KR20060134048A - 중합 액정물질층을 구비한 기계적 셔터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중합액정층을 구비하는 셔터 요소를 포함하는 기계적 셔터에 관한 것이다. 중합액정은 비등방적으로 배향된다. 하나의 주요표면에서 배향은 비등방적이다. 주요 대향면으로 이동하는 동안 배향이 변화하는데, 상기 변화는 열팽창계수가 주요표면에서 대향표면으로 이동하는 동안 변화하는 것이다. 열과 같은 비기계적 수단에 노출될 때, 상기 셔터 요소는 움직인다. 예를 들어 펴지거나 꼬인 네마틱 배향이 사용될 때, 상기 요소는 비기계적 수단에 반응하여 굽어지거나 펴진다. 전극(604, 605, 606)은 상기 요소와 지지기판에 선택적으로 형성될 수 있어서, 요소에 얻어진 정전기력으로 인하여 상기 전극들 사이에 인가된 전기장으로 조절가능하게 한다. 또한 본 발명은 본래 중합을 이용하여 이러한 기계적 셔터의 제조방법을 제공한다.

Description

중합 액정물질층을 구비한 기계적 셔터{MECHANICAL SHUTTER WITH POLYMERISED LIQUID CRYSTAL LAYER}

본 발명은 기계적 셔터, 이러한 셔터를 포함하는 디스플레이 요소 및 이러한 셔터의 제조방법에 관한 것이다.

마이크로 기계 열구조(micro-mechanical thermo structure)는 예를 들어 미국 특허 US 제 4,235,522호에서 미리 알려졌다. 여기에 기재된 기법은 다음 절차에 따라 제조되는 롤-업 디바이스(roll-up device)를 기초로 한다. 약 1 내지 5 ㎛의 두께를 갖는 폴리에스테르 필름은 얇은 알루미늄 코팅으로 코팅된다. 이러한 코팅 필름은 축전필름(capacitor film)으로 사용하기 위해 시판되고 있는 것을 이용할 수 있다. 상기 필름은 신장되어 투명 ITO 상대 전극을 구비한 기판에 스트립 패턴(stripped pattern)으로 국부적으로 접착된다. 계속해서, 패턴화된 롤링 블라인드(rolling blind)는 레이저 절단에 의해 원하는 형태로 절단된다. 필름 상의 기계적 응력으로 인하여, 필름의 자유 고정부(플랩)는 부가된 기계적 응력 및/또는 가열 단계 기판으로부터 떨어져나가며, 절단 동안 말려 올라갈 수 있다. 각각의 요소는 셔터로서 작용하고 전극구조(플랩 상의 알루미늄 전극 및 기판 상의 ITO 전극)에 전기장을 인가하여 조절된다. 전기장은 롤 상태에서 직선 상태로 풀린 각각의 플랩에서 정전기력을 유도하여, 광을 차단하며, 그렇지 않았다면 광을 투과한다.

이것이 마이크로-기계적 셔터를 제조하는 훌륭한 방법을 제공한다 할지라도 이 접근방법은 많은 단점을 나타낸다.

레이저 절단 절차는 레이저 절단 공정 상에서의 한정된 해상도로 인하여 20 ㎛ 이상의 개구 선을 갖는 일반적으로 100 ㎛인 비교적 큰 구조로 제한된 상태로 유지된다. 불가능하지 않다 하더라도, 이것은 추가의 최소화를 어렵게 한다.

금속 거울로 코팅된 초박(ultra-thin) 폴리에스테르 필름의 적층물 공정은 어렵다. 상기 필름은 필름의 매우 작은 두께 때문에 취급하기 어렵고, 필름을 방해없이 넓은 거리에 걸쳐서 균일하게 펴는 것은 특히 어렵다. 또한 이것은 원하는 특정 기능을 위해 최적화된 필름 두께에 대해 선택 의 자유를 제한하는데, 필름이 얇을수록 취급상 어려움이 더 커진다.

블라인드가 열리고 닫히는 방향으로 조절이 되지 않는다. 블라인드는 모두 동일한 방향으로 움직이며, 다른 방향에서의 움직임에 대한 최적화는 플라스틱 필름 조각을 절단함이 없이 그리고 다른 방향으로 각각의 배향축으로 필름 조각을 국부적으로 고정함이 없이 가능하지 않다.

그러므로 상기 기술된 문제점을 해결하고 많은 다른 디자인으로 제조하기 쉬운 기계적 셔터를 제공하는 광빔을 변조시키기 위한 개선된 기계적 셔터의 요구가 있다.

이를 위해, 본 발명은 온도 차 및/또는 정전기력에 반응하는 기계적 셔터를 설명한다.

따라서, 본 발명의 한 양상에 따르면, 기계적 셔터는 셔터 요소에 의해 조절가능한 광경로를 가지며, 여기서,

상기 셔터 요소는 배향된 중합 액정층을 포함하고, 상기 중합된 액정은 층이 적어도 하나의 주요 표면 근처에서 비등방적으로 배향되고, 상기 적어도 하나의 주요 표면으로부터 상기 적어도 하나의 주요표면에 대향하는 주요 표면으로 이동할 때, 배향 및/또는 농도 상에 변화를 나타내고;

상기 변화는 셔터 요소의 측면 확장에 따른 열팽창 계수가 상기 측면 확장에 수직하는 상기 셔터요소 내의 깊이의 함수이고;

제1 온도에서, 상기 셔터 요소는 기본적으로 편평하여 상기 광 경로는 닫히고, 제2 온도에서, 상기 셔터 요소는 굽어져서 상기 광 경로는 열린다.

이러한 광 셔터는 제조의 용이함 뿐만 아니라 우수한 셔터 작용을 제공한다. 셔터 요소는 배향 상태에서 중합가능한 액정(예를 들어, 액정 단량체)을 중합하여 형성될 수 있다.

기계적 셔터는 임의의 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 이층은 약 1 ㎠ 내지 약 1 ㎡의 표면적을 가지지만 이것은 또한 이보다 작을 수 있는데, 예를 들어 약 10 ㎟ 내지 약 10,000 ㎟ 또는 이보다 작을 수 있는데, 예를 들어 약 10 ㎛² 내지 약 10,000 ㎛²일 수 있으며, 후자의 경우에 기계적 셔터는 또한 마이크로 기계적 셔터로 언급된다.

층에서 액정 단량체의 평균 배향은 중합 동안 외부 배향 층에 의하여 및/또는, 배향 및/또는 농도의 변화를 야기하기 위해 계면활성제를 액정 혼합물에 첨가하여 중합 전에 조절될 수 있다.

중합 동안, 중합가능한 액정의 배향은 중합체 층에 고정된다.

기본적으로, 셔터 요소에서 하나의 특정한 측면 방향이 깊이의 함수인 열 팽창 계수를 초래하는 배향 및/또는 농도의 변화를 나타내는 데에 충분하다. 예를 들어, 셔터 요소는 본질적으로 직사각형이어서, 기판의 외부 모서리 중 하나를 따라 하부 기판(또는 이와 유사한)에 부유시키는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 상기 부유된 모서리에 수직인 측면 방향이 깊이에 따라 열 팽창 계수를 가지는 데 충분하다.

사실상 중합 액정층은 각각 별개의 배향을 갖는 두 개 이상의 층의 적층물을 연결할 수 있다.

그러나, 하나의 유리한 실시예에 따르면, 셔터 요소는 중합 액정층을 포함하고, 상기 셔터 요소의 측면 확장에 따른 열 팽창계수는 상기 측면 확장에 수직인 상기 셔터 요소에서 깊이의 연속 함수로 되도록 변화는 연속적이다.

이것은 제조의 용이함을 제공하기 때문에 유리하다. 액정 혼합물의 임의의 부가층은 부가적인 증착단계를 요구할 수 있다.

중합 액정층의 열 반응에 대한 기초는 분자가 장축에 수직한 축의 열 팽창계수 보다 장축을 따라 다른 열 팽창 계수를 갖는다는 것이다. 이것에 의해, 열 반응은 분자의 평균 배향에 달려 있을 것이다.

배향 및/또는 농도의 변화를 야기하는데는 많은 방법이 있다. 이러한 점에 대해 참조문헌으로 본 출원과 동일자로 출원된 "비 기계적 수단에 의해 이동가능한 플랙시블 호일"이라는 명칭의 출원을 참조하기 바란다.

상세하게는, 일 실시예에 따르면, 중합 액정은 꼬인 네마틱 배향(twisted nematic orientation)을 갖는다. 상기 꼬임(twist)은 이 층의 적어도 하나의 주요표면에서 비등방성 배향은 대향면에서 비등방성 배향에 수직인 바람직하게는 90°이고, 중간 분자는 두 개의 수직하는 가장자리 배향 사이에 배향을 점차적으로 변화시킨다.

또 다른 실시예에 따르면, 중합 액정은 펴진(splayed) 배향을 갖는다. 이 경우, 층의 적어도 하나의 주요 표면에서 비등방성 배향은 상기 층과 평행하고, 대향면 상의 비등방성 배향은 상기 층에 수직이다(즉, 분자 배향은 대향면에 수직이다).

이러한 중합 액정 배향을 포함하는 층은 예를 들어, 평면기판 상에서스핀코팅에 의하여 박막(thin film)으로서 도포되는 중합가능한 액정을 중합하여 만들어진다. 이러한 경우, 상기 혼합물은 바람직하게는 용매에서 용해된 후 이 용매는 이후 증발된다.

상기 기판은 연마된(rubbed) 배향층을 구비할 수 있다. 상기 배향층에 접하는 분자는 상기 배향층의 연마 방향과 평행하게 배향할 것이다. 배향층은 폴리이미드로 형성될 수 있다. 판매되는 폴리이미드 용액은 예를 들어, JSR사의 AL3046을 구입할 수 있다. 이것은 예를 들어 스핀코팅 후에 용매가 제거되는 200 ℃에서 베이킹하여 박막으로서 기판에 도포될 수 있다. 그 후 이 층은 폴리에스테르 직물(fabric)을 이용하여 단일반향으로 연마될 수 있다. 그러나, 연마된 폴리비닐알코올은 폴리이미드의 대안으로서 배향층에 사용될 수 있다. 폴리비닐알코올 사용의 이점은 액정 혼합물의 도포와 경화 후에 폴리비닐알코올은 물에서 용해될 수 있다는 점이다. 이에 따른 중합층은 분자 배향을 유지하면서 기본적으로 어떠한 응력 없이 기판에서 제거될 수 있다.

중합 액정은 일반적으로 전자기 스펙트럼의 가시부에 투명하고, 예를 들어 중합 액정의 복굴절 특성을 이용하는 편광체가 사용되지 않는다면, 본질적으로 셔터 요소의 광 차단 특성을 제공하지 않을 것이다. 그러나 액정 단량체가 가시광을 흡수하도록 소량의 염료를 액정 단량체에 용해시키는 것이 더 편리하다. 그러므로, 일 실시예에 따라 액정 혼합물은 광 흡수 염료를 포함한다. 가시 스펙트럼의 대부분을 덮고 단량체 혼합물에 잘 용해할 수 있는 편리한 염료는 일반적으로 약 2중량%의 농도로 도포되는 다음의 아조염료(azo dye)이다.

가시광을 차단하기 위한 또 다른 바람직한 방법은 중합 액정 필름을 개별적인 광차단 층으로 코팅하는 것이다. 그러므로, 일 실시예에 따르면 상기 셔터 요소는 중합 액정층에서 분리하는 광 차단 층을 더 포함한다. 상기 층은 흡수(컬러 또는 검은 색) 또는 산란(불투명) 특성을 구비한 유기물층일 수 있다. 그러나 바람직한 실시예에서 이것은 알루미늄과 같은 광 반사 금속층이다. 광 차단 층은 필름의 기계적 작용(즉, 굽힘 특성)에 영향을 주지 않을 정도로 충분한 두께로 도포되는 것이 바람직하다. 셔터 요소는 일측이 기판과 면하도록 배열되는 경우, 개별적인 광 차단층은 셔터 요소의 대향측에 제공되는 것이 바람직하다.

상기 셔터요소는 열 변화에 의해 조절될 수 있다. 이것은 예를 들어 주변 온도 변화에 반응하는 자동 광 셔터가 요구되는 용도에 유리하다. 그러나, 가열 신호를 이용하여 예를 들어, 전자제어 유닛에 반응으로 뜻대로 셔터요소를 제어하는 것이 조금 어려울 수 있다. 이것은 특히 셔터요소가 개별적으로 조절되고 각각이 개별적으로 조절가능한 열원을 요구하는 많은 수의 셔터요소를 갖는 광 셔터의 경우이다.

이를 위해, 일 실시예에 따라 마이크로 기계적 셔터는 상기 셔터 요소가 부유되는 하부 기판, 상기 광경로를 가로지르는 하부 기판에 제공된 투명 하부전극, 및 상기 셔터 요소에 제공된 셔터 전극을 더 포함한다. 이것에 의해 상기 셔터 요소는 상기 전극 사이의 정전기력에 의해 조절된다. 상기 셔터는 각각의 전극에 인가되는 전압으로 나타나는 전기력으로 직접 조절될 수 있게 하기 때문에, 이것은 실제로 유리한 실시예이다. 투명 하부 전극은 예를 들어 산화 인듐 주석으로 형성될 수 있다.

물론, 상기 셔터 요소가 정전기력으로 조절할 수 있는 경우, 열 팽창 계수는 실제로 작동을 위해 덜 중요하다. 그 보다도 이것은 정전기력에 대한 반응을 나타내는 셔터 요소의 내굴곡성(유연성)이다.

상기 셔터 요소가 개별적인 광 차단층을 구비하는 경우, 이것은 상기 셔터 전극과 결합되는 것이 바람직하다. 그러므로, 일 실시예에 따라, 광 차단층과 차단전극은 단일의 광 차단 및 전기 전도성 물질로 형성된다. 이에 따라 제조는 간단하게 된다. 상기 물질이 예를 들어 알루미늄일 수 있으며, 이 알루미늄은 이러한 경우 셔터 요소에 스퍼터링(sputter)될 수 있다.

상기 기재된 바와 같이, 광 셔터는 단지 하나의 셔터 요소를 포함할 수 있다. 그러나, 대부분의 용도는 단일의 셔터 요소를 이용하는 것이 가능한 것 보다 큰 총 개구영역을 필요로 한다. 뿐만 아니라, 예를 들어 각각의 셔터 요소가 개별적인 화소(픽셀)를 제한하고 조절하는데 사용될 수 있는 디스플레이 용도에서 총 개구영역의 다른 영역을 동적으로 조절할 수 있는 것이 종종 바람직하다. 그러므로, 일 실시예에서, 광 셔터는 개별적인 전극에 의해 각각 조절할 수 있는 셔터 요소의 배열을 포함한다.

물론, 상기 셔터 요소가 전극을 구비하지 않는다 하더라도 셔터 요소의 배열은 제공될 수 있다.

상기 배향은 전체 셔터 요소에 걸쳐서 동일할 수 있어서, 열 팽창 계수는 동일한 방법으로 전체 셔터 요소의 깊이에 달려있다. 이러한 경우 셔터 요소는 일반적으로 굽어진 U자 형태의 상태와 기본적으로 편평한 직선상태 사이를 조절할 수 있다.

그러나, 실시예에 따라, 중합 액정 층은 상호 다른 변화는 갖는 공간적으로 분리된 제1 부분과 제2 부분을 포함한다.

예를 들어, 일부분에서 깊이에 따라 증가하고 다른 부분에서 깊이에 따라 감소하는 열 팽창 계수를 갖는 셔터 요소는 일반적으로 S자 형태로 굽어질 것이다. 그러므로, 셔터 요소의 다른 부분에서 적절한 배향 선택에 의해, 온도 변화에 대해 다른 방식으로 요소들이 굽어지는 것을 제공할 수 있다.

마이크로 기계적 셔터는 많은 용도에 사용될 수 있다. 본 발명의 일 양상에 따라, 마이크로 기계적 셔터를 포함하는 디스플레이 요소가 제공된다. 상기 디스플레이 요소는 각각 개별적인 픽셀을 한정하는 복수의 셔터요소를 포함하는 것이 바람직하다. 디스플레이 용도에서, 상기 기재된 바와 같이 개별 전극으로 배열되는 셔터 요소의 배열을 제공하는 것이 특히 유리하다.

일 실시예에 따라, 각각의 셔터 요소는 불투명하고 상기 디스플레이는 각각의 광 경로에 제공된 컬러필터 요소를 더 포함한다. 이 구성은 투과성뿐만 아니라 반사성 디스플레이에도 사용될 수 있다. 상기 디스플레이가 투과성인 경우, 컬러필터는 특정한 컬러에 투과성인 것이 바람직하고 나머지 컬러를 흡수한다. 상기 셔터요소가 열렸을 때, 해당 픽셀은 백라이트로부터 발생하는 컬러광을 방출할 것이고, 상기 셔터 요소가 닫혔을 때 해당 픽셀은 검은 색이 될 것이다. 상기 디스플레이가 반사성인 경우, 컬러 필터는 일정한 컬러에 대해 반사성인 것이 바람직하고, 나머지 색들은 흡수한다.

또 다른 실시예에 따라, 상기 셔터 요소는 일정한 컬러의 광 및 기본적으로 검은 색의 광을 반사하고, 광 흡수 표면은 광 경로에 제공된다. 이 구성은 반사성 디스플레이에 특히 유리하고, 상기 셔터 요소는 닫혔을 때(직선), 픽셀은 색을 띠고, 상기 셔터 요소가 열렸을 때 검은 색이 된다.

이와 같이 광 셔터 상의 이점 뿐만 아니라, 광 셔터는 더구나 종래의 제조 장치와 방법을 이용하여 제조하는 것이 간단하다. 중합가능한 액정층은 예를 들어 스핀 코팅, 닥터 블레이딩 또는 슬롯 다이 압출 코팅기로 형성될 수 있고 전극 층은 예를 들어 증착 또는 스퍼터링 코팅에 의해 형성될 수 있다. 비조광부(non-illuminated part)는 비중합 상태로 남아 있어서 메틸에틸케톤, 자일렌 또는 테트라하이드로퓨란과 같은 보통의 유기용매에 용해하는 반면, 혼합물의 광 개시 중합으로 마스크를 통한 리소그래픽 노출은 조광부(illuminated part)가 중합하여 고체 및 불용성이 됨에 따라 마스크의 네가티브(negative) 패턴을 부여할 수 있다. 그러나, 광 중합과 다른 방법은 본래 중합(in situ polymerization)에 사용될 수 있다.

그러므로, 본 발명의 다른 양상에 따라, 마이크로 기계적 셔터의 제조방법은

기판에 배향층을 도포하는 단계;

상기 배향층에 중합가능한 액정층을 도포하는 단계;

상기 중합가능한 액정을 배향하고 중합하여 배향된 중합액정층을 포함하는 적어도 하나의 셔터 요소를 한정하는 단계; 및

임의의 과도한 중합가능한 액정을 제거하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.

제조공정은 배향층을 상기 기판 및 상기 전극층에 도포하는 단계를 수반한다. 상기 배향층은 예를 들어 경화된 폴리에스테르 직물로 연마된 폴리이미드로 형성될 수 있다. 그 후에 중합가능한 액정층은 상기 배향층에 도포되고, 상기 중합가능한 액정이 배향되고 중합되어, 적어도 하나의 셔터 요소가 한정된다. 중합은 마스크를 통해 중합체 상의 네카티브 이미지의 마스크를 초래하는 자외선 광의 선택적 노출에 의한 광중합으로 수행될 수 있다. 결국, 과량의 중합가능한 액정(예를 들어, 불투명한 마스크 영역 아래)은 제거된다.

상기 층들은 상승된 온도, 바람직하게는 바로 중합 액정의 유리전이온도 이상에서 중합되는 경우, 중합 층은 상승된 온도에서 다소 편평할 것이다(즉 직전 또는 굽어지지 않은). 그러나, 측면 방향에 따라 측정되었을 때 필름의 상부는 필름의 하부 보다 더 높은 열팽창 계수를 갖기 때문에, 상기 필름이 실온에서 냉각되었을 때 상기 필름은 응력이 증가하는 경향이 있다. 필름이 상기 기판에 부착하는 한, 기판은 편평하게 유지된다. 그러나, 필름이 기판으로부터 방출되는 한, 응력은 필름을 말려진 형태로 이르게 할 것이다.

기계적인 셔터가 전극을 포함할 경우, 제조 공정은 액정 혼합물의 도포 이전에, 기판에 투명 전극층을 제공하는 단계를 더 수반할 수 있다. 전극층은 예를 들어 산화 인듐 주석(ITO)으로 형성될 수 있는데, 상기 ITO는 포토 레지스트 물질의 박막의 도포를 포함하고, ITO의 용해성이 변하는 마스크를 통해 포토레지스트 물질을 광화학성 방사선에 노출시키고, 상기 레지스트를 현상하고, 전극 패턴이 얻어지기 위해 상기 투명전극을 국부적으로 에칭 액체에서 용해하는 보통의 리소그래픽 절차에 의해 패턴화될 수 있다. 그 다음 제조방법은 전기전도성 물질의 층을 상기 셔터 요소에 도포하는 단계를 더 수반하여 셔터 전극을 한정한다. 상기 셔터 전극은 예를 들어 알루미늄으로 형성될 수 있고, 셔터 전극을 도포하는 단계는 알루미늄을 셔터 요소에 스퍼터하는 것을 수반할 수 있다.

일 실시예에 따라, 중합단계는 마스크를 통해 광중합하는 것을 수반하고, 적어도 30분간 120℃ 이상의 온도에서 상기 액정 혼합물을 어닐링하는 단계에 후속되는 것이 바람직하다.

펴진 배향(splayed orientation)이 바람직할 경우, 액정 혼합물은 임의의 공기 경계면의 표면에 수직하게 긴 분자축을 배향하여 (즉, 수직 배향에서)자유 에너지를 최소화하는 경향이 있는 계면활성제를 포함할 수 있다. 기판에서 연마된 배향층과 결합하는 이러한 계면활성제는 실질적으로 자체의 분자 배향을 펴진 형태(기판에 평행하고 대향 면, 즉 공기 접촉 표면에 수직하게)로 만들 것이다.

따라서, 일 실시예에 따라, 중합가능한 액정은 공기에 접했을 때, 중합가능한 액정 단량체의 수직 배향을 촉진시키는 계면활성제를 포함하며, 중합단계는 중합가능한 액정층을 공기에 노출시키면서 수행된다.

대안적으로, 수직 분자 배향은 계면활성제로 변형되는 제2의 임시 기판에 대해 상기 단량체를 중합하여 얻어질 수 있다. 이러한 경우, 상기 혼합물은 임의의 용매를 포함하는 것을 필요로 하지 않으나, 대신에 코팅된 (영구적)기판에 의해 일측에서 제한된 슬릿을 배향층으로 충진하고 변형된 임시 기판에 의해 타측에서 제한된 슬릿을 예를 들어, 옥타데실 트리메톡시 실란인 수직 분자 배향을 유도하는 계면활성제로 충진하여 도포될 수 있다. 충진은 예를 들어 80 ℃인 상승된 온도에서와 모세관 힘이 기본적으로 발생하는 작용 하에서 수행되는 것이 바람직하다.

그러므로, 일 실시예에서 상기 방법은 상기 중합 가능한 액정에 바람직한 배향을 유도하는 상기 중합가능한 액정과 접하는 제2의 임시 기판을 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 중합가능한 액정을 중합하는 단계는 상기 제2의 임시기판이 상기 중합가능한 액정과 접하면서 수행된다.

그러나, 심지어 꼬인 네마틱 배향이 바람직할 경우, 융용된 액정 혼합물은 상기와 유사한 두 개의 기판 사이에 모세관 충진일 수 있다. 이러한 경우, 양 기판(영구기판과 임시기판)은 서로에 수직인 연마 방향을 갖는 연마된 배향층을 구비하여야 한다. 각각의 경계면 근처의 액정 분자의 배향은 각각 연마된 배향층의 방향을 따른다. 그 사이에서 중간에 끼인 평균 분자 배향은 제1 배향에서 제1 배향과 수직인 제2 배향으로 연속적으로 변화한다. 다른 꼬임 회전 방향(handedness)을 갖는 도메인을 형성하는 것을 방지하기 위해, 소량, 예를 들어 0.1중량%의 키랄 도핑제(chiral dopant)가 시스템에 첨가될 수 있고, 이로 회전 방향을 조절할 수 있다. 상품명 S811(Merck, Darmstadt, Germany)로 시판되고 회전의 좌선선을 유도하는 적당한 키랄 도핑제를 이하의 화학식을 나타낸다.

이하에서, 본 발명은 첨부된 예시의 도면을 참조하여 보다 상세히 설명될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 셔터 요소에서 중합 액정의 배향을 개략적으로 나타낸 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 다른 셔터 요소의 중합된 액정 배향을 개략적으로 나 타낸 도면.

도 3은 꼬인 네마틱 배향을 갖는 요소에서 굽어지는 것을 개략적으로 나타낸 도면.

도 4는 펴진 배향을 갖는 요소에서 굽어지는 것을 개략적으로 나타낸 도면.

도 5는 본 발명에 따른 기계적 셔터의 제조 단계를 도시한 도면.

도 6은 전기장의 작용 하에서 셔터의 기계적 변형(열림과 닫힘)을 도시한 도면.

도 7은 셔터 요소의 메트릭스 배열을 포함하는 본 발명에 따른 기계적 셔터에 횡방향으로 가해지는 여러 전압에 반응하는 투과성을 나타낸 곡선.

도 8은 셔터 요소의 매트릭스 배열을 포함하는 기계적 셔터에 대한 구동 체계를 도시한 도면.

도 9는 본 발명에 따른 디스플레이 요소를 도시한 단면도.

기계적 반응은 특정한 분자 배향에서 발생한다. 분자는 도 1에서 개략적으로 나타낸 바와 같이 예를 들어 펴진 배향(splayed orientation)을 가질 수 있다. 그러므로, 도 1은 상부 주요 표면(101)과 하부 주요 표면(102)을 갖는 중합 액정 층(100)을 도시한다. 상기 하부 표면과 접하는 중합 액정(112)은 비등방적으로 배향되고, 상기 배향은 기본적으로 상기 하부 기판(102)에 평행하다. 상부 표면에 접하는 액정 분자는 또한 비등방적으로 배향되지만, 기본적으로 상부 기판(101)에 수직이다. 중간에 위치한 액정 분자(110)는 거의 평행에서 거의 수직으로 진행하는 점차적으로 기울어지는 배향을 가져서, 배향의 연속적인 변화를 제공한다.

중합 액정의 열 팽창 계수는 여기에 포함된 중합액정유닛의 배향에 달려있다. 열팽창계수는 일반적으로 분자축에 따르는 것 보다는 이러한 액정 유닛의 축에 수직하는 축이 더 크다. 그러나, 디스코틱(discotic) 액정에 대해서는 대향면이 일반적으로 그러하다. 그러나, 열 팽창 계수가 축에 따라 더 작아진다고 가정하면, 도 1에서 도시된 층은 가열될 때 하향하고 냉각될 때 상향하게 굽기 때문에 가열될 때, 하부면(102)과 접하고, 상부면(101)이 팽창한다(화살표로 나타낸 바와 같이).

도 2는 대안적인 설계를 도시하며, 도 2에서 분자 배향은 층(200)내의 영역마다 다르다. 그러므로, 제1 부분(201)에서 액정 분자는 하부에서 평행하고 상부에서 수직하는 제1의 배향을 갖는다. 그러나, 제2 영역(202)에서, 분자배향은 거꾸로 뒤집혀서, 평행 배향은 상부에 있고 수직 배향은 하부에 있다. 이러한 층을 가열(또는 대안적으로 냉각) 했을 때, 이 층은 화살표로 표시한 바와 같이 S자 형태로 굽어질 것이다.

대안적으로, 꼬인 네마틱 분자 배향을 사용하는 것이 가능하다. 이러한 경우, 분자는 90°의 꼬임을 가지는 것이 바람직하다. 이러한 배향은 온도 변화에 유사한 반응을 야기할 것이다. 펴진 형태와 꼬인 형태는 모두 선형 열 팽창에 있어 차이를 제공할 것이다. 꼬인 형태에서 양측에서 본 발명은 액정 배향의 비등방성을 가지기 때문에 필름의 상부와 하부에서 양쪽 두 방향으로 선형 팽창에 차이가 있을 것이다. 이것은 도 3에 도시한 바와 같이 상부와 하부에서 반대 굽힘을 야기하였다. 그러나, 꼬인 배향은 기하학으로 금지된 상태를 야기하여서 얻어진 굽힘은 다 소 불규칙할 수 있다. 단지 높은 가로세로비(high aspect ratio)의 견본, 즉 길이(ℓ)가 너비(w) 보다 훨씬 더 큰 샘플(일반적으로, ℓ/w > 5일 때)은 조절된 방식으로 굽어질 것이다.

그러므로, 펴진 배향은 많은 용도에 적합할 것이다. 열팽창의 차이는 한 방향으로만 나타나고, 층의 상부와 하부 표면은 반대방향에서 동일한 열 팽창을 가진다. 이것은 도 4에 도시된 굽힌 상태를 야기한다.

다른 말로 하면, 꼬인 형태에 대해:

반면 펴진 형태에 대해:

이러한 수식의 세트는 펴진 형태가 보다 제어된 방법으로 굽어지게 만든다.

셔터 요소의 매트릭스 배열을 갖는 기계적 셔터는 도 5에 도시된 다음의 제조단계를 이용하여 제조될 수 있다.

단계 1

유리기판(501)은 산화 인듐 주석(ITO)의 스트라이프 패턴(502)을 구비한다. 결국, ITO 코팅된 유리 플레이트는 포토레지스트로 덮여지고 마스크를 통해 조광된다. 그 후 ITO는 에칭되고 상기 레지스트는 스트라이프 형성된다. 전극이 곧 특별할 용도로 요구되지 않은 경우, 이 단계는 물론 생략될 수 있다.

단계 2

ITO 패턴은 제거가능한 배향층(503)의 구조를 갖게 패턴 방식으로 코팅된다. 편리하게 폴리비닐알코올은 오프셋 프린트되고 이후 ITO 스트라이프(502)에 평행한 방향으로 연마된다.

그러나, 폴리비닐시나메이트는 배향층의 대안으로서 사용될 수 있다. 이 물질은 도포될 수 있고 네가티브 마스크를 통해 편광된 UV 광을 이용하여 국소적으로 교차결합된다. 이 방법으로 다른 국소 배향을 구비한 패턴이 제공될 수 있다. 비 조광영역은 용매로 세척될 수 있다. 노출된 영역은 편광 광의 E-벡터에 수직하는 방향으로 액정 분자를 배향할 수 있다.

단계 3

단계 2로부터 얻어진 합성물은 예를 들어 스핀 코팅으로 중합가능한 액정의 층(504)으로 덮여진다. 배향 층의 위치에서, 중합가능한 액정은 배향층 경계면과 평행하게 배열하며, 즉 수평 배향이 얻어진다. 단량체-공기 경계면에서, 대신 중합가능한 액정을 도 1에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 경계면에 수직으로 배향하며, 즉 수직배향이 얻어진다. 스핀코팅은 용매로서 자일렌(xylene)을 이용하여 단량체의 40중량% 용액으로 수행될 수 있다. 700 rpm의 스핀 단계는 용매의 증발 후에 3.2 ㎛ 두께의 필름을 생산한다. 적합한 중합가능한 액정은 예를 들어 다음의 성분을 포함한다:

액정 단량체 1

액정 단량체 2

액정 단량체 3

LC 단량체 1 : LC 단량체 2 : LC 단량체 3의 비는 중량비로 6:2:2가 바람직하다. 중합에 있어 자외선 광에 대한 민감도를 증가시키기 위해, 광개시물질은 2중량%로 첨가된다. 편리한 광개시물질은 Ciba Geigy사가 제조한 Irgacure 651이다. 이 중합가능한 액정은 기판의 연마된 폴리이미드 배향층에 용융될 수 있다. 대안적으로 중합가능한 액정은 용액으로부터 기판에 코팅될 수 있다. 결국 상기 혼합물은 예를 들어 자일렌에서 용해될 수 있다. 이 용액의 스핀 코팅을 위해 단량체의 농도는 약 40중량%가 바람직하다. 자일렌의 증발 후에 필름의 일반적인 두께는 약 4 ㎛이다. 중합가능한 액정은 배향층의 연마방향에 거의 평행하는 분자의 종축의 배향과 함께 수평방식으로 상기 배향층에 인접하여 정렬한다. 액정층의 대향면에서 배향 종축(일반적으로 공기와 접하는 표면)은 그러한 표면에 대략 수직이다. 필름의 횡단면 위에서 분자의 평균 배향은 수평에서 수직으로 연속적으로 변화한다(즉, 상기 분자는 펴진 배향을 갖는다).

수직배향(즉, 상기 표면에 수직하게 배향된 분자의 평균방향)을 촉진시키거 나 수평배향(즉, 상기 표면에 평행하여 배향된 분자의 평균방향)을 촉진시키는 계면활성제는 분자의 바람직한 배향을 촉진시키기 위해 중합가능한 액정에 첨가될 수 있다. 계면활성제는 반응성이 바람직하여 액정 단량체와 공중합한다. 또한 계면활성제 자체가 액정이라면 유리하여 계면활성제는 전체의 액정구조에 기여하기 때문이다. 수직 배향을 촉진하는 것으로 알려진 반응성있는 액정 계면활성제의 예는 하나의 말단에 시아노기(cyano groups)를 포함하는 액정 단량체와 다른 하나의 말단에 아크릴레이트와 같은 중합가능한 기로 변형된 알킬렌기(alkylene group)이다. 이러한 계면활성제의 일 예는 실제로 상기 특정된 "액정 단량체 2"이다. 다른 예는:

단계 4

중합가능한 액정은 불완전한 상태를 제거하기 위해 꼬이거나 펴진 상태에서 상승된 온도로 소정의 시간동안 어닐된다. 배향된 중합가능한 액정은 네가티브 마스크를 통해 UV 노출(예를 들어, 365 ㎚)로 상승된 온도, 예를 들어 100 ℃에서 이후 광중합된다. 이 마스크는 전극 라인과 상기 전극 라인에 수직하여 변환 호일요소(505)가 서로 분리되는 것이 요구되는 영역 사이의 영역에서 UV 광을 차단한다. 중합 후에, 반응하지 않는 중합가능한 액정은 THF(테트라하이드로퓨란)에서 용해되어 제거된다.

상기 배향은 중합층의 광 지연을 측정하고 중합층을 수평 방식으로 분자의 굴절률의 알려진 값과 비교하여 검사된다.

단계 5

후속 단계에서, 폴리비닐알코올 배향층은 물에서 용해하여 제거된다. 이 공정은 소량의 알코올(10부피%)을 물에 첨가하여 보조된다. 상기 폴리비닐알코올이 용해할 때, 모세관 힘으로 발생할 수 있는 하부 기판의 고착을 방지하는 것을 돕는 독립된 필름이 형성된 상기 요소(505)는 말리는(롤-업) 경향이 있다. 이것은 모세관 고착이 종종 발생하기 때문에 엄청난 이점이고, 보수하기 어려운 현상이다.

또한 플랩(flap)의 컬링(curling)은 폴리비닐알코올 층(희생층으로 작용)의 빠른 제거에 기여한다. 이것은 컬링이 발생하자 마자 비교적 큰 용매(물)의 부피가 비교되는 중합체와 접촉하여 제거가 매우 좁은 모세관을 통해 발생하게 끔 존재하기 때문이다.

그러나, 만약 요소의 처리가 추가로 필요하다면, 곡선 형태는 종종 적합하지 않을 것이다. 예를 들어, 추가 층을 도포하는 것은 편평한 상태에서 발생하는 것이 바람직할 것이다. 이것을 성취하기 위해, 이 요소는 상승된 온도, 일반적으로 이들이 본래 중합되거나 이 온도에 적어도 근접한 온도로 다시 가열되는 것을 필요로 한다.

단계 6

셔터 전극이 바람직할 경우, 후속 단계는 요소(505) 위에 얇은 금속 막(506), 예를 들어 알루미늄의 증발을 수반할 수 있다. 그러므로 샘플은 중합 온도(예를 들어, 100 ℃)로 가열되어, 이에 따라 독립된 요소(플랩)(505)가 정렬한 다. 충분한 거리에서 소스(source)(평행 증발 빔)로 증착에 의해 플랩이 금속 거울로 커버될 뿐만 아니라 플랩이 기판에 열린 상태로 남겨지는 위치의 하부기판도 덮여진다. 이것의 이점은 요소가 차단(닫힌)상태에 있을 때, 플랩 사이의 비접촉 개구부는 광 투과에 대해 열리지 않지만 광은 기판에서 금속 스트립에 의해 차단되어 광 셔터의 대비를 개선시킨 것이다.

정전기력은 여러 가지 요소를 변환하는데 사용될 수 있다. 또한 편의 상부에 ITO 라인과 알루미늄 라인은 각각 전기회로에 연결되는 행과 열 전극을 형성할 수 있다. 도 6은 기판에 부유되는 두 개의 셔터요소 부분(602, 603)으로 덮여지는 단 하나의 광 경로(601)를 갖는 기계적 셔터를 도시한다. 각각의 셔터 요소 부분은 전기적으로 서로 연결되는 알루미늄 전극(604, 605)을 가져서 단일의 전극 요소를 형성하고, 상기 기판은 투명전극(606)으로 덮여진다. 셔터 요소가 실온에서 말려지는 경우 광경로는 열려질 것이다. 그러나 전압(예를 들어 60 V)이 전극에 인가되는 경우, 셔터 요소는 정렬되어 상기 광경로를 차단한다.

광이 후면으로부터 투과될 때 단일 요소의 일반적인 전기광학 반응 곡선을 도 7에 나타낸다. 상기 물질은 행과 열의 전위차 간의 전압차의 절대값에 반응한다. 도 7에서 나타낸 바와 같이, 셔터가 일정한 역치 전압(threshold voltage) 이하에서 기본적으로 투명하고(약 68% 투과율) 백라이트의 광 방출이 높은 역치 전압이 존재한다. 역치 전압은 필름 물질 및 이에 따른 중합 액정의 정전기적 특성에 달려있다. 예를 들어, 여기서 교차결합제의 양이 매우 중요하다. 이러한 특별한 경우에, 역치 전압은 약 30 V이다.

역치 전압은 종래의 수동 매트릭스 어드레싱에서 수행되는 것과 같이, 행을 선택하기 위해 사용될 수 있다. 도 8은 가능한 수동 어드레싱 프로그램을 도시한다. 이 프로그램에 따라서, 열 신호가 -30 V 내지 +30 V의 범위일 동안 60 V의 행 선택 전압이 사용된다(-30 V는 온 상태이고, +30 V는 오프 상태이다). 선택된 행이 30 V에서 90 V로 변할 수 있는 동안, 행이 선택되지 않는다면 픽셀 바이어스(bias)는 최대 30 V(역치 전압 이하)이다.

또한 셔터 요소는 각각 열린 상태에서 기본 정보를 가시적으로 만드는데 사용될 수 있고, 폐쇄된 상태에서 숨겨질 수 있다. 사실상, 이에 따른 마이크로 기계적 셔터는 디스플레이 요소로서 작동할 수 있다. 가장 단순한 구성에서, 셔터 요소의 표면은 닫힌 셔터 상태에서 높은 반사성 표면을 제공하는 알루미늄의 얇은 층과 같은 반사층을 포함하고, 셔터가 열렸을 때, 상기 광 경로는 컬러 상태를 제공하는 컬러 필터를 구비한다. 물론 알루미늄 층은 반사성 표면과 셔터 전극 양쪽 모두로서 작동한다. 또한 알루미늄 층은 셔터 요소가 닫혔을 때 표면을 종이와 같은 외관을 부여하여, 거울반사(specular reflecting)라기 보다는 확산반사(diffuse reflecting)를 할 수 있다. 도 9는 세 개의 하부 픽셀, 즉 기판(901)에 배열된 빨간색(R), 녹색(G), 파란색(B)을 포함하는 디스플레이 요소(900)에 대한 가능한 구성을 도시한다. 그러므로 각각의 하부 픽셀은 투명 전극(902), 컬러필터(903), 셔터 요소(904)(중합된 액정 층) 및 반사성 전극(905)을 포함한다. 다른 컬러의 필터(빨간색, 녹색 및 파란색과 같은)가 동일한 디스플레이에서 다른 셔터요소(하부 픽셀)에 사용될 때, 컬러된 픽셀은 픽셀화 방식으로 전환요소(하부 픽셀)를 열고 닫아서 구성될 수 있다.

또 다른 구성에 따라, 셔터요소는 컬러 필터로 교대로 덮이는 반사성 층에 의해 덮인다.

또한 컬러 디스플레이를 제공하는 대안의 방법은 컬러 필터를 상기 기판에 도포하고, 상기 전환 요소를 광 흡수 상태(즉, 검은 색)로 만드는 것이다. 이러한 디스플레이가 투과성 디스플레이에 사용될 때, 노란색, 자홍색(magenta) 및 청록색(cyan)의 컬러 필터는 광 경로에 제공될 수 있어서 다르게 컬러된 하부 픽셀을 제공한다. 그러나, 이러한 디스플레이가 반사성 디스플레이에 사용될 때, 빨간색, 녹색 및 파란색 컬러필터가 사용될 수 있다. 밝은 이미지와 양호한 시야각(viewing angle)을 제공하기 위해 컬러 필터는 확산 반사 거울에 배열될 수 있다.

다른 말로, 본 발명은 중합 액정으로 형성된 요소(602, 603)를 포함하는 기계적, 특히 마이크로 기계적 셔터(601)에 관한 것이다. 중합액정은 비등방적으로 배향되어 열 또는 전자기 방사선과 같은 비기계적 수단에 반응하여 이동할 수 있는 층을 만드는 배향 및/또는 농도의 변화에 따라 층을 가로지른다. 배향, 예를 들어 펴진 네마틱 배향 또는 꼬인 네마틱 배향의 적당한 선택으로 마이크로 요소는 비기계적 수단에 따라 굽어지고 펴진다. 전극(604, 605, 606)은 요소와 지지전극 상에 선택적으로 형성될 수 있어서 정전기력으로 인하여 전극 사이에 인가된 전기장에 의해서 요소를 조절가능하게 만든다. 또한 본 발명은 본래 중합을 이용하여 이러한 기계적 셔터를 제조하는 방법을 제공한다.

상기에 설명한 바와 같이 본 발명은 기계적 셔터, 이러한 셔터를 포함하는 디스플레이 요소 및 이러한 셔터의 제조방법에 사용된다.

Claims (20)

1. 셔터요소에 의해 조절가능한 광 경로를 갖는 기계적 셔터에 있어서,

   상기 셔터요소는 배향된 중합액정 층을 포함하고, 상기 중합액정은 이 층의 적어도 하나의 주요 표면 근처에 비등방적으로 배향되고, 이 적어도 하나의 주요표면에서 적어도 하나의 주요 표면에 대향하는 주요 표면으로 이동할 때 배향 및/또는 농도의 변화를 나타내고;

   상기 변화는 셔터요소의 측면확장에 따른 열 팽창계수가 상기 측면 확장에 수직하는 상기 셔터요소 내 깊이의 함수이고;

   제1의 온도에서 상기 셔터요소는 기본적으로 편평하여 상기 광 경로가 닫히고, 제2의 온도에서 상기 셔터요소는 굽어져서 상기 광경로가 열리는,

   기계적 셔터.
2. 제 1항에 있어서, 상기 셔터요소는 중합 액정층을 포함하고, 상기 변화는 상기 셔터요소의 측면 확장에 따른 열팽창계수가 상기 측면 확장에 수직인 상기 셔터 요소 내 깊이의 연속함수로 되도록 연속적인,

   기계적 셔터.
3. 제 1항에 있어서, 상기 중합액정은 펴진 배향(splayed orientation)을 갖는,

   기계적 셔터.
4. 제 1항에 있어서, 상기 중합액정은 꼬인 네마틱 배향(twisted nematic orientation)인,

   기계적 셔터.
5. 제 1항에 있어서, 상기 중합액정은 광흡수 이색 염료(dichroic dye) 를 포함하는,

   기계적 셔터.
6. 제 1항에 있어서, 상기 셔터요소는 상기 중합액정 층에 배열되는 광차단층을 더 포함하는,

   기계적 셔터.
7. 제 1항에 있어서, 상기 셔터요소가 부유되는 하부 기판, 상기 광경로를 가로지르는 하부기판에 제공된 투명하부 전극 및 상기 셔터요소에 제공된 셔터전극을 더 포함하며, 상기 셔터요소는 상기 전극 사이에 설정된 정전기력에 의해 조절가능한,

   기계적 셔터.
8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 상기 광 차단 층과 상기 셔터전극은 단일의 광 차단 및 전기 전도성 물질로 형성되는,

   기계적 셔터.
9. 제 7항에 있어서, 개별 전극에 의해 개별적으로 조절가능한 셔터요소의 배열을 포함하는,

   기계적 셔터.
10. 제 1항에 있어서, 중합 액정층은 상호 다른 변화는 갖는 제1 및 제2의 공간적으로 분리된 부분을 포함하는,

    기계적 셔터.
11. 제 7항에 따른 기계적 셔터를 포함하는,

    디스플레이 요소.
12. 제 11항에 있어서, 상기 셔터 요소는 불투명하고, 컬러 필터 요소는 상기 광 경로에 제공되는,

    디스플레이 요소.
13. 제 11항에 있어서, 상기 셔텨요소는 특정한 색의 광에 대해 반사성이고, 기본적으로 검은색의 광을 흡수하는 표면이 상기 광경로에 제공되는,

    디스플레이 요소.
14. 기계적 셔터의 제조방법에 있어서,

    배향층을 기판에 도포하는 단계;

    중합가능한 액정층을 상기 배향층에 도포하는 단계;

    상기 중합가능한 액정을 배향하고 중합하여 배향된 중합액정층을 포함하는 적어도 하나의 셔터 요소로 한정하는 단계;

    임의의 과도한 중합가능한 액정을 제거하는 단계;를 포함하는,

    기계적 셔터의 제조방법.
15. 제 14항에 있어서, 투명전극층을 투명 하부기판에 제공하는 단계;

    전기 전도성 물질층을 상기 셔터요소에 제공하여 셔터전극을 한정하는 단계;를 더 포함하는,

    기계적 셔터의 제조방법.
16. 제 15항에 있어서, 상기 셔터요소에 전기적 전도물질 층을 도포하는 단계는 상기 셔터요소에 알루미늄을 스퍼터링하는 것을 수반하는,

    기계적 셔터의 제조방법.
17. 제 14항에 있어서, 상기 중합단계는 광중합을 수반하는,

    기계적 셔터의 제조방법.
18. 제 17항에 있어서, 상기 광 중합단계는 적어도 30분간 120 ℃이상의 온도에서 상기 액정 혼합물을 어닐링하는 단계에 후속하는,

    기계적 셔터의 제조방법.
19. 제 14항에 있어서, 상기 중합가능한 액정은 공기와 접했을 때 중합가능한 액정 단량체의 수직배향을 촉진하는 계면활성제를 포함하고 상기 중합단계는 중합가능한 액정층을 공기에 노출시킬 동안 수행되는,

    기계적 셔터의 제조방법.
20. 제 14항에 있어서, 상기 중합가능한 액정에 바람직한 배향을 유도하는 상기 중합가능한 액정과 접하는 제2의 임시 기판을 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 제2의 임시기판이 상기 중합가능한 액정과 접하는 동안 상기 중합가능한 액정을 중합하는 단계가 수행되는,

    기계적 셔터의 제조방법.

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