KR20010021436A - 액정 디바이스 - Google Patents

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미다라이 후지오
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Abstract

액정 디바이스는 표면에 전극을 각각 구비하는 한쌍의 기판 및 상기 전극들사이에 인가된 전압이 공급되도록 상기 기판들사이에 위치한 액정으로 구성된다. 상기 한쌍의 기판은 평행하나 상호 대향되는 단일축의 배향축을 구비한다. 상기 액정은 온도가 낮아짐에 따라, 각각 등방성 상, 콜레스테릭 상 및 카이랄 스멕틱 C 상의 일련의 상전이 또는 등방성 상 및 카이랄 스멕틱 C 상의 일련의 상전이를 갖는 상을 포함한 카이랄 스멕틱 액정이고, 전압이 인가되지 않는 경우 단안정 상태로 놓여있고, 상기 기판들중 적어도 하나의 기판의 경계선에서 적어도 4도의 프리틸트 각을 나타내는 배향 상태에 놓인다.

Description

액정 디바이스{LIQUID CRYSTAL DEVICE}
본 발명은 플랫-패널(flat-panel) 디스플레이, 투사 디스플레이, 프린터 등에서의 광밸브에 이용하는 액정 디바이스에 관한 것이다.
지금까지 사용되는 네마틱(nematic) 액정 디스플레이 디바이스의 종류로는 화소 마다 액티브 소자(예컨대, 박막 트랜지스터(TFT))가 구비된 액티브 매트릭스형 액정 디바이스가 알려져 있다.
TFT를 사용하는 이와 같은 액티브 매트릭스형 액정 디바이스에 사용되는 네마틱 액정 재료로는 현재로는 M. Schadt와 W. Helfrich의 "Applied Physics Letters", Vol. 18, No. 4(1971. 2. 17), pp. 127-128에 공개된 트위스트 네마틱(twisted nematic : TN) 액정을 널리 사용해 왔었다.
근래에는, 디바이스의 길이 방향으로 인가된 전기장을 이용하는 인-플레인 스위칭 모드(In-Plain Switching mode)의 액정 디바이스 또는 수직 배향 모드(Vertical Alignment mode)의 액정 디바이스가 제안되어 종래의 액정 디바이스에서의 불량한 시야각 특성을 개선하고 있다.
따라서, 네마틱 액정 재료를 이용한 TFT형 액정 디바이스에 적합한 액정 모드는 여러가지가 있다. 그러나 액정 모드가 어떤 것이더라도, 그 모드의 네마틱 액정 디바이스는 응답 속도가 수십 밀리초 이상으로 느리다는 문제가 있었다.
종래 형태의 네마틱 액정 디바이스의 응답 특성을 개선하기 위하여, 쇼트 피치형(short pitch-type) 강유전성 액정, 중합체 안정화 강유전성 액정, 또는 임계(전압)치를 나타내지 않는 반강유전성 액정과 같은 특정의 카이랄 스멕틱(chiral smectic) 액정을 사용하는 액정 디바이스가 몇가지 제안되었다. 이들 장치는 비록 충분히 실용화되지는 않았지만, 응답 특성이 밀리초 이하 정도로서 고속인 것으로 알려져 있다. 또한, 예컨대, 미국 특허 제4,900,132호(일본 특허 제2607380호에 대응), 제4,997,264호(WO87/06020, 일본 특허 제2568236호, 제2562569호, 및 일본 특개평(JP-A) 제7-209676호에 대응), 및 JP-A 6-186566에도 카이랄 스멕틱 액정 디바이스가 제안되어 있다. 그러나, 이들 공보에서는, 사용된 카이랄 스멕틱 액정은 (두 가지(흑과 백) 디스플레이 레벨을 디스플레이하기 위한) 쌍안정(bistable) 상태를 취하기 때문에 계조(階調 :gradation) 디스플레이에는 적합하지 않다. 단안정(monostable) 셀용 계조 디스플레이를 위한 카이랄 스멕틱 액정 디바이스로서는 JP-A 11-125843이 알려져 있는데, 이 공보에서는 층 간격(layer spacing)의 특정 온도 의존성으로 인해 카이랄 스멕틱 C상의 특정 저온 영역에서 카이랄 스멕틱 액정 분자가 쌍안정 상태로부터 단안정화된다. 그러나 이와 같은 단안정화된 셀은 실질적으로 전 카이랄 스멕틱 C상 온도를 포함하는 온도 범위에서는 실제로 사용될 수 없다.
카이랄 스멕틱 액정 디바이스와 관련하여, 본 발명자 연구 그룹은 미국 특허 출원 제09/338426호(1999년 6월 23일 출원)에서와 같은 액정 디바이스를 제안하였는데, 이 공보에서는 카이랄 스멕틱 액정이 등방성 액정(Iso) - 콜레스테릭 상(Ch) - 카이랄 스멕틱 C상(SmC*) 또는 Iso - SmC*의 온도 감소에 따른 상전이 계열을 갖고 있으며 가상 원뿔의 에지 내부의 임의 위치에서 액정 분자가 단안정화되는 기술이 개시되어 있다. Ch - SmC* 또는 Iso - SmC*의 상전이 중에, 예컨대 한 쌍의 기판 사이에 일 극성(+ 또는 -)의 DC 전압을 인가함으로써 액정 분자층이 균일하게 한 방향으로 향하거나 배향되어, 고속 응답성과 계조 제어 성능이 향상되고 동화상 영상 품질이 우수하면서 대량 생산이 가능한 고휘도 액정 디바이스가 구현된다. 이런 종류의 액정 디바이스는 TFT와 같은 액티브 소자와 조합하여 사용되는 것이 유리할 수 있는데, 그 이유는 사용된 액정 재료가 종래의 카이랄 스멕틱 액정 디바이스에서 사용된 것과 비교해 상대적으로 작은 자발 분극을 갖고 있기 때문이다.
전술한 바와 같이, 종래의 네마틱 액정 디바이스의 문제를 해소한다는 의미에서, 즉 응답 속도를 개선시킨다는 의미에서, 본 발명자 연구 그룹이 제안한 카이랄 스멕틱 액정을 이용한 실제 액정 디바이스, 특히 단안정 액정 디바이스의 구현은 고속 응답성과 양호한 계조 디스플레이 성능을 함께 갖춘 고급형 디스플레이에 사용될 것으로 기대된다.
전술한 단안정 액정 디바이스에서는 액정 분자를 쉐브론(chevron) 구조에서 C2 배향 상태로 두기 위하여, 한 쌍의 기판의 단일축의 배향축(uniaxial alignment axis) 방향들(러빙(rubbing) 방향)이 서로 평행하고 동일 방향으로 향해있는 평행 러빙 셀 구조가 이용된다. 그러나 본 발명자들의 실험에 따르면, 전체 액정 패널(셀) 위에 C2 배향 상태를 형성하기가 어려워서 거의 모든 경우에 C1 배향 상태 부분이 생긴다. 그 결과, 패널 표면에 수직한 방향에서 보았을 때 지그-재그 조직(영역)이 관찰되었다. 단안정 액정 디바이스에서는 C2와 C1 배향 영역들 간의 특성차를 피하기 위해서는 낮은 프리틸트(pretilt) 배향막을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 이 경우에는 프리틸트 각이 완전히 0이 되도록 제어되지 않으면 C2와 C1 배향 영역들 간의 특성차의 존재를 피하기 어렵다. 그 결과, 디스플레이 패널 표면 영역 내의 전압-투과(V-T) 특성이 불규칙적으로 되기 쉽다.
이와 같은 V-T 특성의 불규칙성을 방지하기 위해서는, 전술한 낮은 프리틸트 배향막(예컨대, 프리틸트 각 = ca. 3도)이 역평행 러빙 셀과 조합되어 사용된다. 이 역 평행 러빙 셀에서는 한 쌍의 기판의 단일축의 배향축 방향이 서로 평행하나 그 방향이 서로 반대 방향이다. 역평행 러빙 셀에 소정의 배향 제어력이 가해지면, 띠조직이 관찰되고 경사진 서가 구조(이 구조에서는 액정 분자층이 기판에 수직인 방향에 대해 소정의 각도로 경사진다)가 형성된다. 이와 같은 띠구조가 형성되는 경우에는 전술한 C2와 C1 배향 간 특성차로 인한 V -T 특성의 불규칙성이 생기지 않으며, 따라서 전체 패널 상에 균일한 스위칭 특성을 쉽게 제공하게 된다.
띠조직(stripe texture)을 포함하는 상기 배향 상태에 대해 더 연구해 본 바에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이 띠조직 영역(1) 내에서 루프형 영역(2)(약간 두꺼운 선으로 표시)이 자주 관찰되었다. 이 루프형 영역은 전술한 평행 러빙 셀에서와 같은 지그-재그 영역(여기서는 헤어핀(hairpin) 영역과 라이트닝(lightening) 영역이 루프를 형성한다)과는 완전히 다르다. 따라서, 루프형 영역은 경사진 서가 구조에 본질적인 영역인 것으로 추측된다. 루프형 영역(도 1에서의 도면 부호 2)은 루프형 영역을 에워싸는 띠조직 영역(도 1에서의 도면 부호 1)의 소광부(extinct portion : 가장 어두운 상태를 나타냄)와 거의 동일한 소광부를 제공하며, 따라서 흑색 디스플레이 레벨을 증가시키지 않으며 콘트라스트 문제도 없다. 그러나, 루프형 영역에서는, 액정에 반전 전압이 인가되면 V-T 곡선의 기울기가 다른 (띠조직) 부분에서의 그 기울기와는 아주 다르고, 따라서 하프톤(halftone) 상태(중간 디스플레이 상태)에서 화질이 저하된다.
또한, 통상 흑색 모드에서 낮은 프리틸트 배향막을 이용하는 경우에는, (전압 무인가 하에서) 흑색 디스플레이 상태에서도 약간의 광누설이 생긴다. 따라서, 콘트라스트가 근본적으로 증대되지 않게 되고, 그 결과 액정 디바이스는 기껏해야 ca.140의 콘트라스트를 나타내며, 이는 상용 TFT-형 액정 디바이스의 콘트라스트보다 약간 낮은 것이다.
상술한 바와 같이, C1과 C2 배향 상태를 취하는 평행 러빙 셀에서는, (디스플레이) 패널 영역에서의 V-T 특성이 불규칙적이지 않게 하기가 어렵다. 게다가 역평행 러빙 셀에서는, 이러한 V-T 특성의 불규칙성이 관측되지 않았지만 충분히 높은 콘트라스트를 달성한다는 것은 근본적으로 어렵다.
본 발명의 주된 목적은 상기한 문제점을 해결한 액정 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 특정 목적은 액정 분자가 단안정되어 있고 띠 조직를 취하는 배향 상태에서 루프 형상의 영역이 발생하는 것을 방지할 수 있는 액정 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 특정 목적은 디스플레이 패널 영역에서의 V-T 특성의 불규칙성을 억제할 수 있는 단안정화된 액정 디바이스를 제공하여 균일한 반전 동작과 향상된 콘트라스트를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 각각 그 위에 전극이 설치된 한쌍의 기판, 및 전극들간에 인가된 전압을 공급받도록 하기 위해 기판들간에 배치된 액정을 구비하되, 한쌍의 기판에는 평행하지만 방향이 서로 반대인 단일축의 배향축이 제공되며, 액정은 온도 저하시에 등방성 상, 콜레스테릭 상 및 카이랄 스멕틱 C상의 상전이 계열이나, 등방성 상과 카이랄 스멕틱 C상의 상전이 계열을 각각 갖는 카이랄 스멕틱 액정이고, 액정은 전압 인가가 없을 때는 단안정 상태에 있고 그 경계에서 기판중 적어도 하나와 적어도 4도의 프리틸트 각을 나타내는 배향 상태에 있는 것을 특징으로 하는 액정 디바이스가 제공된다.
액정 디바이스에서, 액정은 양호하게는 액정이 전압 인가가 없을 때는 평균 분자축을 제공하여 단안정 배향 상태에 있도록 배향되고, 공급 전압의 크기에 따라 변하는 경사각으로 제1 극성의 전압을 공급받을 때에는, 단안정 배향상태에서 한 방으로 경사지며, 제1 극성과 반대인 제2 극성의 전압을 공급받을 때에는 경사각으로 단안정 배향 상태에서 다른 방향으로 경사지며, 상기 경사각은 제1 및 제2 극성의 전압 인가시에 각각 최대 경사각 β1과 β2를 이루며 β1>β2, 양호하게는 β1 ≥5 × β2를 만족하는 배향 특성을 가질 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 목적, 특성 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 기술된 이하의 본 발명의 양호한 실시예들의 설명을 살펴보면 보다 명백하게 될 것이다.
도 1은 종래의 액정 디바이스에서의 루프형(loop-shaped) 영역을 설명하기 위한 개략도.
도 2는 종래의 액정 디바이스에서의 루프형 영역과 경사진 서가(oblique bookshelf) 구조를 설명하기 위한 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 액정 디바이스의 일 실시예의 개략 단면도.
도 4는 구동 회로와 관련된 본 발명의 액정 디바이스의 액티브 매트릭스 기판의 개략 평면도.
도 5는 도 4에 도시된 액정 디바이스의 일 화소부의 개략 단면도.
도 6은 도 5에 도시된 일 화소부의 등가 회로도.
도 7은 도 4-6에 도시된 액정 디바이스에 대한 구동 파형의 타임 챠트.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11a, 11b : 기판
12a, 12b : 전극
13a, 13b : 절연막
14a, 14b : 배향 제어막
15 : 액정
16 : 스페이서
20 : 액정 디바이스
21 : 주사 신호 구동기
22 : 데이터 신호 구동기
23 : 데이터 신호선
24 : TFT
25 : 화소 전극
26 : 주사 신호선
본 발명에 따른 액정 디바이스에서, 액정이 온도가 저하함에 따라 등방성 (액체) 상(Iso), 콜레스테릭 상(Ch) 및 카이랄 스멕틱 C상(SmC*) 또는 Iso 및 SmC*, 즉 Iso와 SmC* 사이의 스멕틱 A상(SmA)을 포함하지 않는 상전이 계열을 가질 때, 프리틸트 각 α는 적절한 범위, 특히 한쌍의 기판 중 적어도 하나, 양호하게는 둘다에 대해 적어도 4도로 설정됨으로써, 역평행 러빙셀(예를 들어, α=ca.3도)에서와 같이 상기한 루프 형상의 영역의 발생을 효과적으로 억압할 수 있다.
액정 디바이스에서, 액정을 사이에 둔 한쌍의 기판은 단일축의 배향 처리(예를 들면, 러빙 처리)를 한 대향 표면을 가짐으로써, 이들의 단일축의 배향축은 서로 평행하지만 반대 방향이고(즉, 역평행 관계), 따라서 디스플레이 패널에서의 V-T 특성이 불규칙적으로 되는 것을 제거하여 높은 콘트라스트를 제공하게 된다.
본 발명에서, 프리틸트 각 α은 양호하게는 적어도 4도 이상 50도 미만의 범위에 있을 수 있다. 프리틸트 각 α가 적어도 50도인 경우, 그 결과 액정 디바이스의 액정 분자는 기판에 수직으로 배향(버티컬(vertical) 또는 호메오트로픽(homeotropic) 배향)되기 쉽다.
액정의 경계에서 기판과의 프리틸트 각 α가 적어도 4도 이상 10도 미만(4≤α<10)의 범위에 있을 경우, 액정 디바이스의 디스플레이 또는 광변조 영역을 그에 수직한 방향에서 보면, 루프 형상의 영역은 거의 관측되지 않는다. 따라서, 그 결과의 액정 디바이스는 V-T 특성의 불규칙성이 없는 양호한 하프톤 디스플레이 특성 및 양호한 시야각 특성을 나타내는 직시형(direct view-type)의 액정 디스플레이 장치에 사용하는 것이 적합할 수 있다.
프리틸트 각 α가 적어도 10도인 경우에는, 4≤α<10(도)인 경우에 비해, 그 결과의 액정 디바이스는 전 디스플레이 영역에 걸쳐 보다 양호한 균일한 배향 상태를 제공하며, 이와같이 확대 광 시스템(예를 들면, 투사 디스플레이형)을 사용하는 액정 디바이스에 사용하는 것이 특히 적합할 수 있다.
프리틸트 각 α가 20≤α<35(도)의 범위에 있는 경우에는, 루프 형상의 영역을 포함하는 영역이 발생하는 정도가 10≤α<20의 경우에 비해 더욱 최소화된다.
게다가, 35≤α<50의 경우에 비교하면, 20≤α<35를 만족하는 프리틸트 각을 제공하는 액정 디바이스는 제품에서의 액정 분자의 수직 배향 상태의 발생 정도가 감소하기 때문에 대량 생산시 보다 양호한 수율을 나타낸다. 본 발명에서는, 프리틸트 각은 양호하게는 20≤α<35의 범위로 설정될 수 있다.
온도 감소 중에 액정 분자의 층 구조의 제1 형성시에 층 경사각에 영향을 미치는 프리틸트 각의 값을 고려하는 것이 특히 중요하기 때문에, 여기서 α라고 칭한 프리틸트 각은 사용된 액정 재료가 Ch를 나타내는 경우에 Ch(콜레스테릭 상)의 하한 온도에서 측정된 프리틸트 각이거나 SmC*의 상한 온도에서 측정된 프리틸트 각이다.
상기 측정 온도에서, 온도 의존성을 전혀 나타내지 않는 프리틸트 각이나 거의 나타내지 않는 프리틸트 각을 측정하는 것이 어려운 경우에는, 또다른 임의의 온도에서 프리틸트 각을 측정하여도 된다. 또 다르게는, 상기 프리틸트 각 대신에, 본 발명에서 사용된 액정과 동일한 성분을 포함하는 액정 조성물의 Ch 또는 SmC*에서 측정된 프리틸트 각을 채용하는 것도 가능하다.
프리틸트 각(α)의 측정은 Jpn. J. Appl. Phys. vol. 19 (1980), No. 10, Short Notes 2013에 기재된 바와 같은 결정 회전 방법에 따라 실행될 수 있다.
측정을 위해, 서로 평행하지만 반대 방향인 배향 처리 (러빙) 축들이 제공된 (따라서 액정 분자들은 분자층들을 서로 평행하게 형성하도록 경사지고 한 쌍의 기판의 경계에서 동일한 방향으로 경사진다) 역평행 러빙 액정 셀이 배향 처리 축들(러빙 축들)을 포함하고 상기 한쌍의 기판에 직교하는 평면에서 회전시키고, 회전 동안에 회전면에 수직인 방향에서 회전면에 대해 45도의 각을 형성하는 편광면을 갖는 헬륨-네온 레이저 빔을 상기 셀에 조사하였고, 이에 의해 투과된 빛의 강도가 입사 편광면에 평행한 투과축을 갖는 편광기를 통해 대향측으로부터 포토 다이오드에 의해 측정되었다.
프리틸트 각(α)은 다음의 이론적 곡선(a)과 관계(b)에 대해, 간섭에 의해 형성된 투과된 빛의 강도에 대한 스펙트럼의 피팅(fitting)을 행하는 시뮬레이션을 통해 얻어졌다.
여기에서 No는 보통 광선의 굴절률을 나타내고, Ne는 이상 광선의 굴절률을 나타내고, φ는 셀의 회전각을 나타내고, T(φ)는 투과된 광의 강도를 나타내고, d는 셀두께를 나타내고, λ는 입사광의 파장을 나타낸다.
이하에서, 더 작은 프리틸트 각(α)(예를 들어, 4도 이하)을 제공하는 상기 종래의 역평행 러빙 셀에서 관찰되는 루프형 영역을 구체적으로 설명할 것이다.
종래의 역평행 러빙 셀(α＜ 4도)에서의 루프형 영역의 발생은 도 2에 도시된 다른 층 경사 방향(s)을 갖는 경사진 서가 구조에 기인하되, 여기서 2가지 유형의 스멕틱(분자) 층(3A, 3B)이 한 쌍의 기판(4) 사이에 형성되어 기판 표면(또는 디스플레이 패널 영역)에 수직하는 방향으로부터 관측된 루프형 영역(2)을 발생시킨다고 가정한다.
더 구체적으로, 액정 분자는 스멕틱 상으로의 상전이 직후에 (수직) 서가 구조를 형성(즉, 층들의 형성)하는 것으로 가정한다. 그 이후에, 층 간격은 온도 감소 중에 점차 감소되어 스멕틱층이 기판에 수직인 방향으로부터 경사지거나 기울어지는 것과 같은 구조로 서가 구조의 변화를 일으킨다.
그 때, 쉐브론 층 구조가 형성되는 경우에, 액정 분자들이 C1 또는 C2 배향 상태로 배향된다.
또한, 낮은 프리틸트 각(예를 들면, α＜ 4˚)과 Ch-SmC*상전이를 나타내는 액정 디바이스가 적절한 배향 제어력을 제공하도록 설계되는 경우에, 액정 분자들은 띠 조직과 경사진 서가 구조를 형성한다. 이 경우에는, 아마도, (수직) 서가 구조는 Ch-SmC*상전이 직후에 형성되고, 그 후, 층 간격은 온도 감소 중에 점차적으로 감소되어 소정의 배향 제어력으로 인한 기판 수직 방향으로부터 상기 경사진 구조를 변화시켜서, 쉐브론 구조가 아닌 경사진 서가 구조가 된다. 기판에 대해 층 경사각의 변화 동안 층 구조에서의 미세한 불균일성(불규칙성)이 띠 조직으로서 관찰되는 것으로 가정한다.
그 경우에, 프리틸트 각이 더 작아지도록 설정될 때(α＜ 4도), 층 구조는 (수직) 서가 구조에서 도 2에 도시된 것과 거의 동일한 비율로 기판 수직 방향으로부터 시계 방향으로 기울어진 제1 층 구조(도 2의 3A)와 기판 수직 방향으로부터 반시계 방향으로 기울어진 제2층 구조(도 2의 3B)를 포함하는 경사진 서가 구조로 변화된다. 결과적으로, 상기 루프형 영역은 층구조의 불규칙성(즉, 다른 스멕틱층(3A, 3B)의 공존)으로부터 생긴 영역인 것으로 생각된다.
한편, 상기 종래의 낮은 프리틸트 액정 디바이스(α＜ 4˚)와는 달리, 적어도 4도의 비교적 높은 프리틸트 각과 역평행 러빙 셀 구조를 제공하도록 설계된 본 발명의 액정 디바이스는 (카이랄) 스멕틱 상으로의 상전이(층 구조의 형성) 직후로부터 이미 형성된 경사진 서가 구조를 즉시 제공한다. 또한, 경사진 서가 구조는 (SmC*로의) 상전이의 초기 단계로부터 한 방향으로만 기울어진 균일 층 구조를 포함하고, 따라서 (경사진 서가 구조에서의 다른 층 구조로부터 발생하는) 루프형 영역의 발생을 효과적으로 방지하여 어떤 화상 결함도 없는 균일한 배향 상태를 실현할 수 있다.
상기한 바와 같이, 종래의 액정 디바이스에서는, 루프형 영역이 띠 조직내에서 빈번하게 관찰되어 하프톤(중간) 화상 상태의 화상 품질에서의 저하를 초래한다.
본 발명에 따른 액정 디바이스에서는, 평행하지만 서로 반대 방향인 한 쌍의 기판의 단일축의 배향 축들과 적어도 4도의 비교적 높은 프리틸트 각을 제공하는 적어도 하나의 기판과의 조합에 의거하여, V-T 특성 불규칙성을 일으키는 루프형 영역의 발생을 방지하는 것이 가능하게 된다.
본 발명에서는, 액정 디바이스가 직시형(direct-view type) 액정 디바이스로서 사용되는 경우에, 프리틸트 각(α)은 양호한 시야각 특성을 보장하기 위해 바람직하게는 10도보다 더 큰 값이 아니어도 되고, 구체적으로 그 이하이면 된다(4≤α＜10).
또다른 양상에서, 적어도 10도의 프리틸트 각을 제공하도록 설계된 본 발명의 액정 디바이스에서는, 균일한 경사진 서가 구조가 (SmC*로의) 상전이의 초기 단계로부터 형성되는 이점이 있고, 따라서 종래의 낮은 프리틸트 액정 디바이스(α＜ 4도)의 경사진 서가 구조(도 2)에서 관찰되는 바와 같은 층 구조에서의 불균일성 또는 불규칙성이 쉽게 발생되지 않는다. 결과적으로, 본 발명의 역평형 러빙 액정 디바이스에서(α≥10도), 루프 모양의 영역을 포함하는 띠 조직의 발생은 효과적으로 방지될 수 있다. 그 외에도, 액정 디바이스는 패널영역내에 V-T 특성의 불규칙성이 없어 콘트라스트가 향상되므로, 우수한 디스플레이 특성을 제공하는 액정 디스플레이 장치로 적합하게 사용된다.
본 발명의 액정 디바이스에서, 사용되는 액정의 배향 특성은 한 쌍의 기판중 적어도 하나에 대해 위에서 언급한 특정 프리틸트 조건(α≥4도)과 한쌍의 기판에 제공되는 단일축의 배향축들의 역평행관계의 결합에 기초하여 눈에 띄게 개선된다. 이 점에 있어서는, 액정 분자는 실질적으로 러빙(단일축의 배향축) 방향으로 배향된 안정된 위치에 놓이게 된다.
본 발명의 액정 디바이스에서, 사용되는 액정은 온도 감소에 대해 Iso - Ch - SmC* 또는 Iso - SmC* 의 상전이 계열을 가지는 카이랄 스멕틱 액정을 포함한다. 하나의 극성(양(+) 또는 음(-)) DC 전압이 SmC*로의 상전이 동안 한쌍의 기판 사이에 인가될 경우, SmC*내의 액정 분자는, 다른 층 수직 방향을 제공하는 두 층 형성 방향들 중 단지 하나의 방향을 제공하는 상태에 놓이게 되어, 평균 단일축의 배향축과 결과적인 스멕틱 층 수직 방향 사이에 형성되는 소정의 각을 제공한다. 또한, 전압 인가가 없는 상황에서, 액정 분자는 액정 분자에 대한 가상의 원뿔의 에지내부에서 안정화되므로, 메모리 특성이 나타나지 않는 SmC* 배향 상태(즉, 비메모리 상태)에서 즉, 전압 인가가 없는 상황하의 단안정된 상태에 놓이게 된다.
카이랄 스멕틱 상을 나타내는 액정은 벌크 상태의 셀 갭(cell gap)의 적어도 두 배인 헬리컬 피치(helical pitch)를 가진다.
카이랄 스멕틱 액정은 바람직하게는 비페닐(biphenyl), 페닐-시클로헥산 에스테르(phenyl-cyclohexane ester) 또는 페닐-피리미딘 골격(phenyl-pyrimidine skelton)을 포함하는 탄화수소 타입 액정 재료, 나프탈렌 타입의 액정 재료 및 불소를 포함한 액정 재료로부터 선택된 다수의 액정 재료를 적절히 혼합함으로써 구비되는 액정 혼합물이다.
액정 디바이스에 사용되는 카이랄 스멕틱 액정으로서의 액정 혼합물은 다음의 식 (1), (2), (3) 및 (4)에 따라 각각 나타내지는 적어도 두개의 혼합물을 포함하는 것이 바람직할 것이다.
여기에서 A 는또는이고, R1 및 R2는 독립적으로, 치환기를 가지는 1-20 탄소 원자를 선택적으로 포함하는 선형 또는 분기된(branched) 알킬 그룹이고, X1 및 X2는 독립적으로 단일 결합 O, COO 또는 OOC이며, Y1, Y2, Y3 및 Y4는 독립적으로 H 또는 F이고, n은 0 또는 1이다.
여기서, A는,또는이고, R1 및 R2는 독립적으로, 치환기를 가진 1-20 탄소 원자를 선택적으로 포함하는 선형 또는 분기된 알킬 그룹이고, X1 및 X2는 독립적으로 단일 결합 O, COO 또는 OOC이고, Y1, Y2, Y3 및 Y4는 독립적으로 H 또는 F이다.
여기서, A는또는이고, R1 및 R2는 독립적으로, 치환기를 가진 1-20 탄소 원자를 선택적으로 포함하는 선형 또는 분기된 알킬 그룹이고, X1 및 X2는 독립적으로 단일 결합 O, COO 또는 OOC이고, Y1, Y2, Y3 및 Y4는 독립적으로 H 또는 F이다.
여기서 R1 및 R2는 독립적으로, 치환기를 가진 1-20 탄소 원자를 선택적으로 포함하는 선형 또는 분기된 알킬 그룹이고, X1 및 X2는 독립적으로 단일 결합, O, COO, 또는 OOC이고, Y1, Y2, Y3 및 Y4는 독립적으로 H 또는 F이다.
이하에서, 본 발명에 따른 액정 디바이스의 실시예는 도 3을 참조하여 설명될 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 액정 디바이스의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 3을 참조하면, 액정 디바이스는 한 쌍의 기판(11a, 11b); 기판(11a, 11b)상에 각각 배치된 전극(12a, 12b); 전극(12a, 12b)상에 각각 배치된 절연막(13a, 13b); 절연막(13a, 13b)에 각각 배치된 배향 제어막(14a, 14b); 배향 제어막(14a, 14b) 사이에 배치된 카이랄 스멕틱 액정(15); 배향 제어막(14a, 14b) 사이에 액정(15)과 함께 배치된 스페이서(spacer)(16)을 포함한다.
기판(11a, 11b)의 각각은 유리 또는 플라스틱과 같은 투명 재료를 포함하고, 예컨데, 액정(15)에 전압을 인가하기 위한 In2O3또는 ITO(indium tin oxide)의 다수의 띠(stripe) 전극(12a, 12b)으로 코팅된다. 이러한 전극(12a, 12b)은 매트릭스형으로 배열된다. 양호한 실시예에서, 기판(11a, 11b) 중 하나는 매트릭스 전극 구조로 제공되며, 점 형태의(dot-shaped) 투명 전극은 매트릭스형의 화소 전극으로서 배치되고 화소 전극의 각각은 TFT(thin film transistor) 또는 MIM(metal-insulator-metal)과 같은 스위치 또는 액티브 소자에 연결되고, 나머지 기판은 전체의 표면상에 또는 소정의 패턴으로 대향(common)) 전극으로 제공되어서, 액티브 매트릭스형 액정 디바이스를 구성한다.
전극(12a, 12b)상에서, 단락 회로(short circuit)의 발생을 막는 기능을 가진, 예를 들어 SiO2, TiO2또는 Ta2O5의 절연막(13a, 13b)이 각각 배치된다.
절연막(13a, 13b)상에서, 배향 제어막(14a, 14b)은 배향 제어막(14a, 14b)에 접촉하는 액정(15)의 배향 상태를 제어하도록 배치된다. 배향 제어막(14a, 14b)은 단일축의 배향 처리(예, 러빙(rubbing))된다. 용매를 사용한 습식 코팅을 통해(폴리이미드, 폴리이미디아미드, 폴리아미드 또는 폴리비닐 알코올과 같은) 유기 재료의 막을 형성한 후, 건조 및 소정의 방향으로 러빙하거나 산화물(예, SiO) 또는 질화물이 기판상에 소정의 각으로 기울어진 방향으로 기판상에 기상 증착되도록 (vapor-deposited), 경사진 기상 증착을 통하여 무기 재료의 증착막을 형성함으로써 상기 배향 제어막(14a, 14b)이 구비될 수 있다.
상기 재료 및 (단일축의 배향처리) 처리 조건을 변화시킴으로써, 배향 제어막(14a, 14b)은 소정의 프리틸트 각 α(배향 제어막을 가진 경계에서 액정 분자와 배향 제어막사이에 형성되는 각)를 가진 액정(15)의 액정 분자를 구비하도록 상기 배향막(14a, 14b)이 적절히 제어될 수 있다.
배향 제어막 (14a) 및 (14b)의 둘 모두가 단일축의 배향 처리(러빙)를 받게되는 경우에 각각의 단일축의 배향 처리(러빙) 방향들은 역평행(anti-parallel)관계를 갖도록 설정된다. 그들 사이에서 교차각이 생기도록 교차 관계를 채택한 경우에는 교차각은 최대한으로는 45도에 설정될 수 있다.
기판 (11a) 및 (11b)는 그 사이의 거리, 양호하게는 0.3에서 10μm의 범위에 있는 거리(즉, 셀 갭)를 결정하기 위한, 예로 실리카 알갱이(silica beads)를 포함하는 스페이서(16)을 통해 서로 대향되게 배치되어, 셀 갭이 사용된 액정 재료에 좌우되어 그 최적 범위와 그 상한이 변화된다 하더라도 어떤 전계도 가해지지 않았을 때 액정 분자의 평균 분자축이 평균 단일축 배향 처리 축(두개의 단일축 배향 처리 축들의 바이섹터(bisector))과 실질적으로 배향되도록 하는 배향상태 및 균일한 단일축의 배향 성능을 제공하게 된다. 셀 갭은 양호하게는 소정의 지연 (retardation)을 제공하도록 적합하게 설정된다.
스페이서(16)에 부가하여 그 사이의 접착도 및 카이랄 스메틱 액정의 충격 저항을 향상시키기 위하여 수지(예로 에폭시 수지)(도시 안됨)의 접착용 입자들을 기판들 (11a) 및 (11b) 사이에 분산시키는 것이 가능하다.
상기 언급한 역평행 러빙 액정 셀 구조를 갖는 액정 디바이스는 그 성분들을 조정하면서 카이랄 스메틱 액정 재료(15)를 사용하고, 추가로 액정 재료 처리, 재료를 포함한 디바이스 구조 및 배향 제어막 (14a) 및 (14b) 에 대한 처리 조건을 적절히 조정함으로써 구비될 수 있다. 그 결과 본 발명의 양호한 실시예에서, 액정 재료는 전압이 인가되지 않을 때는 액정 분자가 하나의 (안정) 상태(단안정 상태)에서 안정화되고 전압이 가해졌을 때는 액정 분자가 가해지는 전압의 크기에 따라서 임계값없이 연속적으로 변화하는 투과도를 제공하기 위해, 단안정 상태로부터 경사진다. 전압이 가해지지 않았을때 액정 분자가 갖는 단안정화의 정도는 주로 배향 제어력의 크기에 의존한다. 본 발명에서 배향 제어막과 액정 분자 사이의 경계에서 비교적 큰 프리틸트 각(α≥ 4도)을 제공함으로써 단안정화된 액정 분자에 가해지는 단일축 배향 제어력이 비교적 낮은 전압을 가하더라도 분자 반전을 쉽게 허용할 정도로 약화되어서 결과적으로 액정 디바이스를 낮은 전압으로 구동하는 것이 실현된다. 좀 더 구체적으로, 바람직하게는, 액정 분자가 그에게 가해지는 전계가 없을 때 평균 분자축이 단안정화되도록 배향되고 일 극성(제 1 극성)을 갖는 전압이 가해졌을 때 전혀 전계가 없을 때에 나타내던 평균 분자축으로부터 소정의 방향으로 기울어져서 가해지는 전압의 크기에 따라서 단안정화된 위치일 때의 평균 분자축으로부터 연속적으로 변화하는 경사각을 제공하는 배향 상태에 배치될 수 있다. 반면에 다른 극성(예로 제1 극성과 반대인 제2 극성)을 갖는 전압이 가해졌을때 액정 분자는 전계가 없을 때에 나타내던 평균 분자축으로부터 가해지는 전압의 크기에 따라서 소정의 다른 방향으로 기울어져서 하프톤(계조) 디스플레이기 실현된다. 또한 본 실시예에서 단안정화된 위치를 기준으로 제1 극성 전압을 가하였을 때 획득된 최대 경사각 β1은 제2 극성 전압을 가하였을 때 획득된 최대 경사각 β2보다 실질적으로 크다. 즉, β1 > β2 이고, 더 양호하게는 β1 ≥ 5 ×β2 이다.
본 발명에 따른 액정 디바이스는 한쌍의 기판 (11a) 및 (11b)중 하나에게 최소한 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)인 영역이 존재하는 컬러 필터 조각(컬러 영역)들을 포함하는 컬러 필터를 구비케 함으로써 컬러 액정 디바이스로서 사용될 수 있다. 또한 컬러 광 플럭스를 방출하는 R 광원, G 광원 및 B 광원을 포함하는 광원을 연속적으로 스위치하여 시순차 방식으로 색 혼합을 이룸으로써 완전 컬러 디스플레이를 실현할 수 있다.
도 3에 도시된 액정 디바이스는 한 쌍의 기판 (11a) 및 (11b)이 한 쌍의 편광기(도시 안됨) 사이에서 끼워져, 입사하는 광(외부 광원으로부터 발생함)을 어느 한 기판에서 다른 기판으로 통과하도록 하면서 광학적으로 변조하게 된다. 기판 (11a) 및 (11b) 중 어느 하나에 반사판을 설치함으로써 또는 어느 기판 자체는 반사 재료로 형성되거나 그 위에 반사 부재를 장착하는 식으로 하고 또다른 기판은 바깥 측면에 편광기를 장착하는 식으로 하여, 본 발명의 액정 디바이스는 반사형 액정 디바이스로 변형될 수 있고 이에 따라 입사광 및 반사광을 광학적으로 변조하고 반사광이 광이 입사하는 쪽의 기판을 통해서 통과하도록 할 수 있다. 본 발명에 따라서 계조 신호를 액정 디바이스로 공급하기 위한 구동 회로와 함께 상기 언급한 액정 디바이스를 사용함으로써 전압이 가해질 때는 결과적으로, 경사각이 (액정 분자의) 평균 분자축의 단안정화된 위치로부터 연속적으로 변화하고 상응하는 광 방출량도 가해지는 전압에 따라서 연속적으로 변화하는 상기 언급한 배향 특성에 기초하여 계조 디스플레이를 달성할 수 있는 액정 디스플레이 장치를 제공하는 것이 가능해진다. 예를 들어 한쌍의 기판중 하나에 대해서 구동 회로(구동 수단)와 함께 다수의 스위칭 소자(예로 TFT(박막 트랜지스터) 또는 MIM(금속-절연막=금속))를 구비한 액티브 매트릭스 기판을 사용하는 것이 가능해져서 진폭 변조에 따라서 액티브 매티릭스 구동을 할 수 있게 되어 아날로그 계조 방식으로 계조 디스플레이를 달성할 수 있게 된다.
아래에서 상기와 같은 액티브 매트릭스 기판을 구비한 본 발명에 따른 액정 디바이스를 포함하는 액정 디스플레이 장치의 실시예가 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명된다.
도 4는 액정 디바이스 및 구동 회로(수단)을 포함하는 디스플레이 장치의 개략 평면도를 도시하였는데 주로 액티브 매티릭스 기판 측면상의 구조를 예시하였다. 도 4를 참조하면 액정 디바이스(패널)(20)는 주사 신호 구동기(21)(구동 수단)에 접속된 주사 신호선(게이트 선)(26)(G1, G2, G3, G4, G5, ...) 및 데이타 신호 구동기(22)(구동 수단)에 접속된 데이타 신호선(소스선)(23)(S1, S2, S3, S4, S5, ...) 들이 전기적 분리 상태에서 서로 직교하면서 교차하도록 배치되어, 교차부 각각에서 다수의 화소(도 4의 5×5)를 형성한다. 각 화소은 스위칭 소자인 박막 트랜지스터(TFT)(24) 및 화소 전극(25)를 구비하였다. 주사 신호(게이트)선 (26) (G1, G2, ...)들이 개별적으로 TFT(24)의 게이트 전극(도시 안됨)에 접속되고, 데이타 신호(소스)선(23)(S1, S2, ...)들은 각각 TFT(24)의 소스 전극(도시 안됨)에 접속되었다. 화소 전극(25)들은 각각 TFT(24)의 드레인 전극들(도시 안됨)에 접속되었다.
예를 들어, 라인 순차 방식으로 주사 선택을 행함으로써 주사 신호 구동기(21)로부터 게이트 선(G1, G2, …)(26)으로 게이트 전압이 공급된다. 게이트 선(26)에 대한 이 주사 선택과 동기하여, 데이터 신호 구동기(22)로부터 각 화소에 대한 기록 데이터에 따라서 데이터 신호 전압이 소스 선(23)(S1, S2, …)에 공급된다. 이렇게 공급된 게이트 및 데이터 신호 전압은 TFT(24)를 통하여 각 화소 전극(26)에 인가된다.
도 5는 도 4에 도시된 패널 구조 내의 각 화소부(1 비트에 대응)의 단면 구조를 도시한다.
도 5를 참조하면, 카이랄 스멕틱 액정 재료(95)의 층이 TFT(24) 및 화소 전극(25)가 구비된 액티브 매트릭스 기판 또는 판(30)과 공통 전극(52)이 구비된 대향 기판 또는 판(50)의 사이에 샌드위치되어, 액정층(59)의 액정 커패시터(52)를 제공한다.
이 실시예에서는, 액티브 매트릭스 기판(30)은 TFT(24)로서 비정질 실리콘(a-Si) TFT를 포함한다. 이 TFT는 다결정 Si(p-Si) 타입일 수도 있다.
TFT(24)는 예를 들어 유리로 된 기판(31) 상에 형성되고, 게이트 선(26)(도 4에 도시된 G1, G2, …)과 접속된 게이트 전극(32); 게이트 전극(32) 상에 형성된 예를 들어 실리콘 질화물(SiNx)로 된 절연막(게이트 절연막)(33); 절연막(33) 상에 형성된 a-Si 층(34); a-Si 층(34) 상에 형성되고 서로 이격되어 있는 n+a-Si 층들(35, 36); n+a-Si 층(35) 상에 형성된 소스 전극(37); n+a-Si 층(36) 상에 형성되고 소스 전극(37)과 이격되어 있는 드레인 전극(38); a-Si 층(34)과 소스 및 드레인 전극들(37, 38)을 부분적으로 피복하는 채널 보호막(39)을 포함한다. 소스 전극(37)은 소스 선(23)(도 4에 도시된 S1, S2, …)과 접속되고 드레인 전극(38)은 투명 도전막(예를 들어, ITO 막)의 화소 전극(25)(도 4)과 접속된다. TFT(24)는 대응하는 게이트 선(26)의 주사 선택 주기 중에 게이트 전극(32)에 게이트 펄스를 인가함으로써 "ON" 상태에 놓인다.
또한, 액티브 매트릭스 기판(30) 상에는, 화소 전극(25), 기판(31) 상에 배치된 저장 커패시터 전극(40), 및 그들 사이에 샌드위치된 절연막(33)의 일부에 의해 보유 또는 저장 커패시터(Cs)(42)를 구성하는 구조가 형성된다. 이 구조(저장 커패시터)(Cs)(42)는 액정 커패시터(41)와 병렬로 배치된다. 저장 커패시터 전극(40)이 큰 면적을 갖는 경우, 결과로서의 개구 또는 개구율은 감소된다. 그 경우, 저장 커패시터 전극(40)은 투명 도전막(예를 들어, ITO 막)으로 형성된다.
TFT(24)와 액티브 매트릭스 기판(30)의 화소 전극(25) 상에는, 액정(59)의 배향 상태를 제어하기 위한 배향막(53a)이 형성된다.
한편, 대향 기판(50)은 기판(예를 들어, 유리 기판)(51); 전체 기판(51) 상에 배치된 균일한 두께를 갖는 공통 전극(52); 및 균일한 두께를 갖고 공통 전극(52) 상에 배치되어, 액정(59)의 배향 상태를 제어하기 위한 배향막(53b)을 포함한다.
도 5에 도시된 상기 액정 디바이스는 한 쌍의 크로스-니콜 편광기(cross-nicol polarizers)(도시되지 않음)(서로에 대해 수직으로 배치된 편광축이 구비됨) 사이에 샌드위치되어 광투과형 액정 디바이스를 구성한다.
다음은, 도 6 및 도 7을 도 4 및 도 5와 함께 참조하여 액티브 매트릭스 기판(판) 및 상기한 셀 구조를 갖는 액정 디바이스를 이용한 통상의 액티브 매트릭스 구동 방법의 일례를 설명한다.
도 6은 도 5에 도시된 그러한 액정 디바이스의 각 화소부에 대한 등가 회로의 일례를 도시한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 이하에 설명되는 본 발명에서 이용되는 액티브 매트릭스 구동 방법에서는, 각 화소 주기에 대하여, 소정 정보를 디스플레이하기 위한 하나의 프레임 주기가 소정의 이미지에 대해 각각 복수개의 필드 주기(예를 들어, 도 7에서의 1F 및 2F)로 분할된다.
필드 주기 1F 및 2F의 각각에서는, 각 필드 주기에 대한 소정의 이미지 정보에 따른 소정의 투과 광량이 얻어진다. 또한, 각 프레임 주기에서는, 필드 주기 1F 및 2F에서의 투과 광량의 평균이 얻어져서 소정의 이미지를 제공한다.
이하에서는, 2개의 필드 주기로 분할된 프레임 주기 및 하나의 극성 전압의 인가 시에는 충분한 투과 광량을 제공하고 다른 극성 전압의 인가 시에는 부족한 투과 광량을 제공하도록 액정 분자들이 배향되는 배향 특성(즉, 최대 경사각에 대하여 상기한 관계 β1 > β2를 만족시키는 액정의 배향 상태의 경우)을 갖는 액정 재료(59)를 이용한 액티브 매트릭스 구동 방법을 설명한다.
도 7의 (a)에서는 각 화소와 접속된 (주사 신호선으로서의) 하나의 게이트 선(26)(예를 들어, 도 4에 도시된 G1)에 인가되는 전압 파형을 도시한다.
액티브 매트릭스 구동 방법에 의해 구동되는 액정 디바이스에서는, 도 4에 도시된 게이트 선들(G1, G2, …)은 필드 주기 1F 및 2F의 각각에서 라인 순차 방식으로 선택된다. 이때, 각 필드 주기(예를 들어, 1F)의 선택된 주기 Ton에서 대응하는 게이트 선과 접속된 각 게이트 전극(32)에 소정의 게이트 전압 Vg가 공급되어, TFT(24)를 "ON" 상태에 있게 한다. 다른 게이트 선들이 선택되는 주기에 대응하는 (예를 들어, 필드 주기 1F의) 비선택 주기 Toff에서는, 게이트 전극(32)에 게이트 전압 Vg가 공급되지 않아, TFT(24)를 "OFF" 상태(고저항 상태)에 있게 한다. 매 선택 주기 Ton에서는, 소정의 동일한 게이트 선이 선택되고 대응하는 게이트 전극(32)에 게이트 전압 Vg가 공급된다.
도 7의 (b)에서는 해당 화소와 접속된 (데이터 신호선으로서의) 하나의 소스 선(23)(예를 들어, 도 4에 도시된 S1)에 인가되는 전압 파형을 도시한다.
도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 각 필드 주기 1F 또는 2F의 선택 주기 Ton에서 게이트 전극(32)에 게이트 전압 Vg가 공급될 때, 이 전압 인가와 동기하여, 해당 화소에 기록 데이터(펄스)를 제공하는 소정의 전위를 갖는 소정의 소스 전압(데이터 신호 전압) Vs가, 기준 전위로서의 공통 전극(52)의 전위 Vc에 기초하여, 화소와 접속된 소스 선을 통하여 소스 전극(37)에 인가된다.
보다 구체적으로는, 하나의 프레임 주기를 구성하는 제1 필드 주기 1F에서, 사용되는 액정에 대한 전압-투과율(V-T) 특성에 기초하여 소망의 광학 상태 또는 디스플레이 데이터(투과율)를 제공하는 전위 Vx(기준 전위 Vc에 기초)를 갖는 양의 극성 소스 전압 Vs가 해당 소스 전극(37)에 인가된다.
이때, TFT(24)는 "ON" 상태에 있고, 그에 따라 소스 전극(37)에 인가된 양의 극성 소스 전압 Vx는 드레인 전극(38)을 통하여 화소 전극(25)에 공급되어, 액정 커패시터(Clc)(41) 및 저장 커패시터(Cs)(42)를 충전시킨다. 그 결과, 화소 전극(25)의 전위는 양의 극성 소스 (데이터 신호) 전압 Vx의 것과 같은 레벨이 된다.
후속하는 비선택 주기 Toff에서는, 해당 화소 상의 게이터 선(26)에 대해, TFT(24)는 "OFF" (고저항) 상태에 놓인다. 이때(1F의 Toff에서), 액정 셀에서, 액정 커패시터(Clc)(41) 및 저장 커패시터(Cs)(42)는 각각 선택 주기 Ton에서 충전된 전하를 보유하여 (양의 극성) 전압 Vx를 유지한다. 그 결과, 해당 화소의 액정층(59)에는 제1 필드 주기 1F를 통하여 전압 Vx가 공급되어 전압 Vx에 따라서 소망의 광학 상태(투과 광량)를 거기에 제공한다.
액정의 응답 시간이 게이트 "ON" 주기보다 큰 경우, 액정 커패시터(Clc)(41) 및 저장 커패시터(Cs)(42)의 충전 종료 후에 비선택 주기 Toff(게이트 "OFF" 주기)에서 액정의 스위칭이 행해진다. 이 경우, 커패시터들에 저장된 전하들은 자발적 편광(60)의 반전 때문에 감소되어 도 7의 (c)에 도시된 바와 같이 액정층(59)에 인가되는 화소 전압 Vpix로서 전압 Vd만큼 전압 Vx보다 작은 (양의 극성) 전압 Vx'를 제공한다.
그후, 제2 (후속) 필드 주기 2F에서는, 제1 필드 주기 1F에서 인가된 소스 전압 Vs(=Vx)와 전위(절대치)는 동일하지만 극성이 반대인 음극성 소스 전압 Vs(= -Vx)가 해당 소스 전극(37)에 인가된다.
이때, TFT(24)는 "ON" 상태에 있고, 그에 따라 음극성 소스 전압 -Vx는 화소 전극(25)에 공급되어, 액정 커패시터(Clc)(41) 및 저장 커패시터(Cs)(42)를 충전시킨다. 그 결과, 화소 전극(25)의 전위는 음극성 소스 (데이터 신호) 전압 -Vx의 것과 같은 레벨이 된다.
후속하는 비선택 주기 Toff에서는, 해당 화소 상의 게이터 선에 대해, TFT(24)는 "OFF" (고저항) 상태에 놓인다. 이때(2F의 Toff에서), 액정 셀에서, 액정 커패시터(Clc)(41) 및 보유 커패시터(Cs)(42)는 각각 선택 주기 Ton에서 충전된 전하를 보유하여 (음극성) 전압 -Vx를 유지한다. 그 결과, 해당 화소의 액정층(59)에는 제2 필드 주기 2F를 통하여 전압 -Vx가 공급되어 전압 -Vx에 따라서 소망의 광학 상태(투과 광량)를 거기에 제공한다.
액정의 응답 시간이 게이트 "ON" 주기보다 큰 경우, 액정 커패시터(Clc)(41) 및 저장 커패시터(Cs)(42)의 충전 종료 후에 비선택 주기 Toff(게이트 "OFF" 주기)에서 액정의 스위칭이 행해진다. 이 경우, 제1 주기 1F에서와 유사하게, 커패시터들에 저장된 전하들은 자발적 편광(60)의 반전 때문에 감소되어 도 7의 (c)에 도시된 바와 같이 액정층(59)에 인가되는 화소 전압 Vpix로서 전압 Vd만큼 전압 -Vx보다 작은 (음극성) 전압 -Vx'를 제공한다.
도 7은 관련 화소에서의 실제 광학 응답의 예를 (d)에 도시한다.
도 7의 (c)에 도시된 바와 같이, 2개의 필드 주기 1F 및 2F에 걸쳐 인가된 전압은 제1 필드 주기 1F에서의 양의 극성 전압 Vx' 및 제2 필드 주기 2F에서의 음의 극성 전압 -Vx' (Vx'과 동일한 진폭(절대값)을 가짐)을 포함한다. 제1 필드 주기 1F에 있어서, 도 7의 (d)에 도시된 바와 같이, 보다 높은 휘도 또는 투과 광량 Tx이 제1 필드 주기 1F에서 얻어지는 반면, 제2 필드 주기 2F에서는 β1>β2의 관계가 성립되기 때문에 보다 낮은 휘도 또는 투과 광량 Ty이 제로에는 근접하지만 제로는 아닌 값을 갖는다.
상술한 바와 같이, 액티브 매트릭스 구동 방법에 있어서, 카이랄 스멕틱 액정의 고속 응답에 기초한 우수한 계조 디스플레이가 실현가능하게 된다. 또한, 각 화소에서의 규정된 레벨의 계조 디스플레이가, 하나의 프레임 주기를 보다 높은 투과 광량을 제공하는 제1 필드 주기 1F와 보다 낮은 투과 광량을 제공하는 제2 필드 주기 2F로 분할함으로써 연속적으로 행해지고, 그 결과 거의 50%인 시방향 애퍼쳐 비(aperture ratio)를 얻을 수 있어 동화상 디스플레이에 대하여 인간이 감지가능한 고속 응답을 개선할 수 있다. 이러한 목적을 위하여, 최대 경사각 β1 및 β2은 β1≥5×β2의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 더욱이, 낮은 투과 광량을 제공하는 제2 필드 주기 2F에서는, 결과로 얻어진 투과 광량이 액정 분자의 약간의 스위칭 (반전) 성능으로 인해 완전히 제로가 되지는 않으며, 따라서 전체 프레임 주기에 걸쳐 인간이 감지할 수 있는 휘도를 확보하게 된다.
상기 실시예에서, 전압 (Vx 또는 -Vx)의 극성은 매 필드 주기 (1F 또는 2F)에 대해 교대로 변하게 되고 (즉, 각 필드 주기에 대하여 극성 반전이 일어나게 되고), 이에 의해서 액정층(59)에 사실상 인가되는 전압은 교호 방식으로 연속적으로 변하게 되어 긴 주기 동안 연속된 디스플레이 동작에서도 이용중인 액정 재료의 열화를 억제할 수 있다.
상술한 바와 같이, 액정 매트릭스 구동 방법에 있어서, 2개의 필드 주기 1F 및 2F를 포함하는 각각의 프레임 주기에서, 얻어진 투과 광량은 Tx와 Ty의 평균값에 대응한다. 따라서, 각 프레임 주기에 있어서 보다 높은 투과 광량을 얻기 위해서는, 규정된 레벨로 제1 필드 주기 1F에서 Tx보다 높은 투과 광량을 제공하는 소스 (데이터 신호) 전압 Vs을 인가하는 것이 바람직하다.
본 발명의 액정 디바이스는, 양호하게는, 컬러 필터를 사용하지 않고도, 적어도 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 다수의 컬러 광원과 공동으로 액정 디바이스를 이용하는 풀-컬러 액정 디스플레이 장치에 응용될 수 있고, 따라서 다중화 방식으로 컬러 믹싱을 행할 수 있다.
다른 양호한 실시예에서 있어서, 본 발명의 액정 디바이스는 상술한 바와 같이 역평행 러빙 셀 구조와 공동으로 한 쌍의 기판들 중 적어도 하나에 대하여 적어도 10도의 프리틸트 각을 제공하도록 설계되고, 따라서 띠 조직과 루프형 영역의 발생을 효과적으로 억제하는 것이 양호하다. 그 결과, V-T 특성에 있어서의 불균일성 방지 및 전체 디스플레이 패널 영역 상에서의 콘트라스트의 개선을 실현할 수 있다.
본 실시예에서는, 또한 루프형 영역보다 상당히 작은 미세한 도메인의 발생을 방지하는 것이 가능하다. 따라서, 인가된 전압의 변화에 따라 급격히 성장 또는 감소되는 부분 (예를 들면 화이트 (밝은) 부분)인 도메인이 시각적으로 확인되는 현상은 관찰되지 않는다. 이 경우, 각 도메인에서, 전체 영역은 도메인 패턴의 확대 및/또는 축소없이 인가된 전압에 따라 화이트 상태와 블랙 상태 사이에서 중간 (하프톤) 상태를 통해 완전히 변화하며, 따라서 완만하고 균일한 계조 디스플레이 성능을 실현하게 된다.
이하, 실시예들에 기초하여 본 발명이 보다 상세히 설명될 것이다.
실시예 1
카이랄 스멕틱 액정 혼합물 LC-1이 다음의 성분들을 표시된 비율로 혼합함으로써 구비된다.
구조식 중량 %
따라서 구비된 액정 혼합물 LC-1은 다음의 상전이 계열 및 물리적 특성을 나타낸다.
상전이 온도(℃)
(Iso : 등방성 상, Ch : 콜레스테틱 상, SmC* : 카이랄 스멕틱 C 상, Cry : 크리스탈 상)
자연 편광 (Ps) : 2.9 nC/㎠ (30℃)
경사각 ⓗ : 23.3 도 (30℃, AC 전압 =100㎐ 및 ±12.5V, 셀 갭 =1.4㎛)
층 경사각 δ : 21.6 도 (30℃)
헬리컬 피치 (SmC*) : 적어도 20 ㎛ (30℃)
본 명세서에서 참조되는 스멕틱 층에서, 자발 분극 Ps, 경사각 ⓗ 및 층 경사각 δ의 값들은 다음의 방법에 따라 측정된 값들에 기초한다.
자발 분극 Ps의 측정
자발 분극 Ps은 K. Miyasato 등에 의해 제시된 "Direct Method with Triangular Waves for Measuring Spontaneous Polarization in Ferroelectric Liquid Crystal" (Japaness J. Appl. Phys. 22, No.10, pp.L661-(1983))에 따라 측정된다.
경사각 ⓗ 의 측정
액정 디바이스는 직교형 니콜(nicol) 편광자들 사이에 개재되고, 디바이스의 상부 및 하부 기판들간의 ± 12.5V 내지 ± 50V 및 1 내지 100㎐의 AC 전압의 인가 하에, (Hamamatsu Photonics K.K에 의해 제조된) 광전증배관(photomutiplier)에 의해 디바이스를 통과하는 투과율을 측정하는 동안 편광기들에 대하여 수평으로 회전하여 제1 소광 위치 (최저의 투과율을 제공하는 위치) 및 제2 소광 위치를 발견한다. 경사각 ⓗ 은 제1 및 제2 소광 위치들간 각도의 1/2로서 측정된다.
액정층 경사각 δ의 측정
Clark과 Largerwal에 의해 사용된 방법[Japanese Display, 1986.9.30-1986.10.2, p.p. 456-458) 또는 Ohuchi 등의 방법(J.J.A.P., 27(5) 1988, p.p.725-728)과 기본적으로 유사한 방법들이 사용되었다. (MAC Science로부터 제조된) 회전식 음극형 X-선 회절 장치를 이용하여 측정이 행해졌으며, 액정 셀의 유리 기판에 의한 X-선 흡수를 최소화하기 위해서 (Corning Glass Works에 의해 제조된) 80㎛-두께의 마이크로시트들이 기판으로서 사용되었다.
블랭크 셀 A는 다음 방법으로 준비된다.
각각이 ITO막의 700Å 두께의 투명 전극들이 제공된 한 쌍의 1.1㎜ 두께 유리 기판들이 제공된다.
(한 쌍의 유리 기판들의) 각 투명 전극 상에서는, 폴리이미드 프리커서 (Japan Synthetic Rubber Co. Ltd에 의해 제조된 제품명 "JALS2022")가 5분 동안 80℃에서 스핀-코팅 및 사전 건조된 다음, 1 시간 동안 200℃에서 핫-베이킹이 행해져서 500Å 두께의 폴리이미드막을 얻는다.
얻어진 폴리이미드막들 각각에 다음의 조건 하에서 나일론감에 의해 (단일축 정렬 처리와 같은) 러빙 처리가 행해져 정렬 제어막이 제공된다.
러빙 롤러 : 나일론감(Teijin K.K에 의해 제조된 "NF-77")이 감겨진 10㎝-다이아 롤러
압착 깊이 : 0.3 ㎜
기판 공급 속도 : 10 ㎝/sec
회전 속도 : 1000 rpm
기판 공급 : 4회
그 다음, 기판들 중 하나에 실리카 알갱이 (평균 입자 크기 = 1.4 ㎛)를 분산시키고 러빙 처리 축들이 서로 평행하지만 반대 방향이 되도록(역평행 관계) 한 쌍의 기판이 서로 제공되어, 균일한 셀 갭을 갖는 블랭크 셀(blank cell) A (단일 화소 테스트 셀)을 제공한다.
액정 혼합물 LC-1은 콜레스테틱 상 상태에서 상기 준비된 블랭크 셀 A 안으로 주입되고 점차적으로 카이랄 스멕틱 C 상을 제공하는 온도로 냉각되어 액정 디바이스 (단일 화소 테스트 셀) A을 마련한다.
Iso로부터 SmC*로의 상기 냉각 단계에서는, 각각의 디바이스가 1℃/분의 속도로 냉각되는 동안 -2 볼트의 DC (오프셋) 전압이 Tc ± 2℃ (Tc : Ch-SmC* 상 전이 온도)의 온도 범위 내에서 인가될 수 있도록 디바이스 A에 전압 인가 처리가 행해진다.
별도로, 프리틸트 각 측정용 다른 블랭크 셀 (단일 화소 셀)이 상기 블랭크 셀 A에서와, 이들의 실리카 알갱이 (평균 입자 크기=1.5㎛) 대신에, 9 ㎛의 평균 입자 크기를 갖는 실리카 알갱이들을 이용하는 점을 제외하면 동일한 방식으로 마련된다. 따라서, 준비된 블랭크 셀 안으로 액정 혼합물 LC-1을 주입한 다음, 62℃ (Ch 상 온도) 이상으로 가열함으로써 상술한 결정 회전 방법에 따라 프리틸트 각 α를 측정한다.
결과적으로, 프리틸트 각 α는 12.0도 이었다.
배향 상태, 직각파(rectangular wave)에 대한 광학 응답 특성, 직각파 인가 상태의 시각 관찰의 측면에서 상기 준비된 액정 디바이스 A를 이하의 방법과 같이 각각 평가하였다.
<배향 상태>
액정 디바이스 A의 액정 화합물 LC-1의 배향 상태를 30℃(실온)에서 편광 마이크로스코프를 통해 관찰하였다.
그 결과, 전압을 인가하지 않은 경우에, 전체 셀에 걸쳐 띠 조직이 없는 매우 양호하게 일정한 배향 상태를 나타냈다.
<직각파에 대한 광학 응답>
액정 디바이스 A는 광전증배관를 구비한 편광 마이크로스코프내에 크로스 니콜 관계하에서 셋팅되어, 전압 무인가시 가장 어두운 상태를 제공하도록 편광축이 배치되었다.
액정 디바이스 A에 직각파(±5V, 60Hz)가 인가된 경우, 결과적인 투과 광량(투과율)은 인가 전압의 크기(절대값)과 함께 점차 증가되었고, 양 전압이 인가된 경우에는 임계값이 존재하지 않는다. 스위칭 동작은 미세 영역에는 거의 발생하지 않는 도메인이 없는(domainless) 스위칭이었다. 반면에, 음 전압이 인가된 경우에는, 결과적인 투과 광량은 인가 전압 레벨에 따라 변화되었지만, 투과율의 최대값은 양 전압 인가의 경우의 최대 투과율의 ca. 1/10이었다. 따라서, 양 및 음 전압의 인가시 결과적인 투과율의 평균값이 이전 상태들의 평균값에 좌우되지 않으므로, 양호한 하프톤의 화상 디스플레이를 얻을 수 있다는 것을 확인하였다.
또한, 직각파(±5V, 60Hz)를 인가하고, 온도가 10-50℃인 범위에서, 액정 디바이스 A에 대한 콘트라스트를 측정하였다.
그 결과, 액정 디바이스 A는 10℃에서 200이라는 최소 콘트라스트 값을 나타냈다.
또한, 마이크로스코프로 관찰했을 때, 액정 디바이스 A는 하프톤 디스플레이 상태에 관한 V-T(전압-투과율) 특성에서 불규칙성을 나타내지 않았으므로, 양호한 스위칭 특성을 제공한다.
<직각파에 대한 광학 응답의 시각 관찰>
액정 디바이스 A의 직각파에 대한 광학 응답을 마이크로스코프를 이용하지 않고 시각 관찰한 경우, 스위칭 불규칙이 전혀 없는 일정한 반전(inversion) 동작이 확인되었다.
실시예 2
액정 디바이스 B가 준비되고, 폴리이미드막의 두께(500Å)가 150Å으로 변화되어 7.0도의 프리틸트 각 α를 제공한다는 점 이외에는 실시예 1과 동일한 방식으로 평가된다,
<배향 상태>
액정 디바이스 B의 액정 화합물 LC-1의 배향 상태를 30℃(실온)에서 편광 마이크로스코프를 통해 관찰하였다.
그 결과, 띠 조직이 전체 디스플레이 영역에 형성되어, 평균 길이 방향과 러빙 방향간에 ca. 3도의 각이 생긴다는 것을 확인하였다.
또한, 가장 어두운 축의 다른 위치들(즉, 가장 어두운 축 위치의 분포)에 제공된 띠 조직은 그들간에 ca. 4도의 최대각을 제공한다.
액정 디바이스 B에서, 루프 형상의 영역은 관찰되지 않았고, 모든 층의 수직 방향들(스멕틱 분자층의)이 전체 디스플레이 영역에서 한 방향으로 배향되었다.
<직각파에 대한 광학 응답>
양전압을 인가한 상태에서 편광 마이크로스코프를 통해 액정 디바이스 B의 반전 동작을 관찰한 경우, 백색 디스플레이 상태로 반전된 부분을 포함하는 복수의 미세 영역이 발생되었다. 인가 전압이 점차 증가되는 경우, 반전된 백색 부분의 영역이 점차 확대되는 것이 확인되었다. 그 때의 시각 관찰에 따르면, ca. 2-3V의 전압을 인가시, ca. 50%의 투과율이 전체 가시 영역에 걸쳐 확인되었다.
액정 디바이스 B는 광전증배관을 구비한 편광 마이크로스코프내에 크로스 니콜 관계하에서 셋팅되어, 전압 무인가시 가장 어두운 상태를 제공하도록 편광축이 배치되었다.
액정 디바이스 B에 직각파(±5V, 60Hz)가 인가된 경우, 결과적인 투과 광량(투과율)은 인가 전압의 크기(절대값)과 함께 점차 증가되었고, 양 전압이 인가된 경우에는 임계값이 존재하지 않는다. 반면에, 음 전압이 인가된 경우에는, 결과적인 투과 광량은 인가 전압 레벨에 따라 변화되었지만, 투과율의 최대값은 양 전압 인가의 경우의 최대 투과율의 ca. 1/10이었다. 따라서, 양 및 음 전압의 인가시 결과적인 투과율의 평균값이 이전 상태들의 평균값에 좌우되지 않으므로, 양호한 하프톤의 화상 디스플레이를 얻을 수 있다는 것을 확인하였다.
또한, 직각파(±5V, 60Hz)를 인가하고, 온도가 10-50℃인 범위에서, 액정 디바이스 B에 대한 콘트라스트를 측정하였다.
그 결과, 액정 디바이스 B는 10℃에서 100이라는 최소 콘트라스트 값을 나타냈다.
<직각파에 대한 광학 응답의 시각 관찰>
액정 디바이스 B의 직각파에 대한 광학 응답을 마이크로스코프를 이용하지 않고 시각 관찰한 경우, 스위칭 불규칙이 전혀 없는 일정한 반전(inversion) 동작이 확인되었다.
또한, 액정 디바이스 B는 계조 반전(gradation inversion)이 전혀 없는 양호한 시야각 특성을 보여주었다.
실시예 3
액정 디바이스 C가 준비되어, 폴리이미드막의 두께(500Å)가 150Å으로 변화되어 7.0도의 프리틸트 각 α를 제공한다는 점과 DC(오프셋) 전압(-2V)이 -5V로 바뀌는 점 이외에는 실시예 1과 동일한 방식으로 평가된다,
<배향 상태>
액정 디바이스 C의 액정 화합물 LC-1의 배향 상태를 30℃(실온)에서 편광 마이크로스코프를 통해 관찰하였다.
그 결과, 띠 조직이 전체 디스플레이 영역당 ca. 50%의 면적 비율로 형성되어, 평균 길이 방향과 러빙 방향간에 ca. 3도의 각이 생긴다는 것을 확인하였다.
또한, 가장 어두운 축의 다른 위치들(즉, 가장 어두운 축 위치의 분포)에 제공된 띠 조직은 그들간에 ca. 4도의 최대각을 제공한다.
액정 디바이스 C에서, 모든 층의 수직 방향들(스멕틱 분자층의)이 전체 디스플레이 영역에서 한 방향으로 배향되었다.
<직각파에 대한 광학 응답>
실시예 2와 마찬가지로 양전압을 인가한 상태에서 편광 마이크로스코프를 통해 액정 디바이스 C의 반전 동작을 관찰한 경우, 백색 디스플레이 상태로 반전된 부분을 포함하는 복수의 미세 영역이 발생되었다. 인가 전압이 점차 증가되는 경우, 반전된 백색 부분의 영역이 점차 확대되는 것이 확인되었다.
또한, 띠 조직 부분에서의 결과적인 투과 광량(투과율)은 인가 전압의 크기(절대값)과 함께 점차 증가되었고, 양 전압이 인가된 경우에는 임계값이 존재하지 않았으며, 이전 디스플레이 상태에 의해 영향을 받지 않으므로, 안정된 하프톤 디스플레이 상태를 제공한다. 반면에, 음 전압이 인가된 경우에는, 결과적인 투과 광량은 인가 전압 레벨에 따라 변화되었지만, 투과율의 최대값은 양 전압 인가의 경우의 최대 투과율의 ca. 1/10이었다. 따라서, 양 및 음 전압의 인가시 결과적인 투과율의 평균값이 이전 상태들의 평균값에 좌우되지 않으므로, 양호한 하프톤의 화상 디스플레이를 얻을 수 있다는 것을 확인하였다.
액정 디바이스 C의 띠 조직 부분이외의 부분은 일정한 배향 상태를 나타내었고, 상기 부분에서는 상기 언급한 미세 영역을 전혀 발생하지 않은 도메인이 없는 스위칭이 유효하다는 것을 확인하였다.
또한, 음 전압이 인가된 경우에는, 결과적인 투과 광량은 인가 전압 레벨에 따라 변화되었지만, 투과율의 최대값은 양 전압 인가의 경우의 최대 투과율의 ca. 1/10이었다. 따라서, 양 및 음의 전압의 인가시 결과적인 투과율의 평균값이 이전 상태들의 평균값에 좌우되지 않으므로, 양호한 하프톤의 화상 디스플레이를 얻을 수 있다는 것을 확인하였다. 반면에, 음 전압이 인가된 경우에는, 결과적인 투과 광량은 인가 전압 레벨에 따라 변화되었지만, 투과율의 최대값은 양 전압 인가의 경우의 최대 투과율의 ca. 1/10이었다. 따라서, 양 및 음 전압의 인가시 결과적인 투과율의 평균값이 이전 상태들의 평균값에 좌우되지 않으므로, 양호한 하프톤의 화상 디스플레이를 얻을 수 있다는 것을 확인하였다.
또한, 직각파(±5V, 60Hz)를 인가하고, 온도가 10-50℃인 범위에서, 액정 디바이스 C에 대한 콘트라스트를 측정하였다.
그 결과, 액정 디바이스 C는 10℃에서 120이라는 최소 콘트라스트 값을 나타냈다.
실시예 4
액정 디바이스 D가 준비되어, DC(오프셋) 전압(-2 V)이 -5V 정도로 변화된다는 점이외에는 실시예 1과 동일한 방식으로 평가된다.
<배향 상태>
액정 디바이스 D의 액정 화합물 LC-1의 배향 상태를 30℃(실온)에서 편광 마이크로스코프를 통해 관찰하였다.
그 결과, 전압을 인가하지 않은 경우에, 전체 셀에 걸쳐 띠 조직이 없는 매우 양호하게 일정한 배향 상태를 나타냈다.
<직각파에 대한 광학 응답>
액정 디바이스 D는 광전증배관을 구비한 편광 마이크로스코프내에 크로스 니콜 관계하에서 셋팅되어, 전압 무인가시 가장 어두운 상태를 제공하도록 편광축이 배치되었다.
액정 디바이스 D에 직각파(±5V, 60Hz)가 인가된 경우, 결과적인 투과 광량(투과율)은 인가 전압의 크기(절대값)과 함께 점차 증가되었고, 양의 전압이 인가된 경우에는 임계값이 존재하지 않는다. 스위칭 동작은 미세 영역에는 거의 발생하지 않는 도메인이 없는 스위칭이었다. 이점에 있어서, 미세 영역 발생의 정도는 실시예(1)에서보다 더욱 적어진다. 반면에, 음의 전압이 인가된 경우에는, 결과적인 투과 광량은 인가 전압 레벨에 따라 변화되었지만, 투과율의 최대값은 양의 전압 인가 경우의 최대 투과율의 ca. 1/10이었다. 따라서, 양 및 음의 전압 인가시 결과적인 투과율의 평균값이 이전 상태들의 평균값에 좌우되지 않으므로, 양호한 하프톤의 화상 디스플레이를 얻을 수 있다는 것을 확인하였다.
또한, 직각파(±5V, 60Hz)를 인가하고, 온도가 10-50℃인 범위에서, 액정 디바이스 D에 대한 콘트라스트를 측정하였다.
그 결과, 액정 디바이스 D는 10℃에서 200이라는 최소 콘트라스트 값을 나타냈다.
또한, 마이크로스코프로 관찰했을 때, 액정 디바이스 D는 하프톤 디스플레이 상태에 관한 V-T(전압-투과율) 특성에서 불규칙성을 나타내지 않았으므로, 양호한 스위칭 특성을 제공한다.
<비교례 1>
50Å두께의 폴리이미드 필름이 폴리이미드 프리커서("SE7992",mfd.by Nissan Kagaku K.K)를 사용하여 형성되어, 2.0도 정도의 프리틸트 각 α가 제공되는 것을 제외하고 액정 디바이스 E가 준비되어 실시예(1)에서와 같은 방법으로 평가된다.
<배향 상태>
액정 디바이스 E의 액정 화합물 LC-1의 배향 상태를 30℃(실온)에서 편광 마이크로스코프를 통해 관찰하였다.
결과적으로, 부분적으로 루프형 영역을 포함하는 띠 조직이 전체 디스플레이 영역에 형성되어 평균 길이 방향과 러빙 방향 사이에서 ca. 3도의 각이 생긴다는 것을 확인하였다.
또한, 가장 어두운 축의 다른 위치들(즉, 가장 어두운 축 위치의 분포)에 제공된 띠 조직이 그들간에 ca. 4도의 최대각을 제공한다.
액정 디바이스 E에서, 모든 층의 수직 방향들(스멕틱 분자층의)이 전체 디스플레이 영역에서 한 방향으로 배향되었다.
<직각파에 대한 광학 응답>
양의 전압을 인가한 상태에서 편광 마이크로스코프를 통해 액정 디바이스 E의 반전 동작을 관찰한 경우, 백색 디스플레이 상태로 반전된 부분을 포함하는 복수의 미세 영역이 발생되었다. 인가 전압이 점차 증가되는 경우, 반전된 백색 부분의 영역이 점차 확대되는 것이 확인되었다. 그 때의 시각 관찰에 따르면, ca. 2-3V의 전압을 인가시, ca. 50%의 투과율이 띠 조직 부분에서 확인되었다. 루프형 영역에서, 투과율 ca. 50%가 ca. 4 V전압의 인가하에 얻어지며, 따라서 주변 띠 조직부와 비교하면 분자 반전을 위한 더욱 높은 인가 전압이 얻어진다.
액정 디바이스 E는 광전증배관을 구비한 편광 마이크로스코프내에 크로스 니콜 관계하에서 셋팅되어, 전압 무인가시 가장 어두운 상태를 제공하도록 편광축이 배치되었다.
액정 디바이스 E에 직각파(±5V, 60Hz)가 인가된 경우, 결과적인 투과 광량(투과율)은 인가 전압의 크기(절대값)과 함께 점차 증가되었고, 양의 전압이 인가된 경우에는 임계값이 존재하지 않는다. 증가된 투과율은 미세 영역내에 반전된 백색부 영역에서의 증가와 함께 수반된다. 반면에, 음의 전압이 인가된 경우에는, 결과적인 투과 광량은 인가 전압 레벨에 따라 변화되었지만, 투과율의 최대값은 양의 전압 인가의 경우의 최대 투과율의 ca. 1/10이었다. 따라서, 양 및 음 전압의 인가시 결과적인 투과율의 평균값이 이전 상태들의 평균값에 좌우되지 않으므로, 양호한 하프톤의 화상 디스플레이를 얻을 수 있다는 것을 확인하였다.
또한, 직각파(±5V, 60Hz)를 인가하고, 온도가 10-50℃인 범위에서, 액정 디바이스 E에 대한 콘트라스트를 측정하였다.
그 결과, 액정 디바이스 E는 10℃에서 90이라는 최소 콘트라스트 값을 나타냈다.
<직각파에 대한 광학 응답의 시각 관찰>
액정 디바이스 E의 직각파에 대한 광학 응답을 마이크로스코프를 이용하지 않고 시각 관찰한 경우, 루프-형상 영역에 기인하는 스위칭 불규칙이 확인되었고, 따라서 직시유형의 액정 디바이스로 사용되는 경우에 문제를 야기시킨다.
상기와 같이, 본 발명에 의하면, V-T 특성에서 배향 결함(defects)과 불규칙성이 없는 높은 콘트라스트와 단일 스위칭 특성을 가진 고속 응답 액정 장치의 제공이 가능하며, 따라서, 양호한 계조 디스플레이가 실현된다.

Claims (23)

  1. 액정 디바이스에 있어서,
    표면에 전극을 각각 포함하는 한쌍의 기판, 및
    상기 전극들사이에 인가된 전압이 공급되도록 상기 기판사이에 배치된 액정
    을 포함하며,
    상기 한쌍의 기판은 평행하나 서로 반대인 단일축의 배향축(uniaxial aligning axes)을 구비하고,
    상기 액정은 온도가 낮아짐에 따라, 각각 등방성 상(isotropic phase), 콜레스테릭 상(cholesteric phase) 및 카이랄 스멕틱 C 상(chiral smectic C phase)의 상전이 계열(phase transition series) 또는 등방성 상 및 카이랄 스멕틱 C 상의 상전이 계열을 갖는 카이랄 스멕틱 액정이며,
    상기 액정은 전압이 인가되지 않는 경우 단안정(monostable) 상태로 놓여 있고, 상기 기판들 중 적어도 하나와의 경계(boundary)에서 적어도 4도의 프리틸트 각(pretilt angle)을 나타내는 배향 상태로 놓여지는
    것을 특징으로 하는 액정 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액정은, 전압을 인가하지 않는 상태에서는 평균 분자축이 단안정 배향 상태로 놓이도록 상기 액정이 배향되고, 제1 극성의 전압을 인가할 경우 상기 단안정 배향 상태로부터 일 방향으로 상기 가해진 전압의 크기에 따라 변화하는 경사각(tilting angle)으로 상기 액정이 경사지며, 상기 제1 극성과 반대되는 제2 극성의 전압을 인가할 경우 상기 단안정 배향 상태로부터 상기 일 방향과 다른 방향으로 소정의 경사각으로 상기 액정이 경사지도록 하는 배향 특성을 가지며,
    상기 경사각은 제1 및 제2 극성의 전압을 인가시 각각 최대 경사각 β1 및 β2를 형성하고, β1 > β2를 만족하는 것을 특징으로 하는 액정 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 최대 경사각 β1 및 β2는 β1 ≥ 5 x β2를 만족하는 것을 특징으로 하는 액정 디바이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 디바이스는 액티브 소자를 각각 구비한 다수의 화소를 포함하고, 상기 액티브 소자를 통해 액티브 매트릭스 방식으로 구동되어 아날로그 계조(gradation) 디스플레이를 실행하는 것을 특징으로 하는 액정 디바이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 액정은 벌크(bulk) 상태에서 셀 두께의 두배 값보다 큰 헬리컬 피치(helical pitch)를 갖는 것을 특징으로 하는 액정 디바이스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 액정 디바이스는 광투과형인 것을 특징으로 하는 액정 디바이스.
  7. 제1항에 있어서,
    광은 상기 한쌍의 기판중의 하나로부터 다른 기판으로 투과하는 것을 특징으로 하는 액정 디바이스.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 한쌍의 기판중 입사광이 투과하는 기판에 대향되게 배치된 기판에 구비된 컬러 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 디바이스.
  9. 제1항 내지 제5항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프리틸트 각은 4도 이상 10도 이하인 것을 특징으로 하는 액정 디바이스.
  10. 제1항 내지 제8항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프리틸트 각은 10도 이상인 것을 특징으로 하는 액정 디바이스.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 프리틸트 각은 4도 이상 50도 이하인 것을 특징으로 하는 액정 디바이스.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 프리틸트 각은 10도 이상 50도 이하인 것을 특징으로 하는 액정 디바이스.
  13. 액정 디스플레이 장치에 있어서,
    제1항에 따른 액정 디바이스, 및
    상기 액정 디바이스를 조명하기 위한 다수의 삼원색 광원
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 프리틸트 각은 10도 이상인 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 프리틸트 각은 4도 이상 10도 이하이고, 상기 장치는 직시(diret-view)형인 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 프리틸트 각은 10도 이상 50도 이하이고, 상기 장치는 확대 광학 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 액정 디바이스를 액티브 매트릭스 방식으로 구동하기 위한 액티브 매트릭스 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 프리틸트 각은 10도 이상인 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치.
  19. 제1항에 따른 액정 디바이스용 구동 방법에 있어서,
    프레임 주기를 제1 필드 주기 및 제2 필드 주기를 포함하는 다수의 필드 주기로 나누는 단계를 포함하고,
    상기 제1 필드 주기에서, 상기 방법은,
    선택주기에서 TFT(박막 트랜지스터)를 온하기 위하여 주사 신호선에 전압을 인가하는 단계,
    상기 주사선에 전압을 인가하는 것과 동기하여 상기 TFT를 통해 화소 전극에 일 극성의 소스 전압을 인가하는 단계, 및
    상기 주사 신호선에 전압이 인가되지 않는 비선택 주기에서 액정 분자들의 제1 스위칭을 발생시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 디바이스 구동 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제2 필드 주기에서, 상기 방법은,
    선택주기에서 TFT를 온하기 위하여 주사 신호선에 전압을 인가하는 단계,
    상기 제2 필드 주기에서 상기 주사 신호선에 전압을 인가하는 것과 동기하여 상기 TFT를 통해 화소 전극에 일 극성의 소스 전압을 인가하는 단계, 및
    상기 제2 필드 주기에서 상기 주사 신호선에 전압이 인가되지 않는 비선택 주기에서 액정 분자들의 제2 스위칭을 발생시키는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 디바이스 구동 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 및 상기 제2 스위칭은 상기 프레임 주기에서 연속적으로 발생하는 것을 특징으로 하는 액정 디바이스 구동 방법.
  22. 제19항 내지 제21항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프리틸트 각은 10도 이상인 것을 특징으로 하는 액정 디바이스 구동 방법.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 카이랄 스멕틱 액정은 상기 단일축의 배향축과 실질적으로 정렬된 안정 위치에 놓이는 것을 특징으로 하는 액정 디바이스.
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