KR20030023690A - 그레이 수준을 가지는 네마틱 액정 쌍안정 디스플레이 장치 - Google Patents

그레이 수준을 가지는 네마틱 액정 쌍안정 디스플레이 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상기 쌍안정 텍스쳐가 동일한 픽셀(pixel)내에서 조절되는 비율로 공존하고, 상기 텍스쳐는 부피 180°디스클리네이션 선(disclination line) 또는 표면 중 하나위의 180°방향전환 벽에 의해 분리되는 하이브리드 텍스쳐를 앵커링이 단절된 후에 만드는 조절 수단(40); 및 부피 선(volume line)의 표면 벽(suface wall)안으로의 변형 및 표면상에의 상기 벽의 고정화에 의한 상기 하이브리드 텍스쳐의 장기 안정화 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 네마틱 쌍안정 디스플레이 장치

Description

그레이 수준을 가지는 네마틱 액정 쌍안정 디스플레이 장치{NEMATIC LIQUID CRYSTAL BISTABLE DISPLAY DEVICE WITH GREY LEVEL}
액정은 문자숫자식 디스플레이, 평면 스크린, 광학 밸브 등과 같은 다수의 디스플레이 장치에 광범위하게 사용된다. 일반적으로, 액정에 기초한 디스플레이 장치는 액정을 가두고 있는 두개의 평행한 판 또는 기판을 포함한다. 상기 판 또는 기판은 한편으로는, 액정의 방위(orientation) 및 앵커링(anchoring)을 조절하기 위한 수단 및 다른 한편으로는, 이들의 배치(configuration)를 변형시키기 위하여 액정에 전기장을 인가하기 위한 전극을 구비한다.
본 발명의 주제를 구성하는 네마틱(nematic) 액정에 기초한 장치에서, 네마틱 액정은 수 마이크로미터 보다 큰 나선 피치와 함께, 예를 들어, 카이럴 도우펀트(chiral dopant)를 첨가함으로써, 어카이럴(achiral) 또는 카이럴화(chiralized)되어 사용된다. 표면 근처 액정의 방위 및 앵커링은 전기장이 부존재하는 경우 균일하거나 약간 트위스트된 텍스쳐(texture)를 부과하는 기판에 인가된 정렬 층(alignment layer) 또는 처리(treatment)에 의하여 규정된다.
지금까지 제안되거나 생산된 장치의 대부분은 단안정(monostable)이다. 전기장이 부존재하는 경우, 단일 텍스쳐만이 장치내에서 생산된다. 상기 텍스쳐는 셀(cell)의 총 에너지의 절대 최소치에 대응한다. 전기장내에서, 상기 텍스쳐는 연속적으로 변형(deform)되고 이의 광학적 성질은 인가된 전압에 따라 변한다. 장이 절단되는 때, 네마틱은 단일 단안정 텍스쳐로 되돌아 간다. 네마틱 디스플레이의 다른 클래스는 쌍안정 네마틱의 것이다. 이 경우, 적어도 두개의 분명한 텍스쳐가 셀내에서 생산될 수 있다. 상기 텍스쳐는 동일 표면 앵커링 상태에 대응하고, 전기장 부존재의 경우 쌍안정 또는 준안정(metastable)이다. 상기 두 상태사이의 스위칭은 적합한 전기적 신호를 인가함으로써 수행된다. 그러나, 한번 이미지가 기록되면, 쌍안정성(또는 준안정성)때문에, 장 부존재의 경우 저장된 채 남아있다. 쌍안정 디스플레이의 상기 메모리는 많은 적용에 대하여 매우 매력적이다. 이는 저속 이미지 리프레시를 가능케한다. 예를 들어, 이 때문에 휴대용 기구의 소비를 감소가 가능하다. 쌍안정 디스플레이의 전형적인 예를 도 1에 도식적으로 나타낸다. 상기 장치의 기술은 문헌[1] 및 [2]에 나타날 것이다. 도 1a 및 도 1b각각에 나타낸 두개의 쌍안정 텍스쳐 T0및 T180은 ±180°트위스트로 서로 상이하고, 위상학적으로 양립불가능하다. 네마틱의 자발적 피치는 T0및 T180에너지가 필수적으로 동일하도록 하기 위하여 셀 두께의 1/4에 거의 동일하도록 선택된다. 장 없이는 저 에너지를 가지는 어떠한 상태도 존재하지 않는다: T0및 T180는 진정한 쌍안정성을 나타낸다. 강한 전기장하에서는, 기판상의 앵커링 점의 적어도 하나와 함께 (단절된), 거의 호메오트로픽한 텍스쳐 H(homeotropic texture H)가얻어진다(도 1c): 분자는 이의 표면 근처의 판 또는 기판에 수직이다. 전기장을 절단할 때, 셀은 두개의 표면 앵커링 점 사이의 탄성 커플링(elastic coupling) (T0) 또는 수동역학 커플링(hydrodynamic coupling)(T180)을 선호하면서, 쌍안정 상태의 하나 또는 다른 하나쪽으로 안내된다. 광학적으로, 두개의 상태 T0및 T180는 매우 상이하고 100보다 더 큰 콘트라스트와 함께, 흑색(black) 및 백색(white) 이미지를 디스플레이 하는 것이 가능하다.
메모리 액정 장치의 또 하나의 클래스는 질서-무질서(order-disorder)타입의 디스플레이이다. 상기 장치는 균일하거나 규칙적인 텍스쳐 및 고 결점 밀도(high defect density)를 가지는 다수의 무질서한 텍스쳐를 가진다. 이러한 장치는 문헌[3] 및 [4]에 언급된다. 상기 장치에서, 빛은 결점상에서 강하게 산란되고 소극(depolarize)된다. 상기 무질서 텍스쳐의 광학적 성질은 결점 밀도에 비례하여 변하고, 따라서, 그레이 스케일(grey scale)이 디스플레이 되도록 하는데, 이는 흑색, 그레이 및 백색 또는 컬러에서 고 품질 이미지를 얻는데 필요 불가결하다.
그러나, 규칙적 텍스쳐의 두개의 동일한 에너지 상태를 가지는 쌍안정 장치는 그레이 톤(grey-tone)을 가지는 디스플레이에 대하여 고유적으로 적합하지 않다. 이는, 상기 장치에서는 오직 두개의 분명한 쌍안정 텍스쳐만이 디스플레이되고, 각각의 이미지 픽셀내에 유지되기 때문이다.
많은 시도들이, 그레이 스케일 디스플레이와 호환가능한(compatible) 쌍안정 장치를 만들기 위하여 제안되어 왔다.
고속 디스플레이(예를 들어, 비디오 스크린)에 대하여는, 이미지를 디지털화하고, 1 : 2 : 4 등의 비율의 지속과 함께 비디오 프레임(frame)을 몇개의 서브 프레임(sub frame)으로 일시적으로 절단함으로써, 그레이 스케일을 얻는 것이 가능하다. 각 서브 프레임에서, 픽셀의 상태는 원하는 강도의 평균 디지털 수준을 보장하기 위하여 변화한다. 초고속 장치(ultrafast device)(예를 들어, 강유전성 액정 디스플레이)에 대하여만 적합한 상기 접근은 많은 곤란을 가진다. 이는 복잡한 드라이버(프레임 메모리 요구)를 필요로 한다. 부가하여, 멀티플렉싱이 곤란하다(매우 짧은 서브 프레임이 만들어질 것이 요구된다). 마지막으로, 이러한 접근은 쌍안정성을 희생시킨다. 이는, 픽셀의 실제 상태가 아니고, 쌍안정 상태의 일시적 평균이고, 이미지 리프레싱(refreshing)이 절단될 때, 이미지가 정지한다. 이는 픽셀의 마지막 상태를 디스플레이 한다. 이것이 흑색-백색 이미지이다. 또 하나의 접근은 각각의 픽셀을 공간적으로 세분하는 것으로 구성된다 - 디지털화된 이미지는 서브 픽셀내에서 만들어진 흑색-및-백색 상태의 공간적 평균으로서 디스플레이된다. 상기 이미지의 쌍안정성은 보존되지만, 장치는 복잡하다(매우 작은 서브-픽셀 치수, 동일한 공간 해상도에 대하여 어드레스되는 서브-픽셀의 수의 증가, 멀티플렉싱에서의 곤란성)
본 발명은 액정에 기초한 디스플레이 장치 분야에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 그레이 스케일을 얻도록 하는데 적합한 액정에 기초한 디스플레이의 신규 생산 수단을 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 발명의 문맥내에서
액정의 단안정 표면 앵커링(anchoring)상태, 대칭 및 기판에 수직인 전기장에서 앵커링이 단절되도록 하는 앵커링 상태의 적어도 하나의 힘을 보장하는, 전극 및 정렬 수단이 구비된 두개의 기판사이에 위치한 네마틱 액정 층;
두개의 기판사이의 액정에의 전기장 인가 수단 및 장에 평행한 표면 디렉터의 일시적 통과(passage) 및 180°트위스트로 서로 상이하고, 모두 단안정 앵커링 상태와 양립할 수 있는 두개의 쌍안정 또는 준안정 텍스쳐 중 하나 또는 다른 것을 향하여 장이 단절되어진 후의 릴렉세이션(relaxation)과 함께, 표면중 적어도 하나에의 앵커링 단절을 위한 수단을 포함하고;
상기 쌍안정 텍스쳐가 동일한 픽셀(pixel)내에서 조절되는 비율로 공존하고, 상기 텍스쳐는 부피에서 180°디스클리네이션 선(disclination line) 또는 표면 중 하나위에 180°방향전환 벽에 의해 분리되는 하이브리드 텍스쳐를 앵커링이 단절된 후에 만드는 조절 수단; 및
부피 선(volume line)의 표면 벽(suface wall)안으로의 변형 및 표면상에의 상기 벽의 고정화에 의한 상기 하이브리드 텍스쳐의 장기 안정화 수단을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 네마틱 쌍안정 디스플레이 장치에 의하여 달성된다.
본 발명의 문맥내에서, 상기 사용된 액정은 카이럴이 되고 콜레스테릭에 대응할 수 있기 위하여 도우핑될 수 있다.
또한, 본 발명은,
액정의 단안정 표면 앵커링 상태, 대칭 및 기판에 수직인 전기장에서 앵커링이 단절되도록 하는 앵커링 상태의 적어도 하나의 힘을 보장하는, 전극 및 정렬 수단이 구비된 두개의 기판 사이에 위치한 네마틱 액정 층; 및
두개의 기판 사이의 액정에의 전기장 인가 수단 및 장에 평행한 표면 디렉터의 일시적 통과 및 180°트위스트로 서로 상이하고, 모두 단안정 앵커링 상태와 양립할 수 있는 두개의 쌍안정 또는 준안정 텍스쳐 중 하나 또는 다른 것을 향하여 장이 단절되어진 후의 릴렉세이션과 함께, 표면 중 적어도 하나에의 앵커링 단절을 위한 수단을 포함하는 네마틱 쌍안정 디스플레이 장치를 사용하고,
상기 쌍안정 텍스쳐가 동일한 픽셀내에서 조절되는 비율로 공존하고, 상기 텍스쳐는 부피에서 180°디스클리네이션 선 또는 표면 중 하나위에 180°방향전환 벽에 의해 분리되는, 하이브리드 텍스쳐를 앵커링이 단절된 후에 만드는 단계; 및
부피 선의 표면 벽안으로의 변형 및 표면상에의 상기 벽의 고정화에 의하여 상기 하이브리드 텍스쳐를 장기적으로 안정화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 특징, 목적 및 이점은 첨부된 도면과 함께, 비한정적 실시예에 의하여 주어진 다음의 상세한 기술에 의하여 분명해진다.
도 1은 종래 기술에 따른 쌍안정 액정 디스플레이를 도식적으로 보여주고, 도 1a 및 도 1b는 셀의 두개의 안정상태를 보여주고, 도 1c는 전기장에서의 일시적 상태를 보여준다;
도 2는 본 발명에 따른 액정 디스플레이 셀의 픽셀의 사진을 보여준다;
도 3은 가둠 판(confinement plate)상의 표면 결점(surface defect)으로부터 초래되는 본 발명에 따른 구조를 보여준다. 도 3a는 전기장내에서의 셀을, 도 3b는 전기장이 단절된 후의 셀을 보여준다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 디스플레이 장치내에서 존재할 수 있는 두 가지 타입의 결점 선(defect line)을 도시한다.
도 5는 표면으로부터 이의 거리 z의 함수로써 부피 결점 선(volume defect line) V의 에너지를 도식적으로 보여준다.
도 6은 앵커링의 프레드릭 경계 및 단절 경계 사이에서 중개하는, 중간의 전기장에서의, 네마틱 디렉터의 방위를 나타낸다.
도 7a 및 도 7b는 부피 디스클리네이션 선으로부터 표면 벽까지의 변화를 도식적으로 보여준다.
도 8은 부피 디스클리네이션 선을 표면 벽안으로 변형시킬 수 있는 "스틱킹(sticking)" 전압의 크기(amplitude)를 두개의 극성에 대하여 보여준다.
도 9는 고정된 지속기간의 스위칭 펄스의 크기의 함수로써, 두개의 폴라라이저(polarizer)가 구비된 셀의 광학 전송(optical transmission)을 나타낸다.
도 10은 본 발명에 따라 셀상에 얻어진 6개의 상이한 그레이 수준을 보여준다.
도 1에서, 앵커링을 단절함으로써 스위치되는 쌍안정 네마틱 픽셀의 전형적 구조를 도식적으로 보여준다. d ＜ 5㎛, 바람직하게는 d ＜ 2㎛ 의 두께를 가지는 액정의 얇은 층은 두개 기판(20, 30)(유리 또는 플라스틱 등으로 제조된)사이에 함유되어 있다. 상기 기판(20, 30)은 판 이라고도 불리운다. 적어도 하나가 투명한 두개의 전극(22, 32) 각각은 기판(20, 30)에 수직인 전기장이 액정에 인가되도록하기 위하여 기판(20, 30) 내부 면상에 놓여진다. 정렬 층 (24) 및 (34)는 기판(20, 30)상에 단안정 앵커링 상태를 규정한다: 장 부존재의 경우, 네마틱 디렉터n의 단일 방위는 정렬 층(24, 34)에 의하여 각 표면상에 부과된다. 이러한 방향을 용이한 축(easy axis)e라고 부른다.
판(20)(주요판(master plate))상에서, 상기 정렬은 고 정점 앵커링 에너지를 가지며 평면이거나, 기울어질 수 있다: 스위칭 동안, 고 전기장내에서, 표면 디렉터n 1의 방위는 용이한 축e 1에 근접하게 유지되고, 장이 단절된 후에,n 1은e 1에 다시 평행하게 된다.
판(30)(종속 판(slave plate))상에서, 방위는 평면이고(셀 평면에 평행한 용이한 축e 2) 정점 앵커링은 약하거나 중간이다.
고 전기장에서, 상기 플레이트에 대한 앵커링은 단절된다(도 1c): 표면 디렉터n 2는 장에 평행하고,e 2에 수직이도록 방위한다. 상기 방위는 최대 앵커링 에너지 및 0(zero)앵커링 토크에 대응한다. 전기장이 단절된 후, 디렉터n 2는 불안정한 평형상태(토크의 부존재)에 있고, 두개의 상이한 방식으로 평형으로 되돌아 갈 수 있다:e 2에n 2평행(T0, 도 1a) 또는 반대 평행(T180, 도 1b). 이는 상기 두개의 상태가 단안정 앵커링 상태와 양립 가능하기 때문이다(네마틱은 4중극 성질의 시스템이고,n 2및-n 2상태는 동등하다). 이러한 방식으로, 앵커링 단절에 의한 스위칭후에 텍스쳐(T0또는 T180)중 하나 또는 다른 하나가 만들어진다.
최종 텍스쳐는, 장의 단절시에 종속 판(30)의 불안정한 평형을 방해하는, 네마틱(10)에 의해 전달되는 두개의 앵커링 상태 사이의 약한 커플링에 의하여 선택된다. 갑작스런 단절은 수동역학적 커플링(부피 및 표면 역흐름 효과)을 선호하고, 트위스트된 텍스쳐 T180을 만든다. 점차적인 단절은 정적 커플링(탄력성을 구부림으로써)을 선호하고, 준-균일한 최종 상태 T0를 부과한다.
두개의 텍스쳐 T0및 T180은 위상학적으로 별개이다: 이들 사이의 연속적 변환은, 상기 변환이 앵커링 또는 네마틱 질서(nematic order)를 단절하는 것을 요구하기 때문에 불가능하다. 어카이럴 네마틱에 대하여는, T180텍스쳐는 준안정적이다. 다시 말하면, 이는 T0보다 높은 에너지를 가지지만, 높은 에너지 장벽 때문에 장이 부존재하는 경우 자발적으로 T0상태로 변환될 수 없다. 장기간의 경우, 그럼에도 불구하고 T180은 결점의 핵형성(nucleation) 및 전달에 의하여 T0로 변환될 수 있다(180°디스클리네이션 선). 상기 가스위칭(spurious switching)은 P = 4d 에 근접한 피치 P를 가지는 카이럴 도우펀트로 네마틱을 카이럴화함으로써 방지할 수 있다. 이러한 방식으로 두개의 텍스쳐의 에너지는 동등해지고, 진정한 쌍안정성이 달성된다: 흑색 및 백색, 더욱 정확하게는 "온/오프" 모드로 작동되는 쌍안정 네마틱 디스플레이가 얻어진다.
본 발명에 따르는 그레이 스케일 디스플레이 장치는 도 1에 설명되고, 앞서 기술된 동일한 기본적 구조를 가진다. 이는, 본 발명에 따르는 셀을 설명하는 도3 및 그 이하에서, 상기에서 설명한 배열과 일치하여, 전극(22, 32) 및 정렬 층 (24) 및 (34)가 구비된 두개의 판(20, 30)이 존재하기 때문이다. 또한, 도 3은 전극(22, 32)에 연결되고, 상기 전극 사이의 액정물질(10)상에 조절되는 크기 및 조절되는 지속기간의 전기적 추진 펄스를 인가하기에 적합한 수단(40)을 도식적으로 보여준다.
본 발명의 발명자들은 상기 타입의 장치에서 그레이 톤을 가지는 쌍안정 디스플레이를 얻기 위하여, 조절 가능한 중간 유사 그레이 상태를 만들고, 이를 안정화시키는 것이 가능하다는 것을 증명하였다. 상기 상태는 "하이브리드" 상태에 대응하는데, 즉, 두개의 쌍안정 텍스쳐가 동일한 픽셀내에서 공존한다(도 2). 따라서, 상기 하이브리드 상태는 두가지 타입의 도메인(domain) - "기록된(written)" 도메인(교차된 폴라라이저 사이의 흑색 텍스쳐 T180) 및 "삭제된(erased)" 도메인(교차된 폴라라이저 사이의 대각선으로 방위된 백색 텍스쳐 T0)의 무작위적 혼합이다. 국부적으로, 도메인의 전체 영역에 걸쳐서 균일한 단일 상태가 도메인 각각에서 만들어진다. 도메인 영역은 픽셀 전체 영역과 비교하면 100 ×d2의 작은 크기이고, 다수의 마이크로 도메인이 동일한 픽셀내에서 만들어지고, 이들의 평균 밀도를 변화시킴으로써 다수의 그레이 수준을 만드는 것이 가능하다. 따라서, 픽셀의 전달된 또는 반사된 강도는 두 가지 타입의 도메인의 평균 강도로 평가되고, 0%(흑색 상태) 내지 100%(백색 상태) 사이에서 연속적으로 변화할 수 있다.
하이브리드 상태의 기원은 종속판(30)에서의 앵커링이 단절된 후에 표면 디렉터의 불안정한 평형이다. 상기 상태에서, 약간의 방해라도e 2에 평행하거나 반대 평행한 두개 위치의 하나 또는 다른 것을 향하고, 따라서, 최종 텍스쳐 T0또는 T180을 향한 네마틱 표면 디렉터n 2의 신속한 릴렉세이션을 유도하기에 충분하다(도 1).
추진 펄스의 전압이 앵커링 단절을 위한 경계를 초과한다면, 상기 두 가지 상태 사이의 정적 및 동적 커플링은 강하고, 전체 픽셀은 단일 균일 텍스쳐(백색 상태 또는 흑색상태)를 향하여 스위치될 것이다. 한편, 단절 경계에 근접하여, 상기 커플링은 약하고 국부적인 섭동(perturbation)(이는 추진 신호상에 포개지는 국부적 "노이즈(noise)"로 간주될 수 있다)은 상기 하이브리드 상태를 유도하기에 충분하다.
발명자들은 국부적인 섭동은 표면 앵커링 힘에서 분산을 조절함에 의하여 만들어 질 수 있다는 것을 결정하였다. 이는 국부적 표면 앵커링 에너지는 정렬 층의 본질 및 균일성에 의존하는 일정 한계내에서 변할 수 있기 때문이다. 이러한 방식으로, 균일한 추진 장은 앵커링 단절 경계를 국부적으로 초과하거나 초과하지 않을 수 있다. 이는 그레이의 수준이 펄스의 전압에 의존하는 하이브리드 최종 텍스쳐를 유도할 것이다.
또한, 본 발명자들은 국부적인 섭동이 표면의 지형학(topography), 예를 들어 정렬 층의 가변적 두께에 의하여 만들어 질 수 있다는 것을 증명하였다. 상기 지형학은 주기적(1차원적 또는 2차원적 표면 격자) 또는 예를 들어 마이크로 구조 표면과 같이 무작위적일 수 있다. 이 경우에서, 앵커링 단절을 위한 전압은 장이더 이상 균일하지 않기 때문에 액정 필름의 국부적 두께와 함께 변화한다. 이는 앵커링 층의 유전체적 성질에 의하여 어느 정도까지는 스크린(screen)될 수 있다.
또한, 본 발명자들은 하이브리드 텍스쳐가 약간 비균일한 전기장을, 예를 들어 저항(resistance) 또는 표면 끝(surface finish)이 균일하지 않은 전극을 사용하여 픽셀에 인가함으로써 얻어질 수 있다는 것을 확정하였다. 이는 표면 강도 또는 방위가 변화하는 장(약간 경사진 장)을 제공한다. 이는 어는 정도까지는 앵커링의 단절을 방해한다.
도 3은 종속판(30)상의 전극(32)의 표면의 비규칙성(36)주위에서 만들어지는 비균질의 전기장 및 장내의 텍스쳐에서 유도된 섭동을 도식적으로 보여준다(도 3a). 장이 단절되었을때의 릴렉세이션 후에(도 3b), 표면 불규칙성의 각 면상에 유도된 두개의 쌍안정 텍스쳐와 함께 하이브리드 텍스쳐가 얻어진다.
하이브리드 텍스쳐를 생산하는 본 발명에 따른 한가지 수단은, 추진 펄스 동안, 유체역학적 또는 기원상 플렉소전기적(flexoelectric) 또는 표면의 고유 극성에 기인한 일시적 텍스쳐 불안정성을 일으키는 것이다. 상기 동적 또는 정적 기원의 모든 불안정성은 셀 두께에 비견할 만한 주기와 함께, 부피 및 표면에서의 이의 평형상태에 대하여, 네마틱 디렉터에서의 주기적 편향(deviation)을 초래한다. 강한 장에서, 이의 불안정성의 크기는 매우 작지만, 장이 절단 경계에 근접할 때는 하이브리드 텍스쳐를 유도하기에 충분할 수 있다.
하이브리드 텍스쳐를 만드는 본 발명에 따른 또 하나의 수단은, 표면상 및 부피내로의 장의 인가동안 디렉터의 방위를 혼란시키는, 액정의 일시적 전단응력흐름(shear flow)과 연관된다. 비균질 또는 거친 표면상에서, 상기 흐름은 표면 디렉터의 방위내에서 약간의 일시적 비균질성을 일으킨다. 따라서, 앵커링이 단절된 후, 그러나 흐름의 완전한 릴렉세이션 전의 장의 단절은 하이브리드 픽셀 텍스쳐를 유도한다.
그러나, 본 발명의 발명자들은 하이브리드 텍스쳐가 만들어지면, 이들이, 두개의 주된 쌍안정 텍스쳐에 대응하는 도메인을 분리하는 결점 선의 전달에 의하여 시간에 걸쳐 변하고, 흑색 또는 백색 균일 상태를 향하여 릴렉스할 수 있다는 것을 발견하였다.
특히, 발명자들은 본 발명의 주제를 형성하는 디스플레이의 기하학에서, 결점 선의 두가지 타입이 상이한 구조 및 이동성과 함께 존재할 수 있다는 것을 발견하였다.
결점 선의 첫 번째 타입이 도 4a에 예시되어 있다. 이는 180°디스클리네이션 선이다. 상기 결점 선(도 4a내에서 지역 V의 형태로 도식적으로 보여진)은 용융(molten), 등방성(isotropic) 또는 이축성(biaxial) 코어를 가진다. 상기 점에서 네마틱 질서 파라미터는 0이 되거나 부호가 변할 수 있다. 평형에서, 상기 선은 셀의 중간-판내에 존재하고 하이브리드 텍스쳐를 구성하는 도메인을 둘러싸는 닫힌 루프를 형성한다. 상기 선은 매우 이동성이 높고, 탄성력 또는 흐름의 작용에 기인한 장치 면내에서의 점성적 마찰과 함께 이동할 수 있다. 두개의 쌍안정 텍스쳐의 단위 면적당 뒤틀림 에너지가 상이하다면(예를 들어 셀 두께와 잘 대응하지 않는 어카이럴 또는 콜레스테릭 네마틱), 탄성력이 선상에 작용하고 이를 대체한다. 국부적으로, 선이 통과된 후, 더욱 높은 에너지 텍스쳐(준안정성 텍스쳐)가 다른 텍스쳐와 교체된다. 준안정 텍스쳐에 의하여 점유된 영역은 점차 감소하고, 장기간에서 전체 픽셀은 안정된 상태내에서 균일하게 된다(백색 또는 흑색). 동일한 에너지를 가지는 쌍안정 텍스쳐에 대하여도(셀의 두께에 대응하는 콜레스테릭의 경우), 결점 선에서의 장력(단위길이당 에너지)은 디스클리네이션 루프를 줄어들게 하고, 0% 또는 100%에 대한 그레이 스케일에서의 약간의 변화를 일으키며 장기간에 걸쳐서 사라진다.
결점 선의 또 하나의 가능한 구조는 도 4b에 도식적으로 나타낸다. 이 경우, 이들은 두개의 쌍안정 텍스쳐가 존재하는 영역을 분리하는 180°표면 디렉터 재배치 벽(도 4b에서의 S 영역)이다. 벽을 가로질러, 표면 디렉터는 180°를 통하여 점차로 회전한다. 표면에 위치한 상기 선들은, 이들의 더욱 높은 유효한 점도 및 무엇보다도, 표면 불규칙성 및/또는 앵커링의 국부적 메모리로의 상기 선의 부착에 기인한 "강한" 마찰 때문에, 부피 선보다 낮은 이동성을 가진다. 강한 마찰때문에, 그 이하에서는 선이 표면에 부착되어 있고 움직이지 않는, 선에 대하여 인가된 힘에 대한 경계가 있다. 대부분의 표면에 대하여, 상기 경계는 매우 높고, 어카이럴 네마틱의 경우에 있어서도 상기 두개의 텍스쳐 사이의 에너지 차이는 상기 경계를 초과하기에 불충분하다. 결점 "스틱킹"의 선 때문에, 무한의 쌍안정성이 임의의 그레이 스케일 상태에 대하여 얻어진다.
결점의 두가지 타입의 단위 길이당 에너지는 매우 상이하다(도 5). 표면 벽은 낮은 전체 부피 뒤틀림 에너지 및 0 코어 에너지(그들은 용융 코어를 가지지 않고 벽내에서 네마틱 질서는 크게 방해받지 않는다)를 가진다. 대조적으로, 그들은 정렬 층에 의하여 부과된 용이한 축에 대하여 벽내에서 표면 디렉터의 재배치에 기인한 강한 앵커링 에너지 기여를 가진다. 일반적으로, 총 에너지는 표면 벽의 경우에 더욱 낮고, 그 때문에, 디스클리네이션 선의 표면 벽으로의 변환을 선호한다. 상기 변환이 일어나도록 하기 위하여는, 선의 코어를 표면에 근접하도록 가져오는 것이 필요하다(코어는 표면을 "통과"하고 실질 코어(virtual core)가 된다). 도 5는 표면으로부터의 이의 거리 z의 함수로써 부피선 V의 에너지를 도식적으로 보여준다. 높은 앵커링 에너지 장벽(B)은 S 상태(표면 벽(surface wall))와 V 상태(부피 선(volume line))을 분리하고, 디스클리네이션 선이 표면에 충분히 근접하는 것을 억제한다. 상기 장벽 때문에, 전기장이 부존재하는 경우, 부피선 V는 표면 벽으로 변환되지 않고 셀의 중간에서 잔존한다.
앵커링이 단절된 후에, 하이브리드 텍스쳐가 형성되었을 때, 때때로 동일한 루프의 상이한 영역에서도 결점선의 두가지 타입의 구조가 존재한다. 따라서, 고도의 이동성을 가지는 부피선은 선 장력(line tesion force) 및 두개의 쌍안정 텍스쳐의 에너지에서의 차이에 기인한 가능한 힘(카이럴 피치가 이의 최적 값으로부터 벗어난다면)의 작용하에서 이동한다. 상기 픽셀은, 표면 선에 의하여 완전히 둘러싸인 도메인만이 살아남아 있기 때문에 추진 펄스에 의하여 부과된 것과는 상이한 또 하나의 그레이 스케일을 향하여 장기간 릴렉스할 것이다.
따라서, 장 기간 안정한 그레이 스케일을 얻기 위하여, 이들을 180°재배열 벽안으로 변환함으로써 모든 디스클리네이션 선을 표면으로 "스틱(stick)"하는 것이 필요하다. 본 발명의 발명자들은 상기 변환은 적합한 전압 및 지속기간의 전기적 펄스를 인가함으로써 효과적으로 달성될 수 있다는 것을 발견하였다. 프레드릭 경계(Fredericks threshold) 및 앵커링 단절 경계 사이의 중간인 보통의 전기장하에서, 네마틱의 디렉터는, 두개 표면에 근접한 영역을 제외하고, 장에 평행한 부피내에서 방위한다. 두개의 주요한 쌍안정 텍스쳐는 상이한 방식으로 장내에서 변형된다: 동일한 방향으로 모든 장소에서 T0틸트. 반면, 비틀림 T180에서의 "절반-회전(half-turn)" 텍스쳐는 이의 위상학적 180°회전 제약을 유지하고, 휨(bending)에서 "절반-회전"이 된다. 강한 경사 앵커링과 함께 주요판(20)에 근접하여, 디렉터의 뒤틀림은 균일하다. 종속판(30)상에, 약한 판 앵커링과 함께, 표면 디렉터는 전기적 토크 때문에 약간 경사진다. 그러나, 두개의 텍스쳐는 반대 부호를 가진다(±α). 따라서, 2α표면 재배열 벽은 디스클리네이션에 반대편에 만들어진다. 표면벽 및 부피선 사이에서, 디렉터는 위상학적 제약하에서 전기장에 수직으로 잔존하고, 많은 양의 전기적 에너지는 상기 영역내에 저장된다. 상기 에너지를 최소화하기 위하여, 상기 선은 표면을 향하여 대응하는 전기력에 의하여 밀어내진다(도 7a). 전기력이 에너지 장벽을 초과하기에 충분히 크다면, 상기 디스클리네이션 선은 실질 코어와 함께 표면 벽안으로 변형된다(도 7b).
결점이 스틱하기 위한, 즉, 부피 디스클리네이션 선이 표면 벽안으로 변형되기 위한 경계 전압 Us 는 셀의 두께, 표면 앵커링 힘, 펄스 극성 및 펄스 지속기간 τ에 의존한다(선이 표면을 향하여 전달되는 경우에서 마찰 때문에). Us의 전형적값은 수 볼트(a few volts)이다.
도 8은 앞서 기술된 타입의 본 발명에 따른 셀에 대하여 실험적으로 측정된 Uc(τ)의존성을 보여준다. 이는 비교적 작고 짧은 "스틱킹(sticking)" 신호가 결점선이 안정화되고, 하이브리드 텍스쳐의 무한의 쌍안정성이 얻어지도록 하는 것을 보여준다. 이들 신호들은 단절된 앵커링의 릴렉세이션 후에 스위칭 시그날에 독립적으로 보내질 수 있거나, 또는 추진 시그날의 최종 부분안으로 혼입될 수 있다.
예시적 실시예:
하기의 실시예는 본 발명에 의하여 제안되고, 본 발명자에 의하여 생산되고 연구된 장치의 비한정적 실시예에 대응한다.
1.6 ㎛의 두께를 가지는 액정 셀(10)을 1.1 mm의 두께를 가지는 두개의 유리 기판(20, 30)사이에 장착하였다. 상기 기판(20, 30)을 혼합된 인듐 주석 산화물의 전기적 전도성 투명 층으로 코팅하였다. 주요판(20)을 85°그레이징 각(grazing angle)에서 실리콘 일산화물(silicon monoxide)로 증착하였다. 따라서, 액정(10)의 앵커링은 강하고, 상기 주요판(20)에 대하여 약 30°경사지게 되었다. 종속판(30)은 75°의 경사각에서 증착하였다. 상기 종속판(30)상에 얻어진 앵커링은 약한 평면적 앵커링이었다. 실험실 온도에서 셀의 두께에 걸쳐 90°의 자발적 트위스트를 얻기 위하여, 물질 S811(머크사로부터 구입)로 도우핑된 펜틸시아노비페닐(pentylcyanobiphenyl)(5CB) 액정을 사용하였다. 따라서, 셀의 두가지 상태는 동일한 에너지를 가졌다.
발명자들은, 전통적인 이미지 기록 장치가 장착된 현미경을 사용하여 경계에 근접한 스위칭 펄스가 인가된 후의 도메인의 행동을 관찰하였다.
도 8의 커브는 도메인이 상기 셀내에서 놓여지도록 하는 두개 극성의 "스틱킹" 펄스 값을 준다. 두개 극성 사이에서의 차이는 표면에 의하여 만들어진 국부적 장을 고려할 때 설명된다.
도 9의 커브는 고정된 기간(800 ㎲)의 스위칭 펄스의 크기의 함수로써 두개의 폴라라이저가 구비된 셀의 광학적 전송(optical transmission)를 보여준다. 상기 도 9는 10V 보다 작은 스위칭 펄스 크기에 대한 백색 상태, 10V 및 14 V 사이에서 변하는 스위칭 펄스 크기에 대한 백색에서 흑색으로 점진적으로 변하는 그레이 상태 및 14V 보다 큰 스위칭 전압에 대한 흑색 상태를 보여준다. 그레이 스케일의 무한한 안정성(10V 내지 14 V 사이의 스위칭 펄스 크기를 인가함으로써 초래되는)이 상기 스위칭 펄스후에 5볼트의 스틱킹 전압 및 동일한 지속기간을 인가함으로써 얻어졌다. 더욱 일반적으로, 상기 스위칭 전압은 2V 내지 10V사이이다.
도 10은 상기 셀내에서 만들어진 6개의 상이한 그레이 스케일을 보여준다(도 9에서의 상태 L2 내지 L7).
요약하면, 본 발명은 그레이-스케일 쌍안정 네마틱 디스플레이 장치를 제공한다. 상기 장치는 0°및 180°의 두개의 트위스트된 쌍안정 텍스쳐를 각각 사용함으로써, 이의 일반적 구조에서의 공지의 디스플레이 원칙을 이용한다. 상기 스위칭은 추진 펄스의 작용하에서 앵커링을 단절함에 의하여 얻어진다. 단절 경계에 근접한 신호와 함께, 하이브리드 상태가 각 픽셀에서 얻어지고, 두개의 쌍안정 텍스쳐가 마이크로 도메인내에서 각각 만들어진다. 두 상태에 의하여 점유된 영역(따라서 대응하는 그레이 스케일)의 비율은 추진 전압에 의하여 조절된다. 픽셀의 그레이 상태는 마이크로 도메인 사이의 부피 디스클리네이션 선(표면상에 대한 강한 마찰 때문에 무한히 안정한)의 표면 벽안으로의 조절된 변환에 의하여 어떠한 장기간의 변화없이 유지된다.
물론, 본 발명은 상기한 특정 실시예에 한정되지 않고, 이의 정신과 부합하하는 모든 변형에 확장된다.
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Claims (19)

  1. 액정(10)의 단안정 표면 앵커링(anchoring)상태, 대칭 및 기판(20, 30)에 수직인 전기장에서 앵커링이 단절되도록 하는 앵커링 상태의 적어도 하나의 힘을 보장하는, 전극(22, 32) 및 앵커링 수단(24, 34)이 구비된 두개의 기판(20, 30)사이에 위치한 네마틱 액정 층(10);
    두개의 기판(20, 30)사이의 액정에의 전기장 인가 수단(40) 및 장에 평행한 표면 디렉터의 일시적 통과(passage) 및 180°트위스트로 서로 상이하고, 모두 단안정 앵커링 상태와 양립할 수 있는 두개의 쌍안정 또는 준안정 텍스쳐중 하나 또는 다른 것을 향하여 장이 단절되어진 후의 릴렉세이션(relaxation)과 함께, 표면중 적어도 하나에의 앵커링 단절을 위한 수단(40)을 포함하고;
    상기 쌍안정 텍스쳐가 동일한 픽셀(pixel)내에서 조절되는 비율로 공존하고, 상기 텍스쳐는 부피에서 180°디스클리네이션 선(disclination line) 또는 표면 중 하나위에 180°방향전환 벽(reorientation wall)에 의해 분리되는 하이브리드 텍스쳐(hybrid texture)를 앵커링이 단절된 후에 만들기 위한 조절 수단(40); 및
    부피 선(volume line)의 표면 벽(suface wall)안으로의 변형 및 표면상에의 상기 벽의 고정화에 의한 상기 하이브리드 텍스쳐의 장기 안정화 수단을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 네마틱 쌍안정 디스플레이 장치
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 액정(10)은 카이럴(chiral)이 되고,콜레스테릭(cholesteric)에 대응하기 위하여 도우핑되는 것을 특징으로 하는 네마틱 쌍안정 디스플레이 장치
  3. 제 1 항 및 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서, 액정에 전기장을 인가하도록 디자인된 수단(40)은 표면중 적어도 하나에의 액정의 앵커링의 단절을 위하여 경계에 근접한 전기장을 인가하기에 적합한 것을 특징으로 하는 네마틱 쌍안정 디스플레이 장치
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조절 수단(40)은 이의 표면이 주기적으로 또는 무작위적으로 주름진 적어도 하나의 정렬 층(alignment layer)을 포함하는 것을 특징으로 하는 네마틱 쌍안정 디스플레이 장치
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조절 수단(40)은 표면 중 적어도 하나에 대한 앵커링 힘의 분산을 한정할 수 있는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 네마틱 쌍안정 디스플레이 장치
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 조절 수단(40)은 비균일한(non-uniform) 정렬 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 네마틱 쌍안정 디스플레이 장치
  7. 제 5 항 및 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조절 수단(40)은 균일한전기 추진 장(electric drive field)을 인가하기에 적합한 것을 특징으로 하는 네마틱 쌍안정 디스플레이 장치
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조절 수단은 약간 비균일한 전기장을 픽셀에 인가할 수 있는 수단(40)을 포함하는 것을 특징으로 하는 네마틱 쌍안정 디스플레이 장치
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 조절 수단(40)은 저항(resistance) 또는 표면 끝(surface finish)이 균일 하지 않은 전극(22, 32)을 포함하는 것을 특징으로 하는 네마틱 쌍안정 디스플레이 장치
  10. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조절 수단은, 추진 펄스(drive pulse)동안에, 유체역학적(hydrodynamic), 또는 플렉소전기 기원적(flexoelectric origin), 또는 표면의 고유 극성에 기인한 일시적 텍스쳐 불안정성을 일으킬 수 있는 수단(40)을 포함하는 것을 특징으로 하는 네마틱 쌍안정 디스플레이 장치
  11. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조절 수단은, 추진 펄스 동안, 액정의 일시적 전단응력 흐름(shear flow)을 일으킬 수 있는 수단(40)을 포함하는 것을 특징으로 하는 네마틱 쌍안정 디스플레이 장치
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안정화 수단(40)은 전기적 펄스를 액정에 인가할 수 있는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 네마틱 쌍안정 디스플레이 장치
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 안정화 수단(40)은 프레드릭 경계(Fredericks threshold) 및 앵커링 단절 경계(anchoring breaking threshold) 사이 크기의 전기적 펄스를 액정에 인가할 수 있는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 네마틱 쌍안정 디스플레이 장치
  14. 제 12 항 및 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안정화 수단(40)은 수 볼트(a few volts) 크기의 전기적 펄스를 액정에 인가할 수 있는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 네마틱 쌍안정 디스플레이 장치
  15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안정화 수단(40)은 2V 내지 10V, 바람직하게는 약 5V 크기의 전기적 펄스를 액정에 인가할 수 있는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 네마틱 쌍안정 디스플레이 장치
  16. 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안정화 수단(40)은 단절된 앵커링의 릴렉세이션(relaxation)후에 앵커링이 단절되는 것을 보장하는 스위칭 신호에 독립적으로 액정에 전기적 펄스를 인가할 수 있는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 네마틱 쌍안정 디스플레이 장치
  17. 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안정화 수단(40)은 앵커링이 단절되는 것을 보장하는 추진 신호의 최종 부분으로 혼입되는 전기적 펄스를 액정에 인가할 수 있는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 네마틱 쌍안정 디스플레이 장치
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 전기장을 액정에 인가하도록 디자인된 상기 수단(40)은, 장의 크기를 얻어진 그레이 스케일(grey scale)조절에 사용하고, 표면의 적어도 하나에 앵커링하는 액정의 단절을 위한 경계에 근접한 가변 전기장을 인가하는데 적합한 것을 특징으로 하는 네마틱 쌍안정 디스플레이 장치
  19. 액정(10)의 단안정 표면 앵커링 상태, 대칭 및 기판에 수직인 전기장에서 앵커링이 단절되도록 하는 적어도 하나의 앵커링 상태의 힘을 보장하는, 전극(22, 32) 및 앵커링 수단(24, 34)이 구비된 두개의 기판(20, 30)사이에 위치한 네마틱 액정 층(10);
    두개의 기판(20, 30)사이의 액정에 전기장을 인가하는 수단(40) 및 장에 평행한 표면 디렉터의 일시적 통과 및 180°트위스트로 서로 상이하고, 모두 단안정앵커링 상태와 양립할 수 있는 두개의 쌍안정 또는 준안정 텍스쳐 중 하나 또는 다른 것을 향하여 장이 단절되어진 후의 릴렉세이션과 함께, 표면중 적어도 하나에의 앵커링 단절을 위한 수단(40)을 포함하는 네마틱 쌍안정 디스플레이 장치를 사용하고,
    상기 쌍안정 텍스쳐가 동일한 픽셀내에서 조절되는 비율로 공존하고, 상기 텍스쳐는 부피에서 180°디스클리네이션 선 또는 표면 중 하나위에 180°방향 전환 벽에 의해 분리되는, 하이브리드 텍스쳐를 앵커링이 단절된 후에 만드는 단계; 및
    부피 선의 표면 벽안으로의 변형 및 표면상에의 상기 벽의 고정화에 의하여 상기 하이브리드 텍스쳐를 장기적으로 안정화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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