KR20040093173A - 액정 디바이스, 액정 디바이스의 제조 방법, 및 액정디바이스의 제어 방법 - Google Patents

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KR20040093173A
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dopants
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라트체자르 코미토프
베르틸 헬게
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엑시베우 아베
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Abstract

본 발명은 액정 디바이스에 관한 것인바, 상기 액정 디바이스는 액정 벌크층(10) 및 카이랄 표면이라 불리는 적어도 하나의 표면에 영구적으로 부착된 결과 그 벌크층(10) 내에 불균일하게 분포되는 카이랄 도펀트들(20)을 포함한다. 본 발명은 또한 액정 디바이스들의 제어 방법 뿐만 아니라 그 제조 방법에 관한 것이기도 한다.

Description

액정 디바이스, 액정 디바이스의 제조 방법, 및 액정 디바이스의 제어 방법{A LIQUID CRYSTAL DEVICE, A METHOD FOR PRODUCING A LIQUID CRYSTAL DEVICE AND A METHOD FOR CONTROLLING A LIQUID CRYSTAL DEVICE}
현재 디스플레이 디바이스들에서 전기 광학 매체로 광범위하게 사용되는 액정들은 이방성 물성(physical property)들을 갖는 유기 재료들이다. 액정 디스플레이들의 작동은 인가된 전기장에 의해 야기되는, 디스플레이내의 액정의 광학 형상의 변화에 기초한다.
액정 디스플레이들과 디바이스들의 기본적 작동 원리 중 하나는, 액정의 유전 이방성(dielectric anisotropy)에 결합(유전성 결합)하는 인가된 전기장에 의한 액정 분자 방향의 스위칭이다. 상기 결합은 인가된 전기장에 이차적인(quadratic), 즉 전기장의 극성과는 무관한 전기-광학 응답을 발생시킨다.
실용적으로 중요한 또하나의 작동 원리는 인가된 전기장과 강유전성 액정내의 자발 분극(spontaneous polarization)(Ps) 사이의 선형 결합을 이용하는 것이다.
작동이 유전성 결합에 기초하는 다수의 여러 유형의 LCD들이 있는데, 특히 다이내믹 스캐터링 디스플레이(dynamic scattering display), 호메오트로픽(homeotropic)하게 배향된 네마틱 액정의 변형을 이용하는 디스플레이, 샤트-헬프리히(Shadt-Helfrich) 트위스티드 네마틱(twisted nematic; TN) 디스플레이, 슈퍼트위스티드 네마틱(Super twisted nematic; STN) 디스플레이, 및 인-플레인 스위칭(in-plane switching; IPS) 네마틱 디스플레이들이 있다.
LCD들의 또 하나의 유형은 인가된 전기장과 자발 분극(Ps) 사이의 선형 결합에 기초하여 작동하는 표면 안정화 액정(surface stabilized liquid crystal ; SSFLC) 디스플레이이다. 인가된 전기장은 또한 그 전기장에 선형으로 결합하는 자발 분극을 발생시킬 수 있다. 변형 나선 강유전체(deformed helix ferroelectric; DHF) 액정 디스플레이들 및 반강유전성 액정(antiferroelectric liquid crystal; AFLC) 디스플레이들이 이 원리에 기초한다.
최근 응용예들에 있어서, LCD는 높은 콘트라스트와 휘도, 낮은 전력 소모, 낮은 작동 전압, 짧은 스위칭 시간, 콘트라스트에 대한 낮은 시야각(viewing angle) 의존성, 그레이 스케일(grey scale) 또는 쌍안정성 등과 같은 중요한 특성들을 가져야 한다. LCD는 저렴하며 제조 및 활용이 용이하여야 한다. 선행 기술의 LCD들은 모든 중요한 특성들에 있어서 최적화되지 않는다.
통상적인 네마틱 액정 디스플레이들의 대부분에서, 유전성 결합에 기초하여 작동하는 경우, 전기장은 통상적으로 액정 벌크층에 인가된다. 이러한 디스플레이들은 통상적으로 느리며, 인가된 전기장과 분자들의 초기 배향에 의해 형성되는 평면에서의 액정 분자들의 스위칭(이른바, 아웃-오브-플레인(out-of-plane) 스위칭)에 의해 불만족스러운 콘트라스트의 각 의존성을 나타낸다. 전기장이 액정 벌크층에 평행한 인-플레인 스위칭을 갖는 다른 유형의 LCD들이 있다. 이러한 디스플레이들은 이미지 콘트라스트의 매우 작은 각 의존성을 나타내지만 휘도와 스위칭 시간은 만족스럽지 못하다.
다음으로, 강유전성 액정들과 표면 안정화 액정(SSFLC) 디스플레이에서의 그들의 응용예에 중점을 두면서 스멕틱(smectic) 액정들에 대해 간략히 설명하면서, 인가된 전기장과 강유전성 액정의 자발 분극 사이의 선형 결합에 기초하여 작동하는 다른 유형의 LCD들이 고려될 것이다.
스멕틱 액정에서, 분자들은 인접 스멕틱 층들에 배열된다. 스멕틱 A 상과 스멕틱 C 상들은 액정 재료의 이러한 "적층형(layered)" 상들을 대표하는 가장 중요한 2개의 상들이다. 스멕틱 A 상에서, 분자들은 스멕틱층 법선을 따라 배향되는 반면(Θ= 0°), 스멕틱 C 상에서는 분자들은 통상적으로 스멕틱층들에 대해 20°정도의 각도로 경사진다. 또한, 스멕틱 액정은 아키랄(achiral)(예를 들어, A 또는 C) 또는 카이랄(chiral)(예를 들어, A* 또는 C*)일 수 있는데, 여기서 카이랄리티(chirality)는 거울 대칭성이 없음을 의미한다. 용어 "카이랄"은 제 2 차 효과로 나타나거나 또는 나타날 수 없는 나선형 분자 질서의 발생을 의미하지 않는다는 것을 주목해야 한다.
카이랄리티, 즉 구성 분자들의 깨진 거울 대칭성은, 스멕틱 C*와 같은 경사진 스멕틱 액정들에서 강유전성의 발생, 즉, 자발 분극(Ps)의 발생을 위해 필요하다. Ps는 스멕틱층들을 따라, 즉, 분자 장축에 수직하게 배향되며, 입체적으로(sterically) 분자들에 결합된다.
강유전성 상들은 카이랄 분자들로 이루어진 스멕틱 액정 재료들 뿐만 아니라 카이랄 도펀트들로 도핑된 아키랄 스멕틱 호스트 재료들도 나타낸다. 구입 가능한 강유전성 액정 재료들의 대부분은 그들의 혼합들이다. 이러한 혼합 시스템에서, 선택된 카이랄 도펀트들에 의해 유도된 큰 분극을 가지면서, 선택된 아키랄 스멕틱 C 호스트 재료의 넓은 온도 범위와 낮은 점성을 조합하는 것이 훨씬 더 용이하다. 이러한 재료 파라미터들의 적절한 조합은 강유전성 액정 혼합에 있어 매우 중요하다.
스멕틱 C* 에서, 꼭지각(apex angle) β= 2θ로 원뿔 주위를 자유롭게 회전하는 분자들은 카이랄리티에 의하여 스멕틱층 법선을 따라 나선축을 갖는 나선 질서를 취한다. 그러나, Ps는 나선형으로 회전함으로써, 국부적인 분극의 자기-소거(self-cancellation)를 야기한다. 따라서, 스멕틱 C* 의 벌크에서, 거시적인 분극이 존재하지 않을 것이다(Ps=0). 그러나, 전기장이 나선형 스멕틱 C* 벌크의 스멕틱층들을 따라 인가되면, 전기장은 영구 쌍극자들과 결합하여, 그 쌍극자들을 그 전기장에 평행하게 배향시킬 것이다. 그 결과, 전기장은 나선 배향을 풀어서, 스멕틱 C* 액정의 벌크의 거시적인 분극을 야기하게 된다.
스멕틱 C* 의 벌크에서 자발 분극(Ps)을 얻기 위하여 나선형 분자 배열을 억제하는 또다른 방법이 있다. 이는 외부 전기장 대신 고체표면/액정 상호작용을 이용함으로써 이루어진다. 이것이 이른바 표면 안정화 강유전성 액정(SSFLC) 개념인데, 이 개념에 따라 스멕틱 C* 벌크는 책꽂이 구조로, 즉 스멕틱층들이 한정 표면들에 수직하도록 배향된다.
SSFLC 디스플레이들에서, 스멕틱층들을 따라, 즉 기판들에 수직하게 인가되는 외부 전기장은 스멕틱 원뿔 상의 2개의 위치들 사이에서 강유전성 액정의 분자들을 스위칭할 것이다. 이러한 2개의 위치들이 서로 다른 전기장 극성에서의 Ps의 배향에 대응된다. 중요한 특징은 "플립-플롭(flipp-flopp)" 메커니즘("골드스톤 모드(Goldstone mode)")이 통상적인 트위스티드 네마틱 액정 디스플레이들과 같이 영구 분극을 갖지 않는 액정 재료들을 스위칭하는 다소 느린 유전성 결합 메카니즘 보다 훨씬 빠르다는 점이다. 또한, 고체 디스플레이 기판들에 대한 적절한 표면 처리로, SSFLC 디스플레이들의 액정 분자들의 스위칭이 쌍안정될 수 있다. FLC 혼합에서 뿐만 아니라 단일 컴포넌트 FLC들에서, Ps는 이러한 재료들의 벌크에서의 균질 분포를 나타낸다.
FLC의 대안으로서, 액정 재료는 이른바 반강유전성 액정(AFLC) 상에 있을 수 있는데, 이는 전기장이 없는 경우 인접 스멕틱층들의 분자들이 반대 경사를 갖는다는 것을 의미한다. AFLC 디스플레이에서, 각각 스멕틱층들에 평행하고 수직인 교차 편광자 세트 사이에 디스플레이를 배치할 때 어두운 상태가 얻어진다. 이러한 배치에서, 그리고 전기장이 인가되지 않은 경우, AFLC 디스플레이는 어두운 상태에있다. 전기장이 인가되면, -E와 +E 모두 동일하게 밝은 상태를 제공한다. 따라서, AFLC 디스플레이는 3-상태 스위칭 동작을 나타낸다.
표면 안정화 FLC 및 AFLC 디스플레이들의 단점에는 카이랄 스멕틱 상들을 배향시키고 그 배향을 유지함에 있어서의 어려움이 포함된다. 또한, FLC 디스플레이들은 표면 전하층(surface charged layer)들의 형성에 의하여 스티킹 이미지(sticking image) 문제를 갖는다. 또한, 이러한 디스플레이들의 전력 소모는 상대적으로 크다. 그러나, 또하나의 단점은 이러한 재료들의 풀린 상태(unwound state)을 얻기 위해서는 이러한 디바이스들의 액정층의 두께가 1-1.5㎛ 정도이어야만 한다는 점이다. 이러한 얇은 두께에 대한 요구는 FLC 및 AFLC 디스플레이들의 제조를 복잡하고, 까다롭고, 비싸게 만든다.
상기 논의된 디스플레이들에서, 액정층의 원하는 배향은 유기 또는 무기층들로의 코팅 또는 기계적 버핑(buffing)과 같은 한정 고체 기판들에 대한 적절한 처리로 얻어진다. 외부 전기장이 없는 경우, 초기 액정 배향은 고체 표면/액정 상호작용에 의하여 결정된다.
고체 표면에서의 액정 분자들의 배향은 탄성력을 통해 벌크의 액정분자들로 전해진다. 예를 들어, 기판 표면 부근에서 액정 분자들은 통상적으로 기판 표면에 수직으로(호메오트로픽) 또는 평행으로(평면으로) 배향될 수 있는데, 이는 액정 벌크의 분자들을 동일하게 배향되게 한다. 액정들이 매우 복굴절성이기 때문에, 임의의 배향 변화에 의해서 적절한 편광자들 사이에서 볼 수 있는 광성능에 대한 소정의 변화가 야기될 것이다.
선행 기술에서는, 원리적으로 최초 배향과는 다른 액정에서의 새로운 분자 배향을 얻음으로써 액정의 광성능을 변화시키는 3가지 다른 기술이 있다.
1. 외부 전기장의 인가에 의한 재배향
가장 광범위하게 사용되는 제 1 분자 재배향 기술은 전체 벌크 액정층에 외부 전기장을 인가하는 것이다. 전기장 및, 유전이방성과 자발 분극과 같은 액정 재료 변수와의 직접 결합에 의하여, 액정 분자들의 최초 배향이 전기장과 몇몇 액정 재료 변수들의 최소 상호작용 에너지에 대응되지 않는다면, 전기장은 그 액정 분자들을 새로운 방향으로 직접 재배향시킬 것이다. 그러나, 소정의 경우에는, 상기 언급된 표면 액정 상호작용에 의하여 고체 표면 부근의 액정 분자들은 외부 전기장으로 재배향시키는 것이 어려운 반면, 표면으로부터 보다 멀리 떨어진 "벌크 분자들"이 매우 자유로우며 따라서 전기장에 의해 쉽게 재배향된다.
2. 광-제어 커맨드 표면(command surface)들에 의한 재배향
액정층의 분자들을 재배향시키는 공지된 제 2 기술은 한정 배향 표면들 중 하나 또는 양자 모두를 광-제어 "커맨드 표면"으로 설계하는 것이다. 상기 광-제어 커맨드 표면에 UV광이 조사되면, 그 광-제어 커맨드 표면은 표면과 접촉된 액정 분자들의 배향 방향을 변화시킬 수 있다. "광 커맨티드 표면(photo commanded surface) 개념은 Chemical Reviews, 100, p.1847(2000)에서 개괄된 다수의 논문에서 K.Ichimura에 의해 설명되었다. 보다 상세히는, 아조벤젠 단분자층(monolayer)이 네마틱 액정층을 포함하는 샌드위치 셀의 내부 기판 표면상에 증착된다. 아조벤젠 분자들은 UV광 조사의 경우 그들의 형상을 "트란스(trans)"에서 "시스(cis)"로 변화시킨다. 아조벤젠 분자들은 트리에톡시시릴(Triethoxysilyl)에 의하여 기판 표면에 측방향으로 앵커링된다. 트란스-이성질체 아조벤젠 부분들은 네마틱 액정의 호메오트로픽 배향(액정 분자들이 기판 표면에 수직 방향으로 배향됨)하게 하는 반면, 시스-이성질체는 액정 분자들의 평면 배향(기판 표면에 평행)을 제공한다. 따라서, UV 조사에 의한 배향층에서의 분자들의 형상 변화는 네마틱 액정 분자들의 배향 변화를 야기할 것이다. 샘플에 VIS-광을 조사함으로써, 또는 간단히 그 샘플을 등방성 상태로 가열함으로써 최초 배향으로 전환된다.
액정 배향을 2개의 상태들 사이에서 스위칭시키기 위하여 광 커맨디드 배향 표면들을 이용하는 것의 단점은 느린 속도이다. 또한, 광 커맨디드 배향 표면들은 네마틱 액정 디바이스들에서만 효율적이다. 또 다른 단점은 광 커맨디드 배향 표면을 갖는 디바이스의 수명은 UV-조사에 의해 발생하는 분해 과정(degradation process)에 의해 단축된다는 점이다. 또한, 액정 배향을 스위칭시키는 외부 인자로서 광을 사용하는 것은 특히 액정 디스플레이용으로는 불편하다.
따라서, 액정 디스플레이들의 기능은 광 대신 외부 전기장에 의해 제어되도록 선택된다. 전기장은 벌크 액정과 직접 결합하여 배향을 변화시킴으로써, 광 투명성, 여러 파장에서의 광 흡수성, 광 산란성, 복굴절, 중합체, 원형 이색성 등과 같은 액정 디스플레이의 광학 특성들을 변화시킨다.
3. 전기적 커맨디드 표면들(electrically commanded surface; ESC)에 의한 재배향
액정 분자들을 재배향하기 위한 공지된 제 3 원리는 이른바 전기적 커맨디드표면들(ECS)을 사용하는 것을 포함한다. 이러한 원리는 공개된 국제특허출원 제 WO 00/03288호에서 설명된다.
보다 빠른 ECS 원리는 주로 강유전성 액정 중합체층을 제어하는데 사용된다. 상기 언급된 바와 같이, 강유전성 액정내의 자발 분극과 한정 기판들에 수직으로 인가된 전기장 사이의 선형 결합에 기반한 LCD는 유전성 결합에 기반한 LCD들에 비하여 다수의 장점들을 갖는다. 보다 자세히는, 강유전성 LCD들은 훨씬 빠르며, 이미지 콘트라스트가 시야각에 거의 의존하지 않으면서 광축의 인-플레인 스위칭을 가능하게 하며, 적절한 앵커링 조건에서 쌍안정 스위칭을 얻게 한다. 그러나, 이미 지적된 바와 같이, 디스플레이들과 디바이스들에 강유전성 액정들을 사용하는 것과 관련하여 여러 문제점들이 있다.
ECS 원리에 따르면, 별개의 얇은 강유전성 액정 중합체층이 통상적인 샌드위치 셀에서 액정 벌크 재료를 한정하는 글래스 기판들의 내부 표면들 상에 증착된다. 강유전성 액정 중합체층은 인접 액정 벌크 재료에 대해 평면 배향을 인가하는 동적 배향층으로 기능한다. 보다 자세히는, 셀을 가로질러 - 이로써 동적 배향층을 가로질러 - 외부 전기장을 인가하는 경우, 별개의 강유전성 액정 중합체층의 분자들은 스위칭될 것이다.
별개의 중합체층에서의 이러한 분자 스위칭은, 차례로, 탄성력을 통하여, 분리 배향층과 벌크층 사이의 경계면에서 벌크 공간으로 전달되어 상대적으로 빠른 벌크 공간 분자들의 인-플레인 스위칭을 야기할 것이다.
ECS 원리는 강유전성 액정의 모든 장점들을 구비하는 동시에 그들의 심각한문제점들을 회피하는 것처럼 보인다. 그러나, 여전히 ECS 재료들이 갖추어야 하는 여러 요구 조건들이 존재하며, 이는 ECS의 제조에 있어 다음의 조건들을 요구한다:
- ECS 층은 매우 얇아야 한다(100-200㎚).
- ECS 층은 바람직하게는 책꽂이 구조로 배향되어야 하며, 다시 말해, 스멕틱층들이 한정 기판들에 수직이어야 한다.
ECS층을 유지하고 그 작동이 손상되지 않기 위하여, ECS층의 재료는 액정 벌크 재료에서 불용성이어야 한다.
상기 언급된 액정 디바이스의 바람직한 특성들과 상기 언급된 공지된 액정 디스플레이들의 여러 단점들의 관점에서, 본 발명의 일반적인 목적은 개선된 액정 디바이스, 개선된 액정 디바이스 제조 방법, 및 개선된 액정 디바이스 제어 방법을 성취하는 것이다. 본 발명은 단지 디스플레이들에만 관련되는 것이 아니며, 다른 다수의 액정 응용예에서도 유용하다.
본 발명은 액정 분야에 관한 것이다. 보다 자세히는, 본 발명은 액정 벌크층과 이 층에 불균일 분포 방식으로 용해된 카이랄 도펀트들을 포함하는 액정 디바이스에 관한 것이다. 본 발명은 또한 액정 벌크층에 불균일하게 분포된 카이랄 도펀트들을 포함하는 액정 디바이스의 제조 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 액정 디바이스의 제어 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 원리를 개략적으로 도시한다.
도 2A는 본 발명에 따른 액정 디바이스의 단면형 실시예에서의 전기장-활성화 분자 배향을 개략적으로 도시한다.
도 2B는 교차 편광자들 사이에 삽입된 도 2A의 디바이스의 작동을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 액정 디바이스의 양면형 실시예의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 액정 디바이스의 단면형 실시예의 단면도이다.
도 5A와 5B는 벌크층에 내부 카이랄 평면들을 갖는 본 발명의 실시예들의 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 액정 디바이스 또는 셀의 전기-광학적 응답을 분석하기 위한 장치를 도시한다.
도 7 및 8은 본 발명의 실시예의 전기-광학적 응답을 도시한다.
도 9A 및 9B는 본 발명에 따른 액정 디바이스의 양면형 실시예들에서의 전기장-활성화 분자 배향을 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른 실시예의 그레이-스케일 전기-광학적 효과를 도시한다.
도 11은 반대 부호의 유도 자발 분극을 갖는 본 발명에 따른 액정 디바이스의 양면형 실시예를 도시한다.
도 12는 피치 경사도를 나타내는 본 발명의 실시예를 도시한다.
도 13은 도 12의 실시예의 작동을 도시한다.
도 14A 및 14B는 카이랄층을 준비하는 예를 도시한다.
도 15는 덴드리머(dendrimeric) 카이랄 분자들을 제공하는 카이랄 표면을 도시한다.
본 발명의 제 1 측면에 따라 액정 디바이스가 제공되는데, 상기 액정 디바이스는 액정 벌크층과, 카이랄 표면으로 불리는 적어도 하나의 표면에 영구적으로 부착된 결과 벌크층에 불균일하게 분포되는 카이랄 도펀트들을 포함하며, 상기 카이랄 도펀트들은 상기 액정 벌크층에 용해가능하다.
이는 별개의, 불용성 ECS층을 갖는 종래의 용액과 명백히 대조된다.
본 발명은 상기 카이랄 표면에 인접한 벌크층의 제한 부피(여기서는 "하위-부피" 또는 "하위-영역"을 불림) 내부에서, 1이상의 카이랄리티-관련 물성(여기서는 카이랄리티 효과로 지칭됨)들에 대한 국부적 변화, 특히 카이랄리티 효과의 국부 증가를 유도한다. 따라서, 카이랄리티 효과에 대해 유도된 변화 또는 증가는 벌크층 전체 부피에서 발생하는 것이 아니며, 단지 본 발명의 대부분의 구현예들에서 매우 얇은 1이상의 제한 영역들에서 발생한다. 각각의 하위-영역이 관련 카이랄 표면 부근에 위치된다는 점을 고려하면, 상기 하위-영역은 "표면 하위-영역"이라 불릴 수도 있을 것이다.
도펀트 재료 및 액정 벌크 재료는 하위-부피 내에서의 카이랄리티 효과에 대한 유도 국부 변화/증가가 그 하위-부피에서 자발 분극 증가를 야기하도록 선택될 수 있다. 상기 유도 자발 분극의 증가는 통상적으로 불균일하게 분포될 것이며, 상기 카이랄 표면에서 최대가 되고 상기 카이랄 표면으로부터 멀어지는 방향으로 감소한다. 차례로, 상기 자발 분극은 외부 전기장에 대한 직접적인 전기적 결합을 가능하게 하는 강유전성 특성들을 제공한다.
여기서 "용해가능"이라는 용어는 도펀트들이 액정 벌크층에 용해될 수 있음을 의미한다.
본 발명에 따라, 카이랄 도펀트들은 영구적으로 표면에 부착된다. 이는 도펀트들이 벌크 부피에서 외부로 자유롭게 이동하는 것을 방지하는 방법으로 그 도펀트들이 표면에 결합되는 것으로 해석되어야 한다. 따라서, 벌크 부피에서의 도펀트들의 불균일 분포는 "영구적"인 성질을 갖는데, 이는 균일 분포가 발생하지 않을 것이기 때문이다. 물론, 이것은 외부 인가 전기장으로 액정 벌크 부피 내에 도펀트들을 일시적으로 재배치하는 공지된 기술과 상이하다.
도펀트들이 표면에 "영구적으로 부착"된다고 해도, 그 도펀트들은 여전히 제한된 이동성, 특히, 예를 들어 외부 인가 전기장에 의해 스위칭되는 동안 도펀트 분자들을 재배향시키는 것을 가능하게 하는 이동성을 보인다.
벌크층에 균일하게 분포되지 않는다고 해도, 도펀트들은 벌크층 내에 (국부적으로) 용해된 것으로 언급될 수 있다.
본 발명의 범위 내에서, 디바이스는 단일 카이랄 표면 또는, 그 대안으로서 각각 영구적으로 부착된 카이랄 도펀트들을 갖는 2이상의 카이랄 표면들을 제공할 수 있다. 보다 자세히는, 디바이스는 2이상의 본질적으로 유사한 카이랄 표면들을 포함할 수 있으며, 또는 2이상의 서로 상이한 카이랄 표면들 또는 그들의 조합들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 2개의 카이랄 표면들은, 상이한 트위스티 파워, 상이한 도펀트 재료, 도펀트들의 상이한 표면 분포 등을 나타낼 수 있는 상이한 부호의 유도 자발 분극을 야기할 수 있다.
상기 언급된 "카이랄 표면"에서의 "표면"이란 용어는 벌크층 경계에 위치되거나 그 경계를 형성하는 표면 뿐만 아니라 벌크층 내부에 위치하는 표면 또는 평면을 포함하는 것으로 고려되어야 한다. 따라서, "표면"이란 용어는 직접 또는 간접적으로 도펀트 재료에 의하여 벌크층 재료와의 접촉을 갖는 임의의 물리적 또는 구조적 표면 또는 평면을 포함할 수 있다.
벌크층이 2개의 기판들 사이에 한정되는 실시예들에서, 카이랄 표면은 하나 또는 양 기판들 상에 배열될 수 있다. 대안으로서 또는 보완으로서, 1이상의 카이랄 표면들이 벌크층 내부에, 즉 벌크층 경계로부터 떨어진 거리에 위치될 수 있다.내부 카이랄층들 또는 평면들을 갖는 실시예들은, 예를 들어 이하에서 설명되는 레이저-활성화 중합 공정에 의해 구현될 수 있다.
표면에 영구적으로 부착되는 도펀트 재료 또는 분자들은 "카이랄 표면층"을 형성하는 것으로 간주될 수 있다. 그 "카이랄 표면층"은 통상적으로 매우 얇을 것이며, 예를 들어 20에서 100Å 정도이다. 특히, 카이랄 표면층의 두께는 단지 하나의 도펀트 분자층을 포함하는 "단분자층"으로 형성될 수 있다.
이러한 상황에서, 원하는 효과를 얻기 위하여 ECS층이 바람직하게는 매우 얇아야 한다는 점을 고려하면, 카이랄 도펀트들을 표면에 부착시키는 원리는 "보너스 효과"를 제공한다. 예를 들어, 카이랄 도펀트들은 상기 표면상에 단분자층을 형성시킬 수 있다.
본 발명에 따른 디바이스에서, 액정 벌크층에 용해될 수 있는 도펀트들은 적어도 하나의 표면들에 영구적으로 부착된 결과 벌크 부피 내에서 불균일하게 분포된다. 그러나, 상기 표면(들)에 대한 도펀트들의 분포에 대하여 많은 가능성이 존재한다. 하나의 바람직한 실시예에서, 도펀트들은 표면들 또는 각 표면에 대하여 균일하게 분포된다. 그러나, 예컨대 미리 결정된 영역들 내부에서 상기 표면(들)에 대하여 도펀트들을 특정 패턴으로, 또는 이미 결정된 패턴에 따라 분포시키는 것 역시 가능하다.
단지 설명적 예시로서, 벌크층은 아키랄 스멕틱 C 재료와 같은 아키랄(비-카이랄) 액정 재료를 포함할 수 있다. 하위-부피 또는 하위-영역에서, 아키랄 스멕틱 C는, 그 아키랄 스멕틱 C에 용해가능하며 카이랄 표면에 영구적으로 부착되는카이랄 도펀트들로 도핑된다. 카이랄 도펀트들은 하위-부피 내에서 액정 벌크 재료에서의 카이랄리티를 유도하며, 따라서, 카이랄리티 효과(들)의 변화를 유도한다. 차례로, 유도 카이랄리티는 하위-부피 내에 자발 분극(Ps)을 발생시켜, 이 하위-부피에 강유전성 특성들을 제공한다. 도핑되는 하위-영역의 실제 부피와 카이랄리티를 나타내는 부피 그리고 증가된 자발 분극은 약간 다를 수 있는데, 이는 도펀트 분자들이 도펀트들로부터 소정의 거리만큼 떨어진 위치에서 카이랄리티를 유도할 것이기 때문이다. 이 설명적 예시에서, 디바이스에(즉, 도핑된 하위-부피 뿐만 아니라 벌크 부피의 나머지 부분에) 전기장을 인가함으로써, 도펀트들에 의하여 강유전성 특성들을 나타내는 영역의 분자들은 인가된 전기장에 대한 직접적인 강유전성 응답 또는 결합에 의하여 매우 빠르게 스위칭될 수 있다. 이러한 빠른 강유전성 스위칭은, 차례로, 하위-부피의 외부에 있는 벌크 분자들의 빠른 스위칭을 야기하는데, 이는 표면 하위-영역의 분자들과 벌크 부피의 인접 분자들 사이의 탄성 결합 때문이다.
상기 설명된 예에서, 벌크 부피는 아키랄 액정 재료를 포함한다. 그러나, 최초에 카이랄 벌크 재료를 사용하여, 예를 들어 그 비도핑 조건에서 제한된 자발 분극을 나타내는 것도 가능하다. 그러한 실시예에서, 도펀트들은 하위-부피 내에서 벌크 재료의 응답(예를 들어, 강유전성)을 증가시키는 하위-부피 내에서의 자발 분극의 변화를 성취하도록 선택될 수 있다. 최초 카이랄리티는 카이랄리티 효과의 유도 증가를 "바이어스"한다고 말할 수 있다.
벌크 재료의 전기장 응답 - 도핑 하위-부피의 외부 뿐만 아니라 내부에서 -은 강유전성, 반강유전성, 플렉소일렉트릭 및 상유전성 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 비도핑 벌크 재료의 전기장 응답은 단지 유전성일 수 있으며, 다시 말해, 전기장과의 직접적인 선형 결합이 없다.
벌크 재료의 최초 카이랄리티에 관련하여, 벌크층은 아키랄 네마틱 액정 재료와 같은 아키랄 액정 재료; 카이랄 액정 재료; 또는 그들의 조합들을 포함할 수 있다. 만일 벌크가 아키랄이라면, 카이랄리티는 카이랄 도펀트들에 의해 유도될 수 있다. 벌크가 최초에는 카이랄이면, 증가된 카이랄리티 효과는 카이랄 도펀트들에 의해 유도될 수 있다.
따라서, 벌크층을 형성하는 액정 재료(들)는 본 발명의 범위 내에서 상당히 변화될 수 있다. 사용 분야에 따라, 벌크층용 재료(들)는 다음 중 1이상으로부터 선택될 수 있다: 상기 벌크층 내에서 네마틱 디렉터의 트위스티드 또는 비-트위스티드 구조를 갖는 네마틱 액정 재료들; 상기 벌크층 내에서 네마틱 디렉터의 트위스티드 또는 비-트위스티드 구조를 갖는 스멕틱 액정 재료들; 및 디스코틱 액정(discotic liquid crystal).
벌크층은 상기 카이랄 표면(예를 들어, 카이랄 표면)에 실질적으로 평행한 바람직한 배향을 갖는 표면 디렉터를 제공할 수 있다. 특히, 벌크층은 그 벌크층의 상기 표면 디렉터의 스위칭이 인가 전기장에 의해 직접적으로 제어가능하지 않도록 하는 액정 재료를 포함할 수 있다. 그러한 실시예에서, 도핑 영역은 인가 전기장에 대한 직접적인 응답(제 1 스위칭)을 나타낼 수 있는 반면, 벌크층의 나머지는 탄성 결합에 응답(제 2 스위칭)할 것이다.
디바이스는 상기 카이랄 표면에서 바람직한 분자 배향을 제공하도록 배열된 별개의 배향층, 예를 들어, 비-동적 배향층을 추가적으로 포함할 수 있다.
카이랄 도펀트들은 감광성 분자들을 포함할 수 있는데, 그 감광성은 디바이스 제조시 카이랄 도펀트들이 부착된 카이랄 표면을 형성하는데 사용된다.
카이랄 도펀트들은 중합체 재료, 저중합체(oligomer) 재료 및 단량체 재료 중 적어도 하나로부터 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 액정 디바이스는 많은 다양한 방법을 사용하여 구조적으로 구현될 수 있다. 하나의 카이랄 표면만을 갖는 실시예들에서, 벌크층은, 한편으로는 벌크층의 제 1 면상에 배열된 단일 카이랄 표면과, 다른 한편으로는 벌크층의 반대면 상에 배열된 비-동적 표면 배향층 사이에 한정될 수 있다. 비-동적 표면 배향층은 미리 정해진 바람직한 방향을 결정할 것인데, 이는 디바이스의 원하는 용도에 따라 선택될 수 있다.
벌크층은 2개의 카이랄 표면들 사이에 한정될 수도 있는데, 각 카이랄 표면들은 그 표면들에 영구적으로 부착된 카이랄 도펀트들을 갖는다. 그러나, 도펀트들은 벌크층 내에 영구적으로 불균일하게 분포될 것이며, 다시 말해 카이랄 표면들에서 높은 "농도(concentration)"를 나타낸다. 그러한 양면 실시예에서는, 예를 들어, 2개의 카이랄 표면들이 같은 부호 또는 반대 부호의 자발 분극(Ps > 0 및 Ps < 0) 유도할 수 있다. 제 1 카이랄 표면은 제 1 핸디드니스(handedness)를 나타내는 카이랄 재료를 포함할 수 있는 반면, 제 2 카이랄 표면은 상이한 제 2 핸디드니스를 나타내는 카이랄 재료를 포함할 수 있다. 또한, 다중 카이랄 표면들은 서로다른 트위스팅 파워들을 갖는 카이랄 재료들로 이루어질 수 있다.
상기 언급한 바와 같이, 2개의 카이랄층들은 (ⅰ) 자발 분극의 부호, (ⅱ) 핸디드니스의 부호 및/또는 (ⅲ) 트위스팅 파워들과 관련하여 서로 구별될 수 있다. 한편으로는 카이랄층(들)과 다른 한편으로는 벌크 특성들 사이에서도 동일하게 고려된다. 따라서, 예로서, 벌크 재료는 도핑 하위-영역(들) 내의 도펀트들에 의해 중화되거나 실질적으로 제거될 수 있는 특성을 나타낼 수 있다.
발명적인 액정 디바이스는, 표면 전극들과 같은 카이랄 표면(들)에서 하위-부피(들)에 전기장을 인가하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 상기 전기장 인가 수단은 전기장이 벌크층 뿐만 아니라 상기 카이랄 표면(들)에 대해서 인가되도록 배열될 수 있다. 상기 전기장 인가 수단은 매트릭스 어드레스형 디바이스(matrix addressed device)를 제조하기 위한 2개의 교차 전극군을 포함할 수 있는 반면, 디바이스의 각 픽셀은 능동 어드레싱을 제조하기 위한 박막 트랜지스터(TFT)를 포함할 수 있다.
발명적인 액정 디바이스는 벌크층 내에서의 디렉터의 방향 스위칭을 검출가능한 효과로 변형시키도록 배치되는 수단을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 수단은 1이상의 다음의 컴포넌트들을 포함할 수 있다: 편광자들, 지연제(retarder)들, 반사기들 및 벌크층 내부로 도핑되는 염료(dye)들, 및 그들의 조합들.
하나의 실시예에서, 카이랄 도펀트들은 네마틱 벌크층의 하위-영역에서 나선축이 카이랄 표면에 수직이거나 평행한 나선형 분자 질서를 유도할 수 있다. 피치 경사도(pitch gradient)는 디바이스에 대하여 변화할 수 있다.
청구된 발명의 또 다른 측면에 따라, 액정 디바이스의 제조 방법이 제공되는바, 상기 제조 방법은 카이랄 도펀트들을 불균일한 방식으로 영구적으로 액정 벌크층에 분포시키는 단계를 포함하는데, 상기 카이랄 도펀트들은 그 액정 벌크층에서 용해가능하다. 바람직하게는, 그 방법은, 카이랄 표면이라 불리며 한정 표면(예를 들어, 기판상의 표면) 또는 내부 표면(예를 들어, 벌크층 내에서 평면을 형성) 또는 그들의 조합들과 같은 적어도 하나의 표면에 도펀트들을 영구적으로 부착시키는 단계를 포함한다.
벌크층과 도펀트들의 재료는, 상기 카이랄 표면에 인접한 벌크층의 하위-부피 또는 하위-영역 내에서 그 카이랄 도펀트들이 1이상의 카이랄리티-관련 물성들에 대한 국부적 변화, 특히 1이상의 카이랄리티-관련 물성들의 증가를 유도하도록 선택될 수 있다.
카이랄 표면은 기판 표면을 카이랄 재료로 코팅함으로써 형성할 수 있다. 하나의 실시예에서, 카이랄 표면은 기판 표면 상에 이미 증착된 배향층 상에 배열될 수 있다. 카이랄 표면은 카이랄 표면층의 중합을 얻기 위해 광 및/또는 온도를 인가함으로써 형성될 수 있다.
하나의 실시예에서, 상기 표면을 카이랄이고 중합가능하며 감광성인 도펀트 재료로 코팅하는 하위-단계; 도펀트 재료에 광을 조사함으로써 도펀트 재료 내의 분자들을 바람직한 방향으로 배향하는 하위 단계; 및 카이랄 표면층을 형성하기 위하여 상기 배향된 도펀트 재료를 중합시키는 하위 단계에 의하여 도펀트들이 제공될 수 있다.
1이상의 내부 카이랄 표면들 또는 평면들이 형성되어야 하는 실시예들에서는, 관련 하위-영역들에 유도 카이랄리티 효과를 제공하기 위하여, 광반응성 카이랄 단량체가 액정 벌크층에 용해될 수 있다. 그 후, 상기 용해된 광반응성 단량체는 상기 내부 카이랄 평면들을 형성하기 위하여 상기 벌크층의 1이상의 평면들에서 광-활성화될 수 있다. 이를 위해, 마스크 또는 간섭 패턴이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 액정 벌크층을 제어하는 방법을 제공하는바, 상기 제어 방법은, 벌크층의 적어도 하나의 하위-영역에서 국부적이며 바람직하게는 영구적인 전기장 응답 특성의 증가를 유도하기 위하여 액정 벌크층을 그 액정 벌크층에 용해가능한 카이랄 도펀트들로 도핑하는 단계, 및 상기 하위-영역을 통해 간접적으로 벌크층을 제어하기 위하여 전기장을 인가하는 단계를 포함한다.
구체적으로, 본 발명은 액정 디바이스의 액정 벌크층에서의 인-플레인 스위칭을 성취하기 위한 방법을 제공하는바, 상기 방법은, 상기 벌크 액정층에 접촉하여, 상기 벌크층의 관련 하위-표면 영역에서 전기장에 의해 직접적으로 제어가능하며 상기 벌크층과 상호작용하는 디렉터 방향을 갖는 상을 유도하는 적어도 하나의 카이랄 표면층을 제공하는 단계, 및 상기 하위-표면 영역에서의 배향을 변화시킴으로써 벌크층 내에서 인-플레인 벌크 스위칭을 형성하기 위하여 상기 하위-표면 영역에 전기장을 인가하는 단계를 포함한다.
따라서, 본 발명은, 도핑 영역을 통해 간접적으로 벌크층을 제어하는데 사용될 수 있는 자발 분극, 피치, 광활성도와 같은 액정 주재료의 1이상의 카이랄리티-관련 물성들(여기서는 카이랄리티 효과로 설명됨)에 대한 국부적 변화를 얻을 수있게 한다.
본 발명의 상기 특징들과 기타 특징들 및 실시예들이 첨부된 청구범위에서 제시된다.
이제 본 발명은 첨부된 도면들을 참조하면서 비한정적인 예시들로 보다 자세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 액정 디바이스의 실시예의 일부를 도시한다. 액정 벌크 분자들(12)을 포함하는 벌크층(10)은 글래스 플레이트와 같은 2개의 대향하는 기판(14)들(도 1에서는 단지 1개만 도시됨) 사이에 한정된다. 그에 제한되지 않으며 단지 설명을 위한 예시로서, 벌크 재료(12)는 아키랄 스멕틱 C 재료일 수 있다.
액정 벌크층에 용해가능한 카이랄 도펀트들(20)은, 예를 들어 화학 결합으로 구현되는 결합(bond)들 또는 링크(link)들(16)로 개략적으로 도시된 바와 같이, 기판(14)에 영구적으로 부착(결합)된다. 따라서, 도펀트들이 벌크층 내에 용해가능하다 해도, 그 도펀트들(20)은 벌크층(10)의 나머지(24)에서 자유롭게 이동하지 못할 것이며 기판(14)의 표면(18)에 부착된 채로 유지된다. 그러나, 도펀트들(20)은 인가된 전기장에 응답하여 재배향될 수 있다.
카이랄 도펀트들(20)은 기판(14)에 가까운, 벌크층(10)의 하위-부피 또는 하위-영역(22)에서 카이랄리티 효과를 유도한다. 이 표면 하위-영역의 두께는 기판 표면(18)을 덮는 카이랄층의 성질에 의존하지만, 통상적으로 매우 얇을 것이다. 결과적으로, 디바이스는 강화된 카이랄리티 효과를 제공하는, 벌크층(10)의 도핑된 하위-부피 또는 하위-영역(22)과 0 또는 낮은 카이랄리티 효과를 가지며 실질적으로 보다 큰 비도핑 벌크 부피(24)를 나타낼 것이다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 도펀트들(20)은 벌크 분자들(12)이 도핑 영역내에서 기판(14)에 근접하여 배치될 수 있게 하는, 표면(18)으로부터 떨어진 위치에 배치될 수 있다. 도펀트들(20)이 영구적으로 부착되는 기판(14)의 표면(18)은 "카이랄 표면"으로 지칭될 수 있는데, 이는 그 표면에 카이랄 도펀트들이 부착되는 것을 나타낸다. 표면에 부착되는 도펀트들은 "카이랄 표면층"으로 지칭될 수 있다. 그러나, 그러한 도펀트들은, 예를 들어 화학 결합을 통해 그 표면으로부터 제한된 거리에 배치될 수 있음을 주목해야 한다. 통상적으로, 하위-영역은 도펀트 재료/분자들 및 소정의 벌크층 분자들 모두를 포함할 것이다. 이제, 하위-영역(22)에서의 유도된 카이랄리티 효과는 이 영역(22)에서의 유도된 자발 분극(Ps)이다. 이것은 그 하위-영역(22)내에서 액정의 강유전성 전기-광학 응답을 야기할 것이다.
도 1에 따른 구조를 포함하는 디바이스의 작동은 도 2A를 참조하여 설명될 것이다. 전기장(E)이 전체 액정 셀에 인가되면, 하위-영역내에 자발 분극(Ps)이 존재하며 따라서 강유전성 하위-영역(22)내의 액정 재료와 인가된 전기장(E) 사이의 직접적인 전기 결합으로 인하여 강유전성 하위-영역(22)에서 액정의 배향이 변할 것이다. 도 2A에서, 점선 D0(E=0에서의 초기 배향)와 실선 D2(스위칭된 배향;E≠0)에 의해, 이 분자 배향의 변화가 도 2에서 개략적으로 도시된다. 이는 "제 1 스위칭"으로 지칭될 수 있다.
하위-영역(22)에서의 액정 분자들(12)의 제 1 스위칭(D0 →D2)은 탄성력에 의해 아키랄 스멕틱 C 액정 재료(12)의 벌크(24)에 영향을 미칠 것이다.
2개의 기판들(14)의 내부 표면들(18) 중 단지 하나만이 카이랄로 이루어지기 때문에, 하위-영역(22)에서의 분자 스위칭(D0 →D2)은 벌크의 전기장-유도 트위스트 상태(field induced twist state)를 야기할 것이며, 이는 분자 인-플레인 스위칭(M1→M2)(제 2 스위칭)에 의해 도 2A에서 개략적으로 도시된다. 벌크 액정 재료(12)의 유전 이방성(Δε)의 부호에 따라서, 전기장(E)과 벌크 재료 사이의 유전성 결합은 이 인-플레인 스위칭(M1→M2)을 안정화시키거나(Δε< 0) 또는 불안정화시킬 수 있다(Δε> 0).
이제, 기판들(14) 중 단지 하나만이 카이랄층(20)으로 커버되는, 도 2A에 따른 셀을 도시하는 도 2B에 대하여 설명한다.
이 실시예에서, 벌크 아키랄 스멕틱 재료(12)는 약 45도의 분자 경사(molecular tilt)을 갖는다. 다른 기판(14)의 표면은 폴리이미드로 덮이고 단일 방향으로 러빙(rubbing)되어, 비 동적 표면 배향층(32)을 야기한다. 배향층(32)은 이 기판(14)에 배치된 벌크 분자들(12')의 비-동적 표면 배향 방향(D3)을 결정한다. 배향 방향(D3)은, E ≠0인 경우 다른 기판 표면(18)에서 분자들(M1)의 바람직한 배향 방향(D1)과 일치한다. D1은 강유전성 하위 영역의 2개의 스위칭 상태들 중 하나를 나타냄을 주목해야 한다.
"오프-상태(off-state)"에서, 벌크 액정 재료(12)는 방향(M1)(D1과 평행)을 따른 광축으로 균일하게 배향되며, 이는 도 2B에서 점선으로 표시된 분자들로 도시된다. 셀은 투과 방향으로 배향된 교차 편광자들(34, 36) 사이에 배치되는데, 편광자(36)의 투과 방향은 광축(M1)에 따른다. 이러한 배열에서, 입사광은 디바이스를 통한 경로에서 차단될 것이다. 그러나 약 5V/㎛의 전기장(E)의 인가는 카이랄 표면(18)에서 강유전성 하위-영역(22)의 분자들의 직접적이고 신속한 90도 스위칭(D1→D2)을 야기한다. 이러한 신속한 스위칭(D1→D2)은, 차례로, 벌크 액정 재료에서 유도된 90도 분자 트위스트(M1→M2)를 야기한다. 이 스위칭된 "온-상태(on-state)"에서, 디바이스는 광-투과적이다.
편광자들(34, 36)의 또다른 적절한 설정에 의하여, "오프-상태"가 투과성으로 만들어질 수 있다.
도 3은 2개의 카이랄 고체 기판들(14)을 포함하는 액정 디바이스 또는 셀의 단면도를 도시하는데, 2개의 카이랄 고체 기판 각각은 카이랄로 만들어진 내부 표면(18)을 제공한다. 셀은 (위에서부터) 다음 컴포넌트들을 포함한다 : 제 1 글래스 또는 플라스틱(중합체) 기판(14), 제 1 투명 전도성 ITO(Indium Tin Oxide) 필름(30), 제 1 수동(비-동적) 배향 필름 또는 층(32), 상대적으로 얇은(바람직하게는 매우 얇음) 제 1 카이랄 분자들의 층(20), 액정 벌크 재료(12)의 벌크층(24), 상대적으로 얇은 제 2 카이랄 분자들의 층(20), 제 2 수동 배향 필름(32), 제 2 투명 전도성 ITO(Indium Tin oxide) 필름(30), 및 제 2 글래스 또는 플라스틱 기판(14). 2개의 기판들(14)은 스페이서들(17)에 의해 이미 정해진 상호 거리에 고정된다. 이 간격은 수 ㎛ 정도일 수 있다.
도 3에서 도시된 셀은 벌크층(24)의 대향면들 상에서 2개의 카이랄 분자들의 박막들을 포함하는 본 발명의 양면형 실시예이다. 도 4에서 도시된 셀은 단지 하나의 카이랄 분자들의 박막을 포함하는, 즉 도 2A 및 2B에서 도시된 실시예에 따른 단면형 실시예이다.
예 1 (제조 방법)
도 3 또는 4에서 도시된 바와 같은 카이랄 표면층의 제조를 위한 하나의 실시예에서, 글래스 또는 플라스틱 기판(14)의 내부 표면은 우선 투명 전도성 ITO 필름(30)으로 커버되고, 그 후, 예를 들어 Au 박막의 배향층(32)으로 커버되고, 수직 입사각(normal incidence)에서 증발된다. 배향층(32)은 수동 배향층일 수 있다.
그 후, 배향층(32)은 박막(20)으로 커버되는데, 그 박막은 이 예에서 카이랄 분자들(20)을 포함하는 감광성 유기 재료를 포함한다. 이 카이랄 재료(20)는 예를 들어 황-함유군(sulphur-containing group)을 통해 오르토- 또는 메타-위치에서 Au 필름 상으로 앵커링된 카이랄 부분의 사이드-온(side-on) 타입의 부착일 수 있다.이 유기 카이랄 재료(20)의 분자 구조는 다음과 같다:
감광성 카이랄 재료(20)의 박막으로 커버된 기판(14)은 단방향이고 평면적이며 미리 정해진, 카이랄 분자들(20)의 배향을 얻기 위해 선형 편광된 UV 광에 노출된다. 이러한 카이랄 분자들(20)의 배향은 탄성력에 의하여 컨택의 액정 벌크 분자들(12)로 전달된다. 광 활성화 배향은 벌크층(10)이 인가되기 전 뿐 아니라 그 후에도 발생한다.
예 2 (제조 방법)
제 2 예에서, 카이랄 표면은 예 1에서와 같은 유형의 카이랄 분자들의 혼합을 포함하는 유기 재료의 박막에 의해 제조될 수 있으나, 이 경우 그들은 이하에서도시된 바와 같이, 서로 다른 길이의 결합군(coupling group)을 갖는다.
결합군의 길이는 카이랄 도펀트 분자와 표면 사이의 최대 거리를 한정할 것이다. 그러나, 카이랄 도펀트 분자는 표면을 향하는 방향으로 자유로이 이동할 수 있다.
제 3 (제조 방법)
예 3에 따라, 예를 들어 도 4에서 도시된 카이랄 분자들(20)의 제 1 박막을 형성하는 카이랄 표면을 제조하기 위하여, 글래스 기판(14)의 투명 전도성 ITO 필름(30)이 버핑(buffing)된 SiOx 필름의 수동 배향층(32)으로 커버되고, 수직 입사각에서 증발된다. 공지된 바와 같이, 이 수동 배향층은 대부분의 액정 재료의 단방향이고 평면적인 배향을 제공한다. 기판 표면(18)에 대해 α∼ 60°의 입사각에서 SiOx 박막(32)을 증발시킴으로써 같은 유형의 배향이 얻어질 수 있다. 그 후,수동 배향층(32)은 예 1에서 설명된 종류의 감광성 유기 카이랄 재료(20)의 박막으로 커버된다. 이 재료의 분자들은 예를 들어 실릴레이션(silylation)을 이용하여 실리카 표면에 영구적으로 부착될 수 있다.
예 4 (제조 방법)
예 4에 따라, 기판(14)의 투명 전도성 ITO 필름(30)이 SiOx 필름의 수동 배향층(32)으로 커버되고, 예를 들어 기판 표면(18)에 대하여 약 85°의 입사 각도에서 증발된다. 이 수동 배향층(32)은, 공지된 바와 같이, 대부분의 액정 재료들의 경사진 배향을 제공한다. 그 후, 수동 배향층(32)은 실리카 표면에 영구적으로 부착된, 예 1에서 설명된 유형의 감광성 유기 카이랄 재료(20)의 필름으로 커버된다.
예 5 (제조 방법)
예 5에 따라, 예를 들어 다음 중 하나일 수 있는 구조를 갖는, 카이랄 사이드-체인 액정 중합체를 증착함으로써 컨택 표면(18)이 카이랄로 만들어진다:
그리고
예 6 (제조 방법)
예 6에 따라, 카이랄 표면을 형성하는 카이랄 도펀트들(20)은 다음과 같을 수 있는 구조를 갖는 덴드리머 유형이다:
덴드리머 분자들은 황 또는 실리콘-함유 다리 원자단(bridging group)을 통해 수동 배향층에 영구적으로 부착된다. 도 15는 덴드리머 분자들(20)에 의해 형성된 카이랄층을 도시한다.
예 7A (제조 방법)
예 7A에 따라, 액정 벌크층(10)에서 카이랄 도펀트들(20)의 영구적인 불균일분포는 액정 벌크층(24)내에 내부적으로 적어도 하나의 카이랄 평면을 형성함으로써 구현된다. 이는 광 반응성 카이랄 단량체와 가교제(crosslink)를 사용하여 구현될 수 있는데, 그 구조들은 다음과 같을 수 있다:
처음에, 광반응성 카이랄 단량체가 벌크 액정 호스트 재료에 용해된다. 그 후, 수동 배향층(30)이 증착된 ITO 필름(32)으로 내부면들(18)이 예비 코팅된 2개의 글래스 기판(14)들을 포함하는 샌드위치 셀은 카이랄 단량체를 갖는 액정 벌크 재료(20)로 채워진다. 그 후, 이제 벌크(12) 및 용해된 카이랄 단량체를 포함하는 셀은 빛에 노출된다. 빛은 광반응성 카이랄 단량체 분자들의 광중합을 유발한다. 빛의 파장은 광중합 과정을 촉진시키기 위하여 통상적으로 UV-광 스펙트럼에 있다. 이 광중합 과정 동안, 중합체는 액정 호스트(12)로부터 상-분리(phase-separate)된다.
상기 원리를 이용함으로써, 액정 벌크(10)에서의 양호하게 한정된 상-분리형카이랄 중합체(20)의 평면들(즉, 표면들)은, 예를 들어 Ar-레이저로부터의 2개의 광선들의 간섭을 통해, 또는 마스킹 기술에 의해 얻어질 수 있다.
1이상의 상기 카이랄 평면들(40)은, 도 5A 및 5B에서 각각 도시된 바와 같이, 고체 기판(14)에 수직으로 배향되거나 또는 평행하게 배향될 수 있다. 그들의 조합이 가능하며, 또한 기판(14)들에서 1 또는 2개의 카이랄 하위-표면층을 갖는 내부 카이랄 평면들(40)의 조합도 가능하다.
예 7B (제조 방법)
예 7B에 따라, 도 14A 및 14B에서 도시된 바와 같이, 기판(14)은 카이랄 도펀트 또는 분자(20)에 대한 화학 결합을 제공할 수 있는 작용기를 포함하는 중합체의 얇은 층(15)으로 커버된다. 도펀트들(20)을 부착하기 전에(도 14A), 후속적으로 인가되는 도펀트 분자들(20) 뿐만 아니라 액정 벌크 재료(12)의 바람직한 배향 배향을 얻기 위하여, 중합체층(15)에는 기계적인 단방향 러빙(rubbing)이 가해질 수 있다. 따라서, 상기 중합체층(15)은 수동 배향층의 역할을 할 수 있다. 중합체(15)의 재료는 광감응성일 수 있으며, 따라서 편광된 VU광으로 조사함으로써 광 배향을 가능하게 한다. 이 경우, 도펀트 재료(20)가 배향 과정 전 또는 그 후에 인가될 수 있다.
예를 들어, 도펀트(20)는 카이랄 분자 또는 카이랄 중합체 또는 카이랄 액정 중합체의 형태일 수 있다.
벌크 액정들의 인-플레인 스위칭
이제, 유도된 인-플레인 스위칭을 얻기 위한 발명 원리의 이용 방법을 보이기 위하여 몇몇 예시들이 제공될 것이다.
이하의 예시들에서 사용되는 카이랄 표면(들)을 갖는 액정 디바이스는 2개의 평행한 고체 기판(14)들을 포함하여, 마이크론-크기의 갭을 형성하는데, 그 갭의 내부 표면(18)은 ITO 전극들로 커버되었다. 한쪽 또는 양쪽 전극 기판들의 내부 표면은 카이랄 박막(20)으로 커버되었다. 실험적인 디바이스들의 구조들은 도 3 및 4에서 도시된 것들과 같다.
실험을 위한 셀들의 전기-광학 응답은 도 6에서 도시된 장치에 의해 검출된다.
샘플(S)은 2개의 교차된 편광자들(34, 36)(분석기와 편광자) 사이에 삽입되는데, 그 샘플의 광축은, 발전기(38)에 의해 공급되는 전기장(E)이 샘플에 인가될 때 투과광의 최대 광 변조를 성취하기 위하여, 편광자들 중 하나의 투과 방향에 대해 22.5도 각도로 배향된다. 필요에 따라, 인가된 전압은 미분 전압 배율기(42)에 의해 증폭될 수 있다. 투과광의 세기 I는 검출기(44)에 의해 검출되었다. 오실로스코프(46)를 전압 공급원(38)과 광 검출기(44)에 연결시켜서 인가 전압과 셀(S)의 대응 전기-광학 응답을 시각화하였다.
예 8 (단면형 실시예 )
예 8에서, 디바이스의 내부 표면들 중 하나는 예 1에 따라 카이랄 유기층으로 예비 코팅되었다. 벌크 액정층(10)을 형성하기 위하여, 디바이스는 다음의 상 순서를 갖는 카이랄 액정 재료인 훽스트(Hoechst) 908로 채워진다:
C 10℃ SmC 63℃ SmA 64℃ I
셀은, 도 6의 장치에서, 편광자들 중 하나에 대해 22.5도 각도로 배향된 광축을 가지면서 교차된 편광자들(34, 36) 사이에 삽입된다. 여기서, 이러한 액정 재료로 충진되지만 내부 기판 표면 상에 증착된 카이랄층을 갖지 않는 "통상적인" 종래의 셀은 단지 인가된 외부 전기장(E)에 대한 유전성 응답을 나타낼 것임을 주목해야 한다. 그러나, 내부 표면들 중 하나가 카이랄 박막으로 예비 코팅된 본 발명의 셀에서는, 약 E=5V/㎛의 전기장이 3㎛의 셀 갭을 갖는 셀에 인가하면 스멕틱 상에서 특징적인 전기-광학 응답이 발견되었다. 예 8에 따른 셀에 대한 전기-광학 응답은 도 7에서 도시되는데, 이는 그 응답이 극성(polar)을 가짐을 명백하게 보여준다. 샘플(S)의 광축은 단지 샘플(S)을 45°회전시킴으로써 샘플(2)의 평면에서 스위칭되며, 이는 도 8에서 도시된, 전기-광학 응답의 180°위상 이동을 일으키는것으로 입증되었다.
예 9 (원형 편광의 핸디드니스의 스위칭 )
예 9에서, 원형 편광의 핸디드니스를 스위칭시키는데 사용될 수 있는 액정 디바이스의 실시예가 개시된다. 실시예는 도 9A에서 도시된다. 도 2B에서 도시된 단면형 실시예와는 대조적으로, 도 9A의 실시예는 양 기판(14)들에서 도펀트 재료(22)의 카이랄 표면을 제공한다. 따라서, 유도 강유전성 특성들을 제공하는 얇은 측은 LC 벌크층의 양면상에 형성되었다.
도 9A에서, 디바이스 파라미터들은 λ/4 웨이브 플레이트 조건을 충족시키도록 선택되었다. 벌크 카이랄 스멕틱 액정 재료(20)는 45°의 분자 경사각을 갖도록 선택되었다. 디바이스는 편광자들(34, 36)의 투과방향을 중심으로 대칭적으로배치된 스위칭 상태들(D1/D2)을 가지면서, 교차된 편광자들(34, 36) 사이에 삽입되었다.
전기장(E)의 인가는 강유전성 층들(22)에서의 신속한(직접적인) 스위칭과, 탄성 결합을 통해, 벌크층(24)에서의 대응 인-플레인 스위칭을 제공할 것이다. 2개의 제 1 스위칭 층들(22)이 배치되고, 이들이 이 실시예에서 같은 방향으로 스위칭되므로, 본질적으로 벌크층 내에는 벌크 분자들(12)의 나선형 비틀림이 존재하지 않을 것이다. 따라서, 디바이스 출력에서의 원형 편광의 핸디드니스는 인가된 전기장(E)의 극성에 의존하게 된다. 이러한 방법으로, 원형 편광의 핸디드니스에 대한 신속한 스위칭이 구현될 수 있다.
앞서 지적된 바와 같이, 유전성 결합은 인-플레인 스위칭을 안정화시키거나(Δε< 0) 또는 불안정화시킬 수 있다(Δε> 0).
예 10 ( 벌크 액정들의 인-플레인 스위칭 )
예 10에서, 예 1에 따라 제조된 디바이스는, 다음의 상 순서를 갖는 라세믹(racemic) 액정 혼합물 WILC 48 (Hoechst)로 채워진다:
SmC 48℃ SmA 57℃ I
상기 도시된 바와 같은, SmC 상에서의 동일한 유형의 극성 전기-광학 응답이 E∼4 V/㎛를 인가한 경우 3㎛ 두께의 갭을 갖는 셀에서 검출되었다.
예 11(양면 실시예 - 아키랄 벌크 )
도 9B에서 도시된 예 11에서, 액정 디바이스의 양 기판(14)들은 예 1에 따라 카이랄 유기층(22)로 예비 코팅되었다. 디바이스는 아키랄 액정 재료 훽스트 908로 채워졌다.
그 후, 셀은 편광자들 중 하나의 투과 방향에 평행하게 배향된 광축(M1)(스위칭 상태들 중 하나에 대응)을 가지면서 교차 편광자들(34, 36) 사이에 삽입되었다. 액정 셀을 가로질러 전기장(E)을 인가함으로써 2개의 표면 하위-영역(22)들에서의 분자들의 배향 변화가 야기되는데, 이는 양 하위-영역(22)들에서의 변화(D1→D2)로 나타내어진다. 유도된 카이랄리티를 갖는 하위-영역(22)들에서의 표면 분자들의 이러한 제 1 스위칭(D1→D2)은, 탄성력에 의해, 아키랄 벌크 분자들(12)의 벌크층(10)의 나머지 부분(24) 내에서 분자들(12)의 스위칭(제 2 스위칭)을 야기한다. 이러한 유도 벌크 분자 스위칭은 새로운 배향(M2)(실선)으로 스위칭되는 초기 분자 배향(M1)(점선)으로 나타내어진다. 벌크 광축의 유도 벌크 스위칭은 인-플레인 스위칭(도 2B에서 도시된 바와 같음)이며, 다시 말해 M1에서 M2로의 스위칭이 기판(14)들에 평행한 평면에서 일어난다.
약 E∼5V/㎛의 전기장을 약 3㎛의 셀 갭에 인가할 때 상기 언급된 바와 유사한 극성이 스멕틱 상에서 발견되었다.
예 12 (양면 실시예 - 카이랄 벌크 )
예 11에서 설명된 바와 유사한 이 예에서, 내부 표면들을 갖는 양 기판들은 예 1에 따라 얇은 카이랄 유기층으로 예비 코팅되었다.
디바이스는 매우 낮은 자발 분극(Ps)을 갖는 강유전성 액정으로 채워진다. 이 경우, 기판 표면에 부착된 카이랄 분자들은 하위-표면 영역에서 Ps의 크기를 증가시킨다. 초기에 한정된 카이랄 벌크 재료를 갖는 이 실시예에서, 인가된 전기장(E)은 벌크 액정 재료에 직접 결합될 것이다. 카이랄 표면에서의 스위칭은 보다 효율적일 것인데, 이는 카이랄리티가 벌크 재료의 초기 카이랄리티에 의해 "바이어스(bias)"되기 때문이다.
예 13 (그레이 스케일)
이 예는 그레이 스케일 기능을 구현하는데 본 발명이 어떻게 사용될 수 있는지 설명한다. 셀은 도 2B에서 도시된 실시예에 따라 제조되었다. 서로에 대해 단방향으로 셀 기판들을 배치함으로써 성취되는 기계적 전단(shear)으로 액정의 벌크에서 뿐만 아니라 표면 하위-영역에서 분자들의 프리틸트(pretilt)가 야기된다. 프리틸트 각도가 스멕틱 C 상에서의 분자의 기울어짐과 같다면, 투과광의 선형 변조(그레이 스케일)가 성취될 수 있다. 이 예에서의 셀의 그레이 스케일 능력은 도 10에서 도시되는데, 여기서 y축은 임의의 유닛들에서 투과광의 세기를 나타낸다.
예 14 (유도 스멕틱 C*)
예 14에 따라, 셀 갭은 음의 유전이방성(Δε< 0)을 가지며 스멕틱 C 상의 아래에 있는 네마틱 액정으로 채워진다. 유전성 결합에 의해 액정 분자들의 평면 배향을 안정화시키기 위하여 Δε< 0 인 액정 재료가 선택되었다. 셀 기판(14)들의 내부 표면(18)들에 부착되는 카이랄 분자들(20)은 표면 하위-영역(22)들에 스멕틱 C* 상을 유도한다. 유도 스멕틱 C* 상은 강유전성이다.
외부 전기장을 인가함으로써, 표면 하위-영역 분자들의 바람직한 배향 방향이 전기장과의 직접적인 결합에 의하여 스위칭될 수 있다. 표면 하위-영역의 분자들의 스위칭은 탄성력에 의하여 액정의 벌크의 분자들로 전달된다.
예 15 (양면 실시예 , 전기장 유도 트위스트)
이제, 본 발명에 따른 액정 디바이스의 실시예를 개략적으로 도시한 도 11에 대하여 설명할 것인데, 여기서 제 1 카이랄 표면은 관련 표면 하위-영역(22)에 양의 자발 분극(Ps > 0)을 갖는 스멕틱 C* 상을 유도하는 반면, 제 2 카이랄 표면은 관련 표면 하위-영역(22)에 음의 자발 분극(Ps < 0)을 갖는 스멕틱 C* 상을 유도한다. 양 표면 하위-영역(22)들에서의 분자 비틀림은 22.5도 정도이다.
도 11의 디바이스는 음의 유전이방성(Δε< 0)을 가지며 스멕틱 C 상의 아래에 있는 네마틱 액정 재료로 채워진다.
그 후, 편광자들의 투과 방향에 대해 45도로 배향된 광축(E=0에서)을 가지면서 평행 편광자들(34, 36) 사이에 배치된다. 인가된 전기장의 부호를 반전시키면, 디바이스는 투과 비-트위스트 상태와 비-투과 트위스트 상태 사이에서 스위치 될 것인데, 이는 2개의 표면 하위-영역(22)들에서 Ps의 반대 부호에 기인한다.
예 16 (광-유도 Ps 변화)
예 16에 따라, 디바이스는 예 14에 따라 제조되었다. 그러나, 이 경우, 내부 기판 표면들 중 하나 위에 증착된 카이랄층은 광이 조사되면 표면 하위-영역에서 유도 Ps의 부호를 변화시킬 수 있는 감광성 분자들을 포함하는 혼합물이다.
양 카이랄 표면들을 커버하는 카이랄 유기 재료는, 광이 조사되면 표면 하위-영역에서 유도 Ps의 부호를 변화시킬 수 있는 감광성 분자들을 포함하는 혼합물인 디바이스를 제공하는 것 역시 가능하다. 디바이스는, 예를 들어, 아키랄 액정 재료인 훽스트 908로 채워질 수 있다. 셀은 UV-광 트라프 마스크로 조사된다. 전기장을 인가하면, 셀의 조사된 영역에서의 셀 광축들은 광이 차단된 셀 영역과는 반대 방향으로 스위치될 것이다.
예 17 (선택적 반사)
이제 도 12에 대하여 설명한다. 이 경우, 카이랄 재료(20)는 높은 트위스팅 파워를 갖도록 선택된다. 디바이스는 Δε> 0 을 나타내는 네마틱 액정 혼합물(E7)(Merck)로 채워진다. 2개의 카이랄 표면들은 관련 표면 하위-영역(22)들에서 도면 번호 50으로 도시된 바와 같이 매우 짧은 피치를 갖는 나선형 분자 배향을 유도한다. 이 나선형 배향은 액정 재료(12)의 벌크(24)에 영향을 미쳐서 도면 번호 52로 도시된 바와 같이 기판에서부터 멀어질수록 피치 길이가 연속적으로 증가하게 된다.
따라서, 셀에는 피치 경사도(gradient pitch)가 있는 나선형 분자 배향이 있을 것이다. 이러한 원리 또는 효과를 이용하여, 매우 넓은 스펙트럼의 입사광을 선택적으로 반사시키는 것이 가능하다. 카이랄 재료 및 셀 갭의 적절한 선택으로, 디바이스로부터 효율적인 백색광 선택적 반사가 가능할 것이며, 따라서 디바이스는 백색으로 보일 것이다.
이제, 디바이스를 광을 흡수하는 흑색 배경 상에 배치하면, 그 흑색 배경은 셀을 통해서는 보이지 않을 것이다. 또한, 셀을 가로지르는 전기장을 인가하면 액정 분자들은 전기장 방향으로, 즉, 기판(14)들에 수직 방향으로 배향될 것이며, 셀은 투명하게 될 것이며 흑색 배경이 보이게 될 것이다. 따라서, "전기장-온 상태"에서 셀은 흑색을 띄는 반면, "전기장-오프 상태"에서는 백색을 띄게 될 것이며,이는 각각 선택적인 광 반사 및 광 흡수를 도시하는 도 13A와 13B에서 개략적으로 도시된다.

Claims (46)

  1. 액정 디바이스로서,
    상기 액정 디바이스는 액정 벌크층(10) 및 카이랄 표면이라 불리는 적어도 하나의 표면에 영구적으로 부착된 결과 상기 벌크층(10)에 불균일하게 분포되는 카이랄 도펀트들(20)을 포함하며, 상기 카이랄 도펀트들(20)은 상기 액정 벌크층(10)에 용해가능한, 액정 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 카이랄 도펀트들(20)은 상기 카이랄 표면에 인접한 상기 벌크층(10)의 하위-부피(22)내에서 1이상의 카이랄리티-관련 물성들에 대한 국부적 변화를 유도하는, 액정 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 카이랄 도펀트들(20)은 상기 카이랄 표면에 인접한 상기 벌크층(10)의 하위-부피(22)내에서 1이상의 카이랄리티-관련 물성들에 대한 국부적 증가를 유도하여, 상기 카이랄 표면에서는 최대이고 상기 카이랄 표면(18)에서 멀어지는 방향으로 감소하는 불균일한 분포를 갖는 자발 분극의 발생을 야기하는, 액정 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 하위-부피(22) 내에서 상기 벌크층(10)에 인가된 전기장(E)에 대한 상기 벌크층(10)의 응답은 강유전성, 반강유전성, 플렉소일렉트릭및 상유전성 또는 그들의 임의의 조합 중 하나인, 액정 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서, 비도핑 벌크층(10)은 강유전성, 반강유전성, 플렉소일렉트릭 및 상유전성 중 하나인 전기장 응답을 나타내며, 상기 도펀트들(20)은 상기 전기장 응답을 강화시키도록 선택되는, 액정 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 액정 디바이스는 상기 액정 벌크층(10)을 한정하는 2개의 기판들(14)을 추가적으로 포함하며, 상기 카이랄 표면(18)은 상기 기판들(14) 중 하나 위에 위치되는, 액정 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 카이랄 표면은 상기 벌크층(10) 내부에 위치되는, 액정 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 액정 벌크층(10)은 아키랄 액정 재료를 포함하는, 액정 디바이스.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 액정 벌크층(10)은 아키랄 네마틱 액정 재료 또는 아키랄 스멕틱 액정 재료를 포함하는, 액정 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 벌크층(10)은 카이랄 액정 재료를 포함하는, 액정디바이스.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 카이랄 도펀트들(20)은 감광성 분자들을 포함하는, 액정 디바이스.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 카이랄 도펀트들(20)은 중합체 재료, 저중합체 재료 및 단량체 재료 중 적어도 하나로부터 제조되는, 액정 디바이스.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 도펀트들(20)은 유기 재료를 포함하는, 액정 디바이스.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 도펀트들(20)은 액정 특성들을 나타내지 않는 재료를 포함하는, 액정 디바이스.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 도펀트들(20)은 액정 특성들을 나타내는 재료를 포함하는, 액정 디바이스.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 카이랄 도펀트들(20)은 상기 표면(18)에 화학적으로 부착되는, 액정 디바이스.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 벌크층(10)은 상기 카이랄 표면(18)에 대하여 실질적으로 평행하거나 또는 비틀린 바람직한 배향을 갖는 표면 디렉터를 나타내는, 액정 디바이스.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 벌크층(10)은 비도핑 벌크 재료의 표면 디렉터의 스위칭이 전기장에 의해 직접적으로 제어가능하지 않는 액정 재료를 포함하는, 액정 디바이스.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 액정 디바이스는 상기 카이랄 표면(18)에 바람직한 분자 배향을 제공하기 위해 배치되는 별개의 배향층(32)을 추가적으로 포함하는, 액정 디바이스.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 별개의 배향층(32)은 비-동적(non-dynamic) 배향층(32)인, 액정 디바이스.
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 벌크층(10)은 상기 벌크층(10) 내에서 네마틱 디렉터의 트위스트된 구조를 갖는 네마틱 액정 재료를 포함하는, 액정 디바이스.
  22. 제 1 항에 있어서, 상기 벌크층(10)은 상기 벌크층(10) 내에서 네마틱 디렉터의 비-트위스트(non-twist)된 구조를 갖는 네마틱 액정 재료를 포함하는, 액정디바이스.
  23. 제 1 항에 있어서, 상기 벌크층(10)은 상기 벌크층(10) 내에서 네마틱 디렉터의 트위스트된 구조를 갖는 스멕틱 액정 재료를 포함하는, 액정 디바이스.
  24. 제 1 항에 있어서, 상기 벌크층(10)은 상기 벌크층(10) 내에서 네마틱 디렉터의 비-트위스트된 구조를 갖는 스멕틱 액정 재료를 포함하는, 액정 디바이스.
  25. 제 1 항에 있어서, 상기 벌크층(10)은 디스코틱(discotic) 액정 재료를 포함하는, 액정 디바이스.
  26. 제 1 항에 있어서, 상기 벌크층(10)은, 상기 벌크층(10)의 제 1 면 상에 배치되는 상기 카이랄 표면(18)과 상기 벌크층(10)의 대향면 상에 배치되는 비-동적 표면 배향층(32) 사이에 한정되는, 액정 디바이스.
  27. 제 1 항에 있어서, 상기 액정 디바이스는, 제 1 카이랄 표면(18)이라 불리는 상기 언급된 제 1 카이랄 표면(18)에 부가하여, 영구적으로 부착된 카이랄 도펀트들(20)을 갖는 제 2 카이랄 표면(18)을 추가적으로 포함하며, 상기 벌크층(10)은 상기 제 1 및 제 2 카이랄 표면(18)들 사이에 한정되는, 액정 디바이스.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 카이랄 표면(18)들은 반대 부호(Ps > 0 및 Ps < 0)의 자발 분극을 유도하는, 액정 디바이스.
  29. 제 27 항에 있어서, 상기 제 1 카이랄 표면(18)은 제 1 핸디드니스(handedness)를 나타내는 카이랄 재료를 포함하며, 상기 제 2 카이랄 표면(18)은 상이한 제 2 핸디드니스를 나타내는 카이랄 재료를 포함하는, 액정 디바이스.
  30. 제 27 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 카이랄 표면(18)들은 상이한 트위스팅 파워(twisting power)들을 나타내는 카이랄 재료들로 이루어지는, 액정 디바이스.
  31. 제 1 항에 있어서, 상기 액정 디바이스는 상기 벌크층(10) 내에서의 디렉터의 배향 스위칭을 광학적으로 가시적인 효과로 변형하도록 배치되는 수단(34, 36)을 추가적으로 포함하는, 액정 디바이스.
  32. 액정 디바이스를 제조하는 방법으로서,
    상기 액정 디바이스 제조 방법은 카이랄 도펀트들(20)을 액정 벌크층(10)에 영구적으로 불균일한 방식으로 분포시키는 단계를 포함하며, 상기 카이랄 도펀트들(20)은 상기 액정 벌크층(10)에 용해가능한, 액정 디바이스 제조 방법.
  33. 제 32 항에 있어서, 상기 액정 디바이스 제조 방법은 상기 불균일 분포를 유지하기 위하여 카이랄 표면이라 불리는 적어도 하나의 표면에 상기 도펀트들을 영구적으로 부착시키는 단계를 포함하는, 액정 디바이스 제조 방법.
  34. 제 33 항에 있어서, 상기 도펀트들(20)은 상기 벌크층(10)의 경계를 한정하는 적어도 하나의 표면(18)에 영구적으로 부착되는, 액정 디바이스 제조 방법.
  35. 제 33 항에 있어서, 상기 도펀트들(20)은 상기 벌크층(10) 내부에 위치하는 적어도 하나의 표면에 영구적으로 부착되는, 액정 디바이스 제조 방법.
  36. 제 33 항에 있어서, 상기 벌크층(10)의 재료와 상기 도펀트들(20)은, 상기 카이랄 도펀트들(20)이 상기 카이랄 표면(18)에 인접한 상기 벌크층(10)의 하위-부피(22) 내에서 1이상의 카이랄리티-관련 물성들에 대한 국부적 변화를 유도하도록 선택되는, 액정 디바이스 제조 방법.
  37. 제 32 항에 있어서, 상기 도펀트들(20)은 적어도 하나의 한정 기판의 내부 표면(18) 상에 증착되는, 액정 디바이스 제조 방법.
  38. 제 32 항에 있어서, 상기 도펀트들(20)은 2개의 한정 기판(14)들의 내부 표면(18)들 상에 증착되는, 액정 디바이스 제조 방법.
  39. 제 33 항에 있어서, 상기 카이랄 표면은 기판 표면(18)을 카이랄 재료로 코팅함으로써 형성되는, 액정 디바이스 제조 방법.
  40. 제 33 항에 있어서, 상기 액정 디바이스 제조 방법은 내부면 상에 배치된 비-동적 배향층(32)을 갖는 한정 기판(14)을 제공하는 단계를 추가적으로 포함하며, 상기 카이랄 표면은 상기 배향층(32)을 카이랄 재료로 코팅함으로써 형성되는, 액정 디바이스 제조 방법.
  41. 제 33 항에 있어서, 상기 액정 디바이스 제조 방법은 상기 카이랄 표면(18)의 중합을 형성시키기 위하여 UV 광 같은 광을 인가하는 단계를 포함하는, 액정 디바이스 제조 방법.
  42. 제 33 항에 있어서, 상기 액정 디바이스 제조 방법은 상기 카이랄 표면(18)의 중합을 형성시키기 위하여 온도 변화를 인가하는 단계를 포함하는, 액정 디바이스 제조 방법.
  43. 제 32 항에 있어서, 상기 액정 디바이스 제조 방법은 상기 도펀트들(20)을 제공하기 위하여
    표면(18)을 카이랄이고 중합가능하며 감광성인 도펀트 재료로 코팅하는 하위 단계;
    상기 도펀트 재료에 광을 조사함으로써 상기 도펀트 재료 내의 분자들을 바람직한 방향으로 배향시키는 하위 단계; 및
    카이랄 표면층을 형성하기 위하여 상기 배향된 도펀트 재료를 중합시키는 하위 단계를 포함하는, 액정 디바이스 제조 방법.
  44. 액정 벌크층(10)에 1이상의 카이랄 평면들을 형성하기 위한 방법으로서,
    상기 카이랄 평면 형성 방법은 광반응성 카이랄 단량체를 상기 액정 벌크층(10)에 용해시키는 단계, 및 상기 벌크층(10) 내의 1이상의 평면들에서 상기 용해된 광반응성 카이랄 단량체를 광-활성화시키는 단계를 포함하는, 카이랄 평면 형성 방법.
  45. 액정 벌크층(10)을 제어하는 방법으로서,
    상기 액정 벌크층 제어 방법은, 상기 벌크층(10)의 적어도 하나의 하위-영역(22)에서 전기장 응답 특성의 국부적 증가를 유도하기 위하여 상기 벌크층(10)을 상기 액정 벌크층(10)에 용해가능한 카이랄 도펀트들(20)로 도핑하는 단계, 및 상기 하위-영역(22)을 통해 간접적으로 상기 벌크층(10)을 제어하기 위하여 전기장(E)을 인가하는 단계를 포함하는, 액정 벌크층 제어 방법.
  46. 액정 디바이스의 액정 벌크층(10)에서 인-플레인 스위칭을 얻기 위한 방법으로서,
    상기 인-플레인 스위칭 획득 방법은, 상기 벌크층(10)의 관련 하위-표면 영역(22)에서 전기장에 의해 제어가능하며 상기 벌크층(10)과 상호작용하는 디렉터 방향을 갖는 상을 유도하는 적어도 하나의 카이랄 표면층을 상기 벌크층(10)에 접촉하여 제공하는 단계, 및 상기 하위-표면 영역(22)에서의 배향 변화를 형성시킴으로써 상기 벌크층(10) 내에서 인-플레인 스위칭(M1→M2)을 형성하기 위하여 상기 하위-표면 영역(22)에 전기장(E)을 인가하는 단계를 포함하는, 인-플레인 스위칭 획득 방법.
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