KR102408537B1 - 중합체 함유 산란형 수직 배향 액정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 매우 낮은 히스테리시스 특징을 갖는 중합체 함유 산란형 수직 배향(VA) 액정 장치에 관한 것이다. 히스테리시스의 감소는 프리틸트 각을 제공함으로써 달성된다.

Description

중합체 함유 산란형 수직 배향 액정 장치 {POLYMER CONTAINING SCATTERING TYPE VERTICALLY ALIGNED LIQUID CRYSTAL DEVICE}
본 발명은 개선된 히스테리시스(hysteresis) 특성을 갖는, 중합체 함유 산란형 수직 배향(VA) 액정 장치에 관한 것이다.
대부분의 시판되는 액정 디스플레이(LCD)는 액정 물질의 복굴절(birefringence)을 활용하고 투과된 광의 편광 상태를 밝기 레벨(brightness level)로 변환하기 위한 하나 또는 두 개의 편광자를 필요로 한다. 반면, 광의 산란을 기반으로 하는, 편광 시트를 필요로 하지 않는 LCD가 존재한다. 산란 액정 장치는 전압을 인가하여 투명 상태로부터 백탁 상태(white turbid state)로 스위칭(switching)하고, 이에 따라 광 투과율을 제어하는 장치이다. 편광판에 의한 흡수가 없기 때문에, 이러한 장치는 보다 높은 광 투과율을 제공한다. 이들 특성 때문에, 산란형 액정 장치는 또한 창을 투과성인 것으로부터 불투명 상태로 변환할 수 있는 스위칭 가능한 창(switchable windows)으로서 사용된다. 산란 액정 장치의 두 가지 유형이 존재한다: 첫 번째는 일반 유형이고, 이는 전압이 인가되지 않는 경우 산란 상태로 존재하고, 전압 인가시 투명 상태로 전환된다. 두 번째는, 인가되는 전압 없이는 투명하고, 전압이 인가되는 경우에는 산란 상태로 전환되는 역(reverse) 유형이다. 일반 유형은 통상적으로, 모바일 폰을 위한 디스플레이에 또는 유리 창의 투명-불투명 스위칭(transparent-opaque switching)을 위한 디스플레이에 사용된다. 세그먼트 유형(segment type) 디스플레이 장치에서의 사용을 위해, 통상적으로 전체 디스플레이가 산란 상태로 존재하고, 전압 인가시 전극 부분이 투명해진다. 투사 디스플레이에서의 사용을 위해, 디스플레이 표면이 투명하고 전압 인가시 전극 부분이 산란 상태로 전환되도록 역 유형이 바람직하다.
대부분의 산란형 액정 장치는 액정 물질이 중합체 내에 분산된 복합 물질을 기초로 한다. 용어 "중합체 분산형 액정"(PDLC)은 상기 기술 및 관련 장치에서 광범위하게 사용된다.
EP0488116A2는 전기장이 인가되지 않는 경우 투명한 역 유형 중합체 분산형 액정 장치의 구조를 기술한다. 이는 중합체 및 액정이 상호적으로 분산되고, 전기장이 인가되지 않을 경우 중합체 및 액정 둘 다 동일한 방향으로 배향되는, 액정 중합체 복합층(composite layer)을 사용한다. 액정의 배향은 기판에 대해 평형 또는 수직일 수 있다. 상기 배향이 기판에 대해 평행할 경우, 포지티브 유전율 이방성(positive dielectric anisotropy)을 갖는 액정이 사용되며, 반면 수직 배향(VA)인 경우 네거티브 유전율 이방성(negative dielectric anisotropy)을 갖는 액정이 사용된다. 액정을 배향하기 위해, 기판 표면의 배향 처리는, 예를 들어 수평 또는 수직 배향 특성을 갖는 배향층을 각각 침착함으로써 수행될 수 있다. 평행 배향의 경우, 배향층의 후속적인 브러싱(brushing)은 기판면 내 배향 방향을 정의하지만, 반면 수직 배향일 경우 추가적인 배향 처리가 필요하지 않다. 실시예에서, 중합체 대 액정의 비는 대략 1:10 또는 15:85이다. EP0488116A2는 액정의 최적량이 50 내지 97%이고, 액정 함량이 97%보다 더 높을 경우 적절한 콘트라스트가 생성되지 않을 것임을 교시한다. 조성물이 중합체 전구체를 포함할 경우, 예비-중합체는 실온에서 UV-광으로의 노광에 의해 중합된다.
다수 PDLC 장치의 문제점은 히스테리시스로 지칭되는, 증가하는 전압 및 감소하는 전압에 대해 측정되는 전압-투과율 곡선의 차이이다.
문헌 [참조 H. Murai et. al., J. Appl. Phys. 81(4), p. 1962] 은 1 내지 5중량%의 중합체 함량에 대해 조사된 호메오트로픽(homeotropic) 역-모드 중합체-액정 장치를 개시한다. 중합체는 호메오트로픽 방향으로 배향된 중합체 네트워크를 유발하는, 액정 상(liquid crystal phase)에서 단량체 반응을 개시함으로써 형성된다. 3 내지 5중량%의 단량체 함량은 액정에서 우수한 특성을 제공하는 것으로 나타났다. 함량이 3중량% 미만일 경우, 인가된 전압을 끈 경우 불충분한 온-상태(on-state) 산란이 존재하고 종종 투과율이 초기 값으로 돌아가지 않는다. 실험에서, 셀 기판은 호메오트로픽 배향층으로 덮여있지만, 러빙(rubbing) 공정을 적용하지 않았다.
JP200034714는 중합체 분산액을 포함하는 액정층을 갖춘 VA-LCD를 개시한다. 액정층은 액정이 액정 상으로 존재하는 동안 한 쌍의 기판 사이에 액정과 단량체의 혼합물을 제공하고, 단량체를 중합함으로써 제조되었다. 형성된 중합체 분산액은 액정층에서 액정 분자의 프리틸트 각(pretilt angle)을 유지한다.
US 5,496,497은 액정 뿐만 아니라 일관능성 아크릴레이트 성분 및 이관능성 아크릴레이트 성분을 포함하는 조성물을 개시하며, 후자의 두 가지는 특정 범위 내에서 극성을 갖는다. 이러한 조성물로 제조된 PDLC 장치는 감소된 히스테리시스를 나타낸다.
비록 중합체 분산형 액정 장치의 이점 중 한가지가 온 상태(on state)와 오프 상태(off state) 간의 밝기 차이를 관측하기 위해 편광자를 필요로 하지 않는다는 것이지만, 상기 장치는 보다 높은 콘트라스트의 이점을 갖도록 이러한 편광자를 여전히 장착할 수 있다. 일반 유형 수직 배향(VA) 중합체 분산형 LCD의 경우, 콘트라스트가 특히 높다. 그러나, 최첨단 수직 배향(VA) 중합체 분산형 액정 디스플레이의 히스테리시스가 너무 높아서 그레이 스케일(grey scale) 이미지를 고품질로 나타낼 수 없다.
따라서, 본 발명의 목적은, 감소된 히스테리시스를 갖는 산란형 수직 배향(VA) 액정 장치 및 상기 장치의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 두 기판들에 전극들을 제공하는 단계; 상기 두 기판들을, 상기 기판들 사이에 갭(gap)을 가지면서 서로 마주보는 안쪽 면(inner side) 상에 상기 전극들을 가지도록, 배열함으로써 셀을 제조하는 단계; 상기 셀을 네거티브 유전율 이방성을 갖는 액정 물질 및 중합체 전구체를 포함하는 액정 혼합물로 충전하는 단계; 상기 셀을 상기 액정 혼합물로 충전하기 전 또는 후에 상기 액정 혼합물에 대해 배향 처리를 적용하여, 상기 액정 혼합물이 상기 기판들에 대한 법선 방향(normal direction)으로부터 경사진 프리틸트 각으로 배향되도록 하는 단계, 상기 액정 혼합물의 투명점(clearing temperature)보다 높은 온도에서 상기 중합체 전구체를 중합하는 단계를 포함하는, 중합체 함유 산란형 수직 배향(VA) 액정 장치의 제조 방법에 의해 달성된다.
상기 제조 방법은 중합체 분산형 수직 배향(VA) 액정 장치를 생성시킨다. 상기 기술된 공지된 PDLC 장치와 혼동하지 않기 위해, 용어 "중합체 함유 산란형 수직 배향(VA) 액정 장치"는 본 발명에 따른 장치를 위해 사용된다. 임의의 부착된 편광자 없이, 본 발명에 따른 장치는 전압이 인가되지 않는 한 투과성이고, 전압이 본 발명에 따른 장치의 전극에 인가될 경우 본 발명에 따른 장치는 입사광을 산란시킨다.
상기 중합체 전구체는, 바람직하게 일관능성, 이관능성 또는 다관능성 단량체이며, 보다 바람직하게는, 일관능성, 이관능성 또는 다관능성 아크릴레이트이다. 또한, 액정 혼합물이 하나 이상의 중합체 전구체를 포함하는 것이 가능하다. 상기 중합체 전구체는 등방성(isotropic) 물질일 수 있지만, 적어도 하나의 중합체 전구체가 액정 상을 가지는 것이 바람직하다.
상기 액정 혼합물은 바람직하게는, 중합 개시제를 포함한다. 광-중합이 목적일 경우, 상기 액정 혼합물이 광 중합 개시제를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 액정 물질에 대한 주요 요건은 유전율 이방성이 네거티브라는 것이다. 그러나, 상기 액정 물질은 또한 제로(zero) 또는 포지티브 유전율 이방성을 갖는 화합물을 포함하는 혼합물일 수 있다.
바람직하게는, 상기 방법으로부터 얻어지는 상기 중합체는 상기 액정 물질로부터 상 분리된다.
상기 액정 물질 및 바람직하게는, 또한 상기 액정 물질 내 중합체의, 상기 기판들에 대한 법선 방향으로부터 경사진, 특정 방향으로의 배향 효과는, 상기 장치가 히스테리시스 없이 실질적으로 스위칭될 수 있다는 것이다. 따라서, 본 발명의 방법을 사용하여 제조된 활성 장치, 예를 들면, 세그먼트 디스플레이(segment display), 수동 매트릭스 디스플레이(passive matrix display) 및 TFT(박막 트랜지스터)를 사용하는 직접-화상 전송(direct-view transmission)의 또는 투사 디스플레이(projection display)의 디스플레이 성능이 상당히 향상된다. 또한 창유리(windowpane)의 조광에 대해 사용되는 경우, 전압이 인가되지 않는 경우 투명하고 전압이 인가되는 경우 불투명한 페일세이프(failsafe) 조광 창유리가 실현된다.
바람직한 방법에서, 배향층은 기판의 안쪽 표면들 중 적어도 하나 상에 침착된다.
경사 배향을 생성하기 위해 당해 기술 분야에 공지된 임의의 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 특정 방향으로의 액정의 경사 배향은 기판의 안쪽 표면들(inner surface sides) 중 적어도 하나의 배향 처리에 의해 달성될 수 있다. 이후 브러싱 방법을 적용하여 액정 혼합물에 대해 프리-틸트 각을 갖는 배향을 생성한다. 바람직하게는, 배향층은 광 배향성 물질을 포함하며, 여기서, 배향 광으로 적절히 조사될 경우, 프리틸트 각을 갖는 배향이 생성된다.
경사 배향은 또한 전기장 또는 자기장에 의해 달성될 수 있다. 이 경우, 배향층의 배향 처리가 필요하지 않다. 예를 들어, 중합체 전구체를 포함하는 액정 혼합물을 갖는 셀을 중합 개시 전에 외부 자기장 내에서 배향할 수 있다. 바람직하게는, 전기장 및/또는 자기장은 또한 중합 공정 동안 인가된다.
본 출원의 문맥상, 용어 "배향 광"은 광-배향성 물질에 이방성을 유도할 수 있는 광을 의미하며, 상기 광은, 적어도 부분적으로 선형 편광 또는 타원형 편광되고/되거나, 사선 방향(oblique direction)으로부터 광-배향성 물질의 표면에 입사되는 광을 의미할 것이다. 바람직하게는, 배향 광은 5:1 초과의 편광도로 선형 편광된다. 배향 광의 파장, 강도 및 에너지는 광-배향성 물질의 감광도(photosensitivity)에 따라 선택된다.
바람직하게는, 프리틸트 각은 기판의 법선 방향으로부터 0.2° 내지 44.5°의 범위이고, 보다 바람직하게는, 0.2° 내지 10°이며, 가장 바람직하게는, 0.5° 내지 4°이다.
경사가 특정 방향으로 존재하기 때문에, 방위각 배향 방향은 대응하는 인접 기판 상에의 경사 방향의 투사를 의미한다.
두 기판들의 안쪽 표면들이 액정에 대해 특정 방향으로 경사 배향을 유도하도록 처리된 경우, 두 기판들의 방위각 배향 방향들은 서로에 대해 임의의 각일 수 있다. 바람직하게는, 상기 두 배향 방향들 간의 각은 180°이고, 이는, 러빙(rubbing)이 배향 처리로서 사용된 경우, 통상적으로 역-평행 러빙 배향이라고 불린다. 상기 각이 약 90 °인 것이 더욱 바람직하다.
상기 언급된 전극들 중 하나는 반사층으로서 역할을 할 수 있다. 관찰자에 의해 보여지는 상기 장치 뒤쪽에 반사층을 추가하는 것도 가능하다.
바람직하게는, 상기 언급된 중합체는, 바람직하게 아크릴레이트 그룹 또는 메타크릴레이트 그룹을 갖는 일관능성, 이관능성 또는 다관능성 단량체로부터 제조된다. 바람직하게는, 상기 중합체는 상기 액정과 혼화성이어서, 액정 상이 존재하게 할 수 있다.
본 발명에 따른 중합체 함유 산란형 수직 배향(VA) 액정 장치는, 전극들을 갖는 두 기판들 사이에 가두어진(confined) 액정 상을 갖는 조성물을 포함하고, 상기 조성물은, 네거티브 유전율 이방성을 갖는 액정 물질 및 그 안에 분산된 중합체를 포함하고, 상기 액정은 전기장이 인가되지 않는 경우, 기판들에 대한 법선 방향에 대해 프리틸트 각을 갖는다. 임의의 추가 층이 없는 경우, 특히 추가 편광자가 없는 경우, 가시광선에 대한 투과율은, 전압이 인가되지 않는 경우에는 바람직하게는 90% 초과이고, 적절한 전압 인가시에는 상기 장치가 산란 상태로 된다. 상기 장치의 성질들은 바람직하게는, 적절한 전압을 조절함으로써, 입사 방향에 따라 시준되는(collimated) 입사광에 대한 투과율이 30% 미만으로 달성될 수 있게 된다.
본 발명에 따른 중합체 함유 산란형 수직 배향(VA) 액정 장치는 상기 방법들 중 하나에 따라 바람직하게 제조된다.
본 발명은 첨부된 도면에 의해 추가로 예시된다. 다양한 피쳐(feature)들이 축척(scale)에 따라 도시되지 않았다는 것을 강조한다. 특히 도면에서 묘사된 중합체의 크기와 형태는 어떤식으로든 중합체의 분자량 또는 공간적인 배치 형태(conformation)를 제한하지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 중합체 함유 산란형 수직 배향(VA) 액정 장치의 섹션(section)을 나타내는 개략도이며, 도 1(a)는 전기장이 인가되지 않은 경우의 작동 상태를 나타내고, 도 1(b)는 전기장이 인가된 경우의 작동 상태를 나타낸다.
도 2는 도 1의 장치의 양면(both sides) 상에 추가 편광자를 갖는 장치를 나타낸다.
도 3은 실시예 1의 중합체 함유 산란형 액정 장치의 전기광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 실시예 2의 중합체 함유 산란형 액정 장치의 전기광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 비교 실시예 1의 중합체 함유 산란형 액정 장치의 전기광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 비교 실시예 2의 중합체 함유 산란형 액정 장치의 전기광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 비교 실시예 1에서 전압이 인가된 경우의 스위칭 과정에 대한 모식도(도 7a) 및 실시예 1에서 전압이 인가된 경우의 스위칭 과정에 대한 모식도(도 7b)이다.
본 발명에 따른 중합체 함유 산란형 액정 장치의 실시 형태를 도 1(a)에 도시한다. 액정 물질(104) 및 중합체(105)를 포함하는 액정 중합체 복합층(109)은 투명한 두 기판들(101 및 108) 사이에 샌드위칭(sandwiching)된다. 액정 물질(104)은 네거티브 유전율 이방성을 가지며, 기판에 대한 수직 방향으로부터 약간 경사진 방향으로 배향된다. 바람직하게는, 상기 중합체 또한, 기판에 대한 수직 방향으로부터 약간 경사진 방향으로 배향된다. 중합체(105)는 액정 물질(104)에 용해되거나 또는 분산된 중합체 전구체의 중합에 의해 제조되었다. 중합 동안, 온도는 상기 액정 물질 및 상기 중합체 전구체를 포함하는 혼합물의 투명점보다 높았다. 바람직하게는, 상기 중합체 전구체는 상기 액정 물질(104)과 혼화성이다. 바람직하게는, 상기 혼합물 내 중합체 전구체의 농도는, 10중량% 미만, 보다 바람직하게는 3중량% 미만, 가장 바람직하게는 2중량% 미만이다.
상기 두 기판들(101 및 108)은 안쪽 표면들에서, 각각 투명 전극(102 및 107)을 가지며, 배향 필름(103 및 106)이 투명 전극(102 및 107) 상에 각각 추가로 형성된다. 상기 전극을 포함하는 기판 및 상기 배향 필름은 각각, 코팅된 기판(110 및 111)을 형성한다. 액정 물질(104) 및 중합체(105)는 코팅된 기판들(110 및 111) 사이에 밀봉된다. 기판(101 및 108)의 수직 방향으로부터 약간 경사진 방향으로 배향을 일으키기 위하여 배향 필름(103 및 106)에 배향 처리를 적용한다.
도 1(a)에 도시한 바와 같이 전기장이 인가되지 않을 경우, 액정 물질(104) 및 바람직하게는 중합체(105) 또한, 기판에 대한 수직 방향으로부터 약간 경사진 방향으로 평행하게 위치한다. 이러한 상태에서, 굴절률에 국소 변화가 없기 때문에 상기 장치는 투명하다. 투명 전극(102 및 107)에 전압이 인가되는 경우, 액정(104)이 기판에 대해 평행한 방향을 향해 추가적으로 경사지기 시작하고, 동시에 상기 중합체가 전기장 방향으로 움직이기 시작해서 액정 분자들과 충돌하고, 이는 광 산란 상태를 야기하여, 상기 장치가 혼탁해진다.
상기 장치는, 인가되는 전압이 없는 경우에는 투명한 상태이고, 적절한 전압이 인가되는 경우에는 산란 상태이기 때문에, 투명 상태로부터 불투명 상태 또는 반투명 상태로의 스위칭이 가능하고, 이는 상이한 밝기 레벨들을 제공한다. 따라서, 도 1의 투명 장치에 대해, 밝기 상태는 투과 상태이고, 이는 도 1(a)에 상응하고, 반면 불투명 상태는 도 1(b)에 상응한다.
바람직하게는, 상기 장치는 하나 또는 두개의 편광자를 추가로 포함하며, 이는 보다 높은 콘트라스트의 이점을 가진다. 도 1의 투과 장치에 대해, 도 2에 도시한 바와 같이, 편광자(113 및 114)가 상기 장치의 양면 상에 배열될 수 있다. 바람직하게는, 도면 평면 내에서의 한 방향에 대해 화살표(115)로 그리고 도면 평면에 대해 수직인 방향에 대해 원(116)으로 표시한 바와 같이, 두 편광자의 편광 방향은 서로 교차된다. 예를 들면, 도 2(a)의 상부로부터 수직으로 입사되는 광은, 편광자(113)에 의해 방향(115)에 따른 편광 방향으로 선형 편광된다. 도 2(a)에서와 같이, 전압이 장치에 인가되지 않는 한, 수직 배향 액정 물질은 상기 광의 편광 상태를 전환하지 않으며, 따라서, 복합층(109)을 통과한 후의 광의 편광 방향은 여전히 방향(115)에 따르고, 따라서, 이는 편광자(114)에 의해 차단된다. 따라서, 도 2(a)는 어두운 상태(dark state)에 상응한다.
도 2(b)에 도시한 바와 같이, 적절한 전압이 전극에 인가되는 경우, 상기 복합층은 산란 모드로 전환한다. 도 2(a)의 상부로부터 입사되는 광은 편광자(113)에 의해 방향(115)에 따른 편광 방향으로 선형 편광된다. 상기 복합층에서 광이 산란되고, 이것은, 산란 효율에 따라, 동시에 상기 광을 탈편광(depolarization)시킨다. 보다 높은 전압이 인가될 때 산란이 보다 강력해지기 때문에, 증가하는 전압에 따라 탈편광이 최대치까지 증가한다. 그 결과, 탈편광된 광은 하부에서 편광자(114)를 부분적으로 통과할 수 있다. 최대 투과율로 전압이 인가되면, 도 2(b)는 밝은 상태(bright state)에 상응한다. 중간 전압으로, 어두운 상태와 밝은 상태 사이의 임의의 그레이 레벨을 조정할 수 있다. 도 2(a)의 오프 상태(off state)에서의 광 투과율은 주로, 편광자의 소광비(extinction ratio)에 의존하기 때문에, 매우 높은 콘트라스트가 달성될 수 있다. 광이 사선 방향으로 입사될 경우, 오프 상태에서의 수직 배향된 액정 물질의 굴절률 이방성(도 2a)은 광의 편광 상태의 전환을 야기하며, 그 결과로 광의 일부가 편광자(114)를 통과할 수 있고, 이것이 사선 방향 입사광에 대한 콘트라스트를 감소시킨다. 사선 방향 입사광에 대한 성능을 향상시키기 위해, 보상 포일(compensation foil), 예를 들면, 네거티브-c-플레이트(negative c-plate)가, 시판되는 수직 배향 다중-도메인 LCD에서 수행되는 방식과 동일한 방식으로, 편광자(113)과 편광자(114) 사이의 어느 곳에나 삽입될 수 있다. 바람직하게는, 보상층은, 기판(108)과 편광자(113) 사이 및/또는 기판(101)과 편광자(114) 사이에 존재한다. 전압이 인가될 경우(도 2(b)), 사선 방향 입사광은 높은 대칭성(symmetry)으로 산란되며, 이는 시야각(viewing angle)에 대한 밝기(brightness)의 강한 의존도가 없다고 하는 효과를 가진다. 따라서, 두 개의 교차된 편광자를 갖는 산란형 수직 배향(VA)-LCD(도 2)는, 공지된 다중-도메인 VA-LCD에서 수행되는 복잡한 픽셀 서브디비젼(complex pixel subdivision)의 필요 없이 대칭 시야각 성능(symmetric viewing angle performance)을 제공한다. 이러한 이점은 감소되는 복잡성에 따른 감소되는 생산 비용으로 이어진다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 상기 장치가 반사 모드로 작동될 수 있도록, 반사기가 관측자 측 맞은편의 기판 상에 배열된다. 반사기는 관측자로부터 보이는 기판의 앞 또는 뒤에 배치될 수 있다. 바람직하게는, 전극이 반사기로서 형성된다. 반사기가 복합층(109)과, 기판들 중 하나와의 사이에 배치될 경우, 상기 기판은 불투명할 수 있다.
본 발명을 하기 실시예에 의해 보다 구체적으로 설명한다.:
실시예 1
두 기판들(101 및 108)의 표면 상에, 투명 전도 필름 ITO(인듐 주석 산화물)을 스퍼터링(sputtering) 방법에 의해 형성한다. 전극 상부에 수직 배향을 위한 물질 4811(Nissan Chemical Industries, Ltd.로부터 입수 가능함)을 스핀 코터(spin coater)를 사용하여 코팅한다. 코팅된 기판(110 및 111)을 핫플레이트 상에서 80℃에서 60초 동안 프리베이킹하고, 이어서 오븐에서 200℃에서 40분 동안 베이킹한다. 이에 따라, 약 100nm의 두께를 각각 갖는 수직 배향을 위한 배향 필름(103 및 106)이 형성된다. 직경이 30mm이고 압력이 약 40g으로 설정된 롤러 상에 폴리에스테르 부직포 직물(섬유 길이: 2.0 mm)이 권취되어 있는 러빙 장비를 사용하여 배향 필름(103 및 106)의 표면을 10회 러빙 처리한다. 코팅된 기판(110) 상에 직경이 3㎛인 스페이서들을 스프레딩하고, 상기 기판(110)의 바깥 주변부 상에 이성분계(binary) 에폭시 접착제를 코팅하고, 코팅된 기판(110 및 111)을 셀 두께가 3㎛가 되도록 고정한다.
액정(104)으로서, No. 820050(LCC Corporation으로부터 입수 가능함), NI 점(네마틱-등방성 전이 온도) 100.5℃, 유전율 이방성 Δε=-5.69가 사용된다. 중합체 전구체로서, UV 경화성 이관능성 단량체
Figure 112017046783189-pct00001
를, 상기 액정과 상기 중합체 전구체를 포함하는 혼합물을 기준으로 하여, 0.7 내지 2.0중량%의 양으로 첨가한다. 중합 개시제로서, 이르가큐어(Irgacure) 907(BASF AG로부터 입수 가능함)를, 상기 이관능성 단량체의 양을 기준으로 하여, 15중량%의 양으로 첨가한다. 상기 액정, 상기 광-중합성 단량체 및 상기 중합 개시제의 혼합물을 모세관힘을 이용하여 기판들(101 및 108) 사이의 공간으로 주입한다. 액정 셀을 핫 플레이트 위에 위치시키고, 이의 온도는 101℃ 내지 103℃ 에서 조절하고, UV 박스(KENIS Ltd.에 의해 제조됨)에서 32분 동안 UV 광선으로 5.0mW/cm2(352nm)의 강도로 조사하고, 이때 중합체 전구체의 중합에 의해 중합체(105)가 형성된다.
상기한 바에 따라 제조된 장치의 작동 원리는 하기에서와 같이 설명될 수 있다. 도 1에 도시된 액정(104) 및 중합체(105)는 유사한 굴절률 이방성을 나타내고, 배향 방향에 대한 평행 방향에서의 굴절률은 약 1.52이고, 배향 방향에 대한 수직 방향에서의 굴절률은 약 1.73이다. 따라서, 도 1(a)에 도시된 바와 같이, 전기장이 인가되지 않을 경우, 액정(104) 및 중합체(105)는 동일 방향으로 배향되고, 굴절률은 1.52로 동일하고, 따라서 광은 산란되지 않고 장치는 투명하다.
대조적으로, 도 1(b)에 도시된 바와 같이, AC 전기장이 전극들(102 및 107) 사이에 인가될 경우, 상기 표면 상에 침착된 중합체(105)의 상기 방향은 여전히 변하지 않고 유지되지만, 액정(104)이 상기 전기장의 방향과 교차하는 방향으로 회전하기 시작한다. 이러한 경우에, 효과적인 굴절률은 약 1.73으로 증가하고, 상기 표면 상에 침착된 중합체의 굴절률 1.52로부터 약 0.21의 굴절률 차이가 발생한다. 또한, 상기 액정에 분산된 중합체(105)가 상기 전기장에 대해 움직이기 시작하고, 상기 분자 움직임이 액정 분자들과의 충돌을 야기하여 동적 산란을 발생시킨다. 따라서, 상기 표면에서의 중합체(105)와 액정(104) 사이의 굴절률 차이로 인한 산란 및 중합체(105)와 액정(104)의 충돌로 인한 동적 산란 둘 다가 발생한다.
이관능성 단량체 0.7중량%를 포함하는 액정 혼합물을 사용하여 제조된 상기 장치의 증가하는 전압 및 감소하는 전압에 대한 전압 투과율 특성은 도 3에 도시되어 있다. 60Hz의 주파수를 갖는 0 내지 11V의 방형파(rectangular wave)를 상기 액정 장치에 인가한다. 투과 강도의 측정과 관련해서는, 액정 장치에 He-Ne 레이저(632.8nm)로 광을 조사하고, 핀 유형 포토다이오드(Pin type photodiode) S3883(Hamamatsu Photonics K.K.)으로 상기 광을 관찰함으로써 산란 강도의 측정을 수행한다. 도 3의 두 곡선으로부터, 실질적으로 히스테리시스 없이, 우수한 디스플레이 성능을 얻을 수 있음을 이해할 수 있다.
실시예 2
실시예 1에서와 같이, 수직 배향 물질 4811(Nissan Chemical Industries, Ltd.)의 층을 전도성 ITO 필름을 갖는 기판(101 및 108) 상에 스핀 코팅에 의해 도포한다. 열 처리 후, 배향 필름(103 및 106)을 10회 러빙 처리한다. 상기 기판(101) 상에 3㎛의 지름을 갖는 스페이서들을 스프레딩하고, 상기 기판(101)의 바깥 주변부 상에 이성분계 에폭시 접착제를 코팅하고, 상기 기판(101 및 102)을 셀 두께가 3㎛가 되도록 고정한다.
액정(104)으로서, No. 820050(LCC Corporation으로부터 입수 가능함), NI 점: 100.5℃, 유전율 이방성 Δε=-5.69가 사용된다. 중합체 전구체로서, UV 경화성 일관능성 단량체
Figure 112017046783189-pct00002
를, 상기 액정과 상기 중합체 전구체를 포함하는 혼합물을 기준으로 하여, 0.7 내지 2.0중량%의 양으로 첨가한다. 중합 개시제로서, 이르가큐어 907(BASF AG로부터 입수 가능함)를, 상기 일관능성 단량체의 양을 기준으로 하여, 15중량%의 양으로 첨가한다. 상기 액정, 상기 광-중합성 단량체 및 상기 중합 개시제의 혼합물을 모세관힘을 이용하여 기판들(101 및 108) 사이의 공간으로 주입한다. 액정 셀을 101℃ 내지 103℃ 온도에서 핫 플레이트 위에 위치시키고, UV 박스(KENIS Ltd.에 의해 제조됨)에서 32분 동안 UV 광선으로 5.0 mW/cm2(352nm)의 강도로 조사한다.
일관능성 단량체 0.7중량%를 포함하는 액정 혼합물을 사용하여 제조된 상기 장치의 증가하는 전압 및 감소하는 전압에 대한 전압 투과율 특성은 도 4에 도시되어 있다. 60Hz의 주파수를 갖는 0 내지 11V의 방형파를 액정 장치에 인가한다. 투과 강도의 측정과 관련해서는, 액정 장치에 He-Ne 레이저(632.8nm)로 광을 조사하고, 핀 유형 포토다이오드 S3883(Hamamatsu Photonics K.K.)으로 상기 광을 관찰함으로써 산란 강도의 측정을 수행한다. 도 4의 두 곡선으로부터, 실질적으로 히스테리시스 없이, 우수한 디스플레이 성능을 얻을 수 있음을 이해할 수 있다.
비교 실시예 1
실시예 1에서와 동일한 물질들이 사용되며, 배향 필름의 표면에 배향을 부여하는 러빙 처리를 실시하지 않는 것을 제외하고는 동일한 제조 방법을 사용한다. 즉, 두 기판들(101 및 108)의 표면 상에 투명 전도 필름 ITO(인듐 주석 산화물)을 스퍼터링 방법에 의해 형성한다. 이들 기판(101 및 108)에 수직 배향을 위한 물질 4811(Nissan Chemical Industries, Ltd.로부터 입수 가능함)을 스핀 코터를 사용하여 코팅하고, 코팅된 물질을 핫플레이트 상에서 80℃에서 60초 동안 프리베이킹하고, 이후, 오븐에서 200℃에서 40분 동안 베이킹한다. 이에 따라, 약 100nm의 두께를 각각 갖는 수직 배향을 위한 배향 필름(103 및 106)이 형성된다. 상기 기판(101) 상에 3㎛의 지름을 갖는 스페이서들을 스프레딩하고,상기 기판(101)의 바깥 주변부 상에 이성분계 에폭시 접착제를 코팅하고, 코팅된 기판(101 및 102)을 셀 두께가 3㎛가 되도록 고정한다.
액정(104)으로서, No. 820050(LCC Corporation으로부터 입수 가능함), NI 점: 100.5℃, 유전율 이방성 Δε=-5.69가 사용된다. 중합체 전구체로서, UV 경화성 이관능성 단량체
Figure 112017046783189-pct00003
를, 상기 액정과 상기 중합체 전구체를 포함하는 조성물을 기준으로 하여, 0.7, 1.4 또는 2.0중량%의 양으로 첨가한다. 중합 개시제로서, 이르가큐어 907(BASF AG로부터 입수 가능함)를, 상기 이관능성 단량체의 양을 기준으로 하여, 15중량%의 양으로 첨가한다. 상기 액정, 상기 광-중합성 단량체 및 상기 중합 개시제의 혼합물을 모세관힘을 이용하여 기판들(101 및 108) 사이의 공간으로 주입한다. 액정 셀을 101℃ 내지 103℃ 온도에서 핫플레이트 상에 위치시키고, UV 박스(KENIS Ltd.에 의해 제조됨)에서 32분 동안 UV 광선으로 5.0mW/cm2(352 nm)의 강도로 조사하고, 이때 중합체 전구체의 중합에 의해 중합체(105)가 형성된다.
이관능성 단량체 0.7중량%를 포함하는 액정 혼합물을 사용하여 제조된 상기 장치의 증가하는 전압 및 감소하는 전압에 대한 전압 투과율 특성은 도 5에 도시되어 있다. 60Hz의 주파수를 갖는 0 내지 11V의 방형파를 상기 액정 장치에 인가한다. 투과 강도의 측정과 관련해서는, 액정 장치에 He-Ne 레이저(632.8nm)로 광을 조사하고, 핀 유형 포토다이오드 S3883(Hamamatsu Photonics K.K.)로 상기 광을 관찰함으로써 산란 강도의 측정을 수행한다.
도 3의 실시예 1을 도 5의 비교 실시예 1과 비교하는 경우, 본 발명의 배향 필름의 표면에 경사진 배향을 부여함으로써, 실질적으로 히스테리시스 없이, 디스플레이를 얻을 수 있음을 이해할 수 있다.
비교 실시예 2
실시예 2에서 사용된 것과 동일한 물질들을 당해 비교 실시예를 제조하는데 사용하며, 배향 필름의 표면에 배향을 부여하는 러빙 처리를 실시하지 않는 것을 제외하고는 동일한 제조 방법을 사용한다. 즉, 두 기판들(101 및 108)의 표면 상에 투명 전도 필름 ITO(인듐 주석 산화물)을 스퍼터링 방법에 의해 형성한다. 이들 기판(101 및 108)에 수직 배향을 위한 물질 4811(Nissan Chemical Industries, Ltd.로부터 입수 가능함)의 층을 스핀 코터를 사용하여 코팅하고, 코팅된 물질을 핫 플레이트에서 80℃에서 60초 동안 프리베이킹하고, 이후에, 오븐에서 200℃에서 40분 동안 베이킹한다. 이에 따라, 약 100nm의 두께를 각각 갖는 수직 배향을 위한 배향 필름(103 및 106)이 형성된다. 상기 기판(101) 상에 3㎛의 지름을 갖는 스페이서들을 스프레딩하고, 상기 기판(101)의 바깥 주변부 상에 이성분계 에폭시 접착제를 코팅하고, 기판(101 및 102)을 셀 두께가 3㎛가 되도록 고정한다.
액정(104)으로서, No. 820050(LCC Corporation으로부터 입수 가능함), NI 점 100.5℃, 유전율 이방성 Δε=-5.69 가 사용된다. 중합체 전구체로서, UV 경화성 일관능성 단량체
Figure 112017046783189-pct00004
를, 상기 액정과 상기 중합체 전구체를 포함하는 조성물을 기준으로 하여, 0.7, 1.4 또는 2.0중량%의 양으로 첨가한다. 중합 개시제로서, 이르가큐어 907(BASF AG로부터 입수 가능함)를, 상기 일관능성 단량체의 양을 기준으로 하여, 15중량%의 양으로 첨가한다. 상기 액정, 상기 광-중합성 단량체 및 상기 중합 개시제의 조성물을 모세관힘을 이용하여 기판들(101 및 108) 사이의 공간으로 주입한다. 액정 셀을 101℃ 내지 103℃ 온도에서 핫 플레이트 위에 위치시키고, UV 박스(KENIS Ltd.에 의해 제조됨)에서 32분 동안 UV 광선으로 5.0 mW/cm2(352 nm)의 강도로 조사한다.
일관능성 단량체 0.7중량%를 포함하는 액정 혼합물을 사용하여 제조된 상기 장치의 증가하는 전압 및 감소하는 전압에 대한 전압 투과율 특성은 도 6에 도시되어 있다. 60Hz의 주파수를 갖는 0 내지 11V의 방형파를 상기 액정 장치에 인가한다. 투과 강도의 측정과 관련해서는, 액정 장치에 He-Ne 레이저(632.8nm)로 광을 조사하고, 핀 유형 포토다이오드 S3883(Hamamatsu Photonics K.K.)으로 상기 광을 관찰함으로써 산란 강도의 측정을 수행한다. 도 6은, 전압이 0V로부터 11V로 증가된 경우와 전압이 11V로부터 0V로 감소된 경우의 투과율의 변화를 도시한다. 도 4의 실시예 2를 도 6의 비교 실시예 2와 비교하는 경우, 본 발명의 배향 필름의 표면에 경사진 배향을 부여함으로써, 실질적으로 히스테리시스 없이, 디스플레이를 얻을 수 있음을 이해할 수 있다.
본 발명 및 비교 실시예의 스위칭 과정에 대한 개요가 도 7에 도시되어 있다. 도 7a는 비교 실시예를 나타내고, 여기서 액정 분자들은 기판에 대한 수직으로 배향되어 있다. 또한, 중합체들은, 기판 표면 상에 즉, 배향 필름 상에 상 분리되어 침전된 물질로서 그리고 액정에 분산된 물질로서의 두 가지로 존재한다. AC 전기장이 인가되는 경우, 상기 액정 장치의 내부에서 액정 분자(104)들이, 전기장 방향과 수직 교차하는 방향으로 배향되기 시작한다. 동시에 중합체가 상기 액정의 움직임에 따라 움직이기 시작한다. 그러나, 기판 계면의 액정 분자들은 US 2003'048'401A1에 기술된 바와 같이 표면 상에 침착된 중합체에 의해 고정되어 이들은 거의 움직일 수 없다. 액정 분자들은 바람직한 틸트 방향 없이 기판에 대한 수직으로 배향되어, 액정 장치 내부의 액정의 회전 방향이 한 방향으로 결정되지 않고 무작위한 방향(random direction)들로 회전하기 시작한다. 그 결과, 도 7a(2)에 도시된 바와 같이, 액정 배향에서 불연속점(경사 결함(disclination))(120)이 생성되어, 쉴리렌(Schlieren) 구조가 형성된다. 전압이 추가로 증가하는 경우, 도 7a(3)에 도시된 바와 같이, 전기 유체(electric fluidics) 측면에서 불안정한 상태가 나타나서, 선형 윌리엄스 도메인(linear Williams domain)이 형성된다. 전압이 추가로 증가하는 경우, 도 7a(4)에 도시된 바와 같이, 상기 장치 내부의 상기 중합체의 움직임에 의해 액정 분자의 산란이 유도된다. 히스테리시스의 원인은 도 7a(2)에 도시된 쉴리렌 구조의 형성이고, 불연속점(경사 결함) 형성이 상기 시스템의 에너지 레벨에 의해 결정되므로, 히스테리시스의 원인은 상승 전압 및 하강 전압에서의 불연속점(경사 결함) 형성 전압들의 차이에 기인한다.
도 7b는 본 발명의 스위칭 과정을 도시한다. 액정 분자(104)들은, 기판에 대한 수직 방향으로부터 액정 분자들을 경사시키는 프리틸트 각으로 배향된다. 또한, 중합체(105)는, 비교 실시예들에서와 같이, 기판 표면 상에 즉, 배향 필름 상에 상 분리에 의해 침전된 물질로서 그리고 액정에 분산된 물질로서의 두 가지로 존재한다. AC 전기장이 인가될 경우, 액정 장치 내부에서 액정 분자들은 전기장 방향에 수직 교차하는 방향으로 배향되기 시작한다. 이의 내부에서 중합체는 액정의 움직임에 따라 동시에 움직이기 시작한다. 이때, 기판 계면의 액정 분자들은 US 2003'048'401A1에서 기술된 바와 같이 상기 표면 상에 침착된 중합체에 의해 고정되어, 이들은 거의 움직일 수 없다. 액정 분자들은 기판에 대한 수직방향으로부터 약간 경사지게 배향되어, 액정 장치 내부에서의 액정의 회전 방향이 한 방향으로 결정될 수 있다. 따라서, 액정 장치 내부에서 불연속점(경사 결함)이 발생하지 않아서, 쉴리렌 구조가 형성되지 않는다(도 7b(2)). 전압이 추가로 증가하는 경우, 도 7b(3)에 도시된 바와 같이 전기 유체 측면에서 불안정한 상태가 나타나서, 선형 윌리엄스 도메인이 형성된다. 전압이 추가로 증가하는 경우, 도 7b(4)에 도시된 바와 같이, 상기 장치 내부에서 상기 중합체의 움직임에 의해 액정 분자들의 산란이 유도된다.
상기 본 발명의 실시예들에서, 액정 중합체 복합층 내의 액정 및 중합체를 기판 수직 방향으로부터 특정 방향으로 약간 경사지게 배향시키기 위해 기판 표면을 러빙하는 방법이 사용되었지만, 본 발명은 이것으로 제한되지 않으며, 광-배향, UV선으로 광조사하는 동시에 이에 전기장을 인가하는 PSA 수단 등을 포함하는 임의의 방법이 사용될 수 있다.
상기 본 발명의 실시예들에서, 사용된 바와 같은 광반응성 단량체 대신, 열 중합성 단량체도 사용될 수 있다.
비교 실시예 3
셀은, 동일 물질을 사용하여, 실시예 1과 유사하게 제조되었지만, 완성된(finished) 액정 셀에 대한 광조사가 81℃에서 수행되었다는 차이가 있다. 따라서, 중합 반응은 액정 혼합물의 NI 점(100.5℃) 아래에서 개시되었다.
셀의 전극에 AC 전압이 인가되는 경우, 산란 상태도 관찰될 수 있었지만, 개시 전압(onset voltage)이 실시예 1의 셀의 개시 전압보다 약 3배 더 높았다. 추가로, 산란 효율은 실시예 1에서보다 더 낮았다.

Claims (15)

  1. - 두 기판들(101, 108)에 전극들(102, 107)을 제공하는 단계,
    - 상기 두 기판들을, 상기 기판들 사이에 갭(gap)을 가지면서 서로 마주보는 안쪽 면(inner side) 상에 상기 전극들을 가지도록, 배열함으로써 셀을 제조하는 단계,
    - 상기 셀을 네거티브 유전율 이방성(negative dielectric anisotropy)을 갖는 액정 물질(104) 및 중합체 전구체를 포함하는 액정 혼합물로 충전하는 단계로서, 상기 액정 혼합물 내의 중합체 전구체의 농도가 10중량% 미만인, 상기 충전 단계,
    - 상기 셀을 상기 액정 혼합물로 충전하기 전 또는 후에 상기 액정 혼합물에 대해 배향 처리를 적용하여, 상기 액정 혼합물이 상기 기판들에 대한 법선 방향(normal direction)으로부터 경사진 프리틸트 각(pretilt angle)으로 배향되도록 하는 단계, 및
    - 상기 액정 혼합물의 투명점(clearing temperature)보다 더 높은 온도에서 상기 중합체 전구체를 중합하는 단계를 포함하는, 중합체 함유 산란형 액정 장치의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 셀이 제조되기 전에, 수직 배향을 위한 배향층(103, 106)이 적어도 상기 기판들(101, 108) 중 하나 상에 형성되는, 중합체 함유 산란형 액정 장치의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 셀이 제조되기 전에, 러빙(rubbing) 처리가 적어도 상기 기판들 중 하나 상에 적용되어 상기 배향층(103, 106)에서 프리틸트 각을 갖는 배향을 생성하는, 중합체 함유 산란형 액정 장치의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 셀이 제조되기 전에, 수직 배향을 위한 광-배향층이 적어도 상기 기판들(101, 108) 중 하나 상에 형성되며, 또 다른 단계에서 상기 광-배향층이 배향 광에 노광되어 상기 광-배향층에서 프리틸트 각을 갖는 배향이 생성되는, 중합체 함유 산란형 액정 장치의 제조 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 액정 혼합물이 상기 셀에 충전된 후에, 전기장 또는 자기장이 사용되어 상기 기판들에 대한 법선 방향에 대한 프리틸트 각을 갖는 상기 액정 물질(104)의 경사 배향을 생성하는, 중합체 함유 산란형 액정 장치의 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판들에 대한 법선 방향에 대한 상기 프리틸트 각이 0.2 ° 내지 10° 사이인, 중합체 함유 산란형 액정 장치의 제조 방법.
  7. - 두 기판들 사이에 가두어진(confined) 액정 상을 갖는 복합층(composite layer)(109)으로서, 네거티브 유전율 이방성을 갖는 액정 물질(104) 및 그 안에 분산된 중합체(105)를 포함하는 상기 복합층(109),
    - 전기장이 인가되지 않는 경우, 수직 방향(vertical direction)에 대해 프리틸트 각을 갖는 액정
    을 포함하는, 중합체 함유 산란형 액정 장치로서,
    상기 장치가 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 방법을 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는, 중합체 함유 산란형 액정 장치.
  8. 제7항에 있어서, 임의의 추가 층 없이 측정되는 경우, 전압이 인가되지 않는 경우에는 상기 장치가 가시광선에 대한 투과율이 90%를 초과하고, 전압 인가 시에는 상기 장치가 산란 상태로 되는 것을 특징으로 하는, 중합체 함유 산란형 액정 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 중합체(105)가 일관능성, 이관능성 또는 다관능성 아크릴레이트로부터 제조되는, 중합체 함유 산란형 액정 장치.
  10. 제7항에 있어서, 상기 중합체(105)가 상기 액정 물질(104)로부터 상 분리되는, 중합체 함유 산란형 액정 장치.
  11. 제7항에 있어서, 전압이 상기 전극에 인가되는 경우, 상기 장치가 입사광에 대해 산란 상태로 전환되는, 중합체 함유 산란형 액정 장치.
  12. 제7항에 있어서, 편광자(113, 114)가 셀의 각 면(side)에 부착되는, 중합체 함유 산란형 액정 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 편광자(113, 114)가 서로에 대해 수직인 편광 방향으로 부착되는, 중합체 함유 산란형 액정 장치.
  14. 제7항에 있어서, 반사기(reflector)를 추가로 포함하는, 중합체 함유 산란형 액정 장치.
  15. 제14항에 있어서, 추가 편광자(113, 114)에 의해 특징지어지는, 중합체 함유 산란형 액정 장치.
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