KR20070037620A

KR20070037620A - 액정 디스플레이 장치

Info

Publication number: KR20070037620A
Application number: KR1020077001426A
Authority: KR
Inventors: 수잔느 클라인; 에이드리언 데렉 가이소우
Original assignee: 휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘 피
Priority date: 2004-07-02
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2007-04-05
Also published as: GB2415703A; JP5147394B2; WO2006003171A1; KR101138780B1; DE602005003829T2; DE602005003829D1; US7834973B2; EP1763702B1; GB0414873D0; EP1763702A1; US20080198281A1; JP2008504582A

Abstract

본 발명은 이격된 셀 벽 (1,2) 사이의 액정 물질 (3)의 층 및 상기 액정 물질의 적어도 일부에 걸쳐서 전기장을 가하기 위한, 하나 이상의 셀 벽 상에 제공된 전극 (5)을 포함하는 액정 디스플레이 장치에 관한 것이다. 액정 물질은 그 액정 물질 내에 분산되어 있고, 이와 실질적으로 정렬된 이방성 흡광 입자를 포함한다. 본 발명은 또한 디스플레이에 사용하기 위한 조성물을 제공한다.

액정, 디스플레이, 이방성, 흡광 물질, 정렬

Description

액정 디스플레이 장치{LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE}

본 발명은 액정 디스플레이 장치에 관한 것이다.

액정 디스플레이 장치는 오랫동안 잘 알려져 왔다. 트위스티드 네마틱, 수퍼트위스트 및 혼성 정렬된 네마틱과 같은 디스플레이 모드는 2 이상의 광학적으로 상이한 상태를 생성하기 위하여 편광기가 필요하다.

게스트-호스트 액정 장치는 액정 ("LC") 호스트에 용해된 이방성(anisotripic) 염료 (게스트)를 재배향시켜 작동한다. 게스트의 이방성의 배향은 호스트의 방향자의 배향과 정렬하며 이에 따른다. 게스트-호스트 LC 시스템은 고가의 광학적으로 낭비적인 편광기를 제거하고, 플라스틱 디스플레이의 경우, 볼굴절이 없는 기재에 대한 요구를 제거한다는 전망을 제공하므로, 특히 반사 디스플레이에서 잠재적으로 매력적이다. 현재까지의 게스트-호스트 액정 장치는 주로 적합한 물성을 얻을 수 없었다는 이유로 제한된 상업적인 성공을 거두었다.

게스트 호스트 디스플레이의 주요 인자는 다음과 같다:

· 물리적 및 화학적 안정성, 특히 광안정성

· 박막 내에서 충분히 높은 흡수를 얻기 위한 - 게스트의 농도

· 이색비(dichroic ratio) - 양호한 콘트라스트를 얻기 위하여, 게스트는 호스트 중에서 양호하게 정렬되어 있어야 하며, 흡수와 직교 방향 사이의 높은 비를 가져야 한다.

· 혼합물의 점도 - 점도가 너무 높으면, 사용하기에는 시스템이 너무 천천히 스위치 된다.

본 발명의 한 측면에 따라, 이격된 셀 벽 사이의 액정 물질 층, 및 상기 액정 물질의 적어도 일부에 걸쳐서 전기장을 가하기 위한, 하나 이상의 셀 벽 상에 제공된 전극을 포함하며, 여기서, 액정 물질은 그 액정 물질 내에 분산되고 그와 실질적으로 정렬된 이방성 흡광 입자를 갖는 것인, 액정 디스플레이 장치가 제공된다.

본 발명자들은 액정 중에 분산되고 이와 정렬된 이방성으로 흡수하는 콜로이드성 입자 또는 안료를 이용함으로써, 이색비(dichroic ratio), 광학밀도 및 점도 사이의 개선된 타협과 함께, 보다 큰 광안정성 및 화학적 안정성의 잇점을 얻을 수 있다는 것을 발견하였다.

본 발명에서 입자의 배향은 액정 호스트의 배향에 의해 제어된다. 입자는 따라서 양성 또는 음성 유전율 이방성 중 어느 것도 가질 필요가 없다.

본 발명은 개선된 다중 송신 및 전력 소비를 위한 쌍안정 LC 모드에 사용될 수 있다. 본 발명은 따라서 분산된 입자를 사용하는 종래 기술과는 상이하게 작용하며 종래 기술에 비하여 잇점을 제공한다. 그러한 기술은, 등방성 매질에 분산된 이방성 안료 입자가 전기장 또는 자기장에 의해 배향되는 현탁된 입자 디스플레이 (FR 2827052), 또는 LC의 굴절률이 이색성 염료로 도핑된 LC의 액적을 함유하는 중합체 필름의 굴절률과 매칭된 중합체 분산된 LCD(JP 08194211)를 포함한다. 디스플레이는 산란하는 착색된 상태 및 투명한, 덜 착색된 상태 사이를 스위치하는 것으로 보인다.

본원에서 용어 "이방성 흡광 입자"는 한 방향으로 배향된 경우 다른 방향으로 배향된 경우보다 빛을 더 흡수하는 이방성 안료 입자 및 이색성 콜로이드성 입자를 지칭하는데 사용된다. 이색성 콜로이드성 입자는 안료 입자일 수도 있거나, 또는 이들은 천연상태에서는 무색이나 예를 들면 상기 물질과 화학적으로 결합하거나, 이에 흡수되거나 또는 이에 흡착된 염료인 발색단을 혼입함으로써 빛을 흡수하도록 개질된 1종 이상의 물질의 입자일 수 있다.

이방성 흡광 입자가 액정의 정렬을 취하고 있기 때문에 (즉, 이방성 막대-유사 또는 라스(lath)-유사 입자는 국부적인 액정 방향자와 평행하게 정렬하는 경향이 있다), 통상적인 LC 디스플레이의 잇점, 예컨대 비교적 낮은 작동 전압 및 비교적 날카로운 문턱 전압을 유지하며, 이는 매트릭스-어드레싱 (다중 송신)을 촉진시킨다.

스메틱 물질을 임의로 포함할 수도 있지만, 바람직한 실시태양에서 액정 물질은 네마틱 또는 키랄 네마틱 (콜레스테릭) 물질이다. 통상적인 게스트-호스트 LCD에 대하여 잘 알려진 바와 같이, 키랄성에 기인한 나선형 정렬 때문에 LC가 키랄 네마틱이라면 편광기를 사용하지 않고도 보다 높은 대조비를 얻을 수 있다. 네마틱 호스트에 대해서는, 대조비를 개선시키기 위해서는 편광기를 사용하는 것이 바람직하다.

단일 콜로이드성 입자 또는 안료 종이 사용될 수도 있고, 또는 원하는 어두운(dark) 상태의 색상을 얻기 위하여 콜로이드성 입자 및 안료의 혼합물이 사용될 수도 있다.

이방성 흡수 콜로이드성 입자 또는 안료를 제조하고 안정화시키는 방법은 다수 있다. 흡수 중의 이방성은 어떤 배향의 빛을 다른 배향의 빛 보다 더 흡수하는 물질이 존재하는 형상 이방성; (이색성 염료의 경우에서와 같이) 기본적 흡수 메카니즘이 이방성인 흡수 이방성; 또는 이들의 어떠한 조합으로부터 유도될 수 있다. 흡수 이방성은 가능한 높아야 한다. 한 가지 치수가 마이크론 범위인 입자로도 제1의 결과를 얻었지만, 광학적 산란 및 콜로이드성 안정성을 고려하면 입자는 그 최대 치수가 약 500 nm 미만이어야 한다.

적합한 물질의 공급원은 다음을 포함한다:

· 천연 물질 예컨대 점토의 정제 및 개질. 통상 용액 중에서 백색 또는 투명하며, 염료가 접착되어 소위 기재 안료를 형성할 수 있다.

· 이방성 결정 성장, 예를 들면, 셀레늄 및 탤루르가 1-차원 나노결정이 되도록 하는 나선형 결정 구조를 갖는 다는 것이 증명되었다(문헌[B. Gates, B. Mayers, B. Cattle and Y.N. Xia, Synthesis and characterization of uniform nanowires of trigonal selenium. Adv. Funct. Mater. 12 (2002) 219.] 참조).

· 나노결정 공학, 예를 들면, 특정 결정면에 강하게 결합하는 캐핑제를 가하면 그 면에서의 성장을 감소시키고 나노막대를 수득할 수 있다는 것이 밝혀졌다 (문헌[X.G. Peng et al., Shape control of CdSe nanocrystals, Nature 404 (2000) 59.] 참조)

· "연질(Soft)" 템플레이트 기법, 예를 들면, 적절하게 형상화된 미셀 중에서 물질의 침전 (문헌[M. Li, H. Schnablegger and S. Mann, Coupled synthesis and self-assembly of nanoparticles to give structures with controlled organization, Nature 402 (1999) 393.] 참조)

· "경질(hard)" 템플레이트 중의 입자 성장, 예를 들면, 다공성 알루미나 중의 금속의 전착(문헌[S.R. Nicewarner-Pena et al., Submicrometer metallic barcodes. Science 294 (2001) 137] 참조).

· 기상 방법론, 예를 들면, Si/SiO₂의 레이저 절제는 Si 나노와이어의 형성을 목표로 한다(문헌[W.S. Shi et al., Synthesis of large areas of highly oriented, very long silicon nanowires, Adv. Mater. 12 (2000) 1343] 참고).

다음의 기준이 중요하다:

· 이방성 입자의 고수율,

· 단일 크기의 입자의 제조에 의하여 또는 용이한 제조후 크기 및 형상 선택적 분리 경로에 의하여, 입자의 모노분산성이 높을 것.

· 유기 매질에 분산가능하거나 또는 입자가 분산성이 되도록 화학적으로 용이하게 개질시킬 수 있는 표면을 갖는 안료의 제조.

· 높은 부피 분획에서의 안정성

· 적합한 흡수 스펙트럼을 갖는 입자,

· 제조 공정 및 디스플레이 환경에서 안정한 입자.

양호하게 규정된 온(on) 및 오프(off) 상태를 보증하기 위하여 전기장 부재시에 액정 물질이 균일하게 배향되는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명의 다른 측면은,

이격된 셀 벽 사이의 액정 물질의 층;

상기 액정 물질의 적어도 일부에 걸쳐서 전기장을 가하기 위한, 하나 이상의 셀 벽 상에 제공된 전극;

상기 액정 물질의 인접 분자의 원하는 국부적인 배열을 유도하는, 상기 셀 벽중 하나 이상의 내부 표면 상의 표면 정렬; 및

상기 액정 물질 내에 분산되고 이와 실질적으로 정렬되는 이방성 흡광 입자를 포함하고,

이때, 상기 액정 물질은 인가된 전기장에 의해 제1 배향으로부터 제2 배향으로 스위치 가능하고;

상기 제1 배향으로부터 상기 제2 배향으로의 액정 물질의 재배향이 상기 입자를 상기 제1 배향으로부터 상기 제2 배향으로 재배향시키고;

상기 입자가 상기 배향들 중 하나에서 상기 배향들 중 다른 하나의 경우보다 입사광을 실질적으로 더 흡수할 수 있는,

액정 디스플레이 장치를 제공한다.

임의의 원하는 배향이 사용될 수 있다: 예를 들면 평면 배향, 경사 배향, 또는 트위스트 배향. LC가 음성 유전율 이방성을 갖는 경우 배향은 수직일 수 있다. 본 발명의 기타 측면 및 잇점은 하기 명세서, 도면 및 청구범위에 나타낼 것이다.

도면의 간단한 설명

본 발명은 하기의 도면을 참고로 하여 예시로서 이제 보다 기술될 것이다:

도 1은 15,000 및 80,000 배율에서 세정 및 여과 후의 세피올라이트 막대의 현미경사진을 나타내고;

도 2는 처리되지 않은 GWB 와이오밍(Wyoming) 벤토나이트(Bentonite) 판의 현미경사진이고;

도 3은 황산구리 (II) 용액에 20 ml의 메가포지트(Megaposit)를 첨가하여 제조한 입자의 현미경사진이고;

도 4는 도 3의 입자의 EDAX 스펙트럼이고;

도 5는 황산구리 (II) 용액에 30 ml의 메가포지트를 첨가하여 제조된 수산화구리(II) 입자의 전자 현미경사진이고;

도 6은 황산구리 (II) 용액에 50 ml의 메가포지트를 첨가하고 60℃에서 3 시간만 가열하여 제조한 입자의 현미경사진이고;

도 7은 산화구리(II) 와이어를 나타내는 현미경사진이고;

도 8은 비교 실험으로부터의 헤라파타이트 판의 현미경사진이고;

도 9는 K15 호스트 중의 실험 입자 현탁액의 상 분리를 나타내고;

도 10은 이색비 결정을 위한 액정 장치를 통과하는 도식적인 단면도이고;

도 11은 K15 호스트 중의 이방성 안료의 다양한 실험 현탁액의 광학현미경 사진을 나타내고;

도 12는 7개의 상이한 현탁액 및 두개의 상이한 셀 정렬에 대해 기록된 스펙트럼을 나타내고;

도 13은 세피올라이트 막대 (Brauner & Preisinger 1956)의 구조를 도시하며;

도 14는 본 발명의 한 측면에 따른 액정 디스플레이 장치를 통과하는 도식적인 단면도이다.

상세한 설명

액정

하기 실험적 작업에서, 단일 액정 호스트, 4-펜틸-4'-시아노비페닐 (K15, Merck)가 사용되었다. K15는 실온에서 네마틱 상을 나타내고, 35℃에서 네마틱-등방성 전이 온도를 가지는데, 이는 현탁 공정을 통하여 온화한 온도에서 취급이 가능하도록 한다.

4-펜틸-4'-시아노비페닐

점토

몬트모릴로나이트(Montmorillonite) 및 세피올라이트(Sepiolite)는 천연 점토이다. 본 연구에 사용된 몬트모릴로나이트는 미국 와이오밍 주의 콜로니로부터 입수한 밝은 회색의 나트륨 벤토나이트인 GWB 와이오밍(Wyoming) 벤토나이트(Bentonite) (공업용 등급)였다. 세피올라이트로서는 본 발명자들은 80% 세피올라이트 및 20% 회합된 무기물로 구성된 세피올라이트 60/120 (공업용 등급)을 사용하였다. 두 점토 모두 스티틀리(Steetley) 벤토나이트 앤드 업소번츠 리미티드(Absorbants Limited)로부터 공급된다. 유기 오염물은 점토를 30% 과산화수소 용액에서 세척하여 제거되었다. 100 ml의 과산화수소 용액을 10 g의 점토에 첨가하고, 밤새 교반하였다. 이어서, 혼합물을 약하게 가열하여 모든 남아있는 과산화수소를 제거하였다. 이어서, 체류기준을 500 ㎛으로부터 38 ㎛ 까지 감소시키면서 혼합물을 시이브 타워(sieve tower)를 이용하여 습식으로 체를 통과시켰다. 1000 ml의 탈이온수를 첨가하고, 2.5 ㎛ 체류기준을 갖는 와트만 5 여과지를 통하여 점토-수용액을 통과시켰다. 점토를 정치시키고, 상등액을 사이폰으로 제거하고 남아있는 입자를 대기 조건 하에서 건조시켰다. 수율은 모든 점토에 대하여 25%였다. 세정 절차후, 도 1에 나타낸 바와 같은, 평균 길이 200 nm의 비교적 모노-분산된 세피올라이트 막대를 수득하였다. 도 1에서 볼 수 있는 석영 입자는 세피올라이트 입자로부터 화학적으로 분리될 수 있다.

몬트모릴로나이트는 여과에 의해 그 다중-분산도가 그다지 많이 감소되지 않는 매우 연질의 입자이다(도 2). 여과는 주로 오염물질 및 탈적층 입자를 제거한다.

세피올라이트 60/120 및 GWB 와이오밍 벤토나이트는 음으로 하전된 표면을 갖는다. 즉, 양으로 하전된 분자가 흡착될 수 있다. 예비 연구[Pizzey et al. 2004]로부터, 본 발명자들은 몬트모릴로나이트가 액정에서 현탁된 채로 남아 있기 위해서는 소위 안정화제를 필요로 한다는 것을 알았다. 따라서, 이는 디메틸디옥타데실암모늄 브로마이드 (DODAB) 및 양이온성 염료의 조합으로 처리되었다. GWB 와이오밍 벤토나이트는 처리 전에 24 시간 동안 교반함으로써 물에 완전히 분산되었다(1 g, 1% w/w).

80:20 물:프로판올 혼합물 중의 희석용액에 계면활성제 DODAB (애크로 케미칼(Acros Chemicals), 입수한 그대로 사용함)를 첨가함으로써, 문헌[Van Olphen and Fripiat 1979]에 제시된 양이온 교환능(Cation Exchange Capacity, CEC)을 사용하여 50% 착색범위를 수득하였다. 물에 용해된 염료를 다음에 용해시켰다. 처리된 점토를 반복되는 세척으로 세정하고, 이어서 진공하에 건조시켜 모든 미량의 물을 제거하였다[Jordan 1949]. 입자를 유리 공이 및 막자사발을 이용하여 미분시켰다. 세피올라이트는 K15에 현탁시키는 경우 어떠한 안정화제도 요구하지 않는다. 따라서, 염료 착색범위는 100%였고, DODAB는 첨가되지 않는다.

본 발명자들은 표 1에 상세히 나타낸 바와 같은 4 가지의 상이한 염료를 선택하였다.

표 1: 음으로 하전된 점토의 처리를 위한 양이온성 염료

상기 염료는 시그마-알드리치(Sigma-Aldrich)로부터 공급받았으며, 입수된 대로 사용하였다.

합성 입자

산화구리

산화구리 나노와이어의 제조 절차는, 수산화구리 (II)의 청색 침전을 만들고 이를 60℃에서 3 시간 동안 순수한 물에서 가온시키는 것을 수반하였다. 갈색/회색 고체의 산화구리(II)가 얻어졌다[Wang 2003]. 입자는 템플레이트로 작용하는 사방정계 수산화구리 (II) 입자로부터 유래하는 형상을 갖는 와이어였다.

문헌[Wang 2003]에 제시된 성분은 즉시 입수가능하지 않았다. 표 2에 나타낸 대체물이 사용되었다.

문헌[Wang 2003]에 제시된 성분	사용된 성분
무수 황산 구리(II)	황산 구리(II) 5수화물
0.15 M 수산화 암모늄	영국 코벤트리의 쉬플리 유럽 Ltd.로부터 입수한 메가포지트 MF-26A
1.2 M NaOH	1.2 M KOH

표 2. 문헌 성분 및 산화구리(II) 나노와이어의 제조에 사용된 성분.

성분 중에서 가장 큰 차이점은, 수산화암모늄 대신에 메가포지트 MF-26A (테트라메틸 수산화암모늄 함유)를 사용한 것이다. 메가포지트 및 MF는 미국 매사츄세츠 중 말보로 소재의 쉬플리 컴퍼니 L.L.C.의 상표명이다. 단어 메가포지트는 본원에서 이 제품을 지칭하는 것으로 사용될 것이다. 메가포지트 중의 테트라메틸 수산화암모늄의 농도는 알려져 있지 않으며, 첨가되는 양은 경험에서 나온 추측을 기반으로 하였다.

나노와이어의 제조 절차는 문헌[Wang 2003]에서 취하였다. 1.5 g의 황산구리 (II) 5수화물을 100 ml의 물에 용해시켜 황산구리 (II)의 투명한 청색 용액을 제조하였다. 이 용액에 메가포지트를 첨가하였다. 초기에는 30 ml의 메가포지트가 사용되었으나, 반응을 최적화사기 위하여 변형이 사용되었다. 첨가후, 용액은 탁해지고 녹청색이 되었으며, 30분 간 신속히 교반한 후, 6 ml의 1.2 M 수산화칼륨을 15 분 동안 적가하였다. 생성된 수산화구리 (II)는 하늘색이었고, 몇 분 이내에 상분리되었다. 침전은 약간 겔-유사한 형상이고, 여과하고 3회 세척하여 과량의 반응물을 제거하였다.

30 ml 메가포지트를 사용한 이 샘플 이외에, 20 ml 및 50 ml의 메가포지트를 첨가하여 기타 샘플을 제조하였다. 생성된 용액의 색상은 첨가된 메나포지트의 농도에 매우 의존하였다.

투명한 분산액의 소량의 샘플을 실온에서 밤새 유리 슬라이드에 건조시키고, 전자 현미경하에서 검사하였다. 침전 중의 수산화구리(II) 입자의 형상은 산화구리 나노와이어 제조를 위한 템플레이트로서 작용하였다[Wang 2003]. 가장 낮은 농도의 메가포지트 (20 ml)로 제조된 분산액에 대해서는 와이어가 발견되지 않았고, 작은 평평한 직사각형 형상만이 발견되었다(도 3). 너무 적은 테트라메틸 수산화암모늄이 사용되는 경우, 수산화구리 (II)를 제조하는 반응이 진행되지 않는다는 것은 알려져 있으나, 메가포지트 중의 테트라메틸수산화암모늄의 농도는 알려져 있지 않다.

도 3에 나타낸 입자의 정확한 성질은 알려져 있지 않으나 이들의 원소 조성은 EDAX로 주어졌다(도 4). EDAX 스펙트럼은 황에 기인한 피크를 보이며, 이는 반응하지 않은 황산구리 (II)의 존재를 나타낸다.

30 ml의 메가포지트 첨가시에는, 침전의 청색은 수산화구리 (II)가 존재한다는 매우 양호한 사인이며, 이는 전자 현미경사진 (도 5)에 의해 뒷받침된다. 긴 수산화구리 (II) 와이어의 엉킨 덩어리를 볼 수 있다. 이들은 산화구리(II) 입자에 대한 템플레이트이다. 일부 스트랜드의 길이는 10 ㎛를 초과하나, 모든 와이어는 매우 얇았다.

보다 높은 농도의 메가포지트에서, 와이어가 역시 발견되었으나, 불규칙적 형상 및 판-형상의 입자가 나타나기 시작했다. 게다가, 많은 와이어가 주위의 것들과 잘 부착되는 것으로 보이는데, 이는 도 5의 입자에서는 나타나지 않는 특징이다. 그럼에도 불구하고, 가장 높은 농도 (50 ml의 메가포지트)에서 가장 높은 수율의 산화구리 와이어를 수득하였다. 물에 분산된 샘플을 오븐에서 3 시간 동안 60℃에서 가열하여 수산화구리 (II)를 산화구리(II)로 변화시켰다. 이를 정치시키자, 몇 분 후에 상이 분리되었으며, 이는 제조된 입자가 보다 크거나 또는 상호간에 보다 끄는 힘이 있다는 것을 나타낸다. 생성된 흑-갈색 산화구리 와이어를 탈이온수로 수회 세척하고, 오븐 중에서 60℃에서 15 시간 동안 건조시켰다.

제조된 와이어는 상당히 두꺼운 것으로 보이나(도 6), 이들은 나란히 배열된 다수의 스트랜드로 이루어졌다(도 7). 도 7의 산화구리 와이어는 개별적으로 나타낼 수 있으며, 직경 면에서 낮은 다분산성을 나타낸다. 와이어를 클로즈업하여 보면, 이들의 그 위나 아래의 아이템에 따라 굴곡되므로 이들이 가요성이라는 점과 이들이 분명히 매우 미세한 스트랜드라는 것을 알 수 있다.

헤라파타이트

서브미크론 길이의 헤라파타이트 막대를 제조하기 위한 상세한 설명은 문헌[Marks 1975]에 나타나 있다. 본 발명자들은 문헌[Takeuchi 2003]에 기술된 훨씬 더 간단한 절차를 선호한다: 에탄올, 물, 아세트산 및 황산의 혼합물에 퀴닌을 첨가하고 용해시켰다. 이 용액을 에탄올 및 물 중의 요오드 및 요오드화 칼륨 용액에 부었다. 이를 1 시간 동안 교반한 후, 헤라파타이트 판 (도 8 참조)을 여과해낼 수 있었다. 문헌[Takeuchi 2003]에 따르면 에탄올/물로부터 재결정하거나, 초음파처리하면 막대가 되어야 하지만, 본 발명자들은 이 방법으로는 성공하지 못했다. 헤라파타이트는 α-헤라파타이트, 즉, 판의 형태로 유지되었다.

현탁액

몬트모릴로나이트 및 세피올라이트는 응력 및 전단력에 대해 내성이 매우 크다. 따라서, 본 발명자들은 그 건조 분말을 직접 액정내로 현탁화시킬 수 있다. K15를 35℃의 투명점 이상으로 가열시키고, 점토 분말을 첨가한다. 1 ml 보다 적은 샘플에 대해서는 샘플을 휴대-균질화기로 완전히 혼합한다. 3 ml 보다 큰 샘플에 대해서는, 본 발명자들은 고전단 혼합기 (IKA: Ultra Turax T25)를 사용하여 이를 24000 rpm에서 3 분 동안 구동시킨다. 이어서, 혼합물을 하부에 위치한 두 개의 변환기를 통하여 100 와트의 전력이 방출되는 초음파조(0.8 리터 Fisherbrand FB11020)로 옮긴다. 초음파의 진동수는 알려져 있지 않으나, 40 KHz가 전형적으로 고려되며 3.75 cm의 파장을 나타낸다. 샘플은 15 분 동안 초음파 처리하고, 10분간 교반하고, 15분 동안 더 초음파처리하였다.

산화구리 및 헤라파타이트 입자는 초음파에 의해 파괴되었다. 헤라파타이트는 에탄올에 먼저 분산된 후, K15와 동량으로 혼합되었다. 이어서, 혼합물을 6O℃, 200 mbar의 진공 오븐에 옮기고, 모든 에탄올이 증발될 때까지 오븐에 두었다. K15에 산화구리 분말을 첨가하고, 휴대용 균질화기만을 사용하여 분산시켰다.

현탁액의 안정성

가장 안정한 현탁액은 K15 중의 염색된 세피올라이트에 의해 형성된다. 네마틱-등방성 전이 온도 이상에서는, 현탁액은 수 주 동안 상분리되지 않는다. 현탁액을 네마틱 상으로 냉각시키면, 몇 분 내로 상 분리가 일어난다. 입자 풍부 층의 상부 상에 입자 부족 액정의 박막이 형성된다. 이는 입자가 네마틱 상으로부터 방출되어 펼쳐진 덩어리(open flocks)가 된 것을 가리킨다. 제조된 모든 현탁액은 입자 풍부 상 및 입자 부족 상으로 분리된다. 산화구리 막대가 가장 빨리 빠져나오고, 염색된 세피올라이트가 가장 천천히 빠져나온다. 도 9는 이 공정의 상이한 단계를 나타낸다. 도 9의 현탁액은 다음과 같다(왼쪽에서 오른쪽으로): 1.6 w.w.% 헤라파타이트, 1.7 w.w.% CuO, 1 w.w.% GWB 와이오밍 벤토나이트 50/50 DODAB/뉴트럴 레드 (즉, 음의 표면 전하라면 DODAB가 50%까지 흡착되고, 50%는 뉴트럴 레드에 의해 착색됨), 1 w.w.% GWB 와이오밍 벤토나이트 50/50 DODAB/비스마르크 브라운, 1 w.w.% GWB 와이오밍 벤토나이트 50/50 DODAB/메틸 그린, 1 w.w.% 세피올라이트 메틸 그린 (즉 메틸 그린이 모든 음의 표면 전하에 흡착됨), 1 w.w.% 세피올라이트 뉴트럴 레드.

그렇지만 현탁액은 작은 각 X-선 산란 [Pizzey 2004], 핵자기 공명법 [Klein 2004] 또는 광학적으로, 즉 이색비를 측정하여 특성화되기에는 충분히 안정하다.

이색비 ( Dichroic ratio)

이색비의 정의: DR = D_평행/D_수직 (여기서, D_평행 및 D_수직은 분자 배향을 정의하는 문지르는 방향에 평행 및 수직인 편광에 대해 측정된 정렬된 염료 도핑된 LC의 광학밀도이다. 통상적으로 D_평행 및 D_수직은 최대 흡수 밴드에서 측정된다. 그러나, 광범위한 흡수 스펙트럼을 갖는 염료 또는 검은색 염료에 대해서는, 이색비는 전체 가시광 스펙트럼에 대하여 계산된다[Bahadur 1992] :

여기서, A_par(λ) 및 A_per(λ)은 파장 λ에서의 염료의 평행 및 수직 흡광도이다. 색상에 대한 인간의 눈의 명시각 반응을 고려하기 위하여, 명시각 이색비는 다음과 같이 정의될 수 있다:

여기서, V(λ)는 파장 λ에서의 명시각 발광 효율 기능의 값이다[Bahadur 1991].

염료가 입자에 부착되어 있는 경우, 염료 분자의 전이 모멘트의 배향(색 생성 쌍극자)은 액정 분자의 배향과 직접적으로 짝을 이룰 필요가 없다. 이는 네마틱 매트릭스 중의 입자의 배향에 의하여 중개된다. 수학식 1 및 2는 염료 분자가 액정 분자에 평행하게 정렬되어 있다는 가정에 근거한 것이다. 상기 수학식에 의해 계산된 값은 염색된 입자의 경우에는 언제나 의미있는 것은 아니다. 따라서, 본 발명자들은 착색된 입자에 대한 이색비를 정의한다:

여기서, A_strong(λ) 및 A_weak(λ)은 파장 λ에서 배향된 현탁액 중의 착색된 입자의 강한 흡광도 및 약한 흡광도이다.

이상적으로는, 착색된 입자의 콜로이드성 현탁액으로 충진된 디스플레이는 편광기 없이 작동될 것이다. 본원에서 '대조비 CR'는 DR_입자에서와 유사하게(다만, 어떠한 편광기도 없이) 정의되나, 디스플레이 물질에서의 현탁액의 실행가능성에 대한 일부 정보를 제공한다.

샘플 제조

이색비의 결정을 위하여, 현탁액을 2장의 유리 기재 사이에 포함시킨다(도 10). 이들 기재를 정렬 층으로 처리하였다. Nissan 1211 (Brewer Science, 입수된 대로 사용)을 수직 정렬 층으로서 사용하고, 평면 정렬을 위해서는 Al 1254 (JSR Microelectronics, 입수된 대로 사용)을 사용하였다. 두 정렬제는 폴리이미드이며, 둘 다 4000 rpm에서 30 초 동안 스핀-코팅하고, 핫-플레이트 상에서 95℃에서 1 분 동안 가열한 후, 오븐 내에서 1 시간 동안 180℃에서 베이킹 하였다. 이어서, AL 1254를 문질러서 균일한 평면 정렬을 유도하였다. 처리된 기재를 핫-플레이트 상에 높고 액정의 전이 온도 이상으로 가열하였다. UV-경화성 접착제 중의 10 ㎛ 스페이서 비드 (Norland Optical Adhesive 73)을 기재의 두 반대 가장자리에 도포하였다. 이어서, 등방성 현탁액을 뜨거운 기재 상에 피펫으로 가하고, 제2 기재로 덮었다. 조립된 셀을 UV-램프 (UV-A) 하에서 3 분 동안 경화시켰다. 본 발명자들은, UV 노출에 의해 현탁액이 손상될 수 있으나, 유리 기재는 라미네이팅에 의한 조립과 필터를 현탁액으로부터의 입자로 모세관 충진하는 것을 허용하지는 않는다는 것을 알았다.

편광 현미경 하에서 검사한 결과, 네마틱 상으로 냉각시키는 경우 모든 현탁 액이 응집되는 것으로 나타났다(도 11). 응집 구조는 수직으로 정렬된 셀 및 평면 정렬된 셀이 서로 다르다. 이는 입자가 네마틱 매트릭스와 상호작용한다는 것, 즉, 네마틱 상태내에서 입자 축의 바람직한 배향이 존재한다는 것을 나타낸다. 작은 각도 X-선 실험은 벤토나이트 판이 액정 분자에 대해 수직으로 정렬한다는 것을 확인하였다[Richardson 2004]. 막대는 LC 분자에 대해 평행하게 정렬하는 것으로 생각된다. 염료에 따라서, 네마틱 상 내에서의 입자의 배향은 전체 시스템에 대한 이색비 측정에 영향을 미칠 것이다.

측정된 이색비

사용된 분광 시스템은 HP 8453 UV-가시광선 분광기였다. 표준 샘플 단계는 광원 앞의 결정 편광기 및 샘플 홀더를 포함하는 단계로 대체되었으며, 회전 단계에서는 양쪽 모두 편광기와 액정 분자의 방향의 정렬을 가능하게 한다. 대조 스펙트럼(블랭크)은 샘플 셀과 동일한 정렬을 갖지만 액정 내에 현탁된 입자가 없는 셀을 사용하였다. 결과는 표 3에 요약하였다.

표 3: K15 중의 착색된 입자에 대한 이색비 및 대조비

모든 스펙트럼은 비교적 평평한데, 이는 빛이 액정 도메인으로부터 현탁된 입자 주위로 산란된다는 것을 나타낸다. 세피올라이트 및 벤토나이트 상의 메틸 그린에 대하여, 흡광도 피크는 여전히 가시적이었으나, 629 nm (물 중의 메틸 그린)으로부터 K15 중의 입자에 대한 660 nm으로 이동하였다(도 12).

최고의 성능은 염색된 세피올라이트에 의해 얻어졌다. 수직 및 역평행 셀 배열 사이의 분명한 흡광도의 차이 (도 12)로부터, 본 발명자들은 메틸 그린 및 뉴트럴 레드가 세피올라이트 막대의 장축을 따라 공극(도 13)을 통과하였음을 추론할 수 있다. 공극 너비는 약 0.7 nm이고, 그 높이는 약 0.3 nm이다. 이는 염료 분자가 터널 내에서 어떻게 정렬할 수 있는지는 제한한다. 세피올라이트 표면의 채널 내에서의 분자의 정렬은 염료 분자 상의 하전된 자리의 위치에 의해 결정된다. 본 발명자들의 계산으로는, 뉴트럴 레드의 길이는 1.2 nm이다. 하전된 부위는 분자의 두 반대 말단에 위치한다. 따라서, 본 발명자는 분자가 외부 표면 채널에 대하여 평평하게 부착되고, 터널의 측면에 대해서도 역시 평평하게 부착된다고 가정한다. 분자가 비스듬하게 부착되지 않는 한, 터널에 걸쳐지기에는 분자가 2배나 길다. 역평행 배열에서의 흡광도는 수직 배열에서보다 낮은데, 이는 뉴트럴 레드의 전이 모멘트가 액정 분자에 대해 수직임을 시사한다. 분자의 장축에 따르는 전이 모멘트를 가정함으로써, 세피올라이트 막대가 액정 분자에 대해 수직으로 정렬한다는 결론에 이르게 될 것이다.

본 발명자들은 메틸 그린 분자의 반경을 0.5 nm로 계산하였다. 이 분자가 터널 내에 배치될 수 있는 유일한 방법은 가능하게는 약간 비스듬한 방식으로 적층시키는 것이다. 흡광도 데이터 (도 12)로부터, 본 발명자는 전이 모멘트가 액정 분자에 대해 수직이라는 것을 다시 알게 되었다. 세피올라이트 채널 및 터널 중의 적층된 염료 분자는 세피올라이트 막대가 이제 액정 분자에 평행이라는 결론이 이르게 한다.

CuO 입자의 성능이 가장 불량하다. 현탁액은 수명이 짧고, 따라서 네마틱 매트릭스와의 상호작용은 응집 과정에 의해 좌우되며, 이는 액정 내에서 입자의 정렬되지 않은 배열에 이르게 한다.

중간은 판, 헤라파타이트 및 염색된 벤토나이트에 의해 커버되었다. 흡광도 데이터는 실제로는 결정적이지 않다. 염색된 세피올라이트의 경우, 어두운 상태의 흡광도는 밝은 상태의 흡광도 이하의 값이고, 그 밝고 어두운 것 사이의 차이는 매우 작았다.

결론

제조된 모든 현탁액은 입자가 네마틱 매트릭스 내에서 정렬한다는 것을 나타내는 어느 정도의 이색성을 나타내었다. 표 3의 결과 및 도 12의 그래프는 광학 성능이 현탁액의 품질에 의해 좌우된다는 것을 나타낸다. 현탁액 중 어느 것도 진정으로 안정한 것은 없으나, 최상의 결과는 입자가 가장 천천히 응집되는 세피올라이트 현탁액에 의해 얻어진다. 이 경우에 흡광도가 가장 높고, 밝은 상태와 어두운 상태가 분명하게 분리된다. 염료 분자 크기를 조심스럽게 튜닝하여 한 막대 방향에서의 흡광도는 증가시키면서 다른 방향에서는 감소시킬 수 있어야 한다. 상기 먼저 분리되는 분산액인 현탁액 중의 CuO는, 입자 그 자체는 검은색이고 높은 종횡비를 갖지만 이색비 및 콘트라스트 면에서 가장 불량한 성능을 나타낸다. 따라서, 입자를 적절히 안정화시키는 것이 매우 중요하다. 즉, 현탁액의 수명은 분산액의 광학 실행가능성에 대한 결론에 이르기 전에 적어도 14일은 초과해야 한다.

장치

이제 도 14를 참조하면, 본 발명의 한 측면에 다른 가능한 장치가 나타나 있다. 상기 장치는 전형적으로는 유리 또는 반투명 플라스틱 물질로 형성되고, 스페이서 비드 (4)에 의해 이격된, 제1 셀 벽 (1) 및 대향된 제2 셀 벽 (2)를 포함한다. 각각의 셀 벽 (1), (2)는 하나 이상의 전극 (5)를 갖는 내부 표면 상에 제공된다. 평면 정렬 층 (7)은 각각의 내부 표면 상에 전극 (5)에 걸쳐서 형성되어, 인접 액정 분자 (3A)가 이들의 장축이 인가된 장이 없는 경우 셀 벽 표면의 평면과 실질적으로 평행하게 놓이도록 한다. 분산된 이방성 안료 (채색된 타원형으로 도식적으로 나타냄)는 LC 분자와 정렬된다. 영역 (3A)에 나타낸 평면 정렬에서는, 안료는 빛, 특히 특정 편광을 흡수한다. 상이한 편광을 흡수하는 외부 편광기 (도시되지 않음)를 선택적으로 사용하면 디스플레이의 대조비를 증가시킬 것이다.

적합한 전기장이 전극 (5)를 통하여 인가되면, LC 분자는 영역 (3B)에 도시된 바와 같이 수직으로-정렬된 (수직) 상태로 스위치된다. 이방성 안료 또한 이 정렬을 채택하고, 빛을 덜 강하게 흡수한다. 전기장이 제거되면, 정렬 표면 (7)에서 평면-정렬된 LC 분자는 LC 층을 평면 정렬 (3A)로 신속히 재배향시킨다.

참고문헌

Bahadur, B., 1991,"Display Parameters and Requirements" in Liquid Crystals, Applications and uses, Ed. B. Bahadur (World Scientific)

Bahadur, B., 1992,"Dichroic LCDs" in Liquid Crystals, Applications and uses, Ed. B. Bahadur (World Scientific)

Brauner, K. and Preisinger, A., 1956, Tschermaks Miner. Petrog. Mitt., 6, 120-140

Jordan, J.W., 1949, Journal of Physical & Colloid Chemistry, 53, 294-306

Klein, S et al., 국제 액정 컨퍼런스 2004에서 제출될 논문

Richardson, R.M. et al , 2004, 개인적 통신

Marks,A.M., 1975, 미국 특허 제3900417호

Pizzey, C. et al, 2004, Journal of Physics: Condensed Matter (발간된 예정임)

Takeuchi, H. et al, 1997, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 424, 317-322

Van Olphen, H. and Fripiat, J.J. (Eds), 1979, Data Handbook for Clay Materials and Other Non-Metallic Minerals (Pergamon Press)

Wang, W. et all, 2003, J. Mater. Res.,18, 2756-2759

Claims

이격된 셀 벽 사이의 액정 물질의 층, 및 상기 액정 물질의 적어도 일부에 걸쳐서 전기장을 가하기 위한, 하나 이상의 셀 벽 상에 제공된 전극을 포함하며, 이때, 상기 액정 물질이 그 액정 물질 내에 분산되고 이와 실질적으로 정렬된 이방성 흡광 입자를 갖는 것인, 액정 디스플레이 장치.
제1항에 있어서, 입자가 하나 이상의 염색된 점토, 산화구리 헤라파타이트 및 상기 물질의 혼합물으로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 디스플레이.
제1항에 있어서, 입자가 염색된 몬트모릴로나이트 또는 염색된 세피올라이트, 또는 그의 혼합물을 포함하는 것인 디스플레이.
제3항에 있어서, 몬트모릴로나이트 및(또는) 세피올라이트가 뉴트럴 레드(Neutral Red), 비스마르크 브라운(Bismarck Brown), 메틸 그린(Methyl Green) 및 상기 물질의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된 염료로 염색된 것인, 디스플레이.
제1항에 있어서, 입자가 염색된 세피올라이트를 포함하는 디스플레이.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 입자의 길이가 10 nm 내지 10 ㎛ 의 범위인 디스플레이.
제6항에 있어서, 입자의 길이가 50 nm 내지 500 nm의 범위인 디스플레이.
제7항에 있어서, 입자의 길이가 약 200 nm인 디스플레이.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자가 분산제로 코팅된 것인 디스플레이.
제9항에 있어서, 상기 분산제가 디메틸디옥타데실암모늄 브로마이드 (DODAB)인 디스플레이.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액정 물질이 양성 유전율 이방성의 네마틱 또는 키랄 네마틱 물질인 디스플레이.
제11항에 있어서, 하나 이상의 상기 셀 벽의 내부 표면이 상기 액정 물질의 인접 분자의 국부적인 평면 정렬을 유도하도록 처리되는 것인 디스플레이.
이격된 셀 벽 사이의 액정 물질의 층;

상기 액정 물질의 적어도 일부에 걸쳐서 전기장을 가하기 위한, 하나 이상의 셀 벽 상에 제공된 전극;

상기 액정 물질의 인접 분자의 원하는 국부적인 배열을 유도하는, 상기 셀 벽중 하나 이상의 내부 표면 상의 표면 정렬; 및

상기 액정 물질 내에 분산되고 이와 실질적으로 정렬되는 이방성 흡광 입자를 포함하며;

이때, 상기 액정 물질은 인가된 전기장에 의해 제1 배향으로부터 제2 배향으로 스위치 가능하고;

상기 제1 배향으로부터 상기 제2 배향으로의 액정 물질의 재배향이 상기 입자를 상기 제1 배향으로부터 상기 제2 배향으로 재배향시키고;

상기 입자가 상기 배향들 중 하나에서 상기 배향들 중 다른 하나의 경우보다 입사광을 실질적으로 더 흡수할 수 있는 것인, 액정 디스플레이 장치.
이격된 셀 벽 사이의 액정 물질의 층;

상기 액정 물질의 적어도 일부에 걸쳐서 전기장을 가하기 위한, 하나 이상의 셀 벽 상에 제공된 전극;

상기 액정 물질 내에 분산되고 입자표면과 액정물질과의 상호작용에 의해 액정물질과 실질적으로 정렬되는 이방성 흡광 입자를 포함하며;

이때, 상기 액정 물질은 인가된 전기장에 의해 제1 배향으로부터 제2 배향으로 스위치 가능하고;

상기 제1 배향으로부터 상기 제2 배향으로의 액정 물질의 재배향이 상기 입 자를 상기 제1 배향으로부터 상기 제2 배향으로 재배향시키고;

상기 입자가 상기 배향들 중 하나에서 상기 배향들 중 다른 하나의 경우보다 입사광을 실질적으로 더 흡수할 수 있는 것인, 액정 디스플레이 장치.
제14항에 있어서, 상기 입자가 인가된 장이 제거된 후에 제1 배향이나 제2 배향으로 유지될 것인 액정 디스플레이 장치.
제14항에 있어서, 장치가 쌍안정성이고, 쌍안정성이 입자 표면의 액정 매트릭스와의 상호작용에 의해 달성되는 것인 액정 디스플레이 장치.
이방성 흡광 입자가 분산되어 있는 액정 물질을 포함하며, 이때, 상기 입자가 상기 액정 물질의 인접 분자의 국부적인 배향을 실질적으로 채용하는, 디스플레이 장치에 사용하기 적합한 조성물.
제17항에 있어서, 상기 입자가 하나 이상의 염색된 점토, 산화구리 헤라파타이트 및 상기 물질의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 조성물.
제17항에 있어서, 입자가 염색된 몬트모릴로나이트 또는 염색된 세피올라이트, 또는 그의 혼합물을 포함하는 조성물.
제19항에 있어서, 몬트모릴로나이트 및(또는) 세피올라이트가 뉴트럴 레드, 비스마르크 브라운, 메틸 그린 및 상기 물질의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된 염료로 염색된 것인 조성물.
제20항에 있어서, 입자가 염색된 세피올라이트를 포함하는 조성물.
제17항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 입자의 길이가 10 nm 내지 10 ㎛의 범위인 조성물.
제22항에 있어서, 입자의 길이가 50 nm 내지 500 nm의 범위인 조성물.
제23항에 있어서, 입자의 길이가 약 200 nm인 조성물.
제17항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자가 분산제로 코팅된 것인 조성물.
제25항에 있어서, 상기 분산제가 디메틸디옥타데실암모늄 브로마이드 (DODAB)인 조성물.
제17항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액정 물질이 양성 유전율 이방성의 네마틱 또는 키랄 네마틱 물질인 조성물.