KR20040080924A

KR20040080924A - 액정 셀용 물질

Info

Publication number: KR20040080924A
Application number: KR10-2003-7012093A
Authority: KR
Inventors: 유리이 레즈니코브; 아나토리이 그루쉔코; 빅토르 레쉬트-니아크; 존 웨스트
Original assignee: 켄트 스테이트 유니버시티
Priority date: 2002-01-10
Filing date: 2003-01-10
Publication date: 2004-09-20
Also published as: ATE387483T1; AU2003235596A1; US20040156008A1; DE60319338T2; DE60319338D1; JP2005515495A; EP1463787A2; EP1463787B1; WO2003060598A3; WO2003060598A2; AU2003235596A8; EP1463787A4; US7903228B2

Abstract

액정 디바이스는 액정 물질에 현탁되는 강유전성 입자들을 포함한다. 광-모듈레이팅 디바이스를 제조하는 방법이 또한 개시되어 있다. 상기 방법은, 전극들이 기판의 페이싱 면에 배치된 기판들 사이에 셀 갭을 갖는 한쌍의 기판을 제공하는 단계와, 강유전성 입자의 현탁물을 액정 물질로 상기 셀 갭에 영구적으로 배치하는 단계를 포함한다. 이미지를 발생시키는 방법은 기판 사이에 셀 갭을 갖는 한쌍의 기판을 제공하는 단계, 셀 갭에 인접한 각 기판에 투명 전극을 제공하는 단계, 셀 갭내에 강유전성 입자의 현탁물을 액정 물질로 영구적으로 배치하는 단계, 및 전극간에 전계를 인가하는 단계를 포함한다.

Description

액정 셀용 물질{A MATERIAL FOR LIQUID CRYSTAL CELL}

액정(LC)들은 이방성 물질들을 포함한다. 장분자축의 평균 방향은 디렉터(director, d)라 명명된다. 외부 전계의 인가로 인하여 야기되는 디렉터의 재방향설정(reorientation)이 대부분의 LC 디바이스들의 작동의 기본이다. LC 디바이스들의 기본 유니트는 LC 셀이며, 이는 그 사이에 LC 물질이 개재되는 2개의 기판으로 이루어진다.

LC 물질 대 인가되는 전계의 감응도는 유전 이방성(dielectric anisotropy)()과 자발 분극(spontaneous polarization)(P)에 의해 결정된다. P는 몇몇 키랄 시멕틱(chiral smectic) LC 상(phase)에 대해서만 넌제로(nonzero)값을 갖는다.와 P가 높으면 높을 수록, 작동 전압이 더 낮아지며 LC 디바이스의 전기-광학 응답이 더 빨라지므로, LC 셀의 명암 상태간의 스위칭 시간이 더 빨라진다.

네마틱(nematic) LC들은 가장 일반적으로 사용되는 LC 물질들이다. 그것들의 전기-광학 응답은 통상적으로 전계의 스퀘어(square)에 관련있다.와 P를 증가시키기 위해서, 다수-성분의 LC 혼합물들이 개발되어왔으며 특정 분자 도펀트들이 합성되어왔다. 이러한 접근법은 극히 노동집약적이며 매우 비용이 많이 든다.

강유전성 입자들은 전계에 의해 가역되는 자발적 전기 분극을 갖는 입자들이다. 등방성 액체 대 인가되는 전계의 감응도는 초미세(1마이크로미터(㎛) 이하) 강유전성 입자들이 도핑되어 증가될 수 있음이 공지되어 있다. 예를 들면, 바흐만(Bachmann)과 붸르네르(Barner)는 계면활성제의 존재하에서 미세하게 밀링되었던 강유전성 BaTiO₃입자들이 헵탄에서 안정한 현탁물을 형성함을 보여주었다("Stable Suspensions of Ferroelectric BaTiO₃-Particles", Solid State Communication, 68(9), 865-869(1998)). 상기 입자들은 약 10㎚의 평균 반경을 갖는다. 순수한 헵탄 매트릭스에서 달성하기 불가능한, 현탁물의 복굴절은 전계의 인가에 의해 제어되었었다.

뮬러(Muller)와 붸르네르(Barner)는, 소형 입자들만이 영구적인 쌍극자 모멘트를 유지하기 때문에, 영구적인 쌍극자 모멘트를 유지하기 위해서 약 20㎚의 반경이 BaTiO₃에 대한 차단 사이즈 분포임을 제안하였다("Polydisperse Suspensions of BaTiO₃-Particles", Ferroelectrics, 108, 83-88(1990)). 더 최근에는, 슈리안(Schurian)과 붸르네르(Barner)는 탄화수소 캐리어로 나노미터 사이즈 입자 LiNbO₃와 PbTiO₃의 안정한 강유전성 현탁물들을 생산하였다. 이러한 현탁물들은 BaTiO₃현탁물의 복굴절에 유사한 복굴절을 나타내었다. 약 10-15나노미터(㎚)의 평균 반경을 갖는 강유전성 입자들은 약 2000 Debye(De)의 영구적인 쌍극자 모멘트를 지니는 것으로 결정되었다. 나노미터 사이즈 강유전성 입자들의 현탁물들은 슈리안에 의하여 입자들의 화학적 침전과 대체 안정제의 사용을 포함하는 방법에 의해 또한 안출되었다(Journal of Electrostatics, 40&41, 205-210(1997)).

그러나, 이러한 연구의 어떠한 것도 액정 또는 기타 이방성 물질의 현탁물에서 강유전성 입자들의 행동을 고찰하지 못하였다.

발명의 개요

따라서, 본 발명의 일 양태는 액정 물질로 강유전성 입자들의 현탁물을 이용하여 빠른 응답 시간과 저전압 요건을 갖는 액정 셀을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 양태는 액정 물질로 강유전성 입자들의 현탁물을 포함하는 액정 셀을 만드는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 액정(LC) 물질에 현탁되는 강유전성 입자들로 이루어지는 액정 디바이스와 이러한 현탁물을 이용하여 광-모듈레이팅 디바이스를 제조하는 방법을 제공한다.

전술한 양태들중 적어도 1개 이상은, 액정 디스플레이(LCD)와 관련된 공지된 기술에 함께 이로운것으로서, 하기 설명으로부터 명백해질 것이며, 본문 뒤에 기술 및 청구된 것처럼 발명에 의해 달성된다.

일반적으로, 본 발명은 액정 물질에 현탁되는 강유전성 입자들을 포함하는 액정 디바이스를 제공한다. 액정 디바이스는 부가적으로 강유전성 입자들과 액정 물질의 현탁물에 배치되는 폴리머를 포함할 수 있다. 본 발명은 전기-광학 디바이스로서 또는 정보 표시 디바이스로서 유용하다. 상기 디바이스는, 기판들사이에 배치되는 액정 물질에 현탁되는 강유전성 입자들을 지니며, 각 기판이 다른 기판쪽을향하는 전극을 갖는, 한쌍의 대향하는 기판들을 또한 포함할 수 있다. 상기 디바이스는 전극들의 어느 일측 또는 양측에 배치되는 정렬 물질(alignment material)을 선택적으로 포함할 수 있다.

본 발명은 또한 광-모듈레이팅 디바이스를 제조하기 위한 방법을 제공한다. 상기 방법은 기판 사이에 셀 갭을 갖는 한쌍의 기판들과 그 기판들의 적어도 하나의 페이싱 면에 배치되는 전극을 제공하는 단계와, 강유전성 입자들의 현탁물을 액정 물질로 셀 갭에 영구적으로 배치하는 단계를 포함한다.

본 발명은 또한 이미지를 생성시키는 방법을 제공한다, 상기 방법은 기판 사이에 셀 갭을 지니는 한쌍의 기판들을 제공하는 단계, 투명 전극을 상기 셀 갭에 인접한 기판들의 적어도 하나에 제공하는 단계, 강유전성 입자들의 현탁물을 액정 물질로 셀 갭내에 영구적으로 배치하는 단계, 및 상기 전극간에 전계를 인가하는 단계를 포함한다.

도 1은 인가되는 ac-전압에 대해 강유전성 입자/LC K15 현탁물(원형)과 순수한 LC(사각형)으로 충전된 트위스트 셀의 전송 의존도를 나타내는 그래프이다;

도 2는 강유전성 입자/LC K15 현탁물과 순수한 LC K15로 충전된 트위스트 셀의 타임-오프 특성을 나타내는 그래프이다;

도 3은 강유전성 입자/LC K15와 순수한 LC K15로 충전된 트위스트 셀의 타임-온 특성을 나타내는 그래프이다; 그리고

도 4는 인가되는 ac-전압에 대해 강유전성 입자/LC 4801 현탁물과 순수한 LC4801로 충전된 트위스트 셀의 전송 의존도를 나타내는 그래프이다.

도 5A는 강유전성 입자 LC 현탁물과 순수한 LC의 인가된 전계에 대해 유효 유전상수()의 의존도를 나타내는 그래프이다.

도 5B는 도 5A의 유효 유전상수보다도 더 협소한 범위내에서 강유전성 입자 LC 현탁물과 순수한 LC의 인가된 전계에 대해 유효 유전상수()의 의존도를 나타내는 그래프이다.

도 6은 본 발명의 현탁물으로 충전된 셀과 순수한 액정으로 충전된 셀에 대해 온도의 함수에 따른 임계 전압을 비교한 그래프이다.

도 7A는 전계의 부재시 본 발명에 따른 액정속의 강유전성 입자 현탁물의 개략도이다.

도 7B는 직류 전계의 존재시 본 발명에 따른 액정속의 강유전성 입자 현탁물의 개략도이다.

도 8A는 본 발명의 일실시예에 따른 셀의 개략도로, ac-전계가 셀의 평면에 인가되며 dc-전계가 셀의 평면에 수직으로 인가된다.

도 8B는 분극 dc-전계의 상이한 값들에 대해 인가되는 ac-전압의 함수에 따라 현탁물과 순수한 LC의 전기-광학 응답의 선형 요소의 의존도를 나타내는 그래프이다.

본 발명은 액정(LC) 물질에 현탁되는 페로-입자들을 포함하는 액정 디바이스에 관한 것이다. 액정 디바이스는 정보 표시, 전기-광학 디바이스, 원격 통신 시스템 및 광학 프로세싱용으로 사용될 수 있다. 현탁물을 안정화시키기 위해서, 폴리머 네트워크(polymer network)가 현탁물에 포함될 수 있다. 강유전성 LC 현탁물들은 종래의 물질 및 디바이스에 비하여 향상된 전기-광학 특성을 갖는다.

본 설명과 첨부된 청구범위에서, 단수 형태("a", "an" 및 "the")들은 문맥에서 이와달리 명확히 지시하지 않는다면 복수를 포함한다. 또한, 달리 정의되지 않다면, 본문에 사용된 모든 기술 및 과학 용어들은 본 발명이 관련있는 당 기술의 당업자에게 일반적으로 이해되는 동일한 의미를 갖는다.

본 발명에서, 초미세 강유전성 입자들은 LC 물질에 부가되어 전기-광학 특성을 개선 및 제어한다. 최선적으로, 강유전성 입자들은 육안의 한계보다도 더 작으므로, LCD의 외관을 훼손시키지 않고 전계에 대한 증가된 속도와 감응도를 제공한다. 상기 입자는 또한 LC의 배향을 방해하지 않고 LC 매트릭스로 채용하기에 충분이 작아야 한다. 일반적으로, 입자들은 평균하여 1㎛보다도 작으며, 바람직하게는 0.5㎛ 이하이다. 한가지 특정 예에서, 입자들은 약 200㎚ 이하의 평균 직경을 갖는다. 다른 예에서, 입자들은 약 20㎚ 이하의 평균 직경을 갖는다. 또 다른 예에서, 입자들은 약 10㎚의 평균 직경을 갖는다.

강유전성 입자들은 특별한 고 유전 이방성,를 가지며 강유전성 물질의 자발 분극이 사라지는 온도인, 퀴리 온도(T_Curie) 이하 온도에서 자발 분극, P를 가진다. 퀴리 온도는 강유전성 물질과 함께 변동될 것이다. 예를 들어, BaTiO₃에대한 T_Curie는 약 108℃이지만, Sn₂P₂S₆에 대해서는, T_Curie 66℃이다.

이방성 특성 때문에, 페로-입자들(ferro-particles)은 이방성 LC 매트릭스에 지향적으로 정렬된다. 어떤 특정 이론에 대한 특허성을 조건으로 원하지 않을 지라도, 입자 표면과 LC의 디렉터 사이의 상호작용이 인가된 전계에 대한 현탁물의 집중 반응을 초래함이 믿어진다. 현탁물의 유전 이방성의 유효치는 + Cㆍ ^ferro로서 대략 평가될 수 있고, 여기에서 C는 LC 매트릭스에 대한 철입자들의 체적율이다. 값 ^ferro가 10³-10⁴차수일 수 있고 값 는 10 차수이기 때문에, C=10^-1- 10^-2에 대해서는 약 100까지값을 생성할 수 있다. 그래서, 첨가된 입자들은 LC 디바이스들의 동작 전압을 감소시키고 LC 현탁물의 스위칭 속도를 증가시킨다.

전계의 인가는 철-입자들의 쌍극자 배열 때문에, 네마틱 상태의 철입자들의 현탁물을 정렬할 수 있다. 이런 경우에, ^suspE²에 비례하는 유전성 이차 응답에 더하여, PㆍE에 비례하는 선형 전기 응답이 나타난다. 그것은 신속한 응답 및 현탁물의 낮은 구동 전압을 초래한다.

LC내의 강유전성 입자들의 현탁물을 생성시키는 기본 절차는 이하 단계들을 포함할 수 있다:

1. 강유전성 물질의 밀링. 강유전성 분말 입자들은 느린 증발 액체 캐리어(예를 들어, 헵탄, 등유 등) 및 계면활성제와 혼합된다. 혼합물은 계면활성 분자들로 덮힌 초미세 크기의 입자들이 얻어질 때 까지 밀링된다.

2. 액체 캐리어내 현탁물의 단편화(fractionalation). 혼합물들을 밀링한 이후, 가장 큰 입자들이 침전을 통해 제거되었다. 결과로 생성된 현탁물의 균질성 단편은 다른 크기의 입자들이 중력에 의해 분리되는 열 형태로 분리된다.

3. 액정내 현탁물의 생성. 액체 캐리어내 현탁물은 액정과 혼합되며(캐리어와 혼합될 수 있는 임의 종의 열가소성 LC일 수 있다), 뒤이어 캐리어의 증발이 발생한다.

4. 현탁물의 추가적인 안정화. 폴리머 망을 포함하는 것은 결과적으로 발생되는 현탁물을 추가적으로 안정시킬 수 있다. 예를 들어, 광중합가능한(photopolymerizable) 물질이 현탁물에 부가되고 현탁물로 충진된 LC 셀이 UV 광으로 조사된다. 다른 실시예로서, 중합화가능한 물질이 현탁물에 부가되고 냉각을 통해서와 같이, 중합가능한 물질의 상분리가 유도되어 중합가능한 물질의 차후 또는 동시 중합이 일어난다.

공정이 상세항목에 있어서 변동될 수 있다. 예를 들어, 철입자들의 입자들이 액체 캐리어 없이 계면활성제와 혼합될 수 있고, LC 매트릭스 그 자체는 액체 캐리어로서 작용할 수 있다.

임의 형태의 LC 물질이 본 발명의 현탁물에 사용될 수 있다. 비록 실시예들이 네마틱 액정 물질을 사용하여 제공될지라도, 본 발명은 이에 대해 한정되지 않는다. LC는 다른 것들 중에서 네마틱, 키랄 네마틱, 및 스메틱 액정 물질들을 포함하는 다른 형태의 액정 물질로부터 선택될 수 있다.

상기한 바와 같이, 강유전성 입자들은 전계에 의해 역전될 수 있는 자발적인 전기 분극을 가지는 입자들이다. 이런 특성을 가지는 임의의 입자는 본 발명에 사용될 수 있다. 적절한 강유전성 입자들은 LiNbO₃, PbTiO₃, BaTiO₃, 및 Sn₂P₂S₆의 입자들을 포함한다. 다른 입자들은 또한 이들이 자발적인 전기 분극을 나타내는 것으로 가정하고 사용될 수 있다.

강유전성 입자들은 강유전성 입자들이 입자들의 큰 집합없이 현탁되도록 하는 량의 현탁물에 제공될 수 있다. 이것은 최소한 부분적으로 집합을 방지하기 위해 사용된 다른 물질 또는 계면 활성제에 의존할 것이다. 일 실시예로서, 강유전성 입자들이 약 1퍼센트 중량 또는 액정 물질과 비교해 적은 백분율로 현탁된다. 다른 실시예에서, 강유전성 입자들은 약 0.5퍼센트 중량 또는 액정 물질과 비교해 적은 백분율로 액정 물질에 현탁된다.

액정 물질내 강유전성 입자들의 현탁물은 추가적으로 중합가능한 물질을 포함할 수 있다. 중합가능한 물질은 셀내에서 중합될 수 있다. 중합가능한 물질은 존재될 때, 본 발명의 방법은 추가적으로 중합가능한 물질의 중합화를 유도하는 단계를 포함한다. 방법은 혼합물을 냉각시킴으로써 폴리머 및 액정 물질의 상분리 단계를 추가적으로 포함할 수 있다.

본 발명에 따라 액정 셀을 생성할 시, 강유전성 입자/LC 현탁물은 한쌍의 면 기판들 사이에, 투명한 것 중 적어도 하나가 배치될 수 있다. 셀은 또한 셀 내에전계를 생성하도록 각각의 기판들의 면한는 표면상에 배치된 전극을 포함할 수 있다. 전극들은 또한 인듐 또는 인듐 주석산화물(ITO)로 제조된 것들 같이, 투명할 수 있다. 전극들은 기판의 표면상에서 연속될 수 있거나, 또는 이들이 서로 맞물릴 수 있다. 기판들은 기판의 면 표면상에 정렬층을 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 유효성을 설명하기 위해, 액정 물질내 여러 강유전성 입자 현탁물들이 이하와 같이 제조되었다. 이하 실시예들은 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 보여지지 않아야 한다. 청구항들은 발명들을 한정하도록 작용할 것이다.

1㎛의 특성 입자 크기를 가지며 ε2300인, 도네스틱의 물리-화학 연구소(우크라이나의 과학 국립대)의 강유전성 분말 CTBS-3가 1:2:10의 중량비로 헵탄내 계면활성제(알드리치)로서 올레산 용액과 혼합되었다. 혼합물은 22kH 주파수(ν) 및 2분간 400W의 전력(P)로 초음파 디스퍼게이터(dispergator)(UZDH-2T)내에 분산되었고, 이후 진동 밀(Fritsch Pulaerisette)에서 100시간동안 밀링하였다.

결과 생성된 현탁물은 유리 컬럼속으로 부어지고 크기당 1일동안 분리되었다. 약 0.5㎛ 이하의 입자들을 포함하는 현탁물의 무리는 제거되었고 1:100의 중량비로, LC, 4-4'-펜틸시아노바이페닐(EM 인터스트리스로부터 K15로 입수가능함)과 혼합되었다. 혼합물은 5분동안 초음파 디스퍼게이터에서 분산되고 선진공(forevacuum) 펌프와 헵탄의 증발이 이어진다. 결과 생성된 현탁물은 LC 매트릭스에 약 0.5 중량 퍼센트 철입자들을 포함했다.

결과 생성된 현탁물은 LC 트위스트 셀에서 시험되었다. LC 트위스트 셀은 두 개의 유리 기판들 및 그 기판들 사이에 배치된 현탁물로 구성되었다. 기판들의 면표면들은 인듐 주석 산화물(ITO) 투명 전극으로 덮였다. 전극들은 니산으로부터의 NISSAN7792으로 구성된 마찰(rubbed) 정렬층들로 덮였다. 현탁물의 방울(droplet)이 기판들 중 하나상에 놓였고 제2기판은 제1기판상에 위치되었다. 기판들은 강성의 20㎛ 스페이서들에 의해 분리되었고 폴리이미드 층들의 마찰 방향들이 서로 수직하도록 지향되었다. 트위스트 셀은 이후 에폭시 접착제로 밀봉되었다.

트위스트 셀의 전기광학 특성들은 기술분야에서 표준 방법들로 측정되었다(예를 들어, Blinov 및 Chigrinov.Electrooptic Effects in Liquid Crystal Materials, Springer-Verlag, NY, 1994). 이런 방법들은 켄트 스테이트 유니버스티, 액정 연구소의 필 보스(Phil Bos) 박사의 연구그룹에서 개발된 전기광학 측정(EOM;Electro-Optic Measurements) 소프트웨어 패키지에 통합되었다. 셀은 교차된 편광기들 사이에 놓였고, 정렬 층들의 마찰 방향들은 편광 축(정상적으로는 블랙 모드)들에 대해 수평 또는 수직하다. 전계(주파수, ν=1kH)가 셀의 ITO 전극들에 인가되었고 인가된 전압 V상의 시스템 투명도의 의존도 T가 측정되었다. 추가로, 전계의 갑작스런 스위칭 온 및 스위칭 오프 이후에 전송 변화가 측정되었다.

강유전성 입자/LC 현탁물과, 순수한 LC로 충전된 동일 셀을 위해 획득된 최종 생성물은, 도 1 내지 도 3에 제시되어 있다. 도 1 내지 도 3은 구동 전압을 낮추고 LC 셀의 응답 시간을 저감하는 페로(ferro)-입자를 사용하여 상기 LC를 도핑하는 것을 나타내고 있다. 도 1은 2.9 볼트에서 2.2 볼트로 낮아지는 다크(dark) 상태로 정의된 감쇠(decay) 시간으로부터 최대 투과도(Tmax)의 10%를 달성하는 데필요한 전압으로 정의된, 프리데릭(Friedericksz) 전이(V_F)의 스레숄드를 나타내고 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, Tmax 로부터 Tmax의 10%로 릴렉스하는 데 필요한 시간으로 정의된 감쇠 시간은 140 ms에서 40 ms로 저감된다. 도 3은 상승(rise) 시간, 즉 다크 상태로부터 Tmax의 90%를 달성하는 데 필요한 시간이 9.5 ms에서 5.5 ms로 저감됨을 나타내고 있다.

강유전성 파우더( 1 ㎛, ε= 400 의 특정 입자크기)는 올레산의 계면활성제(Aldrich)와 1:2의 중량비로 혼합된다. 이 혼합물은, 진동 밀(Fritsch Pulaerisete)에서 118 시간동안의 제분 가공이 이어지는, 2분간 초음파 산포기(dispergator, UZDH-2T) (v = 22kH, P = 400W) 내에서 분산된다.

올레산으로 처리된 강유전성 입자의 결과적 파우더는, 1:100의 중량비로 머크(Merck)로부터 가용한, LC 재료 ZLI 4801-000 와 혼합된다. 이러한 혼합물은 초음파 산포기(주파수 v = 22kH, 동력 P = 400 W)에서 5분간 분산된다. 상기 결과적 현탁물은 LC 매트릭스에서의 페로-입자의 1 중량%를 함유하고 있다. 상기 현탁물은 상술한 바와 같이 제공된 LC 트위스트 셀에서 테스트되었다.

인가 전압(V)에서의 시스템의 투명도의 의존도(dependence)는 도 4에 제공되어 있다. 순수 ZLI 4801로 충전된 동일 셀에 대해 획득된 특성은 도 4에 제공되어 있다. LC K15의 경우에서와 같이, 페로-입자를 지닌 LC의 도핑은 구동 전압을 낮추고 상기 LC 셀의 응답 시간을 저감한다. 상기 프리데릭(Freederiks) 전이의 스레숄드,는 2.6V에서 2V로 낮아진다.

다른 예로서, 우리는 보다 큰 입자(대략 1 mm 크기)를 제분함에 따라 소형(~10 nm)의 강유전성입자를 획득한다. 이 보다 큰 강유전성 입자는, 120 시간동안 진동 밀에서 초음파에 의해 개별로 분산 및 연마된, 1:2:10 의 중량비로 각각 헵탄(heptane)에서 올레산(계면활성제)의 용매와 혼합된다. 이 결과적 강유전성 입자 현탁물은 상기 LC와 혼합된다. 이때, 상기 헵탄은 증발되고 상기 혼합물은 5분동안 초음파적으로 분산된다. 상기 구성요소의 상대 농도는 페로-입자의 대략 0.3 용적%로서의 최종 현탁물을 제공하도록 조절된다.

평탄 셀들은 LC 현탁물이나 청산 온도(Tc) 보다 더 높은 온도(T)에서의 순수 LC로 충전된다. 상기 청산 온도는 액정 재료가 등방성 액상 상태로 진입되어 투명하게 되는 온도를 말한다. 상기 셀들은 병렬 정렬을 위해 조립된 마찰성(rubbed) 폴리이미드 층을 갖는 2개의 ITO 코팅 글래스 기판으로 구성된다. 눈금이 기재된 로드-상의 5 ㎛ 폴리머 스페이서는 셀간 거리를 통제한다.

강유전성 입자/LC 현탁물을 갖는 셀들은 순수 LC를 갖는 셀들과 같은 동일한 정렬 특성을 갖는다. 실험적 오류 이내에서, 상기 사전경사각도의 측정치가 양 셀들(3.5±0.5℃)에 대하여 동일하다. 또한, 상기 현탁물의 청산 온도점, Tc와 LCs는, 순수 LC()를 위한 Tc와 본질적으로 동일한 92.3℃인 반면에, 상기 강유전성 입자/LC 현탁물(Tc,susp)의 Tc는 92.6℃이다.

상기 현탁물의 유전성 이방성의 증가는, 상기 순수 LC ZLI-4801과 상기 동일한 LC를 갖는 강유전성 입자 현탁물으로 충전된 평탄성 셀의 전기-광학적 응답을 비교하는 것에 의해 확인되었다. 상기 인가된 전계에서의 상기 LC의 유효 유전 상수의 의존성은 도 5A 및 도 5B에 나타나 있다. 도 5A는 3 V/㎛에 달하는 인가 전계 범위에 대한 강유전성 입자 LC 현탁물과 순수 LC의를 나타낸 그래프이다. 도 5B는 대략 0.5 V/㎛에 달하는를 나타내고 있다. 도 5A 및 도 5B는 상기 현탁물를 위한 프리데릭 전이의 스레숄드 전압이 상기 순수 LC(), 1.87V의 대략 절반인, 0.91V임을 나타낸 도면이다.

는 대부분의 네마틱 액정 혼합물의 청산 온도, Tc 이하인, 낮은 퀴리온도(≒ 66℃)를 갖는다. 예를 들면, 상기 네마틱 LC 혼합물 ZLI-4801(Merck)의 Tc는 93℃이다.

상기 LC 재료 상에서의 강유전성 입자의 영향은, 온도와 함께 전기-광학적 응답에서의 변동에 의해 명확하게 밝혀진다. 상기 순수 LC 스레숄드 전압은,·(T)의 약한 온도 의존성을 인해 온도와 함께 점차로 감소한다.

그러나, 상기 강유전체/LC 현탁물의 일정한 유전적 특성은, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 현탁물을 위한 스레숄드 전압이 급격히 변화하는 상기의 퀴리온도로 명백하게 된다. 이것은 이러한 온도에서 유전적 이방성의 중대한 행동의 결과임은 물론이다. 도 6으로부터 결정된 퀴리온도의 실험치는, 벌크성결정을 위해 판정되는 바와 정확히 동일한, 대략 66℃이다.

본 발명의 동작의 임의의 특정 이론에 대한 특허성을 조절하고 싶지는 않으며, 동작에 대한 하나의 이론은 도 7A 및 도 7B에 나타나 있다. 상기 LC/입자현탁물에서의 영구적 다이폴(dipoles)은 헤드에서 꼬리까지 랜덤하게 정렬되는 형태라고 믿어진다(도 7A 참조). 따라서, 상기 입자의 강유전성 특성을 실현하기 위해, 우리는 상기 전계를 따르는 특정 다이폴을 대칭 및 정렬하는 것을 파괴하기에 충분히 큰 dc-전계를 인가하였다. 상기 dc-계에 직교하여 인가된 낮은 주파수(ac-계)는 상기 인가된 전계의 사인에 좌우하여 특정 우측 또는 좌측으로 회전한다. 상기 현탁물의 전기-광학적 응답의 결과적 리니어 구성요소는 상기 분극, dc-와 편향 ac-계에 비례하게 될 것이다.

전기 벡터에 대하여 네마틱 LC의 드문 선형 응답을 설명하기 위해, 우리는 연속적인 ITO의 도전성 표면을 갖는 하나의 기판과 인-플레인 필드의 적용을 허용하는 라인들 사이의 거리 1 밀리미터(mm)를 갖는 서로맞물린(interdigitated) ITO 전극으로 이루어진 액정 셀의 전기-광학적 응답을 연구하였다. 양 기판(substrates)은 4-4'-펜틸시아노비페닐(5CB)의 귀향성(homeotropic) 정렬을 위해 동일하게 처리된다. ac-전계 E_ac(1 밀리미터 거리 당 0-100 V, 1kHz)는 상기 셀의 평면에 인가되고, 상기 dc-전계 E_dc(10 um의 거리 당 0-30V)는 상기 셀(상기 현탁물의 방향을 따르는)의 평면에 직교하여 인가되었다. 상기 ac-전계의 전압은 상기 프리데릭 전이의 전압 이하로 되었다. 이러한 셀의 모식적인 재연은 도 8A에 나타나 있다. 상기 ac-전계는 상기 셀의 평면에 인가되고, 상기 dc-전계는 상기 셀(상기 현탁물의 방향을 따르는)의 평면에 직교하여 인가된다.

헬륨-네온(He-Ne) 레이저로부터의 광은 편광자, 셀, 교차 어넬라이저를관통하고, 다음에 포토다이오드 탐지기 내로 진입한다. 상기 빔은 상기 셀 내의 1 mm의 상호-전극간의 갭을 통과하는 데 충분히 협소하다. 상기 셀은 상기 빔에 대하여 45°경사지고, 상기 상호맞물림 전극은 상기 빔 편광 방향으로 45°경사져 있다. 전체 광도(I)에 비례하여 출력하는 상기 탐지기는, 상기 ac 구동 전압 Uac(W)을 기준으로 하는 록-인 증폭기 내로 반송된다. 이러한 실험의 핵심은 상기 ac 전계의 반대 사인에 기인하는 상기 현탁물의 우측 또는 좌측 회전을 위해 다른 광학적 지체(retardation)를 제공하는, 상기 빔에 대한 상기 셀의 45°경사각에 있다.

상기 현탁물과 상기 편광(dc-전계)의 차이값을 위해 인가된 ac-전압(n = 200 Hz)으로서의 기능을 수행하는 순수 LC의 전기-광학적 응답의 선형 구성요소의 의존성은, 도 8B에 나타나 있다. 상기 순수 LC는 상기 광도(magnitude)에만 응답하고, 전체 dc 전계를 위한 전계(field)의 사인(sign)에는 응답하지 않음에 따라 이러한 장치에서는 무응답을 나타내고 있다. 이것은 어떠한 dc-전계도 인가되지 않으면, 상기 현탁물의 선형 응답이 없다는 것이다. 상기 dc-전계의 적용은, 상기 dc-전계 및 ac-전계의 광도 양자에 비례적으로 증가하는 전기-광학적 응답의 사인-감응성 구성요소의 제공에 기인하는 것이다. 상기 dc-전계의 스위칭 오프는 상기 선형 응답의 급속한 소실에 기인하고, 또 열적 변동에 의한 강유전성 입자의 무질서에 기인하는 것임은 물론이다. 이러한 방식에서, 본 발명은 상기 전계의 방향뿐만 아니라 상기 전계의 사인에서도 응답하는 액정 현탁물을 제공한다. 본 발명은 셀의 표시 상태가 상기 인가된 전계의 극성 변경에 따라 하나의 상태로부터 다른 상태로 급속히 전환되는 쌍안정형 디스플레이들에 유용하게 될 것으로 기대된다.

상기에 주어진 예는 설명을 위한 예시에 불과하며, 본 발명을 이러한 조건과 재료로 한정되는 것은 아니다. 다양한 변형이 본 발명의 기술적 범위 내에서 달성될 수 있다. 예를 들면, 상기 강유전성 LC 현탁물은 네마틱 매트릭스에 한정되지는 않는다. 콜레스테릭(Cholesteric) LC와 임의 유형의 에스네마틱 LC가 강유전체/LC 현탁물의 모재로 될 수 있다. 또한, 강유전체/LC 현탁물은 폴리머에 의해 분산되는 액정장치에서 LC 재료로서 사용될 수 있다.

Claims

액정물질에 현탁된(suspended) 강유전성 입자를 포함하는 액정장치.
제1항에 있어서, 폴리머를 더 포함하는 액정장치.
제1항에 있어서, 상기 장치가 전기-광학 장치 및 정보 디스플레이 장치로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 액정장치.
제1항에 있어서, 상기 입자들이 소정의 디멘젼(dimension)에서 평균적으로 0.5㎛보다 더 작은 것을 특징으로 하는 액정장치.
제1항에 있어서,

서로 대향하게 전극을 각각 가지는 한 쌍의 대향 기판을 더 포함하며; 그리고

액정 물질에 현탁된 상기 강유전성 입자들이 상기 한 쌍의 기판사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 액정장치.
제5항에 있어서, 상기 대향 기판 중 하나의 기판이 단일 연속 전극을 가지며 다른 기판은 평면 전기장을 생성하기 위하여 사용될 수 있도록 서로 맞물리게된 전극을 갖는 것을 특징으로 하는 액정장치.
제5항에 있어서, 상기 전극은 인듐 산화물 및 인듐주석 산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 액정장치.
제5항에 있어서, 상기 강유전성 입자들이 LiNbO₃, PbTiO₃, BaTiO₃, Sn₂P₂S₆및 CTBS-3으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 액정장치.
제5항에 있어서, 상기 전극의 각각에 배치된 정렬 물질 층(alignment material layer)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액정장치.
제1항에 있어서,

서로 대향하게 전극을 각각 가지는 한 쌍의 대향 기판을 더 포함하며;

액정 물질에 현탁된 상기 강유전체 입자들이 상기 한 쌍의 기판사이에 배치되며; 그리고

상기 액정 물질이 네마틱 액정(nematic liquid crystals), 콜레스테릭 액정(cholesteric liquid crystals), 및 스멕틱 액정(smectic liquid crystals)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 액정장치.
제1항에 있어서, 상기 강유전성 입자들이 액정 물질과 비교하여 적어도 약 0.5 중량 퍼센트로 액정 물질에 현탁되는 것을 특징으로 하는 액정장치.
제1항에 있어서, 상기 강유전성 입자들이 액정 물질과 비교하여 적어도 약 1 중량 퍼센트로 액정 물질에 현탁되는 것을 특징으로 하는 액정장치.
사이에 셀 갭(cell gap)을 가지며, 대향 표면에 전극이 배치되는 한 쌍의 기판을 제공하는 단계; 및

상기 셀 갭에 액정 물질의 강유전성 입자들의 현탁물을 영구히 배치하는 단계;

를 포함하는 광-모듈레이팅 장치를 제조하는 방법.
제13항에 있어서, 정렬 물질 층이 상기 전극에 배치되는 것을 특징으로 하는 광-모듈레이팅 장치를 제조하는 방법.
제13항에 있어서, 상기 전극 중 적어도 하나는 투명 전극인 것을 특징으로 하는 광-모듈레이팅 장치를 제조하는 방법.
제13항에 있어서, 적어도 하나의 투명 전극이 인듐 및 인듐 주석 산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광-모듈레이팅 장치를 제조하는 방법.
제13항에 있어서,

강유전성 파우더의 결정들(grains)을 서서히 증발하는 액정 캐리어(carrier) 및 계면 활성제와 함께 원 현탁물(raw suspension)을 만들기 위해 밀링(milling)하는 단계;

상기 원 현탁물을 그 내부의 밀링된 강유전성의 크기에 따라 다른 부분으로 분리하는 단계;

소정의 부분을 액정 물질과 혼합하는 단계; 및

상기 소정의 부분과 액정 물질의 혼합물로부터 캐리어를 제거하는 단계;

를 포함하는 공정에 의해 액정 물질의 강유전성 입자의 상기 부유물이 제조되는 것을 특징으로 하는 광-모듈레이팅 장치를 제조하는 방법.
제13항에 있어서,

액정 물질의 강유전성 입자의 상기 현탁물이 중합가능 물질을 더 포함하며 그리고 상기 방법이 중합가능 물질의 중합단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광-모듈레이팅 장치를 제조하는 방법.
제13항에 있어서,

액정 물질의 강유전성 입자의 상기 현탁물이 열가소성 물질을 더 포함하며그리고 상기 방법이 혼합물을 냉각시킴으로써 폴리머 및 액정을 상분리시키도록 유도하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광-모듈레이팅 장치를 제조하는 방법.
사이에 셀 갭(cell gap)을 가지는 한 쌍의 기판을 제공하는 단계;

상기 셀 갭에 인접한 상기 기판의 각각에 투명 전극을 제공하는 단계;

상기 셀 갭내에 액정 물질의 강유전성 입자의 현탁물을 영구히 배치하는 단계; 및

상기 전극을 가로질러 전기장을 인가하는 단계;

를 포함하여 상(image)을 생성하는 방법.
제20항에 있어서,

액정 물질의 강유전성 입자의 상기 현탁물이

상기 셀 갭 내에 배치한 후 그리고 상기 전극을 가로질러 전기장의 상기 인가하기 전에 중합이 유도되는 중합가능 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상을 생성하는 방법.