KR20000005473A - 액정 디바이스 - Google Patents

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칼 버논 브라운
이안 찰스 세이즈
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스켈튼 스테픈 리차드
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Abstract

본 발명의 액정 디바이스는 두 개의 셀 벽 사이에 함유된 네마틱 또는 롱 피치 콜레스트릭 액정 재료를 포함한다. 하나의 벽(A)은 액정 분자에 대해 표면이 예비경사를 갖던 갖지 않던 제 1 방위각 정렬을 제공하는 표면 처리가 수반된다. 다른 벽(B)은 액정 분자 정렬에 따라 액정에 인접한 제 2 정렬 방향의 실질적으로 호미어트로픽인 정렬 양쪽 모두를 독립적으로 제공할 수 있는 표면처리(17)를 수반한다. 제 1 및 제 2 정렬 방향은 거의 직교이다. 디바이스는 예로서, x, y 매트릭스 어레이 등의 독립적으로 어드레스 할 수 있는 화소의 배열로 형성된다. 각 화소는 예로서 박막 트랜지스터 등의 액티브 매트릭스를 경유하여 어드레스될 수 있거나, rms.로 어드레스 될 수 있다. 폴러라이저는 그 폴러리제이션 축이 두 개의 방위각 방향에 수직 또는 평행하게된 상태로 배열될 수 있다. 선택적으로 소정량의 2색성 염료가 액정 재료에 편입될 수 있고, 디바이스는 하나 또는 두 개의 폴러라이저로 작동된다. 디바이스는 두 개의 상이한 전압 레벨 사이에서 작동하고, 상기 레벨중 하나는 트위스트되지 않은 액정 분자 배열을 제공하며, 나머지 높은 전압은 트위스트된 분자 배열을 제공한다. 두 개의 폴로라이저 또는 염료와 폴로라이저의 조합은 트위스트된 네마틱 디바이스에 관한 종래 기술의 그것과 동일한 방식으로 두 개의 분자 배열 사이를 분별한다.

Description

액정 디바이스
액정 디바이스는 일반적으로 셀(cell) 벽 사이에 함유된 얇은 액정 재료층으로 구성된다. 벽상의 광학적 투명 전극 구조가 층을 가로질러 전기장을 적용하여 액정 분자를 재배열시킨다.
액정 재료의 공지된 형태는 각각 상이한 분자 배열을 가지고 있는 네마틱(nematic), 콜레스트릭(cholesteric), 스메틱(smectic)의 세가지 형태가 있다. 본 발명은 네마틱 제료를 사용한 디바이스에 관한 것이다.
표시장치에 다수의 어드레서블(addressable) 소자를 제공하기 위해서, 하나의 셀 벽상에 일련의 열(row) 전극으로서의 전극을 만들고, 나머지 셀 벽상에 일련의 행(column) 전극으로서의 전극을 만드는 것이 일반적이다. 이들은 예로서, 어드레서블 소자 또는 화소의 x, y 매트릭스를 형성하고, 트위스티드(twisted) 네마틱 디바이스에서는 일반적으로 rms. 어드레싱 방법을 사용하여 어드레스된다.
트위스티드 네마틱 및 위상 변환 디바이스는 적절한 전류가 적용될 때 온 상태로 스위치되고, 적용된 전압이 하부 전압 레벨 이하로 하강될 때 오프 상태로 스위치된다. 즉, 이들 디바이스는 모노스테이블(monostable)하다. 트위스티드 네마틱형 디바이스(US 4,596,446호에서는 90°또는 270°트위스트)에서, rms. 어드레싱 방법으로 어드레스할 수 있는 소자의 수는 디바이스 트랜스미션 버시스 전압 곡선(device transmission verses voltage curve)의 경사도(steepness)에 의해 제한된다(IEEE Trans ED vol ED 21, (1974) P.146 - 155에서 알트(Alt) 및 플레쉬코(Pleschko)에 의해 기술된 바와 같이).
화소의 수를 향상시키기 위한 하나의 방법은 각 화소에 인접하게 박막 트렌지스터를 편입하는 것이고, 이런 표시장치는 액티브 스위칭 소자로 지칭되며 액티브 매트릭스 표시장치 같은 스위칭 소자를 포함한다.
네마틱형 디바이스의 장점은 비교적 낮은 전압 조건이다. 또한, 기계적으로 안정하며 작동 온도 범위가 넓다. 이는 소형 휴대용 배터리 전원의 표시장치를 구성할수 있도록 해준다.
상술한 디바이스의 주된 단점은 하기된 바와 같다. 90°트위스티드 네마틱은 시각적(viewing) 특성이 열악하여 특정 방위각의 방향에서 높은 입사각으로 디바이스를 보았을대 대비(contrast)의 손실이 유발된다. 더욱이, 이들 방위에서 그레이스케일 반전(grayscale inversion)이 발생한다. 낮은 경사도의 90°트위스티드 네마틱은 180°- 270°로 트위스트 각도를 증가시킴에 의해 개선될 수 있다. 그러나, 이는 일반적으로 시각적 특성을 향상시키지는 못한다. 또한, 양쪽 형태의 디바이스 모두는 온 및 오프 상태 사이의 네마틱 경사의 차이가 커서 화소 캐패시턴스에 변화를 유발하고, 이것이 다른 화소와의 혼선 문제를 유발할 수 있다.
본 발명은 네마틱(nematic) 액정 디바이스의 정렬(alignment) 및 스위칭에 관한 것이다.
도 1은 매트릭스 복합 어드레스드 액정 표시장치의 평면도.
도 2는 도 1의 표시장치의 단면도.
도 3은 박막 트랜지스터의 매트릭스와 두 세트의 직교 어드레싱 전극을 가지는 하나의 셀 벽을 화소 전극에 의해 형성된 화소와 함께 도시하는 개략적인 도면.
도 4는 도 3의 셀 벽과 함께 사용하기위한 시트(sheet) 전극을 가진 제 2 벽의 개략적인 도면.
도 5a, 5b 및 5c는 디바이스 작동의 원리를 도시하는 도면.
도 6은 디바이스 셀용 전압의 함수로써 캐패시턴스(점선)과 트랜스미션(실선)을 도시하는 도면.
도 7은 몇몇의 상이한 격자 홈 깊이를 위한 전압의 함수로써 디바이스의 트랜스미션을 도시하는 도면.
도 8은 깊은 격자 홈을 가진 셀에 대한 시각 방향의 함수로써 대비 비율을 도시하는 도면.
도 9은 깊은 격자 홈을 가진 셀을 위한 시각 방향의 함수로써 대비 비율을 도시하는 도면.
도 10은 액정 재료 층 두께의 함수로써 스위칭 시간을 도시하는 도면.
본 발명에 따라서, 재료 또는 피복 재료 방향의 방위각 정렬(azimuthal alignment)을 포함하는 표면 처리를 하나의 셀 벽상에 수행함으로써 상술한 단점이 극복되고, 이는 일반적으로 네마틱 디렉터(director)의 호미어트로픽 지향성(homeotropic orientation)과 함께 다른 셀 벽상에 균질의(homogeneous) 정렬을 제공하는 정렬 처리를 유도한다. 액정 재료는 음의 유전 이방성(negative dielectric anisotropy)을 갖는다. 이 디바이스는 VCT(voltage controlled twist device) 배열이라 지칭된다. 이는 급격한 광학적 응답(steep optical response)을 가능하게 하고 매우 개선된 시각적 특성을 얻게 해준다. 더욱이, 화소가 스위칭되었을 때 화소 캐패시턴스에 단지 작은 변화만을 발생시키고, 이것이 액티브 매트릭스 어드레싱을 개선시키며 rms. 어드레싱의 혼선을 감소시킨다.
본 발명에 따른 액정 디바이스는 음의 유전 이방성을 가지는 네마틱 또는 카이럴(chiral) 네마틱 액정층과, 이격되고, 인접한 액정을 정렬시키도록 각각 처리되며, 액정층에 전기장을 적용할 수 있도록 전극 또는 다른 수단을 가지는 두 개의 수용벽(containing wall)과, 두 개의 상이한 광학적 상태를 분별할 수 있는 수단을 포함하고, 한쪽 셀에서의 정렬 표면 처리는 한정된 방위각의 제 1 정렬 방향으로 액정을 실질적으로 평면 또는 경사지게 정렬하며, 제 2 셀벽에서의 정렬 표면 처리는 적합하게는 인접한 액정의 실질적으로 호미어트로픽인 정렬과 액정 분자의 배열에 따라서 인접한 액정에 대해 규정된 방위각의 제 2 정렬 방향의 양자를 독립적으로 제공하며, 제 1 및 제 2 방위각 정렬 방향은 서로에 대한 각도가 0이 아니며, 액정 재료가 트위스트된 분자 배열과 실질적으로 트위스트되지 않은 분자 뱉열을 공급된 전기장에 따라서 채택할 수 있도록 배열되는 것을 특징으로 한다.
제 1 및 제 2 방위각 정렬 방향은 실질적으로 수직 또는 수직의 10°이내이다. 폴러라이저(polarisers) 광축은 직교 또는 직교의 대략 10°이내이다. 부가적으로, 두 개의 폴러라이저는 장치의 두 개의 상태 사이에서 최대 대비를 얻도록 셀에 대해 회전될 수 있다.
상기 제 2 셀 벽에서의 정렬은 릴리프 격자 구조(relief grating structure)와 관련하여 일반적으로 호미어트로픽 정렬을 제공하는 정렬 처리를 포함할 수 있다. 격자는 대칭 또는 비대칭 프로파일일 수 있고, 홈 깊이 및/또는 피치는 일정하거나, 화소들 사이 또는 하나의 화소내에서 변할 수 있다. 더욱이, 격자 홈 방향은 일정하거나, 화소들 사이 또는 하나의 화소 내에서 변할 수 있다. 격자 표면은 하나 이상의 모듈레이션(modulation)을 포함할 수 있다.
상기 제 2 셀 벽에서의 정렬은 일반적으로 러빙(rubbing) 처리된 폴리머와 관련하여, 또는 MgF2등의 발산된 무기층(evaporated inorganic layer)과 관련하여 호미어트로픽 정렬을 제공하는 정렬 처리를 포함할 수 있다.
상기 제 2 셀 벽에서 규정된 방위각 정렬 방향은 이방성 포토액티브 폴리머층에 의해 제공될 수 있다.
격자는 예로서, 1982년 런던의 아카데믹 프레스에서 발행된 엠 씨 휴틀리의 "회절 격자" 95페이지 내지 125페이지(M C Hutley, Diffraction Gratings [Academic Press, London 1982] p95 - 125)와, 1993년 3월의 피직스 월드 제 33호의 에프 혼의 문헌(F Horn, Physics World 33[1993년 3월]) 등에 기재된 바와 같이 포토리소그래픽 공정에 의해 형성된 포토폴리머의 프로파일화된 층일 수있다. 선택적으로, 이중격자가 엠보싱(embossing; M T Gale, J Kane 및 K Knop, J App. Photo Eng, 4, 2, 41(1978), 또는 룰링(ruling; E G Leowen 및 R S Wiley, Proc SPIE, 88(1997))에 의해 형성될 수 있거나, 캐리어층으로부터 전사(transfer)함에 의해 형성될 수 있다.
평면은 격자 또는 러빙 처리된 폴리머 또는 이방성 포토폴리머화된(photopolymerised) 포토폴리머 또는 실질적으로 네마틱 디렉터의 선택된 방위각 방향을 가진 표면에 관하여 평행한(또는 일반적으로 2 내지 15°의 표면 예비 경사) 지향성을 포함하는 소정의 처리일 수 있다.
하나 또는 양쪽 벽상의 정렬은 예로서, MgF2등의 경사 발산(oblique evaporation) 기술에 의해 형성될 수 있다.
전극은 rms.어드레서블 소자 또는 전극 교차부의 표시 화소의 x, y 매트릭스로서 배열된 일련의 열 및 행 전극으로써 형성될 수 있다. 일반적으로, 전극은 20㎛이격되어 있으며 폭은 200㎛이다. 전극은 행 및 열 구동 회로에 의해 어드레스될 수 있다.
선택적으로, 전극은 예로서, r-θ매트릭스 또는 7이나 8 바(bar) 표시 등의 다른 표시 형태로 배열될 수 있다.
셀 벽은 실질적으로 유리 강체판이다. 선택적으로, 하나 또는 양쪽 벽 모두는 예로서, 폴리프로필렌, PET 같은 플라스틱 등의 가요성 재료로 제조될 수 있다.
화소들은 예로서, 박막 트랜지스터(TFT) 같은 액티브 매트릭스 소자 등의 액티브 스위칭 소자의 어레이(array)에 의해 어드레스될 수 있다. 이 경우에, TFT는 하나의 셀 벽의 표면상에 형성되고, 예로서 동일한 셀 벽상의 x, y 전극에 의해 스위치될 수 있으며, 제 2 셀 벽은 그위에 형성된 단일 시트 또는 공통 판 전극을 갖는다. 이들 x, y 전극중 하나는 화소 형상으로 형성된다.
두 개의 다른 광학 상태를 분별하기 위한 수단은 폴러라이저일 수 있다. 선택적으로, 상기 수단은 하나 또는 두 개의 폴러라이저와 함께 액정 재료내에 포함된 소량, 예로서 1 내지 5%의 2색성 염료일 수있다. 일반적으로 염료는 2-4%의 D102(머크; Merck)와 대략 4%의 D6(머크; Merck)이다.
소량의 카이럴 도우펀트(dopant) 또는 콜레스트릭 액정 재료, 예로서 대략 3%의 C15(머크; Merck)가 선택된 트위스트 방향을 부가하도록 네마틱 액정 재료에 첨가될 수 있다.
작동의 원리는 하기와 같다. 필드(field)가 셀에 적용되었을 때, 음의 네마틱 재료는 실질적으로 전체 셀 두께가 트위스트가 없는 평면의 저 경사 상태가 될 때 까지 경사각을 강제적으로 감소시킨다. 필드가 추가적으로 증가되었을때, 평면 형상은 액정이 호미어트로픽 표면내에 함유된 정렬 방향과 상호작용하기 시작할 때 까지 호미어트로픽 표면에 강제적으로 접근시킨다. 만약, 이 정렬 방향이 대향한 평면의 정렬 방향에 평행하지 않다면, 그후, 이 상호작용은 트위스트를 유발한다. 폴러라이저의 적절한 배열과 함께, 이 트위스팅은 광학적 트랜스미션내의 변화를 동반하고, 따라서 디바이스는 광학적 스위치로써 작용한다.
평면이고 트위스트되지 않은(오프) 상태는 만약, 교차된 폴러라이저가 평면 정렬 방향에 수직이고 평행하게 지향된다면 어두움(dark)을 나타낸다. 더욱이, 이 상태는 어떠한 방향으로부터 보더라도 어두움을 나타낸다. 트위스트된(온) 상태는 밝음을 나타낸다. 그러므로, 이 표시 모드는 시각의 방향에 무관하게 높은 대비를 갖게된다. 또한 '오프'에서 '온'으로의 스위칭은 액정 경사각에 최소한의 변화를 유발하며 발생하고, 따라서 캐패시턴스는 크게 변화되지 않는다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조로 실시예를 통해 설명한다.
도 1 및 도 2의 표시장치는 유리벽(3, 4) 사이에 함유된 네마틱 또는 롱 피치(예를들어 피치가 층 두께의 대략 네배 이상인) 콜레스트릭(cholesteric) 액정 재료의 층(2)에 의해 형성된 액정 셀(1)을 포함한다. 이격 링(5)은 상기 벽들을 일반적으로 1 - 6㎛ 이격된 상태로 유지한다. 부가적으로 동일한 치수의 다수의 비드가 정밀한 벽 간격을 유지하기 위해 액정내에 분산 배치될 수 있다. 예를 들어, SnO2또는 ITO인 열 전극(6)인 스트립이 하나의 벽(3)상에 형성되고, 동일하게 행 전극(7)이 나머지 벽(4)상에 형성된다. m-열 및 n-행의 전극은 어드레서블 소자 또는 화소의 m×n 매트릭스를 형성한다. 각 화소는 열과 행 전극의 교차점에 의해 형성된다.
열 드라이버(8)는 각 열 전극(6)에 전압을 공급한다. 동일하게 행 드라이버(9)는 각 행 전극(7)에 전압을 공급한다. 적용 전압의 제어는 전원(11)으로부터의 전압과 클럭(12)으로부터의 타이밍을 수신하는 제어 로직(10)으로부터 수행된다.
셀(1)의 양쪽 측면은 폴러라이저(13, 13'; polariser)이고, 그 편광 축(P)은 하기될 바와 같이 인접한 벽(3, 4)상의 정렬 방향(R)에 실질적으로 평행하고 서로에 관해 교차되도록 배열된다. 부가적으로, 예로서 신장된 폴리머로 제조된 보정층이 액정 층에 인접하게 추가될 수 있다.
부분 반사 미러(16)가 광원(15)과 함께 셀(1)뒤에 배열될 수 있다. 이는 배경 빛이 흐릴 때 후방으로부터 빛나고 반사광속에서 표시장치를 볼수있게 한다. 트랜스미션 디바이스에 있어서, 미러는 생략될 수 있다.
조립에 앞서, 예로서 벽(3)인 셀 벽 중 하나는 정렬 방향과 호미어트로픽 지향성을 모두 제공하도록 격자 구조를 갖는다. 다른 셀 벽(4)은 선택된 정렬 방향을 갖는 평면을 제공하도록 표면처리된다.
마지막으로, 셀은 예로서, EN38(치소; Chisso) 또는 ZLI-4788(머크; Merck) 등의 네마틱 재료로 채워진다.
도 3 및 도 4는 액티브 매트릭스형 표시 장치를 도시하고, 상기 표시장치에서는 하나의 셀 벽(20)이 하나의 소스선(열) 전극(22)과 게이트선(행; 23)에 연결된 박막 트렌지스터(21)를 가지고 있으며, 각 게이트선은 각 TFT(21)의 일부를 형성하도록 위로 연장되는 연장부(24)를 갖는다. 각 TFT에는 화소 전극(25)이 조합되어 있다. 소스와 게이트 전극의 각 교차점에서 작은 전기 절연체(26)는 소스와 게이트 전극 사이를 절연한다. 게이트 전극을 따라 전압을 적용하는 것은 각 화소 전극(25)을 그 조합된 소스 전극에 연결하고, 그에의해 화소 전극 아래에 재료를 충진한다. 제 2 셀 벽(27)은 접지 전위(earth potential)에 연결된 공유 전극(28) 등의 시트를 수반한다. 도 1의 열 및 행 드라이버(8, 9)는 도 3의 소스와 게이트 전극에 연결된다.
디바이스는 선택된 화소를 스위칭함에 의해 표시 정보를 오프 화소의 배경상에 온 상태가 되게 한다(또는 그 반대로 한다). 화소는 선택된 화소 TFT를 도전 조건으로 변환함에 의해 온 상태로 스위치된다. 이것이 접지 전위상에 소스 전극(22)을 연결하는 반면에 TFT를 온으로 변환함에 의해 전압이 배출될 때 까지 남아있는 조합된 화소 전극(25)상에 전압이 나타나게 한다. 온 상태에서 액정 재료와, 화소 전극(25) 및 공유 전극(28)은 캐패시터를 형성하고, 상기 캐패시터는 그 전하를 접지로 배출할때 까지 유지하며, 그러므로, 액정 재료가 그 스위치된 상태와 스위치 되지 않은 상태에서 신뢰성있게 일정한 용량을 가질 필요가 있다.
(제 1 실시예)
벽(3)상의 격자는 유리 마스크상에 크롬을 사용하여 접촉 포토리소그래피에 의해 쉬플리(Shipley) 1805 포토레지스트로 1㎛ 피치(선 0.5㎛, 갭 0.5㎛)를 갖도록 제조된다. 상이한 홈 깊이가 얻어지도록 노출 시간이 조절된다. 이 경우에 0.5mW/cm2의 강도를 가진 수은 램프 소스가 사용된다. 쉬플리 MF319에서 10초간 현상되며 그후 물로 세척된다. 마지막으로 격자를 강한 UV에 노출시키고 160℃에서 구워(bake) 액정이 불용해성을 갖게한다. 셀을 구성하기 이전에, 레시틴 용액으로 격자면을 처리하여 호미어트로픽 표면을 유도한다.
PI32(시바 게이지; Ciba Geigy) 또는 폴리이미드의 표면을 러빙 처리한 층(rubbed layer)이 벽(4)상에 정렬된다. 이 러빙 작업은 예로서, 2 내지 10°의 표면 사전 경사와 정렬 방향 양쪽 모두를 제공한다.
작동의 원리를 도 5a, 도 5b 및 도 5c를 참조로하여 기술한다.
상면(A; 벽 4)은 예비 경사가 형성된 평면 정렬(x 방향으로)을 포함하는 소정의 처리가 되고, 하면(B; 벽 3)은 호미어트로픽 지향성을 유도하도록 계면 활성제로 피복된 격자면이다. 격자 홈은 y 방향을 지시한다. 전압이 V=0일 때, 하이브리드(hybrid) 디렉터 프로파일은 도 5a에 도시된 바와 같다. 전압이 V1으로 상승되었을때, 네마틱(Δ∈ < 0)의 경사는 격자면에 인접한 부분을 제외한 셀의 두께 전체에 걸쳐 낮아지고, 격자면에 인접한 부분은 호미어트로픽 처리 때문에 높은 상태로 남아 있는다(도 5b). 더 높은 전압(V2)에서, 격자홈에 매우 인접한(또는 내에 있는) 네마틱은 평면 지향성으로 구동된다(도 5c). 일단 이것이 발생되면, 표면 근방의 디렉터는 격자(17)의 방위각 앵커링력(anchoring force)에 부딪히게되고, 홈 방향을 따르도록 둘레에서 트위스트된다(y 축). 따라서, 트위스트된 구조가 형성된다.
두 개의 상태는 x 및 y 방향을따라 그 트랜스미션 축과 교차된 폴러라이저(도 1, 도 2) 사이에 셀을 위치시킴에 의해 광학적으로 구분될 수 있다. 이 경우에, V=0 및 V1에서 외형은 어두움을 띄게되고, V2에서는 밝은 상태가 관측된다.
종래의 TN 구조와 마찬가지로, 최대 트랜스미션은 N이 정수일 때 얻어진다.
여기에서, Δn은 네마틱 복굴절(birefringence)이고, d는 셀 갭이며, λ는 작동 파장이다. 동일하게 일반적인 블랙 모드는 x 또는 y 방향 중 한 방향을 따라 평행한 폴러라이저를 사용하여 얻어질 수 있다.
광학적 대비는 V1과 V2사이의 전압을 사용하여 얻어진다. 이 범위에서, 네마틱 디렉터는 실질적으로 평면이고, 그래서 블랙과 화이트 상태 및 중간의 그레이 레벨은 개선되고 대칭적인 시각적 각도 특성을 가지고 얻어진다. 격자 홈 깊이의 변화는 트위스트 상태로 변이가 발생하는 전압에 영향을 미친다. 완전한 평면 구조를 보증하기 위해서는 더 높은 변이 전압이 선택된다. 몇몇의 실험이 하기된 바와 같이 수행되었다.
100초간의 노출로부터 형성된 격자면을 사용하여 하나의 셀이 제조되었다. 이 10㎛ 두께의 셀은 EN38(치소; Chisso)로 충진되었고, 도 5에 도시된 바와 같이 0 전압 상태가 넓혀지는 것은 확인하는 광학적 관찰이 수행되었다. 그후, 아이 응답 트랜스미션(eye response transmission)이 교차된 폴러라이저 사이의 셀에서 측정되었고, 캐패시턴스 데이터가 취해졌다.
도 6의 실선은 V=0에서의 트랜스미션이 낮음을 도시하고 있다. 대략 4V에서 트랜스미션이 상승하기 시작하고 이는 도 5의 V=V1과 V=V2형상 사이의 변이에 대응한다. 더욱이, 결과는 트랜스미션이 상승되기 이전에 캐패시턴스(점선)가 거의 완전히 포화된다는 것을 명백하게 도시한다. 그러므로, 트위스트 변형이 발생하기 이전에 셀 두께의 대부분이 평면이라는 결론을 얻을수 있다. 따라서, VCT내의 그레이스케일은 주로 전압 제어된 트위스트에 기인하고, 그래서 양호한 시각적 특성을 얻을 수 있다. 또한, 데이터는 광학적 스위칭이 캐패시턴스에 단지 작은 변화만을 주면서 발생할 수 있음을 보여준다.
다음의 실험에서, 스위칭 응답상에 미치는 홈 깊이의 영향을 시험하기 위해 몇몇의 셀이 상이한 노출시간으로형성된 격자를 사용하여 제조되었다. 셀은 5㎛의 갭을 갖고 EN38로 충진된다. 도 7은 전압의 함수로서 이들 셀의 광학적 트렌스미션을 도시한다. 예로서, 사용된 홈 깊이는 AFM(atomic force microscopy) 태핑 모드(tapping mode)를 사용하여 측정된다. 곡선은 광학적 임계값이 격자 홈 깊이에 매우 민감하며, 더 깊은 홈(더 긴 노출)이 더 낳은 전압의 임계값을 초래함을 도시한다. 모든 경우에 있어서, 높은 대비 스위칭이 얻어진다(>200:1). 또한, 더 낮은 전압 임계값을 가지는 곡선은 일반적으로 90°TN 디바이스보다 더 가파른 광학적 응답을 나타내고 있다.
디바이스의 작동은 하기와 같이 고려된다. 트위스트 임계 전압의 변화는 격자 홈이 셀내로 연장되는 범위에는 영향을 미치지 않으며, 이는 상기 샘플내의 홈깊이가 양쪽 모두가 셀 갭(5㎛)에 비해 작은 0.085㎛과 0.54㎛사이에서만 변화되기 때문이다. 대신에, 상기한 격자 표면에서의 네마틱의 변형의 크기 및 범위는 고려할 필요가 있다.
격자 표면은 방위각 앵커링 에너지(WΦ)를 부과하고, 상기 방위각 앵커링 에너지는 네마틱 디렉터를 주어진 격자 홈에 평행하게 놓이도록 만든다(D.W. Berreman, Mol. Cryst. Liq. Cryst. V. 23, P.215(1973)).
여기서, a는 홈 깊이이고, L은 격자 피치이다. WΦ는 무한대를 향해 Z방향에 집적된 유닛 면적당 전체 에너지이다. Z방향의 붕괴(decay) 길이는 격자 피치에 비례하고, 거의 격자 홈 깊이에 독립적이다. 따라서, a와 L의 독립적인 조절은 앵커링 에너지와 그 분배의 독립적인 조절을 가능하게 한다.
수학식 1은 격자 표면상의 네마틱의 평면 앵커링을 가진 시스템에 사용된다. VCT 셀에서, 앵커링은 호미어트로픽하고, 그래서 WΦ는 0이다. WΦ가 0이 아닌 값은 필드가 셀에 적용될때에만 발생되고, 그 이유는 필드가 디렉터를 격자 표면에 인접한 평면 지향성이되게 하기 때문이다. 전압이 증가될 때, 평면 지향성은 격자 표면에 더 가까워지도록 강요되고, 그래서 WΦ가 증가된다. 트위스트 임계값은 하기의 경우에 발생된다.
WΦ(V) > Wt
여기에서, Wt는 트위스트 임계 에너지이다. 상술한 논의로부터 네마틱이 셀 두께 대부분에 걸쳐 평면인한 WΦ를 작게 유지하기 위해 더 작은 홈 깊이 또는 더 큰 홈 피치가 선택되고, 따라서 더 넓은 시각적 특성을 초래한다.
나타난 데이터를 고려하면, 도 7의 곡선은 공통 캐패시턴스 곡선(도 6)을 공유하며, 그 이유는 이것이 홈 깊이에 대체로 독립적이기 때문이다. 따라서, 더 얕은 격자(0.085㎛과 0.185㎛)는 광학적 트랜스미션이 상승되기 시작할 때 실질적으로 평면 구조로 구성된다. 그러므로, 이들은 더 깊은 격자로 만들어진 셀 보다 더 양호한 시각적 특성을 가질 것으로 기대된다. 하나는 얕은 홈을 하나는 깊은 홈을 가진 두 개의 VCT 셀에 대해 시각적 특성이 측정되었다.
도 8은 깊은 격자 홈(0.4㎛)을 가진 셀에 대한 시각적 지향성의 함수로서 대비 비율을 도시한다. 대비를 계산하기 위해 사용된 두 개의 데이터 세트는 15V와 임계 전압에서 기록된다. 양호한 시각적 특성은 수직 방향에서 얻어지지만 대비는 수평방향에서 급속히 떨어진다. 실제로 대략 ±20°범위에서 대비는 10:1이하이다. 시각적 데이터의 제 2 세트는 얕은 격자 홈(0.1㎛)을 가진 셀에 대해 도 9에 도시된다. 이 경우에, 시각적 특성은 >10:1의 대비를 가진 실질적으로 전체 시각적 콘(cone)에서 더욱 양호하다. 도 9 및 도 8의 비교는 얕은 홈을 가진 VCT 셀에서 더 양호한 시각적 특성이 얻어짐을 확인할 수 있다.
VCT 스위칭의 응답 시간은 셀 두께의 함수로서 측정된다. 결과가 도 10에 도시된다. 스위칭 시간은 0 내지 15V 스위치에 대해 측정된다. 스위치-온 시간은 1.494의 멱지수(exponent)로 설정되고, 스위치-오프 시간은 2.241의 멱지수를 갖는다. 이들은 TN 디바이스에서 온 및 오프 시간 양족 모두를 측정하는 2차 전력 법칙(quadratic power law)보다 스위치-온 시간은 더 작고, 스위치-오프 시간은 더 크다. 실온에서 VCT에 기록된 가장 빠른 시간은 29ms(ton)와 18ms(toff)이다. 이들은 일반적인 TN 디바이스와 유사하다.
요약하면, 상술한 결과는 VCT 모드가 낮은 캐패시턴스 변화에 대해 급격한 광학적 응답을 제공하고, 양호한 시각적 특성과 함께 신뢰성있는 스위칭 속도를 제공한다는 것을 보여준다.
상술한 셀은 역방향 트위스트 기울기를 나타낼 수 있지만 이는 네마틱에 소량의 카이럴 도우펀트(chiral dopant)를 첨가하거나, 호미어트로픽 표면상에 홈 방향이 평면상의 앵커링 방향에 직교하지 않도록함에 의해 용이하게 제거될 수 있다. 격자 프로파일은 비대칭의 홈 프로파일 또는 하나 이상의 모듈레이션을 포함하는 표면을 사용함에 의해 양호한 시각적 특성을 가진 가장 급혁한 광학적 응답을 달성하도록 최적화될 수 있다. 테스트에서는 홈 깊이와 상술한 셀과 유사한 피치에도 불구하고 홈 프로파일의 큰 비대칭성이 트위스트 임계값을 전체적으로 억제한다는 것이 나타난다.
일반적인 a와 L값은 대략 0.05㎛ 내지 5㎛과 0.10㎛ 내지 10㎛의 범위에서 각각 0.3㎛과 1.0㎛이다.
(제 2 실시예)
또한, VCT 디바이스는 호미어트로픽 표면이 계면활성제로 피복된 러빙 처리된 폴리머이도록 제조될 수 있다. 이런 일종의 디바이스가 하기와 같이 제조된다. AL5417(JSR)는 폴리이미드 재료가 유리가 피복된 ITO상에 스핀 코팅(spin coating)되고, 180℃에서 1시간 동안 구워지며, 러빙 처리된다. 이후, 레시틴 용액(이소프로패놀의 0.1중량%)가 폴리이미드 표면상에 배치되고, 스피닝(spinning)에 의해 제거되기 이전에 60초 동안 방치된다. 그후, 이 표면은 셀로 구성되고, 셀내의 대향면은 레시틴 처리를 하지 않은 문질러진 폴리이미드(AL5417)이다. 러빙 방향은 서로 직교하고, 셀 두께는 6㎛이다. 셀은 등방성 위상에서 EN38(치소; Chisso)로 충진되고, 실온으로 냉각된다.
셀은 러빙 방향을 따라 교차된 폴러라이저가 배치된다. 전압이 적용되었을 때, 전압이 6.5V가 될 때까지 트랜스미션은 낮은상태로 남아 있는다. 6.5V보다 높을 때, 트랜스미션은 증가되고 대략 15V정도에서 실질적으로 포화된다. 이 셀은 양호한 시각적 각도를 가지며 6.5V보다 높은 전압에서 단지 작은 용량 변화만을 나타낸다.

Claims (12)

  1. 음의 유전 이방성(negative dielectric anisotropy)을 가지는 네마틱(nematic) 또는 카이럴 네마틱(chiral nematic) 액정층과,
    이격되고, 인접한 액정을 정렬시키도록 각각 처리되며, 액정층에 전기장을 적용할 수 있도록 전극 또는 다른 수단을 가지는 두 개의 수용벽(containing wall)과,
    두 개의 상이한 광학적 상태를 분별할 수 있는 수단을 포함하는 액정 디바이스에 있어서,
    한쪽 셀(cell) 벽에서의 정렬 표면 처리는 한정된 방위각의 제 1 정렬 방향으로 액정을 실질적으로 평면 또는 경사지게 정렬하며,
    제 2 셀 벽에서의 정렬 표면 처리는 인접한 액정의 실질적으로 호미어트로픽(homeotropic)인 정렬과, 액정 분자의 배열에 따라서 인접한 액정에 대해 규정된 방위각의 제 2 정렬 방향의 양쪽 모두를 독립적으로 제공하며,
    제 1 및 제 2 방위각 정렬 방향은 서로에 대한 각도가 0이 아니며,
    액정 재료가 트위스트된(twisted) 분자 배열과, 실질적으로 트위스트되지 않은 분자 배열을 공급된 전기장에 따라서 채택할 수 있도록 배열되는 것을 특징으로 하는 액정 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서, 두 개의 방위각 정렬(azimuthal alignment) 방향은 수직의 10°이내인 액정 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서, 제 2 셀 벽상의 정렬 표면 처리는 격자(grating) 구조와 호미어트로픽 정렬 처리를 포함하는 액정 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서, 제 2 셀 벽상의 정렬 표면 처리는 러빙 처리된(rubbed) 폴리머와 호미어트로픽 정렬 처리를 포함하는 액정 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서, 제 2 셀 벽상의 정렬 표면 처리는 이방성 포토액티브 폴리머층을 포함하는 액정 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서, 하나의 수용벽상에 스위칭 소자의 액티브 매트릭스를 추가로 포함하는 액정 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서, 두 개의 상이한 광학 상태 사이를 분별하는 수단은 축이 실질적으로 교차되고, 두 개의 방위각 정렬 방향에 평행 또는 수직이되도록 정렬된 두 개의 폴러라이징(polarising) 필름을 포함하는 액정 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서, 두 개의 상이한 광학 상태 사이를 분별하는 수단은 2색성 염료(dichroic dye)와 하나 이상의 폴러라이저를 포함하는 액정 디바이스.
  9. 제 3 항에 있어서, 격자 표면의 형상은 화소들 사이 또는 하나의 화소내에서 변화하는 액정 디바이스.
  10. 제 3 항에 있어서, 격자 표면상의 홈 방향은 일정하거나 화소들 사이 또는 하나의 화소내에서 변화되는 액정 디바이스.
  11. 제 3 항에 있어서, 격자는 비대칭성 홈 프로파일을 갖는 액정 디바이스.
  12. 제 3 항에 있어서, 격자는 하나 이상의 모듈레이션(modulation)을 포함하는 액정 디바이스.
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