KR20020062223A

KR20020062223A - 액정 디바이스

Info

Publication number: KR20020062223A
Application number: KR1020020003116A
Authority: KR
Inventors: 토울러마이클존; 아코스타엘리자베스제인; 월튼해리가쓰
Original assignee: 샤프 가부시키가이샤
Priority date: 2001-01-18
Filing date: 2002-01-18
Publication date: 2002-07-25
Also published as: DE60206977T2; EP1225473A3; EP1225473A2; EP1225473B1; JP2002287170A; TWI226488B; KR100493351B1; GB0101294D0; JP4104048B2; DE60206977D1; US20020093613A1; GB2371372A; US6600537B2

Abstract

제1 배향막(14)과 제2 배향막(15) 사이에 배치된 네마틱 액정층(17)으로서, 인접한 액정 재료에 프리틸트를 유도하여, 0의 인가 전계에 대하여, H 상태의 에너지가 V 상태의 에너지가 T 상태의 에너지보다 낮은 V 상태의 에너지보다 낮게 되도록 하는 네마틱 액정층을 포함한다. 구동부(18)는, V 상태의 에너지가 H 상태의 에너지와 T 상태의 에너지 각각보다 낮게 되도록 하는 제1 전계, 또는 더욱 낮은 제2 전계로서 H 상태의 에너지가 V 상태의 에너지와 T 상태의 에너지 각각보다 낮게 되도록 하는 제2 전계를 인가함으로써 pi-셀을 스위칭한다. 따라서, 고속의 스위칭 속도를 유지하면서도 T 상태가 회피될 수 있게 된다.

Description

액정 디바이스{LIQUID CRYSTAL DEVICE}

본 발명은 pi-셀 타입의 액정 디바이스에 관한 것이다. 이와 같은 디바이스는 예로서 투과형 및 반사형 평판 표시 장치들, 헤드-장착 표시 장치, 필드 시퀀스형(field-sequencial) 컬러 표시 장치, 프로젝션 시스템 및 3차원 화상 표시 시스템에 사용하기에 적합하다.

P.D. Berezin, L.M. Blinov, I.N. Kompanets 및 V.V. Nikitin 등의 논문 「Electro-optic Switching in Oriented Liquid-Crystal Films」(July-August 1973 Sov. J. Quant. Electron, Vol. 3, pp. 78-79)에는 고속 응답 시간을 달성할 수 있는 네마틱형 액정 디바이스가 개시되어 있다. 이 디바이스는 낮은 표면 틸트를 갖는 비-트위스트형(non-twisted) 셀을 구비하지만, 평행 또는 반평행 표면 배향 방향이 제공되는지의 여부는 명확하지 않다. 광학적 변조는 주로 표면 영역 근처의 액정 분자의 배향에 의해 달성되는 반면, 재료의 벌크 배향은 실질적으로 호메오트로픽(homeotropic)하게 유지한다.

P.J. Bos 및 K.R. Koehler/Beran의 논문「The Pi-Cell: A Fast Liquid Crystal Optical Switching Device」(1984 Mol. Cryst. Liq. Cryst., Vol. 113, pp. 329-339)에는, 잘 알려진 바와 같이, 제1과 제2의 배향막 사이에 배치된 네마틱 액정 재료에 대해 평행하고 낮은 프리틸트 배향을 야기하도록 배치된 그 제1 및 제2 배향막을 포함하는 pi-셀을 최초로 개시되어 있다. 이 pi-셀은 상기한 바와 같이 표면 영역 근처의 액정 분자의 재배향에 의해 주로 광학적 변조가 이루어지는 표면 모드 디바이스의 일예이다. 이 논문에 개시된 pi-셀은 배향막에 의해 야기된 프리틸트 각이 실질적으로 동일한 크기를 갖는다는 점에서 실질적으로 대칭적이다.

첨부 도면의 도 1은 종래 pi-셀의 다양한 상태를 도시하고 있다. 액정층에 인가되는 전계가 없을 때, 셀은 스플레이 상태(splay state)에 있게 되는데, 종래기술에서 그리고 이하에서 이를 'H 상태'라 한다. 0의 인가 전계에서 대칭적 프리틸트 각을 갖는 H_S상태가 1에 도시되어 있으며, 액정 디렉터는 2로 나타낸 선으로 도시되어 있다.

이 액정층의 양단 전압(인가 전계)이 증가함에 따라, H 상태는 3에서 H_A상태로 도시된 바와 같이 상당히 작은 전압에 대해서도 비대칭적으로 된다.

pi-셀의 H 상태는 평판 표시 장치와 같은 광학 디바이스에 사용하기에 바람직한 광학적 특성을 갖지 않는다. 그러나, 일정한 전압 이상에서, pi-셀은 도 1의 4에 도시된 바와 같이 보다 유용한 광학적 특성을 갖는 벤드 상태(종래 공지된 상태로서, 이하, 'V 상태'라 함)로서 알려진 일종의 교호 상태를 나타낸다. V 상태에서, 액정 분자는 표면 영역에서는 비교적 낮은 틸트를 갖지만, 재료의 벌크에서는 디렉터가 셀 표면에 대해 실질적으로 수직으로 되어 있는 일종의 호메오트로픽 배향을 갖는다. 일단 V 상태가 달성되면, 광학적 변조는 표면 영역에서의 액정 분자의 재배향에 의해 주로 수행되며, 이 액정층의 벌크에서의 분자는 디바이스의 동작 범위내에서 인가 전압의 변동에 의해 실질적으로 영향받지 않는다.

종래 기술의 대표적 타입이며 전형적인 프리틸트로서 예로서 5°를 갖는 pi-셀에 있어서, "임계 전압", 즉, 문턱 전압 U_V/H가 존재하는데, 그 임계 전압 이상에서는 V 상태의 에너지는 H 상태의 에너지보다 더 낮다. 그러므로 이러한 pi-셀 내의 액정은 U_V/H이상에서는 V 상태로 배향하려는 경향이 있다. 그러나, 소망하지 않는 저전압 H 상태에서 소망하는 V 상태로의 천이는 쉬운 일이 아니며, 소위 "핵생성" 프로세스가 발생해야만 하는데, 이는 액정 내에 결함을 생성하고 이동시키는 것을 수반하게 된다. H 상태에서 V 상태로 pi-셀에 대해 핵생성하는 프로세스는 상당히 느린데, 전형적인 디바이스에 있어서는 수초가 걸린다.

V 상태 및 H 상태 이외에, pi-셀은 또한 도 1의 5에 도시된 바와 같이 디렉터가 배향막 사이에서 (±)180°트위스트를 수행하고 있는 일종의 트위스트 상태(종래 공지된 상태로서, 이하, 'T 상태'라 함)를 나타낼 수 있다. 예로서 5°의 프리틸트를 갖는 종래 기술의 전형적인 pi-셀에 있어서, 만약 액정이 V 상태에 있고 전압 U가 낮아지면, 임계 전압 U_V/T가 존재하는데, 그 임계 전압 이하에서는 T 상태는 V 상태보다 에너지가 낮아지게 된다. 그러므로, 이러한 임계 전압 이하에서,액정은 V 상태에서 T 상태로 천이를 하게 된다. 이러한 천이는 핵생성을 수반하 않으며, 상당히 고속(전형적으로 10 또는 100ms)으로 진행될 수 있다. T 상태는 V 상태보다 덜 바람직한 광학적 특성(시야각 성능 및 콘트라스트비)을 갖는다. 전압 U가 0V쪽으로 강하되면, H 상태가 재형성될 것이다. 그러나, H/V 천이에서와 같이, H/T 천이는 결함의 핵생성을 수반하게 되고, 전형적으로 상당히 느리다(약 수초). 그래서 T 상태는 H 상태로 대체되기 전에 수초동안 저전압에 있을 수도 있다.

도 1은 인가 전압 U가 처음에는 최대 U>>U_V/H로 증가되고 다음에는 0으로 감소됨에 따라 종래의 pi-셀의 거동을 요약하고 있는 도면이다. 종래 기술에 있어서 대표적인 종래의 pi-셀은 H 상태, V 상태 및 T 상태의 3개의 주요 형태의 액정 배향을 나타낸다. 0V에서, H 상태의 에너지가 가장 낮고, V 상태의 에너지가 가장 높으며, T 상태의 에너지는 다른 상태들의 에너지 사이의 중간에 있게 된다.

Bos 등에 의한 논문은 pi-셀을 동작시키는 2개의 동작 모드를 개시한다. 2개의 모드 모두에 있어서, V 상태가 안정한 pi-셀의 일 상태가 비교적 고전압에서 달성된다(그 에너지는 H 상태 및 T 상태의 에너지보다 더 낮다). 이러한 동작 상태에서, pi-셀은 최소의 광학적 지연을 제공한다.

제1 동작 모드는 상당히 얇은 셀들에 적용되며, 그 셀내에서 액정 재료는 비교적 고전압의 V 상태로부터 0의 전압 상태로 완화되는데, 이때 pi-셀은 반파장 지연을 제공하게 된다. 0의 전압 상태는 실질적으로 코-플래너(co-plannar) 상태이며, (비록 보다 고온에서는 상당히 더 짧은 시간 동안에 달성될 수도 있으나) 이 상태는 20ms를 초과한 시간동안 동적으로 달성된다. 이 상태는 불안정하여, 이 상태가 너무 오랫동안 지속된다면, T 상태가 형성되기 시작하고, 그러면 이것은 H 상태의 핵생성을 이끌게 되어, 이후에 pi-셀이 다시 기능을 하기 위해서는 V 상태의 재-핵생성이 수행되어야 한다. 그러므로, 이 전압 어드레싱 기법은, 0의 전압에서의 최소 에너지의 H 상태, 최고 에너지의 V 상태, 및 중간 에너지의 T 상태를 가지는 pi-셀에 전압 U < U_V/T를 인가하는데, 이 전압 어드레싱 기법은 T 상태가 형성되기 전에 20ms를 초과하는 시간동안 제공되는 동적 V 상태를 이용한다 (역시, 보다 더 고온에서는 이보다 실질적으로 적게 걸림).

더 두꺼운 셀들에 대해서는 제2 모드 동작이 사용되는데, 이 모드에서는 T 상태로의 임의의 상당한 완화의 시작 전에 반파장 지연 상태가 도달된다. 셀을 반파장 지연 상태로 유지하기 위해, 액정층의 양단에 저전압이 유지되어 있다.

H. Nakamua의 논문 「Dynamic Bend Mode in a Pi-Cell」(December 1-3, 1999, SID Proceedings of the 6th International Display Workshop, pp. 37-40)에는 pi-셀을 "언더-드라이빙(Under-Driving)"하는 기술이 개시되어 있으며, 이것을 '동적 벤드 모드(Dynamic Bend Mode)'라 한다. 이 구동 모드는 Bos 등에 의해 설명된 제1 구동 모드와 동등한 것으로서, 그 동적 V 상태는 바이어스 전압이 증가함에 따라 증가하는 수명을 갖는다. 또한, V 상태를 재형성할 필요를 피하기 위해 각 프레임 동안에 비교적 고전압의 블랭크 펄스를 사용하는 것이 개시되어 있다.

US 4 566 758에는, 액정 재료에 카이럴 도펀트를 도핑하여, 카이럴 피치에 대한 액정층 두께의 비가 0.25보다 크게 되어 있는 pi-셀이 개시되어 있다. 이러한 타입의 디바이스는 동작 전압 범위 전체에 걸쳐 T 상태를 유지하게 되어, 비교적 고전압의 동작 전압에서는 T 상태가 V 상태와 유사한 광학적 성질을 갖고 있다. 이러한 구성은 종래의 pi-셀들에서의 핵생성의 문제점들을 극복하지만, 비교적 고전압의 동작 전압에서 마찬가지의 광학적 특성을 가진다. 그러나, 저전압에서, 감소된 시야각 성능과 불량한 응답 속도가 나타나기 때문에, 광학적 특성에 대한 고유한 트위스트의 작용은 종래의 pi-셀들보다도 더 불량한 성능을 준다.

E. J. Acosta, M. J. Towler, 및 H. G. Walton의 논문「The Role of Surface Tilt in the Operation of Pi-Cell Liquid Crystal Device」(July 2000 Liquid Crystals, vol. 27, pp. 977-984)에는, pi-셀의 동작에서의 표면 프리틸트의 역할이 개시되어 있다. 0의 인가 전압의 경우에, 전형적인 네마틱 액정 재료에 대해, 프리틸트가 0°로부터 약 48°까지의 범위에 걸쳐서는 H 상태가 안정하고, 프리틸트가 약 48°보다 큰 범위에서는 V 상태가 안정하다.

본 발명은, 트위스트가 발생하지 않고, 상당히 빠른 스위칭 시간을 갖는 pi-셀 액정 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 양호한 시야각 성능을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 pi-셀의 다양한 상태를 다이어그램으로 나타낸 도.

도 2는 본 발명의 일 실시예를 구성하는 pi-셀의 단면도.

도 3은 공간적 광 변조기에서의 도 2의 pi-셀의 이용을 나타낸 도.

도 4는 pi-셀 상태의 안정도를 인가 전압(V)과 (대칭적) 표면 프리틸트(각도)의 함수로 나타낸 상태도.

도 5는 다른 네마틱 액정 재료에 대해 도 4와 마찬가지로 나타낸 도.

도 6은 본 발명을 채용하며 도 1에 도시된 타입의 제1 공간적 광 변조기(SLM)에 대해 인가 전압에 대한 광 투과도의 그래프를 나타낸 도.

도 7은 인가 전압이 5V로부터 0V까지의 범위에서 스위칭되는 경우에 제1 SLM에 대해 시간에 대한 광 투과도의 그래프를 나타낸 도.

도 8은 도 2와 도 3에 도시된 타입의 표시 장치를 위한 제1 구동 기법을 나타낸 파형도.

도 9는 도 8에 도시된 기법에 따르는 화소 전압과 그 결과적인 화소 투과도의 일 실시예를 나타낸 파형도.

도 10은 도 8에 도시된 제1 구동 기법의 변형예를 나타낸 제2 구동 기법을 나타낸 파형도.

도 11은 공지된 pi-셀에 기초하는 제2 SLM에 대해 도 6과 마찬가지로 나타낸 도.

도 12는 인가 전압을 5V로부터 1.06V까지의 범위에서 스위칭시키면서 제2 SLM에 대해 도 7과 마찬가지로 나타낸 도.

도 13은 공지된 카이럴 도핑된 디바이스에 기초하여 제3 SLM에 대해 도 6과 마찬가지로 나타낸 도.

도 14는 인가 전압을 5V로부터 1.06V까지의 범위에서 스위칭시키면서 제3 SLM에 대해 도 7과 마찬가지로 나타낸 도.

도 15는 또 다른 공지된 pi-셀에 기초하는 제4 SLM에 대해 도 6과 마찬가지로 나타낸 도.

도 16은 인가 전압을 5V로부터 0.783V까지의 범위에서 스위칭시키면서 제4 SLM에 대해 도 7과 마찬가지로 나타낸 도.

도 17은 공지된 고-프리틸트의 pi-셀에 기초하는 제5 SLM에 대해 도 6과 마찬가지로 나타낸 도.

도 18은 인가 전압을 5V로부터 0V까지의 범위에서 스위칭시키면서 제5 SLM에 대해 도 7과 마찬가지로 나타낸 도.

*도면의 주요부분에 대한 간단한 설명*

10, 11: 기판

14, 15: 배향막

12, 13: 전극

17: 액정층

16: 스페이서 볼

18: 구동부

22: 광축

23, 24: 편광자

본 발명에 따르면, 제1 배향막과 제2 배향막 사이에 배치된 네마틱 액정 재료의 층으로서 인접한 액정 재료에 프리틸트를 유도하여, 0의 인가 전계에 대하여, H 상태의 에너지가 V 상태의 에너지 및 T 상태의 에너지보다 낮고 V 상태의 에너지가 T 상태의 에너지보다 낮거나 같게 되도록 하게 하는 네마틱 액정 재료의 층; 및 V 상태의 에너지가 H 상태의 에너지 및 T 상태의 에너지보다 낮게 되도록 하는 제1 전계, 및 제1 전계보다 세기가 작고 H 상태의 에너지가 V 상태의 에너지 및 T 상태의 에너지보다 낮게 되도록 하는 제2 전계를 층의 적어도 하나의 영역에 선택적으로 인가하는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 pi-셀 액정 디바이스가 제공된다.

0의 인가 전계에 대하여, V 상태의 에너지가 T 상태의 에너지보다 낮을 수도 있다.

제2 전계는 실질적으로 0의 세기를 가질 수도 있다.

제1 및 제2 전계는 적어도 하나의 영역의 광학적 범위의 제1 및 제2의 극한적 광학적 상태를 선택할 수도 있다. 제1 및 제2의 극한적 광학적 상태는, 디바이스에 대해 의도되는 광학적 방사의 반파장의 홀수배만큼 서로 차이가 나는 적어도 하나의 영역의 제1 및 제2의 지연을 포함할 수도 있다. 제1 및 제2 지연은 반파장만큼 차이가 날 수도 있다. 제1 및 제2의 극한적 광학적 상태는 각각 최대 감쇠 및 최소 감쇠를 포함할 수도 있다. 대안으로서, 제1 및 제2의 극한적 광학적 상태는 각각 최소 감쇠 및 최대 감쇠를 포함할 수도 있다.

프리틸트는 실질적으로 50°보다 작을 수도 있고, 실질적으로 48°보다 작을 수도 있다.

프리틸트는 실질적으로 20°보다 클 수도 있고, 실질적으로 26°보다 크거나 같을 수도 있고, 실질적으로 29°보다 크거나 같을 수도 있다.

액정 재료는 탄성 계수 K11, K22, 및 K33을 가지며, 그 탄성 계수 각각은 실온에서 50pN보다 작을 수도 있다. 탄성 계수 각각은, 디바이스의 동작 온도 범위에 걸쳐 30pN보다 작을 수도 있다.

액정 재료는 실질적으로 2보다 큰 유전상수를 가질 수도 있다.

액정 재료는 실질적으로 15보다 작은 유전상수를 가질 수도 있다. 유전상수는 실질적으로 10보다 작을 수도 있다.

프리틸트 각의 임계적 범위가 존재한다는 것은 종래에 예측되고 있지 않았던바(이러한 범위는 공지된 pi-셀에 대해 일반적으로 이용되는 범위의 밖에 있음), 0V에서 T 상태의 에너지가 최고로 되고 H 상태의 에너지가 최저로 되며, V 상태의 에너지가 중간으로 되는 결과가 된다. 이것은 에너지 면에서 어떠한 전압에 대해서도 T 상태가 형성될 수 있는 것이 바람직하다는 경우가 결코 아닌 것으로 되도록 pi-셀을 구성하는데 이용될 수도 있다. 이러한 pi-셀은 특정의 타입의 전압 어드레싱 기법과 함께 이용되는 경우에 바람직한 광학적 특성을 가질 수도 있다.

T 상태가 결코 최저 에너지 상태로 되지 않고 그래서 결코 안정화되지 않도록 하는 방식으로 동작되는 pi-셀 액정 디바이스를 제공할 수 있다. 그래서, 이 디바이스에서는 트위스트가 발생하지 않게 되어, 고속의 스위칭 속도에서 그리고 양호한 정도의 광학적 변조와 함께 동작할 수 있게 된다. 온도와 시간에 의존하는 트위스트 상태가 결코 형성되지 않기 때문에, 온도의 함수로서 양호한 시야각 성능이 광학적 보상 막을 이용함으로써 성취될 수 있다.

초기의 H 상태로부터의 핵생성된 V 상태의 비교적 고속의 초기 성장이 성취된다. 이 디바이스는 0의 인가 전압의 경우에도 T 상태로 완화될 수 없고, pi-셀이 V 상태로 유지되는 동안에 H 상태로의 완화는 액정 배정을 변경하는데 걸리는 시간과 비교하여 상당히 긴 시간이 걸린다. 그래서, 종래기술의 pi-셀의 동작에 있어서의 핵생성 및 재-핵생성과 연계된 문제점이 실질적으로 저하된다. 전술한 Nakamura의 논문에서 보다 더욱 유연성을 가지고 있는 본 설계의 어드레싱 파형의 부가적인 이점을 이로부터 성취된다.

[실시예]

본 발명을 첨부된 도면을 참조하며 실시예를 통해 설명한다.

도 2에 도시된 pi-셀 액정 디바이스는 상부 및 하부 기판(10, 11)을 포함하는데, 이들 기판상에는 상부 전극 및 하부 전극부가 각각 형성된다. 도 2에 도시된 디바이스는 투과형이므로, 기판들(10, 11)은 투명하고(예로서, 유리 또는 투명 플라스틱 재료로 만들어짐), 마찬가지로 전극들(12, 13)도 투명하고, 예로서 인듐 틴 옥사이드(ITO)로 만들어진다. 그러나, 이 디바이스는 반사형이라도 좋은데, 이 경우에는 기판들중의 하나와 그 기판상에 제공되는 전극은 투명할 필요가 없다. 사실, 그 전극은 반사기로서 작용할 수도 있다.

배향막들(14, 15)은 전극들(12, 13) 상에 각각 형성된다. 각 배향막(14, 15)은 RN715(Nissan Chemicals사로부터 입수 가능함)를 포함한다. 이러한 재료는 용매에 용해되어 전극들(12, 13)상에 스핀-코팅될 수 있고, 그 다음 베이킹 공정이이어진다. 그런 다음, 소정의 액정 배향을 유도하기 위해, 배향막들(14, 15)은 일종의 천으로써 단일 방향으로 러빙된다. 대안적으로, 전극들(12, 13)이 자외선에 민감한 광중합체로 코팅된 다음, 자외선에 노광되어, 소망하는 액정 배향을 유도하는 표면을 형성하는 어떠한 광배향 기술이라도 사용될 수 있다. 그런 다음, 기판들(10, 11)은 평행한 배열 방향이 평행하고(즉, 동일한 방향을 향하고) 서로 대향하는 배향막들(14, 15)을 사용하여 배향된다. 배향막들(14, 15)은 예로서, 도 2에 도시된 절연체 스페이서 볼(16)에 의해 이격되고, 배향막들(14, 15) 사이의 공간에는 네마틱 액정 재료(17)가 충전된다. 전극들(12, 13)은 구동부(18)에 접속되어, 액정층(17)의 양단에 적절한 구동 전압이 인가된다.

도 3은, 도 2의 디바이스가, 예로서, 표시 장치로서 또는 표시 장치에서 이용하기 위한 공간적 광 변조기를 제공하는데 어떻게 이용될 수 있는지를 개략적으로 도시하고 있다. 액정층(17)은 배향을 가진 배향막들(14 및 15) 사이에 지시되어 있으며, 디바이스의 광축은 참조부호 20 으로 지시되어 있으며, 이는 수직으로 배향되어 있다. 수동 지연기(21)가 pi-셀의 광축(20)에 직교 지향한 광축(22)을 갖고 있으므로, 디바이스에 의해 제공되는 유효한 지연은 pi-셀의 지연과 지연기(21)의 지연 사이에 차이이다. 지연기(21)의 지연은, 상한의 동작 전압에서 pi-셀의 지연과 동일하게 되어 유한 동작 전압에 대해 0의 광학적 지연을 제공하는 배열을 제공한다. 하한의 동작 전압에서, 이들 지연 사이의 차이는 가시광 스펙트럼의 중간에서의 광의 파장의 절반과 동일하도록 배열되어, 디바이스가 반파장판으로서 동작하게 한다.

편광자(23 및 24)는 pi-셀 및 지연기(21)를 포함하는 배열의 양측 또는 어느 일측 상에 배치된다. 편광자(23 및 24)의 편광 방향은 서로 직교하여 pi-셀 및 지연기(21)의 광축(20 및 22)에 45°각도로 지향된다.

상한의 동작 전압이 pi-셀에 인가되면, 편광자들(23 및 24) 사이에는 0의 지연이 존재한다. 그러므로, 전체 디바이스는 일종의 한쌍의 교차된 편광자로서 역할을 하고, 광의 통과를 실질적으로 차단한다. 하한의 동작 전압에서, 예로서 백라이트로부터 편광자(23)에 입사되는 광이 편광되어, pi-셀 및 지연기(21)에 의해 형성된 반파장판은 편광각을 90°만큼 변화시킨다. 그러므로, 광은 편광자(24)에 의해 비교적 작게 감쇠되어 투과된다. 그래서, 명 상태(백색 상태) 및 암 상태(흑색 상태)가 성취될 수 있다. 중간 전압에서의 pi-셀의 동작은 그레이 스케일 동작이 달성되도록 한다.

도 4는 (액정 표시 재료의 전형적인 파라미터로부터 계산된) 액정층(17)의 상태의 안정도를 나타내는 (대칭적인) 표면 프리틸트에 대한 인가 전압의 그래프이다. 이는 액정층의 두께에 실질적으로 둔감하다. 도 4는 13.745의 유전 이방성과, K11 = 10.643pN, K22 = 6.7pN, 및 K33 = 15.5pN의 탄성 계수를 포함하는 액정 파라미터에 관련된 것이다. 영역 A 및 E에서, V 상태는 최저 에너지를 가지므로, 그것은 안정한 상태이다. 도 4에 도시한 특성에 대한 약 48°이상의 높은 값의 프리틸트에 대하여, 0의 인가 전압에서 V 상태가 최저 에너지를 갖는다. 이러한 임계적 프리틸트각 아래에서는, 0으로부터 약 48°까지의 프리틸트각의 범위에 대해서, H 상태가 최저 에너지이므로, 그것이 안정한 상태이다. 영역 B, C 및 D에서는, H 상태가 최저 에너지이므로, 그것이 안정한 상태이다. 영역 C에서, 액정 재료는 T 상태로 완화될 수 있는 반면, T 상태는 영역 B 및 D에서 나타나지 않는다.

특정 재료 파라미터에 대해, H 상태의 에너지가 0의 인가 전압에 대해 V 상태 및 H 상태의 각 에너지보다 작게 되는 프리틸트각의 범위, 즉, 약 29°부터 약 48°까지의 범위가 있다. 배향막(14 및 15)이 이러한 범위에서 대칭적인 프리틸트각을 제공하도록 배열되므로, pi-셀의 동작 중에 T 상태는 발생하지 않는다. 0의 인가 전압에 대해, V 상태의 에너지는 T 상태의 에너지보다도 작거나 동일하다(작은 경우가 더 바람직함).

구동부(18)는 전극(12 및 13)에 구동 전압을 공급하므로, 디바이스는 상한 전압에서는 영역 A내에서 그리고 하한 전압에서 영역 D내에서 동작하도록 상한 전압과 하한 전압사이에서 스위칭된다. 그레이 스케일 능력이 요구될 경우, 상한 전압과 하한 전압에 의해 정의되는 범위 내의 중간 전압도 역시 구동부(18)에 의해 공급될 수 있다.

pi-셀에 있어서, 동작이 개시될 수 있기 전에, V 상태는 H 상태로부터 핵생성되어야 한다. 이는 V 상태의 핵생성이 야기되게 하기 위하여 충분한 기간 동안 적절한 고전압을 인가함으로써 디바이스의 스위칭 시에 달성될 수 있다. 일단 V 상태가 확립되면, 디바이스는 도 4에 도시된 영역 A와 D사이에서, 제어 구동 신호에 따라 스위칭된다. H 상태가 도 4에 도시된 영역 D에서 안정하거나 또는 최소 에너지 상태이더라도, H 상태로의 완화는 비교적 저속의 프로세스이며, 수초 정도의 기간을 요한다. T 상태는 동작 영역 D에서 나타나지 않으므로, 정상 동작 동안에, pi-셀은 V 상태를 유지한다. 따라서, T 상태로의 pi-셀 완화의 가능성을 회피함으로써, 디바이스의 성능은 실질적으로 개선된다.

도 5는 또 다른 타입의 네마틱 액정 재료 즉, E7(Merck Darmstadt사로부터 입수가능함)의 성능을 도시하는데, 그 화학적 구조는 E. P. Raynes, R. J. A. Tough, 및 K. A. Davies의 논문 「Voltage Dependence of the Capacitance of a Twisted Nematic Liquid Layer」(Mol. Cryst. Liq. Cryst., Vol. 56(Letters), pp. 63-68, 1979)에 개시되어 있다. 20℃에서 E7에 대한 특징은, 그 온도에서 탄성 계수 는 K11 = 11.7pN, K22 = 8.8pN, K33 = 19.5pN이고, 유전 이방성은 △ε = 14.37이다. 이 재료에 대해, pi-셀은 약 26°와 약 50°사이에서 대칭적 프리틸트각을 가지면서 동작한다. 이 범위의 프리틸트에서, H 상태의 에너지는 V 상태 및 T 상태 각각의 에너지보다 작다. 구동부(18)에 의해 공급된 구동 전압은, 디바이스가 F 및 G로 표시된 영역내에서 동작하도록 하여, 디바이스가 상당한 시간 주기 동안에 영역 F로 스위칭되며 유지되어 있다 하더라도, T 상태는 발생되지 않게 한다.

일반적으로, pi-셀에 이용되는 전형적인 재료는 실온에서 및 pi-셀의 동작 범위의 적어도 대부분에 걸쳐서, 50pN보다 작거나, 좀더 일반적으로는, 30pN보다 작은 탄성 계수 K11, K22, 및 K33을 갖는다. 탄성 계수가 서로 동일한 재료에 대해, 약 45°의 임계적 프리틸트가 있는데, 이를 초과하는 경우에는 V 상태가 0의 인가 전계에 대해 안정하고, 그 아래의 경우에는 H 상태가 0의 인가 전계에 대해 안정하다. 그러나, 대부분의 재료에 대해, 탄성 계수는 서로 동일하지 않고, 전형적으로 탄성 계수 K22는 K11 및 K33의 각각 보다 작다. 임계적 프리틸트각은 이들상수의 값에 의존하지만 일반적으로는 30°와 60°사이에 있다. 도 4에 도시된 성능을 가진 재료에 대해, 임계적 프리틸트는 약 48°이고, 도 5에 도시된 성능을 갖는 재료에 대해서도 마찬가지이다. 도 5에서의 프리틸트각의 하한은 도 4에서의 것보다 크지만, 두 재료의 특징은 일반적으로 유사하고, 주요 차이점은 전압 스케일이 서로 다르다는 것이다.

박막 트랜지스터 능동 매트릭스 액정 표시 장치의 일부를 형성하는 pi-셀에 대해, 적절한 재료의 유전 이방성은 일반적으로 2보다는 크고, 일반적으로 15보다는 작으며, 더욱 일반적으로는 10보다 작다.

전술한 바와 같이, 비록 실제 한계값은 재료에 따라 변화할 수 있어 임의의 특정 재료에 대해 쉽게 결정할 수는 없지만, 적절하지 못한 액정 재료이라면 대부분의 프리틸트각의 범위는 약 20°와 약 50°사이에 있게 된다.

도 6 및 7은, 도 4에 도시한 성능을 갖는 전술한 액정 재료를 사용하는 도 2 및 3에 도시한 타입의 디바이스 성능을 도시하고 있다. 액정층(17)은 6.25㎛의 두께를 갖고, 배향막(14 및 15)은 29°의 대칭적 프리틸트를 제공한다. 지연기(21)는 55㎚의 지연을 가지고, 지연기(21)와 pi-셀의 조합은 구동부(18)가 5V를 공급할 경우에는 0의 지연을 제공하고, 구동부(18)가 전극(12 및 13)에 0V를 제공할 경우에는 550㎚의 파장의 광에 대해 반파장 지연을 제공한다.

도 6은 550㎚ 파장의 단색광원을 사용하는 이 디바이스에 대한 인가된 전압에 대해 광 투과를 도시하고 있다. 따라서 이 디바이스는 고콘트라스트비를 얻을 수 있다.

도 7은 pi-셀의 양단에의 인가 전압이 5V에서 0V까지 스위칭하는 경우, 광 투과도를 시간의 함수로 도시하고 있다. 완화 시간은 투과도가 0%로부터 80%까지 변화하는데 필요한 시간으로서, 이 디바이스에서는 5.15ms이다.

도 8은, 예로서 도 2 및 3에 도시한 타입의 능동 매트릭스 액정 표시 장치의 각 화소의 양단에 인가되는 적절한 표시 구동 파형을 개략적으로 도시하고 있다. 이미지 데이터는 표시 장치의 모든 화소를 업데이트하거나 리프레쉬하기 위해 연속적 프레임으로 공급된다. 각 화소의 양단에의 인가 전계는 화소의 명 상태(white state)를 어드레싱하기 위해 최소값 V_W(이 경우에는 0)를 갖고, 화소의 암 상태(black state)를 어드레싱하기 위해 최대값 V_B를 갖는다. 화소의 양단에 인가된 전압은 ms 단위로 시간에 대한 V로 도시되어 있다.

각각의 프레임은, 화소를 암 상태로 블랭킹하는, V_B와 동일한 전압을 갖는 블랭크 펄스 V_b에 의해 시작된다. 다음에, 화소는 소망하는 광학적 상태에 대응하고 0(V_W)과 V_B사이의 값을 갖는 전압을 화소의 양단에 인가함으로써, 소망하는 상태로 리프레쉬된다. 능동 매트릭스는, 후속 프레임의 블랭크 펄스까지 화소 양단에 인가된 이 전압을 유지한다.

도 9는 4개의 연속적인 프레임 동안 화소 양단에 인가된 실제 파형의 전형적인 예를 도시하며, 화소의 대응하는 광 투과를 나타낸다. 프레임 1에서, 블랭크 펄스 다음에는, 화소의 암 상태 내지 최소 투과 상태를 선택하는, 최대값 V_B을 갖는 화소 전압이 후속한다. 프레임 2에서, 블랭크 펄스 후에, 화소의 양단에의 인가 전압은 0으로 감소되어, 화소의 명 상태 내지 최대 투과 상태를 선택하게 된다. 다음에, 화소는 프레임 3의 블랭크 펄스에 의해 암 상태로 블랭킹되지만, 화소 전압은 그 후 다시 0으로 감소되어 명 상태를 선택하게 된다.

프레임 4에서, 블랭크 펄스 다음에, 화소 전압은 화소를 중간 그레이 레벨로 스위칭하는, 중간값으로서 선택된다. 따라서, 블랭크 펄스의 종단에서, 화소 전압은 선택된 값으로 떨어지고, 그결과로서 화소는 암 상태와 명 상태 사이에 있는 투과 레벨로 된다. V_W와 V_B사이의 범위내의 어떠한 전압이라도 선택될 수 있으므로, 넓은 범위의 그레이 레벨이 표시될 수 있다.

블랭크 펄스의 작용(특히, 화소가 명 상태가 되기 위해 요구되는 프레임 2 및 3에서의 작용)은 최대 휘도를 감소시켜, 표시 장치의 콘트라스트비도 감소시킨다. 그러나, 본 발명의 표시 장치 트위스트 상태의 형성을 방지하고, H 상태로부터 비교적 신속한 V 상태의 성장을 제공하므로, 모든 프레임에 블랭크 펄스를 인가할 필요는 없다. 이러한 기능을 이용하는 대안적인 구동 기법이 도 10에 도시되어 있다. 이 경우에, 능동 매트릭스의 짝수 행의 화소에 대한 구동 기법은 상부의 파형도에 도시되고, 능동 매트릭스의 홀수 행의 화소에 대한 구동 기법은 하부의 파형도에 도시되어 있다.

짝수 행의 화소에 대해, 블랭크 펄스는 홀수 프레임이 아닌, 짝수 프레임에만 인가된다. 반대로, 홀수 행의 화소에 대해서는, 블랭크 펄스는 짝수 프레임이아닌, 홀수 프레임에 인가된다. 그결과, 표시 휘도가 증가되고, 도 8 및 9에 도시된 구동 기법과 비교하여 표시 콘트라스트비가 증가되는 결과로 된다.

도 11 및 12는, 프리틸트가 5°이고, △n = 0.18이고, 액정층의 두께가 5㎛이며, 지연기(21)의 지연이 76㎚이라는 점에서, 도 6 및 7에 도시된 성능과 다른 종래의 pi-셀의 성능을 도시하고 있다. 이 디바이스에 대한 완화 시간은 3.5㎳이다.

도 13 및 14는, 카이럴 피치에 대한 액정층 두께의 비가 0.25가 되도록 카이럴 도펀트를 첨가하였다는 점에서, 도 11 및 12에 도시된 성능과 다른 종래의 디바이스의 성능을 도시하고 있다. 이 디바이스에 대한 완화 시간은 3.7㎳ 이다.

도 15 및 16은, pi-셀이 15°의 프리틸트를 갖고, 액정층의 두께가 5.3㎛이며, 지연기(21)가 66㎚의 지연을 갖는다는 점에서, 도 11 및 12에 도시된 성능과 다른 종래의 디바이스의 성능을 도시하고 있다. 이 디바이스에 대한 완화 시간은 4㎳이다.

도 17 및 18은, pi-셀이 대칭적인 49°의 프리틸트를 갖고, 액정층의 두께가 12.5㎛이며, 지연기(21)가 56㎚의 지연을 갖는다는 점에서, 도 11 및 12에 도시된 성능과 다른 종래의 디바이스의 성능을 도시하고 있다. 이 디바이스에 대한 완화 시간은 14.1㎳이다.

따라서, 본 발명의 실시예를 구성하는 디바이스는, 트위스트가 발생하지 않는 것과 관련된 이점을 가지면서도, 트위스트가 발생하는 것과 관련된 단점을 가진종래의 디바이스에 비해 스위칭 속도가 느리지 않다. 도 17 및 18 에 도시된 성능을 가진 공지의 디바이스도 또한 트위스트의 발생이 방지되지만, 하지만 상당히 느린 스위칭 시간을 갖는다.

Claims

제1 배향막과 제2 배향막 사이에 배치된 네마틱 액정 재료의 층으로서, 그 인접한 액정 재료에 프리틸트를 유도하여, 0의 인가 전계에 대하여, H 상태의 에너지가 V 상태의 에너지 및 T 상태의 에너지보다 낮고 V 상태의 에너지가 T 상태의 에너지보다 낮거나 같게 되도록 하는 상기 네마틱 액정 재료의 층; 및

상기 V 상태의 에너지가 상기 H 상태의 에너지 및 상기 T 상태의 에너지보다 낮게 되도록 하는 제1 전계, 및 상기 제1 전계보다 세기가 작고 상기 H 상태의 에너지가 상기 V 상태의 에너지 및 상기 T 상태의 에너지보다 낮게 되도록 하는 제2 전계를 상기 층의 적어도 하나의 영역에 선택적으로 인가하는 구동부

를 포함하는 것을 특징으로 하는 pi-셀 액정 디바이스.
제1항에 있어서,

0의 인가 전계에 대하여, 상기 V 상태의 에너지가 상기 T 상태의 에너지보다 낮은 것을 특징으로 하는 디바이스.
제1항에 있어서,

상기 제2 전계는 실질적으로 0의 세기를 갖는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제1항에 있어서,

상기 제1 및 제2 전계는 상기 적어도 하나의 영역의 광학적 범위의 제1 및 제2의 극한적 광학적 상태를 선택하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제4항에 있어서,

상기 제1 및 제2의 극한적 광학적 상태는, 상기 디바이스에 대해 의도되는 광학적 방사의 반파장의 홀수배만큼 서로 차이가 나는 상기 적어도 하나의 영역의 제1 및 제2의 지연을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제5항에 있어서,

상기 제1 및 제2 지연은 반파장만큼 차이가 나는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제4항에 있어서,

상기 제1 및 제2의 극한적 광학적 상태는 각각 최대 감쇠 및 최소 감쇠를 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제4항에 있어서,

상기 제1 및 제2의 극한적 광학적 상태는 각각 최소 감쇠 및 최대 감쇠를 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제1항에 있어서,

상기 프리틸트는 실질적으로 50°보다 작은 것을 특징으로 하는 디바이스.
제9항에 있어서,

상기 프리틸트는 실질적으로 48°보다 작은 것을 특징으로 하는 디바이스.
제1항에 있어서,

상기 프리틸트는 실질적으로 20°보다 큰 것을 특징으로 하는 디바이스.
제11항에 있어서,

상기 프리틸트는 실질적으로 26°보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 디바이스.
제11항에 있어서,

상기 프리틸트는 실질적으로 29°보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 디바이스.
제1항에 있어서,

상기 액정 재료는 탄성 계수 K11, K22, 및 K33을 가지며, 상기 탄성 계수 각각은 실온에서 50pN보다 작은 것을 특징으로 하는 디바이스.
제14항에 있어서,

상기 탄성 계수 각각은, 상기 디바이스의 동작 온도 범위에 걸쳐 30pN보다 작은 것을 특징으로 하는 디바이스.
제1항에 있어서,

상기 액정 재료는 실질적으로 2보다 큰 유전상수를 갖는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제1항에 있어서,

상기 액정 재료는 실질적으로 15보다 작은 유전상수를 갖는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제17항에 있어서,

상기 유전상수는 실질적으로 10보다 작은 것을 특징으로 하는 디바이스.