네트워크(14)의 폴리머 스트랜드는 여러 가지 상이한 형태를 가질 수 있고, 그것들은 액정 셀 마다 다를 수 있다.

제1 기판(10)은, 밑에서부터 위쪽으로 도 2에 나타낸 바와 같이, 투명한 캐리어(16), 제1 전극(17), 절연층(18), 제2 전극(19) 및 정렬층에 인접한 액정 분자의 수직 정렬, 소위 호메오트로픽 정렬을 촉진하는 정렬층(20)을 포함한다.

제2 기판(11)은, 밑에서부터 위쪽으로 도 2에 나타낸 바와 같이, 투명한 캐리어(21), 및 정렬층에 인접한 액정 분자의 수직 정렬, 소위 호메오트로픽 정렬을 촉진하는 정렬층(22)을 포함한다.

제1 기판의 제1 전극(17) 및 제2 전극(19)은 유리하게는 투명한 전도체, 예를 들면 ITO(인듐주석 산화물), IZO(인듐아연 산화물) 또는 알루미늄 도핑된 ZnO로 만들어지거나, 또는 광이 금속층을 통과할 수 있을 정도로 충분히 얇은 금속층으로 만들어질 수 있다. 절연층(18)은 산화물, 질화물 또는 폴리머층과 같은 적합한 투명한 절연체로 만들어진다.

적합한 절연체 물질의 예는, 산화규소, 질화규소 및 다양한 스핀-온 유전체(spin-on dielectrics)를 포함한다.

도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 절연층(18)은 소위 프린지-필드(fringe-field) 스위칭(FFS) 배열을 달성하기 위해 제1 전극(17)과 제2 전극(19)을 물리적 및 전기적으로 분리하도록 배열된다. 이를 위해서, 제1 전극(17)과 제2 전극(19)은 상이한 평면에 배열되고, 액정층의 관점에서, 제2 전극(19)은 교대로(공간적으로) 제1 전극(17)을 차폐하고 제1 전극(17)을 노출시키도록 구성된다.

제1 기판(10)의 정렬층(20)과 제2 기판(11)의 정렬층(22)은 모두 수직 정렬을 촉진하기 때문에, 액정 물질(13)은 전기장의 부재 하에(제1 전극(17)과 제2 전극(19) 사이에 전압이 인가되지 않을 때) 실질적으로 호메트로픽 방식으로/수직으로 정렬될 것이다. 이하에서 추가로 설명되는 바와 같이, 이 필드 OFF-상태는, 도 1에 표시된 바와 같이, 액정 셀(2)이 교차된 편광자들 사이에 배열될 때 어두운 상태일 것이다.

제1 전극(17)과 제2 전극(19) 사이에 전압이 인가되면, 전기장은 액정 분자와 결부되어, 충분히 큰 전기장에 위치해 있는 액정 분자들을 재배향시키게 된다. 이것은 액정 셀(2)의 페이스 리타데이션(phase retardation)을 시프트시키게 되고, 그에 따라 도 1의 액정 장치(1)를 통해 광이 투과하게 될 것이다.

이러한 어두운 필드 OFF 상태로부터 밝은 필드 ON 상태로의 스위칭의 배경이 되는 메커니즘은 당업자에게 잘 알려져 있지만, 간략한 이론적 설명을 이하에 제공한다.

균일하게 정렬된 네마틱 액정 셀은, 그 셀 내 액정 분자의 배향의 바람직한 방향과 일치하는 광학적 축을 가진 단축(uniaxial)(복굴절) 광학적 플레이트로서 광학적으로 거동한다. 2개의 교차된 편광자들 사이에 삽입되면, 셀과 편광자를 통해 투과된 광의 강도 I 는, 셀이 편광자 투과 방향에 대해 광학적 축이 45°로 배향될 때, 간단히 하기 식으로 주어진다:

식에서,

는 셀의 복굴절 △n=n _e -n _o (n _e 와 n _o 는 각각, 액정 물질의 비정상 및 정상적 굴절률임)로 인한 셀의 페이스 리타데이션을 나타내고, λ는 광의 파장이다. 네마틱 액정 분자가 실질적으로 수직으로 정렬될 때, 액정 셀(2)의 복굴절 △n은 실질적으로 제로(zero)이고, 이것은 투과된 강도도 실질적으로 제로임을 의미한다. 액정 분자가 재배향되면, 복굴절 △n은 비-제로(non-zero)가 되고, 액정 장치(1)는 광을 투과시킬 것이다.

전술한 바와 같이, 도 2의 액정 셀(2)은 폴리머 네트워크(14)를 포함한다. 이 폴리머 네트워크(14)는 제1 기판(10)에 고정되고, 제1 기판(10)에 평행한 선을 따라 네마틱 액정 물질(13)의 스플레이 변형과 벤드 변형을 교대로 유도하도록 구성되어 있다.

폴리머 네트워크(14)에 의해 유도되는 액정 물질(13)의 스플레이 및 벤드 변형을 통해, 필드 OFF 상태에서 플렉소일렉트릭 편광이 유도된다. 필드 OFF 상태에서 플렉소일렉트릭 편광이 존재함으로 인해, 액정 셀(2)의 이완 시간 τ_fall은 폴리머 네트워크(14)가 존재하지 않는 경우에 비해 감소된다. 플렉소일렉트릭 편광과 이완 시간 τ_fall 사이의 이러한 관계를 뒷받침하는 이론은 이하의 "이론적 설명" 항목에서 추가로 설명된다.

이완 시간 τ_fall의 감소를 초래하는 것 이외에는, 폴리머 네트워크(14)의 전술한 바와 같은 구성은 폴리머 네트워크가 존재하지 않는 경우에 비해 스위칭 시간 τ_rise 또는 스위칭용 역치 전압을 현저히 증가시키지 않는다. 사실상, 스위칭 시간 τ_rise 및 스위칭용 역치 전압은 폴리머 네트워크가 존재하지 않는 대응하는 액정 셀에 대한 것보다 훨씬 더 낮을 수 있다. 그 이유는, 폴리머 네트워크가 제1 기판(10)에 인접하여 작은 프리틸트를 또한 도입하고, 이에 따라 더 신속한 스위칭 및 감소된 역치 전압이 가능해지기 때문이다.

유리하게는, 상기 폴리머 네트워크(14)는, 도 2에서 제1 기판(10)의 표면과 점선(23)에 의해 한정되는 하부-영역(sub-region)에 의해 개략적으로 표시되어 있는 바와 같이, 제1 기판에 근접한 하부-영역 내에서만 네마틱 액정 물질(13)의 전술한 스플레이 및 벤드 변형을 유도하도록 구성될 수 있다.

제1 기판(10)의 표면과 점선(23) 사이의 간격은 유리하게는 1㎛ 미만일 수 있고, 그 경우에 스플레이 및 벤드 변형에 의해 일어나는 광학적 영향/교란은 대부분의 경우에 무시할 수 있는 정도이다. 폴리머 네트워크(14)가 네마틱 액정 물질(13)의 스플레이 및 벤드 변형이 실질적으로 가시광의 파장(약 0.4㎛)보다 작은 간격으로 연장되는 하부-영역 내에 국한되도록 구성된다면, 액정 셀(2)의 광학적 성질에 대한 스플레이 및 벤드 변형에 의한 불리한 영향은 없을 것이다.

도 2의 액정 셀(2)의 예시적인 제조 방법을 도 3 및 도 4a-d를 참조하여 설명하기로 한다.

제1 단계(101)에서, 도 4a에 원형 링으로 개략적으로 표시된 광중합성 프리폴리머(31)와, 제1 기판(10) 및 제2 기판(제2 기판은 도 4a-d의 부분 단면에 도시되어 있지 않음) 사이에 샌드위치된 네마틱 액정 물질(13)의 혼합물을 포함하는 액정층을 가지는 액정 셀(30)(도 4a-d에 부분적으로 표시됨)이 제공된다. 상기 기판들은 도 2를 참조하여 앞에서 설명한 것과 동일한 방식으로 구성된다. 액정층은 광개시제 등을 추가로 포함할 수 있고, 광중합성 프리폴리머(31)는 모노머의 형태, 또는 다이머와 같은 폴리머의 임의의 적합한 부분의 형태로 제공될 수 있다.

제2 단계(102)에서, 도 2를 참조하여 앞에서 설명한 제1 전극(17)과 제2 전극(19) 사이에 전압을 인가함으로써, 도 4b에 개략적으로 표시된 바와 같이, 불균일한 전기장이 액정층 내부에 제공된다.

도 4b에서 알 수 있는 바와 같이, 전기장은, 제1 기판에 평행한 선을 따라 제1 기판에 실질적으로 수직인 것과, 제1 기판에 실질적으로 평행한 것이 교대되는 방식으로 되어 있다. 또한, 도 4b에 개략적으로 표시된 바와 같이, 네마틱 액정 물질(13)의 액정 분자는 전기장 라인을 따라 정렬되는 경향을 가지며, 이것은 광중합성 프리폴리머(31)의 실질적으로 대응하는 정렬상태(ordering)를 초래하게 될 것이다.

제1 전극(17)과 제2 전극(19) 사이에 인가되는 전압은 유리하게는, 전기장이 제1 기판(10)에 인접여 강하게 국한되도록 선택될 수 있다. 예를 들면, 전압은 제1 기판(10)의 표면으로부터 약 1㎛ 이내에 액정 분자의 실질적인 방향수정(redirection)만이 있도록 선택될 수 있다.

계속해서, 단계(103)에서, 투명한 제1 기판(10)을 통해 투과되는 광으로 액정층을 조사하여 폴리머 네트워크를 형성한다. 앞에서 언급한 바와 같이, 광중합성 프리폴리머(31)의 분포는 액정 분자의 필드-유도(field-induced) 방향수정에 의해 영향을 받기 때문에, 상기 조사를 통해 형성된 폴리머 네트워크도 액정 분자의 필드-유도 방향수정에 의해 영향을 받을 것이다.

광의 성질은 유리하게는, 광중합성 프리폴리머가 주로 제1 기판(10)에 인접하여 중합되도록 선택된다. 제1 기판(10)으로부터 중합의 확장은, 광의 파장과 강도를 적합하게 선택함으로써 제어될 수 있다. 특히, 액정 물질(13)이 광을 흡수하는 파장에서는 자외선 범위의 광이 유리하게 선택될 수 있다. 이것은 자외선 강도가, 액정층 내부에서 광이 이동한 거리에 따라 기하급수적으로 감소하는 것이 전형적이다. 최적의 조사 파라미터는 광중합성 프리폴리머와 사용되는 네마틱 액정 물질의 타입에 따라 변동될 것이지만, 공지의 물성이 주어지면, 적합한 조사 성질을 결정하는 것이 당업자에게는 간단할 것이다. 광중합에 관한 추가적 사항은 특허출원 번호 10/766,273에도 설명되어 있고, 그 내용 전제는 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.

최종 단계(104)에서, 전기장이 제거되는데, 이것은 전기장으로 인해 액정 분자에 작용하는 힘이 더이상 존재하지 않는다는 것을 의미한다. 그러나, 제1 기판에 가장 근접한 액정 분자의 배향은 선행 단계(103)에서 형성된 폴리머 네트워크(32)에 의해 영향을 받을 것이다. 특히, 폴리머 네트워크(32)는 제1 기판에 평행한 선을 따라 네마틱 액정 물질(13)의 스플레이 변형과 벤드 변형을 교대로 유도할 것이다.

상기 도면들은 본 발명의 다양한 측면을 설명하기 위해 제시되는, 단순화되고 개략적인 예시도이며, 비율은 실제 상황을 대표하는 것이 아님을 알아야 한다.

또한, 당업자는 적합한 액정 물질, 셀 치수, 정렬층, 보다 복잡한 구동 스킴 등을 과도한 부담 없이 추가로 선택할 수 있을 것이다.

당업자는 본 발명이 전술한 바람직한 구현예에 한정되지 않는다는 것을 인식할 것이다. 그와는 반대로, 많은 변형 및 변경이 첨부된 특허청구범위 내에서 가능하다.

특허청구범위에 있어서, "포함하다"라는 용어는 다른 엘리먼트나 단계를 배제하는 것이 아니고, 부정관사 "a" 또는 "an"은 복수를 배제하는 것이 아니다. 특정한 수단이 서로 상이한 종속항에서 인용된다는 단순한 사실이, 이러한 수단들의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내는 것은 아니다.

이론적 설명

간단히, 두께가 d이고 필드 오프 상태에서 수직 정렬(VA)을 가진 네마틱 액정층의 일반적 경우를 생각해 보는데, 전기장이 인가된 상태에서 탄성(elastic) 스플레이/벤드 변형은 d/2에서 z=0, 즉 z의 변동이 ±d/2일 때 xz 평면에 있다. 하나의 탄성 상수 근사치에서, 액정층의 탄성 자유 에너지 f_elastic는 다음과 같이 주어진다:

여기서, K는 탄성 상수이고,

는 디렉터(director)와 z 축에 의해 형성되는 각도이다. 네마틱 액정이 플렉소일렉트릭 성질을 가진다면, 폴리머 네트워크에 의해 동결되고 기판 표면에 고정된, xz 평면에서의 탄성 변형은, E=0에서 플렉소일렉트릭 편광 P_flexo를 발생시키고, 다음 식으로 표시되는 z 축을 따른 성분만을 가진다:

여기서, e₁₁ 및 e₃₃은 각각 스플레이 및 벤드 변형에 대한 플렉소일렉트릭 계수이다. 이 경우에, P_flexo의 존재 하에 샘플에서의 유전 변위(dielectric displacement)는 다음과 같다:

여기서, ε_zz는 아래 식으로 주어지는 z 축을 따른 유전 상수의 성분이고:

E_z는 0이 아닌 플렉소일렉트릭 편광 P_flexo로 인한 전기장의 유일한 성분이다.

액정이 절연 매체, 즉 자유 전하를 포함하지 않은 액정이라고 가정하면, D_z는 0이다. 따라서,

여기서, 플렉소일렉트릭 편광, 즉 필드 E_z로 인한 정전기 에너지는 다음 식으로 주어지고:

Pz는 다음 식으로 주어진다:

여기서 e=e₁₁+e₃₃이다.

P_z를 대입하면

를 얻는다.

그러면, 총 자유 에너지는

이것은 다음 식으로 표시되고

여기서

이고,

는 P_flexo의 존재 하에 환치된(renormalized) 탄성 계수로서, 그러한 편광의 부재시의 탄성 계수 K보다 크다. 즉,

이다.

전기장의 인가를 중단한 후의 이완 응답 시간, 즉 이른바 하강 시간 τ_fall은 다음 식으로 주어진다:

P_flexo가 존재할 때에는,

이다.

이므로,

이다.

따라서, 플렉소일렉트릭 편광은, 전기장의 인가를 중단한 후 액정의 탄성 변형을 유지하는 폴리머 네트워크로 인해, 네마틱 액정의 이완(하강) 시간을 더 가속시킨다.

실험

하나의 예시적 실험에서(도 4a-d 참조), 액정 셀(30)이 Merck사 제조의 네마틱 액정 혼합물 ZL14792(△ε>0)을 주입했는데, 이 혼합물에는 각각, Merck사 제조의 광반응성 액정 모노머 31 RM257 및 광개시제 Irgacure 784가 80/19/1 중량%의 비율로 용해되어 있었다. 액정 셀(30)의 유리 기판(16, 21)의 내측 표면은, 액정 분자(13)의 호메오트로픽 정렬을 촉진하기 위해, 즉 기판(10, 11)에 대해 수직인 바람직한 배향 방향으로, Nissan Chemical사 제조의 폴리이미드 SE-1211의 형태로 된 정렬층(20, 22)으로 커버되었다. 셀 갭은 균일하였고 약 3㎛였다. 상기 광반응성 모노머를 광중합하여 액정층에 폴리머 네트워크(14)를 생성하기 위해, 넓은 파장 스펙트럼을 가진 광을 공급하는, 독일 OSRAM, Ultra-Vitalux사로부터 입수한 비편광 광원을 이용하여 액정 셀(30)에 광을 조사했다.

비편광된 광으을 액정 셀(30)에 조사하기 전에, 도 4b에 개략적으로 표시된 바와 같이, 프린지(fringe) 전기장을 생성하기 위해, 액정 셀(30)의 제1 전극(17)과 제2 전극(19) 사이에 전압을 인가했다. 인가된 전압의 크기는, 프린지 전기장이 제1 기판(10)의 표면에 국한되도록, 즉 액정층의 벌크에는 거의 침투하지 않도록 매우 낮게 선택된다. 그 결과, 적용된 프린지 전기장은 전극 표면 인근에서만 액정의 호메오트로픽 정렬의 주기적 왜곡을 야기한다. 그와 같이 낮은 전압을 인가한 후, 액정에 용해된 광반응성 액정 모노머 RM257의 광중합에 의해 액정 벌크에 폴리머 네트워크를 생성하기 위해, 액정 셀(30)에 비편광된 광을 40분간 조사했다. 조사하는 동안, 인가되는 전압을 일정하게 유지했다. 폴리머 네트워크의 섬유는 대부분, 프린지 필드의 적용 하에 액정층 내 액정 분자의 정렬을 따랐다.

비편광된 광을 조사한 후 2개의 교차된 편광자들 사이에 설치된 마감처리된 액정 셀(30)의 광학적 외관은 조사 전의 광학적 외관과 동일한 것으로 나타났다. 액정 벌크에 폴리머 네트워크(14)가 존재함으로 인해, 불필요한 광 산란 효과는 나타나지 않았다. 또한, 폴리머 네트워크에 의해 유지된 전극 표면 근방의 액정 분자 배향의 주기적 왜곡은 입사광의 파장보다 짧은 두께를 가진 매우 얇은 층에서 전극 표면에 국한되고 그에 따라 광학적으로 보이지 않기 때문에, 액정 장치의 광학적 특성에 부정 영향을 주지 않는 것으로 밝혀졌다는 것에 주목해야 한다.

광반응성 모노머의 광중합 전 후의 액정 셀(30)의 광학적 응답을 나타내는 그래프가 각각 도 5a와 5b에 제공된다. 조사 전 액정 셀(30)의 스위칭 시간 τ_r _i _se 및 이완 시간 τ_fall은 약 수 밀리초였으나, 비편광된 광을 40분간 액정 장치에 조사한 후에는 응답 시간, τ_rise와 τ_fall은 한 자리수 크기 만큼 더 짧은 것으로 나타났다. 즉, 약 100 ㎲였다.

Claims

제1 기판;
제2 기판; 및
상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 샌드위치된 액정층
을 포함하는 액정 장치로서,
상기 제1 기판은 개별적으로 제어가능한 제1 전극과 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극과 제2 전극은 그 전극들 사이에 전압이 인가되면 상기 액정층 내부에 전기장이 발생되도록 배열되어 구성되어 있고,
상기 전기장은, 상기 제1 기판에 평행한 선을 따라 상기 제1 기판에 대해 실질적으로 수직인 것과, 상기 제1 기판에 대해 실질적으로 평행한 것이 교대되는 것이며,
상기 액정층은 네마틱 액정 물질과 폴리머 네트워크를 포함하고,
상기 폴리머 네트워크는
상기 제1 기판에 고정되고,
상기 제1 기판에 근접한 상기 액정층의 하부-영역 내에 형성되고,
상기 제1 기판에 평행한 선을 따라 네마틱 액정 물질의 스플레이 변형(splay deformation)과 벤드 변형(bend deformation)을 교대로 유도하도록 구성되어 있고,
상기 네마틱 액정 물질의 유도된 스플레이 변형과 벤드 변형이 상기 네마틱 액정 물질 내에 플렉소일렉트릭 편광을 제공하도록 배열되고, 상기 플렉소일렉트릭 편광은 상기 제1 기판에 수직이고 전기장이 존재하는 경우와 전기장이 부재인 경우 둘 다에서 유지되는, 액정 장치.
제1항에 있어서,
상기 개별적으로 제어가능한 제1 및 제2 전극은 절연층이 상기 개별적으로 제어가능한 제1 전극과 제2 전극 사이에 배열되어 있는 상기 제1 기판 상에 적층된 형태로 배열되고,
상기 절연층은 상기 개별적으로 제어가능한 제1 전극과 제2 전극 사이에 전기 전도성 접속을 방지하도록 배열되고, 상기 제1 기판에 대해 수직인 방향으로 상기 개별적으로 제어가능한 제1 및 제2 전극들을 물리적으로 분리시키도록 배열되어 있는, 액정 장치.
제2항에 있어서,
상기 개별적으로 제어가능한 제2 전극은 상기 개별적으로 제어가능한 제1 전극과 상기 액정층 사이에 배열되고,
상기 개별적으로 제어가능한 제2 전극은 상기 개별적으로 제어가능한 제1 전극을 교대로 차폐하고 노출시키도록 배열되어 있는,
액정 장치.
제1항에 있어서,
상기 개별적으로 제어가능한 제1 전극과 제2 전극이 동일한 평면에 배열되어 있는, 액정 장치.
제1항에 있어서,
상기 폴리머 네트워크는, 상기 액정층과 대면하는 상기 제1 기판의 표면으로부터 1㎛ 이내에서만, 상기 네마틱 액정 물질의 상기 스플레이 변형과 상기 벤드 변형을 교대로 유도하도록 구성되어 있는, 액정 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 기판은 상기 액정층과 대면하는 정렬층을 포함하고, 상기 정렬층은 실질적으로 호메오트로픽(homeotropic) 정렬을 촉진하는, 액정 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 기판은 상기 액정층과 대면하는 정렬층을 포함하고, 상기 정렬층은 실질적으로 호메오트로픽 정렬을 촉진하는, 액정 장치.
제1항에 있어서,
상기 네마틱 액정 물질은, 상기 네마틱 액정 물질의 상기 스플레이 변형이 상기 제1 기판에 대해 수직인 제1 플렉소일렉트릭 편광(flexoelectric polarization) 성분을 초래하고 상기 네마틱 액정 물질의 상기 벤드 변형이 상기 제1 플렉소일렉트릭 편광 성분과 동일한 방향을 가진 제2 플렉소일렉트릭 편광 성분을 초래하는, 플렉소일렉트릭 계수를 가지는, 액정 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 기판에 고정되어, 상기 제2 기판에 평행한 선을 따라 상기 네마틱 액정 물질의 스플레이 변형과 벤드 변형을 교대로 유도하도록 구성되어 있는 폴리머 네트워크를 포함하는, 액정 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 기판 상에 배열된 개별적으로 제어가능한 제3 전극과 제4 전극을 추가로 포함하는데, 상기 제3 전극과 상기 제4 전극 사이에 전압을 인가하면 상기 액정층 내부에 전기장을 발생하도록 구성되어 있고, 상기 전기장은 상기 제2 기판에 평행한 선을 따라, 상기 제2 기판에 대해 실질적으로 수직인 것과, 상기 제2 기판에 대해 실질적으로 평행한 것이 교대되는, 액정 장치.
네마틱 액정 물질과 광중합성 프리폴리머를 포함하는 액정층이 제1 기판과 제2 기판 사이에 샌드위치된 액정 장치를 제공하는 단계; 및
폴리머 네트워크가 형성되도록 상기 광중합성 프리폴리머를 광중합하는 단계로서, 상기 폴리머 네트워크는 상기 제1 기판에 고정되어, 상기 제1 기판에 평행한 선을 따라 상기 네마틱 액정 물질의 스플레이 변형과 벤드 변형을 교대로 유도하도록 구성되어 있는, 광중합 단계
를 포함하는 액정 장치의 제조 방법.
제11항에 있어서,
상기 광중합성 프리폴리머를 광중합하는 단계는,
상기 액정층 내부에 불균일한 전기장을 형성하는 단계; 및
상기 제1 기판에 인접하여 상기 광중합성 프리폴리머를 중합하기 위해 상기 액정 장치에 광을 조사하는 단계
를 포함하고,
상기 전기장은, 상기 제1 기판에 평행한 선을 따라 상기 제1 기판에 대해 실질적으로 수직인 것과, 상기 제1 기판에 대해 실질적으로 평행한 것이 교대되는 것인,
액정 장치의 제조 방법.
제12항에 있어서,
상기 불균일한 전기장은 제1 기판에 대해 수직인 방향으로, 제1 기판으로부터 1㎛보다 멀리 이격된 상기 액정층 내부의 임의의 전기장이 실질적으로 균일하도록, 상기 제1 기판에 국한되는, 액정 장치의 제조 방법.
제11항에 있어서,
상기 광중합성 프리폴리머를 광중합하는 단계는,
제1 역치보다 낮은 투광도(optical transmittance)를 가지는 제1 복수의 부분 및 상기 제1 역치보다 큰 제2 역치보다 높은 투광도를 가지는 제2 복수의 부분을 포함하는 마스크를 통해, 상기 액정 장치에 광을 조사하는 단계를 포함하고,
상기 제1 복수의 부분과 상기 제2 복수의 부분은 교대로 배열되는, 액정 장치의 제조 방법.
제12항 또는 제14항에 있어서,
상기 제1 기판은 투명하고, 상기 광이 상기 액정층에 도달하기 전에 상기 제1 기판을 통과하도록 상기 액정 장치에 광을 조사하는, 액정 장치의 제조 방법.
제12항 또는 제14항에 있어서,
상기 광은, 상기 제1 기판에 대해 수직인 방향으로, 상기 제1 기판으로부터 1㎛ 이내에서만 상기 광중합성 프리폴리머가 중합되도록 선택된 광학적 성질을 가지는, 액정 장치의 제조 방법.
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