KR20010033545A - 쌍안정 네마틱 액정 디바이스 - Google Patents

쌍안정 네마틱 액정 디바이스 Download PDF

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KR20010033545A
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liquid crystal
crystal device
grating
cell
alignment
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KR1020007007054A
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존클리포드 존스
에마루이스 우드
가이피터 브라이언-브라운
Original Assignee
스켈톤 에스. 알.
더 세크러터리 오브 스테이트 포 디펜스
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Publication date
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Abstract

쌍안정 네마틱 액정 디바이스 셀에는 하나의 셀 벽에서, 액정 디렉터가 동일한 방위면에 있지만 그 셀의 평면에서 벗어나서 2개의 다른 경사각을 갖는 2개의 안정 상태를 유지할 수 있는 표면 정렬 처리가 제공된다. 상기 표면은, 이 표면에서 액정 분자의 국지적 방위가 표면의 국지적 방향에 수직이 되게 하는 사진 석판술 또는 엠보싱 기술에 의해 형성되는 대칭 또는 비대칭 그레이팅 구조를 사용함으로써 제공된다. 그레이팅 주기, 깊이, 형상 및 고정성을 정확히 선택하면 2개의 안정 디렉터 형태를 만드는데, 즉 하나는 디렉터가 그레이팅 표면에서 셀의 평면에 수직이고, 다른 하나는 디렉터가 보통 셀 평면에서 0°내지 60°의 범위에 속하는 프리틸트를 갖는 것이다. 이 표면은 예를 들어 마찰한 폴리머에 의해 형성된 실질적으로 평평한 균일 정렬부를 초래하는 단안정 표면, 또는 그레이팅 표면과 연합하게 된다. 이 단안정 표면의 양호한 방향은 대향한 표면에서 그레이팅 홈에 관하여 어떤 각도로 배열될 수 있다. 하나의 실시예에서, 단안정 표면은 홈에 평행하게 배열되므로 한 상태에서 디렉터가 다른 디렉터에서의 한 표면으로부터 90°만큼 비틀리는 밤면에, 다른 상태에서는 비틀림이 거의 없거나 전혀 없다. 셀은 재료의 플렉소 전기 계수와 결합하는 dc 펄스에 의해 스위치될 수 있다. 이 재료는 음 절연 이방성을 가지며, 양호한 트위스트 방향을 부여하도록 키랄 도펀트를 포함해도 좋다. 셀 벽들은 픽셀의 매트릭스를 형성하는 전극 구조로 코팅된 단단한 또는 가요성 투명 재료로서 형성될 수 있다. 다른 상태를 광학적으로 구별하기 위한 수단은 하나 이상의 편파기, 또는 편파기를 가진 염료나 편파기를 갖지 않은 염료, 및/또는 다른 광학 요소에 의해 제공된다.

Description

쌍안정 네마틱 액정 디바이스{Bistable nematic liquid crystal device}
액정 디바이스는 통상적으로 광투과성 셀 벽 사이에 내포된 액정 재료의 박층을 포함한다. 이들 벽은 통상 내부면이 투명 전도층으로 코팅되어 있어서 외부 전계가 인가될 수 있지만, 인플레인 전극(in-plane electrode)을 사용하는 디바이스들은 이러한 외부 전계 인가를 달성하기 위해서 금속 스트립을 사용하기도 한다. 또한 어떤 액정 디바이스는 박막 트랜지스터(TFT)와 같은 비선형 소자를 형성하도록 설계된 전극을 따라서 반도체 영역을 포함한다. 상기 전극들은 가끔 세그멘트된 또는 rθ 디스플레이를 포함하여 어드레스 가능한 소자 또는 픽셀의 x,y 매트릭스를 형성하도록 설계되어 있으나, 다른 배열도 가능하다. 각 픽셀이 개별 전극 또는 전극들에 의해 구동될 수 있지만, 컴플렉스 디바이스(예를 들어 다수의 픽셀을 가진 디바이스)는 보통 하나의 기판을 일련의 횡렬 전극(series of row electrode)을 가지게 하고 다른 기판을 일련의 종렬 전극(series of column electrode)을 가지도록 배열하여 각 픽셀이 종횡으로 중첩하여 형성되도록 함으로써 전기적으로 구동된다.
다른 층들은 칼라 필터, 평면화 층 및 장벽층을 포함하여 디바이스의 내측에 포함되어 있다. 각 픽셀의 최내측 표면은 보통 액정 디렉터(director)의 필요한 방위를 부여하는 정렬층으로 구성된다. 이들 표면층은 액정을 포함하는 분자와 상호작용하고, 정렬 방향은 액정 재료의 탄성력을 통해 대부분의 샘플로 전달된다.
네마틱 액정(nematic liquid crystal)에는 가능한 여러가지 표면 형태가 있다. 어떤 계면 활성제는 디렉터가 소위 "동방성(homeotropic)" 정렬로서 표면에 실질적으로 수직으로 놓이게 한다. 다른 방법으로서, 디렉터는 "플레이너" 정렬로서 표면에 실질적으로 평행하게 놓이거나, 또는 "경사(tilted) 정렬로서 중간 각도(가끔 프리틸트(pretilt)라고 부름)에서 놓일 수 있다. 플레이너 또는 경사 정렬을 사용하는 디바이스는 보통 정상 표면(surface normal)에 대해 정렬 방향의 퇴화를 제거할 것과, 디렉터가 단일 방위일 것을 요구한다.
플레이너 균일 및 경사 균일 정렬을 달성하기 위해 문헌상에서 여러가지 방법이 제안되었다. 예를 들어, 실리콘 일산화물(SiOx) 또는 마그네슘 불화물(MgF) 과 같은 무기물 층의 비스듬한 확산은 가공 조건에 따라 플레이너 균일 정렬이나 경사 균일 정렬을 초래한다. 정상 표면에 대해 60°에서 SiO 가 확산하면 증발면에 수직인 방향으로 플레이너 정렬이 만들어지고, 반면에 85°증발 각도는 증발면에서 경사지게(통상 25° 내지 30°) 만든다.
플레이너 또는 경사 정렬은 보통 실용상 표면을 폴리이미드와 같은 적절한 폴리머로 코팅하고, 표면에 필요한 방향을 부여하도록 직물로 닦아냄으로써 달성된다. 이것은 보통 폴리머, 마찰 조건, 그리고 베이킹 온도를 포함한 다른 가공 조건에 따라 표면에서 0.1°와 8°의 프리틸트를 초래한다(비록 0°와 90° 사이의 경사가 어떤 폴리머로서 가능하지만). 다른 방법으로서, 플레이너 균일 정렬이 플레이너 표면에서 주기적 그레이팅(grating) 구조를 사용하여 유도될 수 있다. 네마틱 액정의 가장 낮은 탄성 에너지는 디렉터가 그레이팅의 축에 평행할 때 발생한다. 또한 중첩된 그레이팅 중 하나 또는 둘다가 비대칭이거나 블레이즈(blaze)되어 있는 이중 그레이팅(bi-grating) 표면을 사용하여 경사 균일 정렬을 실행할 수 있다.
최근에, 네마틱 디렉터의 하나 이상의 안정된 방향을 갖는 다수의 새로운 표면이 공개되어 있다. 쌍안정 표면의 처음 실예는 특허 WO 91/11747(1991) 및 WO 92/00546(1991)에서 두란드(Durand) 등에 의해 설명되었다. 이러한 디바이스에서, 2개의 안정된 표면 방위 즉, 제1은 플레이너이고, 제2는 제1 방위에 대해 90°의 방위각(표면의 평면에서)이지만 대략 30°만큼 표면 평면에서 벗어나서 경사져 있는 표면 방위를 만들기 위해 SiO 코팅의 두께 및 증발을 주의깊게 제어하는 것을 보여주고 있다. 그러한 방위 쌍안정 표면 상태를 달성하는데 있어서 보다 실용적인 접근방법은 영국 특허 제2,286,467-A호에 기재되어 있다. 이것은 블레이즈된 이중 그레이팅 표면을 사용하는데, 여기서 국지적 디렉터는 표면에 플레이너하고, 두 표면 방위는 그레이팅 피치, 진폭 및 블레이즈 정도를 정밀하게 제어함으로써 안정시킬 수 있다.
새로운 표면이 영국 특허출원 PCT/GB96/0463에 기재되어 있는데, 여기서 동방성 국지적 디렉터 방위를 갖는 모노 그레이팅(mono-grating) 표면이 다른 경사각이지만 동일한 방위면 내에서 2개의 안정 상태를 초래한다. 이 표면은 제니탈 쌍안정 디바이스(Zenithal Bistable Device:ZBD)를 형성하는데 시용된다. 이 표면은 액정 재료의 자연 발생적 동방성 방위를 초래하는 층에서 그레이팅을 만들거나 또는 더욱 실용적으로는 그레이팅 표면을 적절한 동방성 유도성 정렬 작용제로 오버코팅함으로써 달성될 수 있다.
액정 디바이스를 가로질러서 전계을 인가하면 여러가지 효과를 가질 수 있다. 많은 디바이스들은 액정의 본래의 절연 이방성(△ε)에 의존한다(△ε=ε∥-ε⊥, 여기서 ∥및 ⊥은 디렉터에 대해 평행 및 수직의 방향을 말한다). 만일에 △ε이 양이면 액정의 전자 정적 에너지는 디렉터가 인가 전계(applied field)에 평행할 때 최소가 되고, 반면 △ε가 음이면 디렉터가 인가 전계에 수직으로 놓이는 경향이 있다. 이러한 효과들은 전계의 RMS. 값에 관련되어 있으며, 그와 같이 전계 극성에는 무관하다. 대부분의 재료는 디바이스의 작동 주파수 범위에 걸쳐 양 또는 음이지만, 어떤 재료들은 "2-주파수(two-frequency)" 거동을 나타내는 것으로 설명되어 있으며, 여기서 △ε는 전기적 작동 주파수 범위내에서의 저주파수에서 양이고, 고주파수에서 음이다.
최근에, 어떤 디바이스들은 많은 액정에서 발생하는 플렉소 전기 효과(flexo-electric effects)를 사용하는 것으로 설명되어 있다. 이 효과는 액정 디렉터 필드의 어떤 탄성 비틀림에 의하여 유도된 액정 분자들을 극에 따라 정렬(polar ordering)함으로써 만들어진다. 그러한 효과는 DC 전계와 관련되어 있어서, 인가된 전계의 극성에 의존한다.
앞의 원리를 사용하는 단안정 액정 디바이스의 예를 들면 (수퍼)트위스트 네마틱(TN 및 STN) 및 전계 제어 복굴절(ECB) 모드가 있다.
TN에서, 디바이스의 양쪽 내부면은 경사 균일(또는 플레이너) 정렬을 부여하도록 처리되지만, 대향면에서의 방향은 서로에 대해 일정 각도로 비틀린다. 일단 네마틱 재료로 채워지면, 디바이스의 용적내에서의 디렉터는 한 표면에서 다른 표면으로 비틀린다. 편파기(polarizer) 사이로 조명될 때 또는 액정이 단일 편파기에서 이색성 성분 염료를 포함하면, 이러한 구조는 주어진 전달율을 가진다. 양의 △ε 네마틱 재료로서 구성될 때, 전계를 인가하면 디렉터가 전계에 평행하게 재배치되고 이에 의해 디바이스의 광학 특성을 변화시킨다. TN 디바이스에서, 표면들은 통상적으로 셀을 가로질러 90°트위스트를 주도록 방향이 설정되어 있다. 액정 복굴절 △n 및 셀 간격은, 입사광의 편광이 90°만큼 회전되어서 교차 편파기(crossed polariser) 사이의 투과(transmission)로 인도하거나(보통 화이트(white) 모드) 또는 병렬 편파기(parallel polariser) 사이의 어두운 상태(보통 다크(dark) 모드)로 만들도록 선택된다. 인가 전계는 △ε과 결합하여 대부분의 셀에서 경사를 초래하여 광학 회전도를 감소시키며, 이로서 보통의 화이트 모드에서 더 어두운 투과율로 인도하거나 또는 보통의 다크에서 더 밝은 투과율로 인도한다.
멀티플렉스 디바이스에 전해질 수 있는 여러가지 다른 요소들은 IEEE Trans. ED, Vol ED 21 146쪽 내지 155쪽(1974)에서 알트(Alt) 및 플레스코(Pleshko)에 의해 설명된 바와 같이, 투과율 대 전압 특성의 기울기와 관련되어 있다. 이 곡선의 기울기는 각 픽셀에서 TFT와 같은 비선형 요소를 합체하거나 또는 미국특허 제4,596,446호에서 설명된 수퍼트위스트(STN) 효과를 사용함으로써 개선될 수도 있다. 여기서 키랄 첨가제가 액정의 자연 발생적 트위스트를 변화시키며 90°와 270°사이로 트위스트를 초래함으로써 투과율/전압 특성을 기울어지게 하는데 사용된다.
다른 방법으로서 RMS. 어드레스된 단안정 디바이스는 ECB 모드이다. 여기서 동방성 표면은 이 표면의 평면에서 경사 균일 표면과 높은 프리틸트로서 대향하며 사용된다. 이 디바이스는 음의 △ε재료와 연합하여 사용되어서 전계가 인가되면 대부분의 셀에서 경사를 감소시키고 광학 지연을 변경시키며, 이로써 광학 콘트라스트로 인도한다. 이들 각각의 디바이스에서 광학성(주로, 콘트라스트, 명도 및 관찰 각도)의 개선은 추가의 패시브 지연판(passive ratardation plate)을 사용하여 실행할 수 있다. 예를 들어, STN 디바이스는 편파기 사이의 액정 셀에 관하여 적절하게 방향이 설정된 2개의 단축 지연필름을 사용하여 블루/화이트 또는 옐로우/블랙 모드에서 블랙/화이트 디바이스로 변경될 수 있다.
표면 쌍안정성을 이용하는 쌍안정 네마틱 액정의 예를 들면 영국 특허출원 WO97/14990, PCT/GB96/02463(GB9521106.6)의 제니탈 쌍안정 디바이스(zenithal bistable device; 이하 +ZBD 라고 함)가 있다. 한면 또는 양면은 동일한 방위면에서 그러나 다른 제니탈 각도(또는 경사)로 2개의 쌍안정 상태를 부여하도록 처리된다. 이 발명의 양호한 실시예에서 제니탈 쌍안정 표면은 종래 동방성 표면과 대향하며 사용되고, 스위칭이 인가 전계와의 플렉소 전기 커플링으로 인하여 발생한다.
그러한 디바이스의 2 상태가 도 2a에 도시되어 있다. 제1 상태에서 대부분의 셀은 균일하게 동방성되고, 디렉터 필드가 그레이팅 표면 부근에서 계속 비틀린다. 제2 상태에서, 결함이 상기 표면 부근에서 일어나고, 디렉터가 상기 표면에서 약간 떨어져서 균일하게 프리틸트된다(도 2b에서 점선으로 도시됨). 양쪽 상태에서의 가까운 표면 비틀림은 플렉소 전기 편광을 일으키고, 이것이 DC 전계의 부호에 따라 어느 상태를 선택한다. 어느 상태의 표면 부근에서 플렉소 전기 편광의 크기는 재료가 양의 △ε을 가지면 강화되는데, 이는 전계의 RMS. 효과가 동방성 정렬을 단안정 표면에서 대부분의 셀로 더욱 진행시키기 때문이다. 이것은 ZBD 를 위해 더낮은 전압/더빠른 응답을 초래한다. 그러나, 광학 콘트라스트는 양쪽 상태에서 동방성 방위를 안정화시키는 RMS. 효과로 인하여 데이터 신호의 인가중에 크게 감소된다.
용어 동일한 방위면은 이하로서 설명한다. 즉 셀의 벽을 x,y 면에 놓는다는 것은 셀 벽에 대해 z축이 수직하다는 것을 뜻한다. 동일한 방위면에서 2개의 프리틸트 각도는 동일한 x,z 평면에서 2개의 분자 위치가 다르다는 것을 뜻한다.]
본 발명은 멀티플렉스 어드레싱으로부터 초래되는 더 좋은 콘트라스트 비와 AC 전압에 대해 더 감소된 감도를 부여하도록 ZBD 디바이스의 스위칭 특성을 개선한다.
본 발명은 쌍안정 네마틱 또는 키랄(chiral) 네마틱 액정 디바이스에 관한 것으로서, 특히 다량의 정보량(information content)을 갖는 디스플레이 디바이스에 관한 것이다.
도 1a는 매트릭스 멀티플렉스형 어드레스 액정 디스플레이의 평면도.
도 1b는 도 1의 디스플레이의 횡단면도.
도 2a(ⅰ),(ⅱ), 2b(ⅰ),(ⅱ)는 종래 기술의 WO97/14990 PCT/GB96/02463에서 분자 정렬의 도시하는 도면.
도 3(ⅰ),(ⅱ)는 본 발명에 따라 음 모드(negative mode) 제니탈 쌍안정 디바이스에 대한 2차원 디렉터 프로파일의 횡단면의 개략도로서, 2개의 안정 상태, 즉 도 3(ⅰ)는 연속 상태이고, 도 3(ⅱ)는 결함 상태이다.
도 4는 도 3의 음 모드 제니탈의 2차원 디렉터 프로파일의 개략도로서, 여기서 인가 전계의 RMS. 효과가 구성물 액정의 음의 절연 이방성에 결합하여 쌍안정 표면 부근에서 디렉터 필드의 비틀림을 집중시킨다.
도 5는 층을 가로지르는 제로 트위스트와 함께 △ε〈0 인 재료에 대해 본 발명의 전기 스위칭의 1차원 도면의 시리즈이다(실시예 1).
도 6은 도 5와 유사하며 층이 90°트위스트를 가지는 도면(실시예 2).
도 7은 본 발명의 쌍안정 스위칭을 시험하는데 사용되는 생성된 파형.
도 8, 도 9 및 도 10은 약간 다른 조건하에서 실시예 2의 디바이스의 광학 응답을 도시하는 오실로스코프 도형.
도 11은 2개의 안정 스위칭된 상태 중 하나(결함 상태)에 대해 본 발명과 종래 디바이스의 광 투과율 대 전압을 도시하는 도면.
도 12는 2개의 안정 스위칭된 상태 중 다른 하나(비결함 또는 연속 상태)에 대해 본 발명과 종래 디바이스의 광 투과율 대 전압을 도시하는 도면.
도 13은 2개의 스위칭된 상태 사이의 콘트라스트 비를 본 발명과 종래 디바이스에 대해 RMS. 전압의 함수로서 도시하는 도면.
도 14는 본 발명과 종래 디바이스에 대해 RMS. 전압에 의해 스위칭 임계값 변화를 도시하는 도면.
도 15는 2개의 프리틸트 형태의 에너지를 홈의 깊이 대 피치 비(h/w)의 함수로서 도시하는 그래프.
본 발명에 따라서 쌍안정 네마틱 액정 디바이스는:
액정 층을 둘러싸는 2개의 셀 벽과;
양쪽 벽에 있는 전극 구조물과;
액정 분자에 정렬을 제공하는 양쪽 셀 벽의 내부면에 있는 표면 정렬 처리부와;
액정 재료의 스위치된 상태를 구별하는 수단을 구비하고,
제로 또는 음의 절연 이방성을 갖는 네마틱 또는 긴 피치 콜레스테릭 액정 재료와;
하나의 셀 벽에서 액정 분자가 실질적으로 동일한 방위면에서 2개의 다른 프리틸트를 채용하도록 허용하는 쌍안정 표면 정렬부와;
다른 셀 벽에서 액정 분자의 양호한 단일 정렬 방향 즉 플레이터 균일 정렬이나 또는 경사 균일 정렬을 부여하는 표면 정렬부를 구비하고,
2개의 쌍안정 액정 분자 형태가 전극에 적절한 전기신호가 인가된 후에 존재할 수 있도록 배열되어 있는 것을 특징으로 한다.
쌍안정 표면은 양호하게도 하나의 재료로서 제조되는 홈이 파인 프로파일 또는 그레이팅이거나, 또는 계면 활성제로서 코팅되고, 상기 계면 활성제는 표면에서 국지적으로 디렉터의 실질적인 수직 정렬을 표면에서 지역적으로 유도하며, 셀에 수직인 방향을 따라 상기 표면에서 약간 떨어져서 대부분의 액정에서 디렉터의 다른 경사를 일으킬 수 있다. 통상적으로, 그레이팅은 대부분의 셀에서 2개의 다른 경사를 일으키는 하나의 피치, 진폭 및 형상을 가지며, 경사 중 하나는 실질적으로 셀 평면에 수직하고, 다른 경사는 어떤 각도 예로서 0°와 90°사이의 각도를 통해 보통 셀 평면에서 다소 경사져 있다. 그레이팅은 두 상태의 총 에너지가 실질적으로 동일하도록 배열된다.
액정의 국지적 방위는 그레이팅을 직접 유리 또는 적절한 재료로 제조함으로써 실질적으로 동방성하게 만들어질 수 있지만, 보통은 재료를 적절한 층으로 코팅한다. 상기 층은 보통 레시틴, 실란, 크롬 복합제, 또는 긴 지방족 곁사슬 중합체와 같은 동방성 계면 활성제이다. 그레이팅은 공지된 여러 방법중 어떤 것으로도 제조되어도 좋다. 예를 들어, 그레이팅은 사진 석판술 또는 다른 에칭법을 사용하여 엠보싱 또는 캐리어층으로부터의 전사에 의해 포토폴리머(photo-polimer)로서 형성될 수 있다. 그레이팅 프로파일 예를 들어 피치, 진폭, 형상(대칭 또는 비대칭), 또는 형상내의 비대칭도 등은 각 픽셀을 통해, 또는 디스플레이내에서 픽셀에서 픽셀로, 또는 픽셀간 갭과 같이 픽셀과 비픽셀화 영역(non-pixelated area) 사이에서 변할 수 있다. 이러한 변화는 한 방향으로만 발생하거나 또는 그렝이팅 표면에서 양방향으로 발생할 수 있다.
다른 표면들은 프리틸트가 다른 2개 이상의 안정 상태를 만드는 디바이스에 사용될 수 있다.
단일 정렬 표면은 실질적으로 플레이터 균일 또는 경사 균일을 갖는 어떤 단안정 표면이므로, 이 표면이 유도한 프리틸트는 제니탈 쌍안정 표면을부터 가능한 프리틸트 보다 크게 작으며, 예를 들어 셀 평면에서 0.1°와 20°사이에 있다. 이것은 통상 액정 디렉터의 양호한 정렬 방향을 유도하도록 마찰한 폴리머 표면이지만, 똑같이 경사지게 증발된 무기질 재료, 편광 조사를 사용하여 생산된 포토폴리머, 모노그레이팅 또는 이중 그레이팅 배열을 포함하는 플레이너 또는 경사 균일 정렬을 부여하도록 사용되는 다른 표면으로 구성될 수 있다.
쌍안정 표면의 방위각 정렬 방향과 단일 정렬 표면의 방위각 정렬 방향은 평행하게, 평행하지 않게, 또는 서로에 대해 90°로, 또는 45°사이의 어떤 필요한 각도로 배열될 수 있다. 제로가 아닌 트위스트각이 사용될 때, 네마틱 재료는 양호한 트위스트 방향을 부여하도록 콜레스테릭 재료의 양을 포함할 수 있다. 그러나 콜레스테릭 재료가 첨가될 때 그 재료내에서의 트위스트는 90°를 초과할 수 있는데, 예로서 180°또는 270°가 될 것이다. 쌍안정 표면이 안정 상태 양쪽에서의 제로 보다 큰 경사를 가지는 경우에, 단일(플레이너) 정렬은 쌍안정 표면의 어느 상태보다 낮은 경사를 가진다. 쌍안정 표면이 제로 경사 상태를 포함하는 경우에, 대향 표면은 역전 경사 디스클리네이션(disclination)의 형성을 회피하기 위하여 비평행 정렬을 갖는 경사 균일 표면(플레이너 균일이 아닌)이어야 하는데, 즉 균일한 경사 방향이 있어야 한다. 층을 가로질러 트위스트를 갖는 디바이스에도 동일하게 적용한다.
액정 재료는 작동온도의 범위에 걸쳐 네마틱 또는 키랄 네마틱 위상을 가진다. 이 액정 재료는 통상 1Hz 와 1MHz 사이의 전기 주파수 작동 범위에서 제로와 -20 사이, 양호하게는 △ε〈 -0.1 인 절연 이방성을 가진다. 양호하게도 상기 재료는 네마틱 및 콜레스테릭 액정에서 공통의 플렉소 전기 효과를 전개하지만, 다른 전기적 극성의 스위칭기구는 키랄 이온 또는 종방향 강유전성(ferroelectricity) 처럼 사용될 수 있다. 액정 재료는 복굴절 △n 의 적절한 값을 가지며, 및/또는 적절한 안정 상태가 광학적으로(간섭, 흡수 또는 산란에 의해) 식별될 수 있도록 구성물 성분으로서 다색성 염료를 가진다.
셀 벽 중 하나 또는 양쪽은 광투과성 매체로서 형성될 수 있다. 이것은 유리와 같은 두꺼운 비가요성 재료이거나, 또는 유리, 또는 폴리올레핀이나 폴리프로파일렌과 같은 플라스틱의 박층 등과 같은 가요성 재료로 형성되어도 된다. 플라스틱 셀 벽은 그 내부면이 엠보싱되어서 표면 정렬 그레이팅을 제공할 수 있다. 또한 셀은 칼라 필터, 내부 편파기, 전기 장벽층, 편광층 및, 액정 디바이스 제조업자의 기술에 숙련된 당업자가 공통으로 사용하는 다른 층들을 포함하는 다른 층을 구비할 수 있다. 셀 벽은 폴리머 벽 또는 기둥과 같이 보조 구조물을 형성하거나, 또는 유리/플라스틱 스페이서를 사용하여 이격될 수 있다. 전극들은 광투과성이며, 보통 인듐 주석 산화물(ITO)로서 형성되지만, 트랙 저항 효과를 감소시키기 위해 비선형 요소(예로서 TFT) 또는 불투명한 금속 라인과 같은 보조 전기요소를 포함할 수 있다.
이제 본 발명은 첨부한 도면을 참고하여 실시예를 설명하기로 한다.
도 1a, 1b에서 디스플레이는 유리 벽(3,4) 사이에 내포된 네마틱 또는 긴 피치 콜레스테릭 액정 재료의 층(2)으로 형성된 액정 셀(1)을 포함한다. 스페이서 링(5)은 벽들을 1-10μm, 통상 2-6μm 간격을 두어 유지한다. 부가적으로 동일 치수의 다수의 비드가 액정내에 분포되어서 정확한 벽 간격을 유지한다. 스트립형 횡렬 전극(6) 예를 들어 SnO2또는 ITO(인듐 주석 산화물)는 하나의 벽(3)에 형성되고, 유사한 종렬 전극(7)은 다른 벽(4)에 형성된다. m-횡렬 및 n-종렬 전극에서는, 이 전극이 어드레스 가능한 요소 또는 픽셀의 m×n 매트릭스를 형성한다. 각 픽셀은 횡렬 및 종렬 전극의 교차부에 의해 형성된다.
횡렬 드라이버(8)는 각 횡렬 전극(6)에 전압을 공급한다. 유사한 방법으로 종렬 드라이버(9)는 각 종렬 전극(7)에 전압을 공급한다. 인가되는 전압의 제어는 전압원(11)으로부터 전력을 수령하며 클럭(12)으로부터 타이밍을 수신하는 제어로직(10)에 의해 이루어진다.
셀(1)의 양측면에는 편파기(13,14)가 배열되며 그 편광축이 실질적으로 서로에 관하여 교차하며, 만일 있다면 실시예 2의 트위스트 되지 않은 경우에 대해 후술하는 바와 같이 인접한 벽(3,4)에서 정렬 방향 R에 대해 실질적으로 45°의 각도로 배열되거나 또는, 실시예 3의 트위스트된 경우에 대해서는 하나의 정렬 방향에 평행하게 배열된다. 부가적으로 예를 들어 스트레치트 폴리머(stretched polymer)의 광학 보정층(19')이 셀 벽과 편파기 사이의 액정 층(2) 가까이에 부가될 수 있다.
완전한 또는 부분적인 반사경(15)은 광원(20)과 함께 셀(1) 뒤에 배치될 수 있다. 이들은 디스플레이가 반사되어 볼 수 있게 하고, 주위가 어두울 때 뒤에서 조명한다. 전송디바이스에서는 반사경(15)을 생략할 수 있다.
조립하기 전에, 셀 벽(4)은 2개의 쌍안정 프리틸트를 제공하도록 정렬 그레이팅(16)으로 처리된다. 다른 벽(3)은 플레이너 처리(17) 즉, 정렬 방향에서 프리틸트가 제로이거나 거의 없는 정도로 처리된다. 쌍안정 그레이팅(16) 표면이 양쪽 안정 상태에 대해 제로보다 큰 경사를 가지는 경우에, 플레이너 정렬(17)은 쌍안정 표면의 어느 상태 보다 낮은 프리틸트를 가진다. 쌍안정 표면이 제로 경사 상태를 가지는 경우, 대향 표면은 역전 경사 디스클리네이션의 형성을 회피하도록 비병렬 정렬을 갖는 경사 균일 표면(플레이너 균일이 아닌)이어야 한다. 즉, 균일한 경사 방향이어야 한다. 아래에서 실시예 2에서 설명한 바와 같이 층(2)을 가로질러 트위스트를 갖는 디바이스에도 동일하게 적용한다. 3색 디스플레이를 위해서, 필터층(18)은 블랙 매트릭스에서 별개의 적색, 녹색, 청색 필터 영역을 가지며 증착될 수 있다.
끝으로 셀에는 음 절연 이방성 네마틱 재료 예를 들어 ZKI 4788, ZLI.4415, 또는 MLC.6608(Merck)로 채워진다.
제니탈 쌍안정 표면 그레이팅(16)은 PCT/GB96/02463에 기재된 방법에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어 깨끗한 ITO 코팅된 유리 조각을 포토레지스트로 스핀 코팅한다(쉬플리 1805를 30초 동안 3000rpm 으로 회전한 다음에 30분 동안 90℃에서 소프트 베이크를 행하며 550nm 두께의 코팅을 한다). 0.5μm 선과 0.5μm 틈을 갖는 크롬 마스크가 기판에 접촉하며 놓이고, 200 내지 800초 사이의 기간동안 수은등으로 0.8mW/cm2로서 경사지게(통상 비대칭 형상 그레이팅을 부여하기 위해서는 기판/마스크에 대해 보통 60°로 또는 대칭 형상 그레이팅을 위해서는 수직으로) 조명을 받게 하였다. 다음에 이 마스크는 제거되고, 대칭 또는 비대칭 표면 변조가 10초 동안 쉬플리(Shipley) MF319에서 현상된 다음에 탈이온수로 세척됨으로써 만들어진다. 다음에 이 표면은 디프 UV(254nm) 에 노광(exposure)됨으로서 경화되고, 그 후 45분 동안 160℃에서 베이킹된다. 끝으로 이 표면은 레시틴과 같은 동방성 정렬 유도제의 용액으로 처리된다.
그레이팅 표면에서 네마틱 재료의 자유층의 분자(정확하게는 디렉터) 형태를 계산할 수 있다. 그 결과가 도 2a에 도시되어 있는데, 여기서 짧은 선이 그레이팅 표면의 부근에서 액정 디렉터를 나타내고, 이 짧은 선의 하단의 엔벌로프(envelope)는 그레이팅 프로파일을 나타낸다. 이 경우에 그레이팅 표면은 아래 수학식(1)로서 설명되었다.
여기서 h는 홈 깊이이고, w는 피치, A는 비대칭 계수이다. 도 2a(ⅰ) 및 도 2b(ⅱ)에서, A=0.5, h/w=0.6. 도 2a(ⅰ)에서, 무한요소 그리드는 초기 디렉터 경사를 80°에서 완화되도록 허용되었다. 이 경우, 그 형태는 89.5°의 프리틸트로 완화되었다. 그러나, 초기 디렉터 경사가 30°로 설정되면, 상기 그리드는 도 2a(ⅱ)에 도시한 바와 같이 23.0°의 프리틸트로 완화된다. 따라서, 네마틱 액정은 시작 조건에 따라 2개의 다른 형태를 채용할 수 있다.
실제로, 네마틱 액정 재료는 상기 2개의 형태중 가장 낮은 총 비틀림 에너지를 가지는 것으로 완화될 것이다. 도 15는 홈 깊이 대 피치 비(h/w)에 대하여 높은 프리틸트(검은 원) 상태와 낮은 프리틸트(하얀 원) 상태의 총 에너지(임의 단위)를 도시한다. 작은 h/w에 대해서, 높은 프리틸트 상태는 가장 낮은 에너지를 가지며, 그래서 네마틱 재료가 높은 프리틸트 상태를 채용할 것이다. 그 반대로 큰 h/w에 대해서, 낮은 프리틸트는 가장 낮은 에너질르 가지며, 그래서 이 상태가 형성된다. 그러나, h/w=0.52이면, 상태들은 동일한 에너지를 가지며, 그래서 어느 쪽도 다른 쪽으로 완화되지 않고 존재할 수 있다. 따라서, 표면이 이 조건에서 또는 이 조건 부근에서 제조되면, 프리틸트에서 쌍안정성을 관찰할 수 있다.
국제특허출원 PCT/GB96/02463호는 상기 방법에 따라 제조된 그레이팅이 어떻게 2개의 안정 정렬로 인도할 수 있는지에 대해 설명하고 있으며, 여기서 표면에서 어느 정도 떨어진 디렉터는, 표면 부근에 주기적으로 표면 결함이 있는가 아닌가 즉, 선이 그레이팅 표면 가까이에서 액정 분자(디렉터) 정렬을 지시하는 도 2a에 도시한 바와 같이 높은 프리틸트(ⅰ)와 낮은 프리틸트(ⅱ)에 따라서 프리틸트의 2개의 값 중 하나를 가진다. 높은 프리틸트(ⅰ)는 연속 또는 비결함 상태라고 하고, 90°부근의 프리틸트로 인도하고, 반면에 낮은 프리틸트(ⅱ)는 결함 상태라고 하고, 통상 0°와 75°사이, 일반적으로 액정의 탄성과 표면의 형상 및 고정성(anchoring property)에 의존하여 약 45°의 프리틸트를 가진다.
PCT/GB96/02463호에 기재된 디바이스에서, 제니탈 쌍안정 표면은 단안정 동방성 표면에 대향하여 사용된다. 상기 종래 디바이스의 쌍안정 상태에 대한 디렉터 프로파일은 도 2b에 도시되어 있고, 여기서 선은 액정 층 전체를 가로지르는 디렉터 정렬을 가리킨다. 도 2b(ⅱ)의 결함 상태에서의 네트 복굴절은 셀이 디펙터 폄면에 대해 0°또는 90°가 아닌 각도에서 교차 편파기 사이에 배치될 때 수직 입사광의 투과율로 인도될 것이다. 도 2b(ⅰ)의 비결함 상태에서 수직 입사광으로 겪게 되는 네트 복굴절이 거의 없으며, 그래서 이 디바이스는 어둡게 나타날 것이다. 2상태 사이의 선택은 액정의 절연 및 플렉소 전기 성질과 연결되어 있는 적절한 주기, 진폭 및 극성의 전기 펄스를 사용하여 만들어진다. 따라서, 쌍안정 디스플레이에서는 어두운 상태 또는 밝은 상태가 전계의 제거 후에 유지되고, 그레이팅 표면에 의해 안정화되고, 전기, 열 또는 기계적 충격으로 인한 분열에 덜 민감해진다. 이러한 마지막 장점은 특히 휴대용 디스플레이에서 유용하다.
다른 종래 쌍안정 액정 디바이스는 강유전성 액정에 기초로 한 것이다. 이들 디바이스는 강유전성 액정이 세트 열처리(set thermal treatment)로 정렬될 필요가 있으며, 그래서 외부 쇼크로 인하여 오정렬이 된 후에는 정확하게 재정렬하지 않기 때문에 쇼크로부터 보호 받아야 한다.
본 발명의 디바이스는 PCT/GB96/02463호의 ZBD와는 달리 아래 실시예에서 증명된 다수의 장점을 만든다.
비대칭 그레이팅 형상을 가진 종래 실시예. PCT/GB96/02463호에 기재된 바와 같이 양 모드(positive mode) 제니탈 쌍안정 네마틱 디바이스(+ZBD)라 부르게 될 이 디바이스는 본 발명에 의한 디바이스로부터 나온 결과와 비교하기 위해 상세히 설명하기로 한다.
1.1mm 두께의 ITO 코팅된 유리 조각이 30초 동안 2000rpm 의 속도에서 포토레지스트 쉬플리 1813(적절한 시너(thinner)로 3파츠에서 1로 희석됨)으로 스핀 코팅되었다. 이것은 1.0μm의 막 두께를 주었다. 다음에 이 표면은 30분 동안 90℃에서 소프트 베이크 되었다. 다음에 크롬 마스크가 포토레지스트 표면과 밀접하게 고정되엇다. 이 마스크는 0.5μm의 틈이 벌어진 0.5μm 크롬선으로 구성되었다. 이 샘플은 필터 없는 수은등(0.mW/cm2)을 사용하여 530초 동안 노광되었다. 이 노광은 목적한 그레이팅 홈의 평면에 수직인 평면에서 정상의 표면에 대해 60°의 각도에서 수행되었는데, 그러한 각도는 비대칭 그레이팅 형상을 만들었다. 다음에 쉬플리 MF319를 사용하여 10초동안 800rpm 에서 스핀 현상이 수행되고, 다음에 탈이온수로 세척되었다. 이것은 그레이팅 표면의 형성을 초래하였다. 다음에 포토레지스트는 디프 UV(254nm)에 노광되어 경화된 후, 180℃에서 2시간 베이킹 되었다. 끝으로, 이 표면은 크롬 복합 계면 활성제로서 처리되어 동방성이 만들어졌다.
양 모드 ZBD 셀에서의 대향 표면은 쉬플리 1805의 얇은 층(0.2μm)을 유사한 방법으로 그레이팅 노광 없이 그레이팅 표면으로 준비함으로써 만들어졌다. 셀은 2.5μm 유리 비드 스페이서를 내포하는 에지 밀봉 접착제를 사용하여 하나의 그레이팅 표면과 하나의 평평한 표면으로부터 형성되었다. 이 셀은 가능한 주파수 및 온도 작동범위를 통하여 양의 절연 이방성을 갖는 상업적 네마틱 액정 E7(독일, E. Merck로부터 구입 가능함)으로 채워졌다. 스위칭은 특허출원 GB97/21215.3호에 기재된 바와 같이 재료 N65(Norland)의 1중량% 를 미리 첨가함으로서 용이하게 수행되었다. 예를 들어 N65/E7 혼합물은 셀내에 채우기 전에 용해 실리카 셀 내에서 2.0mW/cm2의 광학 출력을 가진 필터없는 수은등에 노광됨으로써 10분동안 경화되었다. N65는 미국, 뉴져지주 노스 브룬스윅 소재의 놀란드 프로덕츠 인코포레이티드(Norland Products Inc.)에서 제조된 UV 경화 첨가제이며, 다른 유사한 재료로서는 N63, N60, N123이 있다. 이 재료들은 UV 방사선하에서 중합하게 되는 에스테르 및 아크릴레이트 모노머의 혼합물을 포함한다. 그러한 셀은 약한 표면 고정성(anchoring)을 부여한다. 저속 냉각에 의해 네마틱 위상으로 변하는 등방성 위상에서의 모세관 작용으로서 충전시켰다.
x,y 매트릭스로서 배열된 다수의 어드레스 가능한 요소 또는 픽셀을 갖는 디바이스에서는 보통 그 픽셀들에게 멀티플렉싱 기술로서 접근하는 것이 통상적이다. 쌍안정 디바이스에서, 이 기술은 2개의 데이터 펄스 파형(동일한 형상이지만 극성이 반대임)이 모든 종렬 전극에 적용되는 동안에 각 횡렬에 차례로 스트로브 펄스 파형을 적용하는 것을 포함한다. 각각 어드레스된 픽셀은 상기 스트로브와 데이터의 합성에 반응한다. 단일 셀에서 시험하기 위해서 합성 파형을 적용하여 큰 디스플레이에서의 어드레싱을 모의 실험(시뮬레이트)할 수 있다.
도 7에 도시된 파형은 그러한 합성으로서, 종래 기술의 디바이스와 본 발명의 디바이스를 시험하는데 사용되었다. 이러한 합성 파형에서 큰 펄스는 스트로브에서 발생되고, 작은 펄스는 데이터 파형에서 발생한다. 각 픽셀은 임의의 큰 펄스에 더하여 많은 작은 펄스를 수신할 것이다. 이들 작은 펄스는 강유전성 디바이스(여기서 펄스들은 AC 안정화를 제공한다)에 연속적인 낮은 값의 RMS. 신호를 유용하게 적용하지만, 쌍안정 네마틱 디바이스에서는 환영받지 못한다.
다음에 각 기판의 ITO 전극에 전기 접촉이 이루어졌고, 도 7에 도시된 신호가 적용되었다. 이 신호는 통상 0.1 내지 10ms 주기와 10 내지 20V 범위의 진폭을 갖는 직선형 펄스로 구성되었다. 50 대 1 내지 500 대 1의 듀티비가 사용되었다. 주파수 1kHz 내지 100kHz 와 진폭 Vrms(0V 내지 10V)의 AC 파형이 중첩되었다. 적용된 펄스열(pulse train)은 도 7에 도시된 바와 같은 대향 극성의 교호 펄스를 사용하거나, 또는 진폭 주기 및 극성이 동일한 2 극성을 사용한 다음에 WO97/14990호에 기재된 바와 같이 대향 극성의 2개의 다른 펄스를 동반하였다. WO97/14990호에 사용된 멀티플렉싱 신호와 같은 다른 전기 신호도 사용할 수 있었다.
상기 셀은 텅스텐 화이트 광원으로 조명을 받고, 쌍안정 표면에서의 홈 방향에 대하여 ±45°로서 편광축이 배향된 교차 편파기 사이에서 보인다. 광학 반응은 아이 반응 필터(eye response filter)와 결합한 포토다이오드를 사용하여 검출되었다. 쌍안정 래칭(bistable latching)이 영국 특허 제9521106.6호에 기재된 바와 같이 네마틱 위상에서 발견되었고, 본 발명의 도 8, 9 및 도 10의 것과 유사하다.
이제 본 발명의 두 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
실시예 1:비대칭 그레이팅 및 비트위스트형 네마틱 구조.
4μm 이격 디바이스(spacde device)가, 마찰방향이 쌍안정 표면의 모노 그레이팅 홈(16)에 수직을 이루는 마찰한 폴리이미드 표면(P132)을 가지게 하여 위에서 설명한 방법을 사용하여 제조되었다. 재료는 음의 절연 이방성 재료 ZLI.4788이었다. 이 디바이스는 도 3(ⅰ),(ⅱ)에 도시된 2개의 안정 2차원 디렉터 프로파일을 가진다(양쪽 경우에 예를 들어 △ε=0이라는 가정하에 RMS. 커플링의 효과를 무시할 때). 이것은 디렉터 비틀림 정도가 도 2에 도시된 종래 디바이스의 것에 비하여 이 디바이스에서 양쪽 상태에서 더 크다는 것을 보여주고 있다. 이것은 특히 비결함 상태에서는 사실이다. 따라서, 다른 모든 조건이 동일하게 주어지면(결함 상태의 프리틸트. 재료의 플렉소 전기 및 점탄성, 셀 간격 등), 이 디바이스의 스위칭은 낮은 전압 및/또는 짧은 펄스 주기에서 발생한다. 예를 들어, 만일 쌍안정 상태가 셀 평면에서 60°와 90°에서 안정된 프리틸트를 가지고 또 단안정 표면이 0°프리틸트를 가지면, 그때 도 3(ⅰ),(ⅱ)의 디바이스는 전체 60°와 90°프리틸트 변화를 가진다. 이것은 0°와 30°인 도 2(ⅰ),(ⅱ)에 도시된 WO97/14990호의 디바이스의 두 상태를 위한 각도 변화 보다 매우 크다.
전술한 바와 같이, 통상의 디스플레이에서 RMS. 전압량은 각 픽셀에서 발생하며 2개의 스위치 상태에 있는 디렉터 정렬에서 중대한 효과를 가진다. 이것이 도 4(ⅰ),(ⅱ)에서 △ε이 음(통상 동일하거나 또는 -10과 -0.5 사이에 있다)인 디바이스에 대해 도시되어 있다. 여기서 인가된 전압의 RMS. 효과는 쌍안정 표면을 향하여 탄성 비틀림을 압축하는 작용을 한다. 이것은 인가 전계의 DC 성분에 결합하여 쌍안정 상태 사이에서 스위칭을 일으킬 수 있는 플렉소 전기 편광의 크기를 증가시키는 역할을 한다.
상기 디바이스(실시예 1)가 종래 ZBD에 비해 더빠른 스위칭 및/또는 더낮은 전압 작동을 가지더라도, 또한 동일한 단점을 겪는다. 즉 멀티플렉스 디바이스에서 각 픽셀은 래칭이 달성될 때의 스위칭 시간 전후의 픽셀에서 경험하게 되는 인접한 종렬에서의 데이터 파형으로 인하여 RMS. 전압을 가진다. 이것은 2상태에서 광학 차이(△neff.d)가 더 근접하도록 만들며 따라서 콘트라스트를 낮춘다.
실시예 1의 디렉터 정렬이 2개의 스위치된 상태에서 RMS. 전압이 있는 것과 없는 것과 함께 도 5에 도시되어 있다. 이것은 △ε〈0인 재료에 대해 본 발명의 전기 스위칭의 일차원 도면의 시리즈이다. 왼쪽에서부터 오른쪽으로 제로필드 결함 상태, 이 결함 상태에서의 인가 전계의 RMS. 효과, 비결함 상태에서의 RMS. 전압의 효과, 및 제로필드 비결함 상태가 도시되어 있다. 화살표는 2개의 쌍안정 상태 사이의 DC 선택을 나타낸다.
콘트라스트를 개선하는데 사용되는 한가지 방법은 △ε의 크기를 줄이는 것(즉, △ε≒0을 사용하는 것)이지만 이것은 두 상태 사이를 스위치시키는데 필요한 전압 시간 곱을 급격히 증가시키는데, 왜냐하면 이것이 디렉터 비틀림을 쌍안정 표면 부근으로 집중시킴에 따라 RMS. 효과를 제거하기 때문이다. 이 문제는 본 발명의 아래 실시예 2에서 제거된다.
실시예 2:대칭 그레이팅 및 트위스트 네마틱 구조.
위에서 주어진 종래 기술의 실시예 1에 의하면, 그레이팅 표면(16)은 ITO 유리를 쉬플리 1813으로 코팅함으로써 제조되었다. 그러나, 이 경우에 30초 동안 3000rpm 의 회전 속도가 1.2μm 두께의 포토레지스트를 만들도록 다른 농도를 사용하였다. 30분 동안 90℃ 소프트 베이킹을 한 후 이전 실시예에서 사용된 것과 같은 크롬 마스크가 레지스트와 접촉하도록 놓이지만 이 때 노광이 180초 동안 정상 투사각(normal incidence)으로 수행되었다. 그러한 정상 투사각은 대칭 형상의 그레이팅을 초래한다. 다음에 그레이팅 표면이 현상되고, 세척되고, 경화되고, 대응 샘플과 동일한 조건을 사용하여 크롬 복합제로 코팅되었다.
다음에 2.8μm 이격 셀은 마찰한(rubbed) 폴리이미드(P132 기바-가이기) 표면에 대향하여 제니탈 쌍안정 그레이팅 표면을 사용하여 제조되었다. 실시예 1과는 반대로, 단안정 폴리이미드 표면의 정렬 방향은 모노그레이팅 표면의 홈에 평행하게 놓이도록 배열되었다. 이 셀은 네마틱 액정 ZLI 4788(E. Merck로부터 구입 가능한)으로 모세관 작용에 의해 채워졌다. 이 액정에는 2% 놀란드 N65가 미리 첨가되었고 UV로 조사되어 상기 GB97/21215.3호에 기재된 바와 같이 표면 고정성 에너지를 감소시켰다. ZLI 4788은 실온에서 △ε이 약 -5.7 그리고 △n 이 0.1647인 네마틱 재료이다.
이 디바이스의 두 상태는 아래와 같이 설명된다. 연속 또는 비결함 상태에서 제니탈 쌍안정 표면에 가까이 있는 디렉터는 동방성이고, 90°의 프리틸트를 가진다. 이 표면에서 멀어지면 프리틸트가 폴리이미드 표면의 프리틸트(약 2°의 프리틸트)를 향하여 감소한다. 가장 낮은 에너지 상태는 스플레이/벤드 변형(splay/bend deformation)만으로 구성되고, 디렉터의 트위스트가 없다. 결함 상태에서, 제니탈 쌍안정 표면에 가까운 디렉터는 모노그레이팅 홈에 수직인 방향의 평면에서 0°에 가까운 프리틸트로서 놓이도록 힘을 받는다. 따라서, 대부분의 셀에서 셀의 평면에서의 디렉터 성분이 단안정 표면에서의 마찰 방향에 평행하게 놓이도록 90°의 각도로 비틀린다. 이 상태는 결함, 스플레이/벤드 변형, 및 트위스트 변형과 관련된 에너지를 가진다. 적절한 재료 선택과 결합하여 그레이팅 구조를 최적화하는 일은 2개의 가능한 디렉터 프로파일이 유사한 에너지를 가지고 셀이 쌍안정이라는 것을 의미한다. 트위스트 탄성 에너지 즉, 트위스트 상태의 총에너지의 조율(tuning)도 역시 적절한 피치 및 키랄 좌우상(handedness)의 키랄 네마틱을 사용하여 수행될 수 있다.
상기 셀을 위한 스위칭 기구가 도 6a, 6b에 개략적으로 도시되어 있다. 이 기구는 실시예 1의 기구와 유사한데 다만, 상태들 사이를 스위칭할 때 트위스트의 경감과 관련된 보조 공정이 있다는 것이 다르다. 도 6a에 도시된 결함 D(ⅰ) 에서 비결함 상태(ⅳ),(ⅴ)로 스위칭 하는 경우를 생각하기로 한다. 인가 전계 (ⅱ)의 RMS. 효과가 다시 디렉터의 스플레이/벤드 변형을 쌍안정 표면 가까이에 집중시키는 작용을 한다. 트위스트는 이것에 의해 큰 영향을 받지 않으며(통상적인 액정 재료의 탄성 이방성과 관련된 비교적 작은 효과를 제외하고), 셀을 가로질러 대략 균일하게 남아 있다. 정확한 극성의 DC 필드의 적용이 쌍안정 표면 부근에서 플렉소 전기 편광과 결합하여 비결함 동방성 방위를 유발한다(ⅲ).
얼마간의 시간이 지난 후(재료의 총 트위스트 각도 및 점탄성 계수에 의존하는 주기) 비결함 상태의 최하위 에너지 형태가 비틀리지 않기 때문에 셀내의 나머지 트위스트는 풀리게 될 것이다(ⅳ). 그 표면에 일단 래칭되면, 이 공정은 인가 전계가 계속 인가되는가 아닌가에 관계없이 발생할 것이다(ⅴ). 역전 공정 상태에서 도 6b(ⅰ)는 도 6a(ⅴ)와 동일하며, RMS의 적용이 디렉터를 (ⅱ)로 이동시킨다. 적절한 DC 펄스의 적용은 쌍안정 표면에서 플렉소 전기 스위칭을 초래하고, 직접 트위스트 (ⅲ)을 유발하고, 이 트위스트는 DC 펄스의 제거 후에 셀 전체에 걸쳐 전술한 공정과 유사한 탄성 공정을 통해 균일하게 (ⅳ) 에서 (ⅴ)로 된다.
셀이 교차 편파기 사이에 장착되었고, 화이트 광원에 의해 조명되었다. 조명에 가장 가까운 편파기는 제1 (쌍안정) 표면의 홈 방향에 수직이 되도록 배열되므로,입사 편광이 결함 상태에 있을 때 액정의 광축의 인플레인 성분을 따라간다. 분석기(디렉터에 가장 가까운 편파기)는 이것에 교차하고 폴리머 표면의 마찰 방향에 평행하게 정렬되었다. 이것은 트위스트 네마틱 액정 디바이스의 정상적인 화이트 모드와 유사하다.
그 다음에 도 7의 전기 신호가 인가되었고, 트위스트 음 모드 제니탈 쌍안정 디바이스가 도 8 내지 도 10에 도시되고, 여기서 하부 트레이스가 광투과율 대 시간을 도시하고, 상부 트레이스가 인가된 RMS 신호를 가리킨다. +28V 및 +10.5V에서 10ms 의 펄스가 결함 상태와 연속 상태 사이를 래칭시킨다. 결함(투과) 상태와 연속(어두운) 상태 사이의 래칭이 달성되었고, 도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이 펄스가 더이상 공급되지 않을 때 어느 상태가 유지되었다. 더구나, 인가된 AC 파형의 제거는 도 10에 도시한 바와 같이 셀을 가로질러 경사의 변화로 인하여 투과 상태의 투과율에서 약간 하락을 초래하였다.
이 디바이스는 실시예 1에 비해 두가지 큰 장점을 가진다. 첫째, 트위스트 상태에서 가능한 광학 콘트라스트 및 파장 범위가 넓게 개선되고, 종래 트위스트 네마틱 TN 모드의 것과 매우 유사하다. 제1 또는 제2 구치/타리 최소값 (Gooch/Tarry minimum)으로 작동하도록 디바이스 광학 성질을 조정하면 블랙 상태와 화이트 상태 사이에서 높은 명도, 높은 콘트라스트 비를 만들어낼 것이다. 이것은 대략 수학식(2)로서 표현될 수 있다.
여기서 β=90°√(1+α2) 및 α=2△neff.d/λ, 여기서 유효 복굴절 △neff.는 셀을 가로지르는 평균 경사 ζ를 고려하는 크기로 되어 있다:
β=p180°(p=1,2,3,4....)인 경우 트위스트 상태가 최소값들 부근에서 작동한다는 것을 확실히 보장함으로써 보조 지연판을 사용하지 않고 90°트위스트를 사용하여 블랙 및 화이트 상태를 얻을 수 있다. 디바이스의 광학 지연(즉, △neff.d)을 세밀하게 조절함으로써 인가 AC 전계를 가진 것이나 또는 가지지 않은 것에 대해 밝은 상태 투과율(따라서 명도 및 콘트라스트 비)을 최적화 할 수 있다. 실시예 2에서 그 결과가 주장하는 것은, AC 파형을 인가하면 재료가 구치/타리 최소값에 접근한다는 것이다. 두번째 주요 장점은, 예를 들어 멀티플렉싱을 행하는 동안에도 셀을 가로질러 큰 RMS. 전압이 있더라고 양호한 콘트라스트 및 명도가 유지된다는 것이다.
이러한 장점은 실시예 2의 트위스트 음 모드 디바이스에 대한 스위칭 결과를 대응 실시예에서 주어진 종래 양 모드 디바이스의 결과와 비교하면 명백히 나타난다. 결함 상태 투과율 대 인가 RMS. 전압에 대한 결과는 도 11에 주어져 있는데, 반면에 도 12는 연속 상태의 투과율을 도시한다. 양쪽 경우에 그 결과는 대응 실시예에 기재된 양 모드 ZBD 의 결과와 비교되고, 여기서 투과율 레벨은 각 디바이스에서 달성된 최소 투과율에 관하여 정상화 된다.
콘트라스트 비(결함 상태 투과율/연속 상태 투과율)가 도 13에 나타나 있다. 이 결과는 명백히 종래 양 모드 ZBD 가 인가 AC 전계에 의해 감소된 콘트라스트를 매우 크게 겪은 반면에, 트위스트 음 모드에 RMS. 전압이 인가하면 콘트라스트 비가 중가한다(기본적으로 결함 상태의 증가된 투과율 때문에).
멀티플렉스 어드레싱을 사용할 때 두 상태를 구별하게 만드는 RMS. 전압의 범위는 2 투과율에 대한 스위칭 임계값을 인가된 RMS. 전압의 함수로서 측정함으로써 간단하게 평가할 수 있다. 트위스트 음 모드 디바이스에 대한 결과가 도 14에 도시되어 있다. 이것은 양쪽 상태가 2 내지 3.5 볼트 RMS. 의 범위에서 AC 전계에 대해 전기적으로 구별될 수 있다는 것을 가리킨다. 통상 3Vms 의 멀티플렉싱 데이터 전압에 대해 양 및 트위스트 음 ZBD 디바이스의 콘트라스트 비는 각각 4:1 과 160:1 이었다. 이 값들은 본 발명의 실시예 2의 트위스트 음 ZBD 를 사용함으로써 얻어진 큰 광학적 장점을 가리킨다. 이러한 장점은 트위스트 음 ZBD 에 대한 크게 개선된 화이트 상태 및 관찰각과 연합되었다. 오프액시스(off-axis) 가시 특성이 개선된 이유는, 실시예 2의 두 상태의 광학성이 전압 제어 트위스트(VCT:Voltage Controlled Twist) WO97/39382, GB96,078548 및 인플레인 스위칭(IPS) 모드의 광학성과 매우 유사하기 때문이다. 관찰각은 보조 지연판 또는 서브 픽셀화 등을 사용하는 종래 방법을 이용하여 개선할 수 있다.

Claims (26)

  1. 네마틱 또는 키랄 네마틱 액정 재료의 층(2)을 둘러싸는 2개의 셀 벽(3,4)과;
    양쪽 벽에 있는 전극 구조물(6,7)과;
    액정 분자에 정렬을 제공하는 양쪽 셀 벽의 대향면에서의 표면 정렬부(16,17)와;
    액정 재료의 스위치된 상태들을 구별하는 수단(13,14)을 포함하는 액정 디바이스(1)에 있어서,
    제로 또는 음의 절연 이방성을 갖는 액정 재료(2)와;
    하나의 셀 벽(4)에서 액정 분자가 실질적으로 동일한 방위면에서 상기 표면에 인접하는 대부분의 재료(2)에서 2개의 다른 프리틸트 각을 채용하도록 허용하는 제1 표면 정렬부(16)와;
    대향한 셀 벽(3)에서 프리틸트의 값이 표면에의 정상 입사보다 실제로 작은 값을 갖는 단일 피리틸트로 인도하는 제2 표면 정렬부(17)를 구비하고,
    2개의 안정 액정 분자 형태가 전극(6,7)에 적절한 전기신호가 인가(8,9,10,11,12)된 후에 존재할 수 있도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 액정 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 표면 정렬부(16)는 주기적 그레이팅 구조를 구비하고, 상기 그레이팅 구조의 깊이, 피치 및 고정성은 표면에서 작은 거리를 두고 2개의 다른 피리틸트를 액정 재료에 부여하도록 배열되어 있는 액정 디바이스.
  3. 제2항에 있어서, 상기 그레이팅 깊이(d) 및 피치(w)는 동일한 비틀림 에너지를 2개의 다른 프리틸트 각으로서 액정 분자에 부여하는 크기로 되어 있는 액정 디바이스.
  4. 제2항에 있어서, 상기 그레이팅 깊이(d) 및 피치(w)의 차원(dimensions)은 동일한 비틀림 에너지를 2개의 다른 피리틸트 각으로서 액정 분자에 부여하기 위해 층에서 어떤 분자 트위스트와 협동하도록 배열되어 있는 액정 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 표면 정렬부(16)는 국지적 표면 방향에 관하여 액정 분자의 동방성 방위를 포함하는 재료로서 형성된 그레이팅을 포함하는 액정 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 표면 정렬부(16)는 국지적 표면 방향에 관하여 액정 분자의 균일 또는 낮은 프리틸트 방위를 포함하는 재료로서 형성된 그레이팅을 포함하는 액정 디바이스.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 표면 정렬부(16)는 각 픽셀을 가로질러서 또는 디스플레이내에서의 픽셀에서 픽셀로 또는 픽셀들 사이에서 또는 픽셀들 사이의 갭에서 일정한 또는 가변 형상을 가진 대칭 프로파일을 갖는 그레이팅 구조로 되어 있는 액정 디바이스.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 표면 정렬부(16)는 각 픽셀을 가로질러서 또는 디스플레이내에서의 픽셀에서 픽셀로 또는 픽셀들 사이에서 또는 픽셀들 사이의 갭에서 일정한 또는 가변 형상을 가진 비대칭 프로파일을 갖는 그레이팅 구조로 되어 있는 액정 디바이스.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 표면 정렬부 그레이팅(16)은 국지적 표면 방향에 관하여 액정 분자의 동방성 방위를 일으키도록 처리되는 액정 디바이스.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제2 표면(3)에서 프리틸트의 값과 방향은 상기 제1 표면(4)에서의 프리틸트 값 및 방향과 협동하여 대부분의 액정 재료(2)에서 일정한 분자 경사방향을 부여하는 액정 디바이스.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제2 표면 정렬부(17)는 45°보다 작은 프리틸트의 단일값을 만드는 액정 디바이스.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제2 표면 정렬부(17)는 마찰한 폴리머 표면으로 되어 있는 액정 디바이스.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제2 표면 정렬부(17)는 편광한 유기재료층으로서 형성되는 액정 디바이스.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제2 표면 정렬부(17)는 셀 벽(3)에서 증발한 유기재료층으로서 형성되는 액정 디바이스.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제2 표면 정렬부(17)는 모노 또는 이중그레이팅 층에 의해 형성되는 액정 디바이스.
  16. 제1항에 있어서, 제1 표면(4)의 방위 정렬 방향과 제2 표면(3)의 방위 정렬 방향은 실질적으로 평행한 액정 디바이스.
  17. 제1항에 있어서, 제1 표면(4)의 방위 정렬 방향과 제2 표면(3)의 방위 정렬 방향은 평행하지 않는 액정 디바이스.
  18. 제1항에 있어서, 제1 표면(4)의 방위 정렬 방향과 제2 표면(3)의 방위 정렬 방향은 다수의 90°로 되어 있는 액정 디바이스.
  19. 제1항에 있어서, 고정 에너지를 변경하기 위해 적어도 하나의 셀 벽(3,4)의 표면에서 계면 활성제를 추가로 포함하는 액정 디바이스.
  20. 제17항에 있어서, 표면 성질을 변경하는데 사용되는 보조 계면 활성제는 액정 재료와 혼합되는 액정 디바이스.
  21. 제1항에 있어서, 상기 액정 재료(2)는 스위치 상태에서 플렉소 전기 편광을 갖는 액정 디바이스.
  22. 제1항에 있어서, 2개의 다른 안정 상태가 인가된 전계와 구부러진 또는 스플레이된 액정에서 나타나는 플렉소 전기 편광간의 커플링에 의해 선택되도록 하는 단일지향성 전압 펄스 인가수단(8,9,10,11,12)을 추가로 포함하는 액정 디바이스.
  23. 제1항에 있어서, 2개의 다른 주파수에서 전기 신호를 인가하는 수단을 추가로 포함하고, 네마틱 재료가 2 주파수 어드레스 가능한 액정 재료로 되어 있는 액정 디바이스.
  24. 제1항에 있어서, 상기 액정 재료(2)는 일정량의 이색성 염료를 포함하는 액정 디바이스.
  25. 제1항에 있어서, 스위치 상태 사이를 광학적으로 구별하기 위한 수단이 적어도 하나의 편파기(13,14)를 포함하는 액정 디바이스.
  26. 제1항에 있어서, 스위치 상태에서 디바이스의 광학적 성질을 변경하기 위해 보조 복굴절 층을 추가로 포함하는 액정 디바이스.
KR1020007007054A 1997-12-24 1998-12-16 쌍안정 네마틱 액정 디바이스 KR20010033545A (ko)

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