KR20080011281A - 액정 소자, 광로 편향 소자, 및 화상 표시 장치 - Google Patents

액정 소자, 광로 편향 소자, 및 화상 표시 장치 Download PDF

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하루키 아마가와
토시아키 노나카
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Abstract

한 쌍의 투명 기판; 상기 한 쌍의 기판 사이에 충전되고 호메오트로픽 배향을 하는 키랄 스멕틱 C상(smectic C phase)을 형성할 수 있는 액정층; 및 적어도 제공되는 액정층에 대하여 기판의 주요면과 평행한 방향으로 전기장(평행 전기장)을 발생시키는 전극을 포함하는 액정 소자로서, 상기 액정층은, 고온측으로부터 등방성 액체상, 네마틱상, 스멕틱 A상 및 스멕틱 C상의 상 순서를 제공할 수 있는 베이스 액정 물질 내에, 적어도, 하기 일반식 (1-I)의 키랄 화합물 또는 하기 일반식 (2-I)의 키랄 화합물 및 하기 일반식 (2-Ⅱ)의 키랄 화합물을 포함하는 것인 액정 소자로서, 식 (1-I)에서 R1, A2, Z2, m 및 l, 식 (2-I)에서 X, R1, R2, 및 *, 그리고 식 (2-Ⅱ)에서 X, R3, R4, R5 및 *는 명세서에 정의된 바와 같다.
[화학식 1-I]
Figure 112007078737878-PCT00065
[화학식 2-I]
Figure 112007078737878-PCT00066
[화학식 2-Ⅱ]
Figure 112007078737878-PCT00067
액정 소자, 광로 편향 소자, 화상 표시 장치

Description

액정 소자, 광로 편향 소자, 및 화상 표시 장치{LIQUID CRYSTAL ELEMENT, OPTICAL PATH DEFLECTING ELEMENT, AND IMAGE DISPLAYING APPARATUS}
본 발명은 액정 소자, 광로 편향 소자, 및 화상 표시 장치에 관한 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어를 일반적 기법의 설명 전에 정의한다.
"광로 편향 소자"는 광로를 편향시킴으로써, 즉, 외부 전기 신호에 반응하여 입사광에 대해 출사광을 평행하게 이동시키거나 특정 각도로 이를 회전시킴으로써, 또는 이들 둘 다를 조합함으로써 빛의 광로를 스위치할 수 있는 광 소자를 나타낸다. 하기 상세한 설명에서, 이동을 통한 광로 편향에 대한 평행 이동의 정도는 "이동량"으로 나타내고 회전을 통한 광로 편향에 대한 회전의 정도는 "회전각"으로 나타낸다. 또한, "광 편향 장치"는 빛의 광로를 편향하는 장치를 나타내고, 상기한 바와 같은 광 편향 소자를 포함한다.
"픽셀 이동 소자(화소 이동 소자)"는 적어도, 화상 정보에 따른 빛의 제어가 가능한 복수의 화소가 2차원적으로 배열된 화상 표시 소자, 화상 표시 소자를 조명하는 광원, 화상 표시 소자 위에 표시되는 화상 패턴을 관찰하기 위한 광학 부재 및 화상 필드를 시간적으로 분할함으로써 제공되는 각각의 복수의 서브 필드(sub-field)에 있어 일시적 화상 표시 소자와 광학 부재 사이의 광로를 편향시키는 광로 편향 소자를 포함하는 화상 표시 장치의 광로 편향 장치로서, 광로 편향 소자에 의해 제공되는 각 서브 필드에서의 광로의 편향에 따라 표시가 위치상으로 이동되는 화상 패턴을 표시함으로써 화상 표시 소자의 화소의 수가 명백히 증가되어, 표시가 수행되는 화상 표시 장치의 광로 편향 장치를 의미한다. 따라서, 기본적으로, 상기와 같이 정의된 광로 편향 소자 또는 광로 편향 장치는 광 편향 수단(픽셀 이동 소자(화소 이동 소자))으로 사용될 수 있다.
일반적으로, 예를 들어, 액정 물질을 사용하는 광로 편향 소자(또는 광 편향 소자) 또는 픽셀 이동 소자 및 이를 사용한 화상 표시 장치와 관련된 다양한 종류의 기법이 제안되어 왔다(예를 들어, 일본특허출원 공개 제06-018940호, 일본특허출원 공개 제 09-133904호, 일본특허 제2939826호, 일본특허출원 공개 제05-313116호, 일본특허출원 공개 제06-324320호, 및 일본특허출원 공개 제10-133135호). 그러나, 일반적 광로 편향 소자 또는 픽셀 이동 소자는 하기를 포함하여 다양한 문제를 갖는다:
- 구성의 복잡성으로 인한 높은 비용, 크기가 큰 장치, 광 손실, 고스트(ghost)와 같은 광 노이즈 형성, 및/또는 화상 해상도 감소;
- 특히, 이동가능한 성분이 사용되는 적용에 있어서, 위치 정확도, 내구성, 진동 및 소리와 관련된 문제; 및
- 네마틱(nematic) 액정 등에서 반응 속도와 관련된 문제.
이러한 상황에서, 발명자 또는 출원인은 기존의 광로 편향 소자에서의 문제들, 즉 구성의 복잡성으로 인한 높은 비용, 크기가 큰 장치, 광 손실 및 광 노이즈 형성과 같은 문제들을 줄이고, 단순하고 집약된 구성 및 낮은 광 손실, 낮은 광 노이즈 및 낮은 화상 해상도 감소를 갖고, 비용은 낮아진 광로 편향 소자 또는 장치를 제공하는 목적으로, 특정 구성을 갖는 광로 편향 소자를 이전부터 제안하여 왔다(일본특허출원 공개 제2002-328402호).
광로 편향 소자(1)는 한 쌍의 투명 기판(2 및 3), 하나 이상의 기판(2 및 3)에 제공된 배향 필름(4), 기판(2 및 3) 사이에 충전되고 호메오트로픽 배향(homeotropic orientation)으로 제공되는 키랄 스멕틱 C상(chiral smectic C phase)으로 존재하는 액정(5), 및 액정(5)에 전기장을 인가(apply)하기 위한 한 쌍(6) 이상의 전극(6a 및 6b)을 포함하고, 여기서 전극쌍(6)은 전원(7)과 연결되어, 전기장이 액정(5)의 층에 인가될 수 있다. 광로 편향 소자가 키랄 스멕틱 C상의 액정(5)을 사용하기 때문에, 구성의 복잡성으로 인한 높은 비용, 크기가 큰 장치, 광 손실, 고스트(ghost)와 같은 광 노이즈 형성, 및/또는 화상 해상도 감소와 같은 문제들이 감소할 수 있고, 예를 들어, 기존의 스멕틱 A형 액정 또는 네마틱 액정에서의 낮은 반응성이 기존의 광로 편향 소자와 비교하여 향상될 수 있어, 고속(high speed)의 반응이 달성될 수 있다.
그러나, 이러한 광로 편향 소자로 수 ㎛ 내지 수십 ㎛의 실질적 광로 이동량을 얻기 위하여, 액정층의 두께를 수십 ㎛ 내지 수백 ㎛의 매우 큰 두께로 설정하는 것이 필요할 수 있다(예를 들어, "결정 광학(Crystal Optics)" Japan Society of Applied Physics, Optical Society of Japan, 198 페이지를 참조). 일반적으로, 액정층의 두께가 증가되는 경우, 기판의 표면으로부터의 배향 조절력의 영향은 액 정층의 중앙부에서 감소될 수 있고, 따라서, 액정층 전반에 걸쳐 균일한 배향을 유지하는 것이 어려울 수 있다. 예를 들어, 액정층의 중앙부에서의 배향도는 백탁을 야기할 정도로 낮아질 수 있다. 따라서, 가장 중요한 문제는 상기한 바와 같은 광로 편향 소자에서 액정층 전반에 걸쳐 균일한 배향을 달성하고 유지하는 것일 것이다.
이러한 이유로, 발명자 또는 출원인은 예를 들어, 키랄 스멕틱 C상의 온도보다 더 높은 온도에서 스멕틱 A상을 형성하지 않는 액정 물질로 구성된 액정층을 포함하는 광로 편향 소자(일본특허출원 공개 제2003-280041호 및 일본특허출원 공개 제2002-328402호를 참조할 것) 및 예를 들어, 액정층 내에 중합체 물질의 단량체(들)를 함유시키는 단계, 액정층의 온도를 유지하여 분자의 배향을 조절할 수 있도록 스멕틱 A 상을 제공하는 단계, 광중합을 수행하여 중합체 물질의 섬유 또는 네트워크 시스템을 형성하는 단계, 및 키랄 스멕틱 C상을 제공하기 위한 온도로 이를 냉각하는 단계를 포함하는 방법을 제안하여 왔다(일본특허출원 공개 제2004-184522호를 참조할 것). 그러나, 액정 물질의 선택의 자유는 일본특허출원 제2003-280041호에 개시된 기법과 관련하여 한정될 수 있고, 중합체 시스템의 존재로 인한 반응 속도 또는 광 특성에의 영향과 같은 부작용이 일본특허출원 제2004-184522호에 개시된 기법과 관련하여 야기될 수 있다.
또한, 예를 들어, 첨가되는 키랄 화합물의 양, 종류 및 상대적 농도를 조절하고 혼합물 및 이를 사용한 표시 소자에 있어서의 우수한 배향 및 큰 자발적 분극(spontaneous polarization)을 갖는 강유전체 액정 혼합물의 네마틱(N*) 상의 나 선형 피치(spiral pitch)를 조절하는 방법이 제안되어 왔다(일본 특허 제3034024호를 참조할 것). 이 문헌에 개시된 것은 평면 배향으로 표면-안정화 강유전체 액정을 사용하는 표시 소자에 관한 것이다.
표면-안정화 강유전체 액정 소자에서, 일반적으로, 균일한 배향(단일 평면 배향: 붕괴된 나선형 모노도메인 배향), 높은 속도 반응, 및 우수한 대비를 얻기 위해 액정층의 두께를 대략 2 ㎛로 설정하는 것이 필요하고, 특히, 단일 평면 배향을 실현하기 위해 네마틱(N*) 상과 관련된 나선형 피치가 액정층의 두께의 약 5배 이상, 즉, 대략 10 ㎛ 이상이어야 한다는 것이 개시되었다. 또한, 이러한 조건을 만족시키기 위해 미량의 불순물(dopant)을 첨가하는 방법의 실시예가 개시되었다. 또한, 예를 들어, 게스트-호스트 모드로 작동하는 일반적인 표시 장치보다 더 두꺼운 층을 갖는 표시 장치에서 나선형 피치가 증가되어야 함이 개시되었고, 문헌에 개시된 혼합물로 인한 나선형 피치의 증가가 효과적일 수 있음이 밝혀졌다. 또한, 나선형 피치가 작동 온도 범위 내에서 표면-안정화 소자의 두께에 비해 충분히 크기 때문에, 소자의 작동에서 스멕틱 C상과 관련한 나선형 피치의 영향은 무시할 수 있다.
반면, 상기한 것과 같은 표면-안정화용 액정 물질의 고안 개념은 키랄 스멕틱 C상이 수직 배향(나선 보유 배향)되어 있고, 액정층의 두께가 너무 두꺼운, 즉, 대략 수십 ㎛인 액정 소자, 예를 들어, 본 발명에 따른 광로 편향 소자에 사용된 액정 소자에는 적용되지 못할 수 있다.
즉, 일본특허 제3034024호에 개시된 바와 같이 네마틱(N*) 상과 관련한 나선 형 피치의 조절에 의한 배향의 개선 또는 자발적 분극의 증가만으로는 불충분하고, 따라서, 작동 온도 범위 내에서 키랄 네마틱 C상과 관련된 나선형 피치의 최적화에 의해 이러한 소자의 특성을 개선하는 것이 중요할 수 있다. 예를 들어, 네마틱(N*) 상과 관련된 나선형 피치가 충분히 큰 액정 혼합물이 사용되는 경우, 스멕틱 C상과 관련된 나선형 피치는 증가하는 경향이 있다. 이러한 물질이 대략 수십 ㎛의 매우 두꺼운 두께를 갖는 액정층을 갖는 수직 배향 액정 소자의 제조에 사용되는 경우, 균일한 배향이 필수적으로 달성되지 않고, 특정 액정 도메인이 공정 중에 쉽게 생성되어, 도메인 벽에서 광산란에 의해 특성 저하가 야기될 수 있다.
본 발명에 의해 해결되어야 하는 문제
본 발명의 목적 중의 하나는 선행 기술에서와 다른 하나 이상의 액정 소자, 광로 편향 소자 및 화상 표시 장치를 제공하는 것이다.
문제 해결 수단
본 발명의 일양상에 따라, 한 쌍의 투명 기판, 상기 한 쌍의 기판 사이에 충전되고 호메오트로픽 배향을 하는 키랄 스멕틱 C상을 형성할 수 있는 액정층, 및 적어도 액정층에 대하여 기판의 주면(principal face)과 평행한 방향으로 전기장(평행 전기장)을 발생시키는 전극을 포함하는 액정 소자로서,
상기 액정층은, 고온측으로부터 등방성 액체상, 네마틱상, 스멕틱 A상 및 스멕틱 C상의 상 순서를 제공할 수 있는 베이스 액정 물질 내에, 적어도 하기 일반식 (2-I)의 키랄 화합물
[화학식 2-I]
Figure 112007078737878-PCT00001
및 하기 일반식 (2-Ⅱ)의 키랄 화합물을 포함하는 것인 액정 소자가 제공될 수 있다:
[화학식 2-Ⅱ]
Figure 112007078737878-PCT00002
상기 식 (2-I)에서, X기는 -(A1)h-(B1)i-(A2)j-(B2)k-(A3)l-이고, R1은 탄소수가 3 내지 12의 임의의 수인 선형 알킬기 또는 알콕시기를 나타내고, R2는 탄소수가 3 내지 12의 임의의 수이고, 분지형일 수 있는 알킬기를 나타내고, *는 키랄 중심을 나타내고, h 및 j는 각각 0, 1 또는 2이고, i 및 k는 각각 0 또는 1이고, l은 0, 1 또는 2이고, 여기서, h 및 j 중 하나 또는 둘 다가 0인 경우에 i는 0이고, l이 0인 경우 k는 0이고, h + j + l은 2 또는 3이고, A1 및 A2는 각각 식 (2-a)로부터 선택된 기를 나타내고,
[식 2-a]
Figure 112007078737878-PCT00003
A3는 식 (2-b)로부터 선택된 기를 나타내고,
[식 2-b]
Figure 112007078737878-PCT00004
B1 및 B2는 각각 -C0-0-, -0-C0-, -CH2O- 또는 -OCH2-이고, 그리고 상기 식 (2-Ⅱ)에서, X기는 -(A1)h-(B1)i-(A2)j-(B2)k-(A3)l-이고, R3는 탄소수가 3 내지 12의 임의의 수이고, 분지형일 수 있는 알킬기 또는 알콕시기를 나타내고, R4 및 R5는 각각 탄소수가 3 내지 5의 임의의 수인 선형 알킬기를 나타내거나, 또는 말단이 서로 결합된 6원자 이상의 환 구조를 갖는 알킬기를 나타내고, A1, A2, A3, B1, B2, h, i, j, k 및 l은 각각 식 (2-I)에서와 동일하게 정의되고, 독립적으로 식 (2-I)에서와 같거나 다를 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따라, 한 쌍의 투명 기판, 상기 한 쌍의 기판 사이에 충전되고 호메오트로픽 배향을 하는 키랄 스멕틱 C상을 형성할 수 있는 액정층, 및 적어도 액정층에 대하여 기판의 주면과 평행한 방향으로 전기장(평행 전기장)을 발생시키는 전극을 포함하는 액정 소자로서, 상기 액정층은, 고온측으로부터 등방성 액체상, 네마틱상, 스멕틱 A상 및 스멕틱 C상의 상 순서를 제공할 수 있는 베이스 액정 물질 내에, 적어도 하기 일반식 (1-I)의 키랄 화합물을 포함하는 것인 액정 소자가 제공될 수 있다:
[화학식 1-I]
Figure 112007078737878-PCT00005
상기 식에서, R1은 탄소수가 1 내지 15의 임의의 수이고, 치환되지 않거나,하나의 탄소가 -CN으로 치환되거나, 또는 하나 이상의 수소 원자가 F 또는 Cl로 치환된 알킬기 또는 알케닐기이고, CH2기는 -0-, -CO-, -0-C0-, -CO-O- 또는 -0-C0-0-로 치환될 수 있고, A2는 1,4-페닐렌기, 피리딘-2,5-디일, 피리미딘-2,5-디일, 1,3,4-티아디아졸-2,5-디일, 또는 1,2,4-티아디아졸-3,5-디일이고, 1개 또는 2개의 수소 원자가 F로 치환될 수 있고, Z1 및 Z2는 각각 독립적으로 -CO-O-, -0-C0-, 또는 단일 결합이고, m=1 또는 2이고, 그리고 1 ≤ l ≤9이다.
본 발명의 다른 양상에 따라, 전기적 신호에 반응하여 빛의 광로를 편향시키는 광로 편향 소자로서, 상기한 액정 소자를 포함하고, 상기 액정 소자로의 입사광을 직선 편광으로 만들고, 직선 편광의 편광면을 상기 소자 내의 평행 전기장의 인가 방향에 대해 직교하는 방향으로 설정함으로써, 입사광의 광로에 대한 출사광의 광로의 상대적 위치가 평행하게 이동(shift)될 수 있는 광로 편향 소자가 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따라, 화상 정보에 따른 빛의 제어가 가능한 복수의 화소가 2차원적으로 배열된 화상 표시 소자, 광원, 화상 표시 소자를 조명하는 조명 장치, 화상 표시 소자 위에 표시된 화상 패턴을 관찰하기 위해 배치된 광학 장치, 시간적으로 분할하여 제공되는 복수의 서브 필드에 기초한 화상 필드를 형성하는 표시 구동 장치 및 각 화소로부터의 출사광의 광로를 편향시키는 광로 편향 소자를 포함하는 화상 표시 장치로서, 광로 편향 소자에 의해 제공되는 각 서브 필드에서의 광로의 편향에 따라 위치가 이동된 표시에 대응하는 화상 패턴을 화상 표시 소자 위에 표시함으로써, 화상 표시 소자의 화소의 수가 명백히 증가되고, 광로 편향 소자로서 상기한 광로 편향 소자를 포함하는 화상 표시 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 유리한 효과
본 발명의 일양상에 따라, 선행 기술에서와 다른 하나 이상의 액정 소자, 광로 편향 소자 및 화상 표시 장치가 제공될 수 있다.
도면의 간단한 설명
도 1은 본 발명의 구체예에 따른 액정 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2A, 2B, 2C 및 2D는 전기장의 방향 및 도 1의 액정 소자 내의 액정 분자의 경사 방향을 나타내는 도식도이다.
도 3A, 3B 및 3C는 키랄 스멕틱 C상의 액정 분자의 배치를 모델화한 도면이다.
도 4A 및 4B는 액정 분자의 배향과 광로 편향의 원리를 설명하는 도식도이다.
도 5는 본 발명의 구체예에 따른 액정 소자의 다른 구조를 나타내는 단면도이다.
도 6A 및 6B는 도 5의 액정 소자의 투명 라인 전극의 배치 및 연결을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 구체예에 따른 화상 표시 장치 구조를 나타내는 도식도이다.
도 8은 액정 소자의 특성을 평가하기 위한 장치의 구조를 나타내는 도식도이다.
도 9는 액정층에 첨가되는 키랄 화합물의 양과 반응 시간과의 상관관계도이다.
도 10은 액정층에 첨가되는 키랄 화합물의 양과 MTF비와의 상관관계도이다.
부호 및 숫자의 설명
1: 액정 소자
2: 기판
3: 수직 배향 필름
4: 전극
4L: 투명 라인 전극
5: 액정층
5a: 액정 분자
6: 절연층
7: 스페이서
8: 저항체
10: 액정 소자
20: 광로 편향 소자
21: 광원
22: 확산판
23: 콘덴서 렌즈
24 : 투과형 액정 패널
25: 투사 렌즈
26: 스크린
27 : 광원 구동부
28: 구동부
30: 광로 편향 소자-구동부
41 : 램프
42: ND 필터
43: 확산판
44: F 1.4 50 mm 렌즈
45: 편광판
46: MTF 차트
47: 마이크로카메라 (CCD 카메라)
C: 이상 콘(ideal cone)
E: 전기장
LO: 입사 직선 편광
Ps: 자발적 분극
발명의 수행하기 위한 최적 모드
본 발명의 바람직한 구체예를 하기 수반되는 도면을 참조로 하여 설명한다.
첫째로, 본 발명의 구체예에 따른 액정 소자를 도 1에 기초하여 설명한다.
도 1은 액정 소자를 나타내는 도식적 단면도이다. 도면에서, 도면 부호 1, 2, 3, 4, 및 5는 스멕틱 C상에서 각각 액정 소자, 기판, 수직 배향 필름, 전극, 및 액정층을 나타낸다.
본 발명의 구체예에 따른 액정 소자(1)는 서로 마주보는 한 쌍의 투명 기판(2)을 배열함으로써 제공된다. 투명 기판(2)으로서, 예를 들어, 유리, 석영, 및 플라스틱이 사용될 수 있고, 복굴절이 없는 투명 물질이 바람직하다. 사용되는 기판(2)의 두께는 수십 ㎛ 내지 수백 ㎛일 수 있다.
수직 배향 필름(3)은 기판(2)의 내면(서로 마주보는 면)에 형성된다. 수직 배향 필름(3)의 물질은 기판(2)의 표면에 대하여 액정 분자를 수직 배향(호메오트로픽 배향)으로 배향하는 한 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 액정 표시용 수직 배향제, 실란 커플링제, 또는 SiO 또는 SiO2 축적 필름이 사용될 수 있다. 여기서, 본 적용의 수직 배향(호메오트로픽 배향)은 기판의 표면에 대해 수직인 배향의 액정 분자의 배향뿐만 아니라 수십도까지 경사된 배향도 나타낸다.
두 개의 기판(2) 사이의 공간은 스페이서에 의해 조절되고, 전극(4) 및 액정층(5)은 기판(2) 사이에 형성된다. 스페이서로서, 예를 들어, 대략 수 ㎛ 내지 수 mm의 두께를 갖는 시트 부재 또는 유사한 지름을 갖는 입자가 소자의 유효 면적의 외측에 바람직하게 제공될 수 있다. 전극(4)으로서, 예를 들어, 알루미늄, 구리 및 크롬과 같은 금속 또는 ITO(인듐 주석 옥사이드)로 만든 투명 전극이 사용될 수 있다. 또한, 액정층(5)에 균일한 수평 전기장을 인가하기 위해서 액정층의 두께와 유사한 두께를 갖는, 소자의 유효 면적의 외측에 제공되는 금속 시트를 사용하는 것이 바람직하다. 도 1의 더욱 바람직한 구체예와 같이, 금속 시트 부재가 스페이서 부재로 일반적으로 사용되고, 액정층의 두께가 금속 시트 부재의 두께에 의해 조절된다.
액정층(5)으로서, 더 높은 온도 측으로부터 등방성 액체상, 네마틱상, 스멕틱 A상 및 스멕틱 C상의 상 순서로 키랄 화합물을 베이스 액정 물질 내로 첨가함으로써 제공될 수 있고, 작동 온도 범위 내에서 키랄 스멕틱 C상을 형성할 수 있는 액정 물질이 사용될 수 있다. 전극(4) 사이에 전압이 적용되는 경우, 전기장이 액정층에 대하여 수평 배향으로 인가된다.
또한, 균일하고 수평인 전기장을 넓은 면적에 걸쳐 인가하기 위해 도 5, 6A, 및 6B에서 나타나듯이 다수의 라인형이고 투명한 전극(4L)이 기판의 면 위에 제공될 수 있다. 그 후, 수평 배향으로 전위차를 특별히 형성하고, 균일하고 수평인 전기장을 형성하도록 연속 변압이 각각의 전극(4L)에 적용될 수 있다. 또한, 투명 절연층(6)이 라인형이고 투명한 전극(4L)이 제공되는 기판 표면과 액정층(5) 사이에 제공될 수 있다. 각각의 투명 전극(4L)에 연속 변압을 적용하는 방법으로서, 일련의 각각의 투명 전극(4L)을 저항체(8)를 통해 연결하는 것이 바람직하다. 도 5, 6A, 및 6B에 나타낸 구조에서, 액정 소자(10)의 유효 면적은 수 제곱 센티미터까지 증가될 수 있어, 화상 표시 장치와 같이 비교적 큰 표면적이 요구되는 사용에 있어 바람직할 수 있다.
다음으로, 키랄 스멕틱 C상을 형성될 수 있는 액정층(5)을 하기한다.
여기서, "스멕틱 액정"은 (스멕틱 층과 같은) 층이 형성될 수 있도록 액정 분자의 장축(major axis) 배향을 배열함으로써 제공될 수 있는 액정층이다. 이러한 스멕틱 액정 중에서, 층의 법선 배향(층 법선 배향)이 액정 분자의 장축 배향과 일치하는 액정은 "스멕틱 A상"으로 나타내고, 액정 분자의 장축 배향이 층의 법선 배향과 일치하지 않는 액정은 "스멕틱 C상"으로 나타낸다. 일반적으로, 스멕틱 C상의 강유전체 액정은 외부 전기장이 인가되지 않는 경우 액정 디렉터의 배향이 각각의 스멕틱층에 있어 나선형으로 회전하는 소위 나선형 구조를 갖고, "키랄 스멕틱 C상"으로 나타낸다. 한편, 키랄 스멕틱 C상의 반강유전체(anti-ferroelectric) 액정에 있어, 액정 디렉터는 인접하는 층 간에 서로 마주본다. 이러한 키랄 스멕틱 C상의 액정은 자발적 분극을 야기하는 분자 구조 내에 비대칭 탄소를 갖는 키랄 화합물을 포함한다. 그 후, 이의 광 특성은 자발적 분극 Ps 및 외부 전기장 E에 의해 결정되는 배향으로 액정 분자를 재배향함에 의해 제어될 수 있다. 또한, 이러한 구체예의 액정 소자 및 광로 편향 소자를 설명하기 위해 강유전체 액정이 액정층의 설명적 예로 제공되지만, 반강유전체 액정도 유사하게 사용될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 구체예에 따른 액정 소자의 작동 원리를 도 2A-2D를 참조하여 설명한다.
도 2A-2D는 도 1에 나타낸 구조에서 전기장의 방향 및 액정 분자의 경사 방향을 설명하는 도식도이다. 여기서, 설명된 액정 분자(5a)는 넓게 그려진 끝부분이 지면의 위측이고, 좁게 그려진 끝부분이 지면의 아래측이 되도록 경사된다. 또한, 액정의 자발적 분극(기호 Ps로 나타냄)은 화살표로 표시된다. 전기장의 방향이 전환되는 경우, 실질적으로 수직 방향으로 배향되는 액정 분자(5a)의 경사의 방향은 각지게 전환된다. 도면에서, 자발적 분극이 포지티브인 경우에 인가되는 전기장의 방향과 액정 분자의 경사 방향 사이의 관계를 설명한다. 도 2B 및 도 2D의 투시도에서 설명하는 바와 같이 경사의 방향이 각지게 전환되는 경우 이상적 원뿔형 면 내의 회전 운동이 일어나는 것으로 생각된다.
여기서, 키랄 스멕틱 C상의 액정 분자 배향의 모델을 도 3A, 3B 및 3C에 나타낸다. 나선 구조를 갖는 층은 경사각 θ를 갖는 분자가 회전 방향으로 서로 쌓이고 이동되어 형성된다. E=0인 경우, 도 3A에 나타낸 바와 같이, 좌우 대칭인 나선 구조에 의해 액정 디렉터는 공간적으로 평균화될 수 있다. 액정층(5)의 평균 광학축은 층의 법선 방향으로 배향되어 있고, 이 광학축은 평균 광학축에 평행인 투사광에 대하여 광학적 등방성이다. 전기장의 부재 하에서 키랄 스멕틱 C상의 액정층의 코노스코프 화상이 층의 법선 방향으로부터 관찰되는 경우, 십자상(image of cross)이 중앙 부분에 위치할 수 있고, 따라서 단일축(uniaxial) 광학축을 갖는 것을 확인할 수 있다. 다음으로, 0 < E < Es의 비교적 낮은 전기장이 액정층의 수평 방향으로 인가되는 경우, 자발적 분극(Ps)에의 전기장 E의 작용인 회전 모멘트가 액정 분자에 제공된다. 따라서, 도 3B에서와 같이, 나선 구조는 비틀어져(distorted) 비대칭이 될 수 있고, 평균 광학축은 한 방향으로 경사될 수 있다. 이러한 경우, 비틀림은 전기장 강도의 증가와 함께 증가할 수 있고, 이어서, 평균 광학축의 경사각이 증가할 수 있다. 이는 코노스코프 화상에서 십자상의 이동에 의해 확인될 수 있다. 전기장 강도가 더욱 증가되어 특정 한계 전기장 Es 이상이 되는 경우, 도 3C에서와 같이 나선 구조가 소실될 수 있고, 균일한 배향이 제공될 수 있다. 이러한 경우, 광학축의 경사각은 액정 디렉터의 경사각 θ와 동일해질 수 있다. 전기장이 심지어 더욱 증가하는 경우, 경사각 θ가 변화하지 않을 수 있고, 광학축의 경사각이 일정해질 수 있다.
도 4A 및 도 4B는 수직 배향 필름(3), 스페이서, 및 전극(4)이 생략된 액정 소자(1) 내의 액정 분자(5a)의 배향을 설명하는 도식도이다. 편의상, 도 4A 및 4B는 지면에 대해 앞뒤 방향으로 전압이 적용되고, 전기장 E가 지면의 앞뒤 방향으로 작용하도록 그린다. 전기장의 방향은 목적하는 빛의 편향 방향에 따라서 도면에 나타내지 않는 전원에 의해 변환될 수 있다.
도 4A에서와 같이 전기장이 지면의 앞쪽에 대해 인가되는 경우, 그리고 액정 분자의 자발적 분극이 포지티브라면, 상부 오른손 측으로 경사된 액정 디렉터의 분자의 수가 증가하여 액정층(5)은 상부 오른손 방향으로 경사된 평균 광학축을 갖는 복굴절 판으로 작용할 수 있다. 키랄 스멕틱 C상에서 나선 구조를 붕괴시키는 한계 전기장(이후 포화 전기장 Es로 지칭함) 이상인 경우, 모든 액정 디렉터는 경사각 θ을 가질 수 있고, 액정 소자(5a)는 각 θ에서 상부로 경사된 광학축을 갖는 복굴절 판으로 작용할 수 있다. 예를 들어, 비정상적 빛으로서 도면의 액정 소자(5a)의 좌측으로부터의 입사 직선 편광(L0)은 도면의 상부로 평행하게 이동할 수 있다. 여기서, 액정 분자(5a)의 장축 방향에 따른 굴절률, 단축(minor axis) 방향에 따른 굴절률, 및 액정층(5)의 두께(갭)를 각각 ne, no, 및 d로 나타내고, 광로의 평행 이동량(S)은 하기 식(1)로 나타낼 수 있다(예를 들어, "결정 광학", Japan Society of Applied Physics, Optical Society of Japan, 198 페이지 참조할 것):
S = [(1/no)2 - (1/ne)2] sin(2θ) x d ÷ [2 ((1/ne)2 sin2θ + (1/no)2 cos2 θ] …(1)
유사하게, 도 4B에서와 같이 전기장(E)이 지면의 뒤쪽으로 인가되도록 전극(4)에 적용되는 전압이 전환되는 경우, 그리고 액정 분자(5a)의 자발적 분극이 포지티브라면, 액정 디렉터가 도면의 하부 오른손 방향으로 경사되어, 액정 소자(1)가 각 θ에서 하부로 경사된 광학축을 갖는 복굴절 판으로 작용할 수 있다. 유사하게, 비정상적 빛으로서 도면의 액정 소자(1)의 좌측으로부터의 입사 직선 편광(L0)은 도면의 하부로 평행하게 이동할 수 있다. 따라서, 광로 이동량(2S)은 액정 소자(1)에 인가되는 전기장 방향의 전환에 의해 얻을 수 있다. 예를 들어, 식 (1)에서 no = 1.55, ne = 1.70, d = 30 ㎛, 그리고 θ= 35°인 경우, 2S = 5 ㎛의 광로 이동량이 얻어진다. 따라서, 일반적 키랄 스멕틱 액정의 경우, 대략 수 ㎛내지 수십 ㎛의 광로 이동량을 얻기 위해서는 액정층의 두께가 매우 크게, 즉 수십 ㎛ 내지 수백 ㎛로 설정되는 것이 필요할 수 있다.
또한, 본 발명의 구체예에서 이용되는 호메오트로픽 배향을 하는 키랄 스멕틱 C상의 액정층(5)에서, 동종 배향(액정 디렉터가 기판면과 평행하게 배향됨)과 비교하여, 액정 디렉터의 작용이 배향 필름(3)의 힘의 조절에 의해 적게 영향을 받을 수 있고, 광학축의 방향은 외부 전기장의 방향의 조정에 의해 쉽게 제어될 수 있어, 비교적 낮은 전기장이 요구된다는 이점을 가질 수 있다. 반면, 액정층(5)의 두께가 증가되는 경우, 기판 표면 위의 배향 필름(3)의 배향 조절력은 액정층(5)의 중앙부에서 더 약할 수 있고, 따라서, 액정층(5) 전반에 걸쳐 균일한 배향을 유지하는 것이 어려울 수 있다. 예를 들어, 배향도는 액정층(5)의 중앙부에서 쉽게 낮아질 수 있고, 백탁이 쉽게 야기될 수 있다. 이러한 상황에서, 베이스 액정 물질 내로 첨가되는 키랄 화합물의 다양한 조합이 조사되었다. 그 결과, 액정층(5)의 두께가 충분히 큰 경우에도 수직 배향, 반응성 및 광 특성이 우수한 액정 소자가 본 발명의 구체예에서 얻어질 수 있었다.
본 발명의 특정 구체예에 따른 액정 소자를 하기한다.
(특정 구체예 1-1)
첫째로, 특정 구체예 1-1은 적어도 하기 일반식 (1-I)의 키랄 화합물을 함유하는 특징이 있다.
[화학식 1-I]
Figure 112007078737878-PCT00006
식 (1-I)에서, R1은 탄소수가 1 내지 15의 임의의 수인 알킬기 또는 알케닐기이고, 하나의 탄소가 -CN으로 치환되거나, 또는 하나 이상의 H가 F 또는 Cl로 치환될 수 있다. 또한, 이의 CH2기는 -0-, -CO-, -0-C0-, -CO-O- 또는 -0-C0-0-로 치환될 수 있다. 또한, A2는 1,4-페닐렌기, 피리딘-2,5-디일, 피리미딘-2,5-디일, 1,3,4-티아디아졸-2,5-디일, 또는 1,2,4-티아디아졸-3,5-디일이고, 1개 또는 2개의 수소 원자가 F로 치환될 수 있다. Z1 및 Z2은 각각 독립적으로 -CO-O-, -0-C0-, 또는 단일 결합이다. 또한, m=1 또는 2이고, 그리고 1 ≤ l ≤9이다.
또한, 일반식 (1-I)의 키랄 화합물이 하기식 (1-Ⅱ)의 화합물인 것이 바람직하다.
[화학식 1-Ⅱ]
Figure 112007078737878-PCT00007
식 (1-Ⅱ)에서, A3 및 A4은 각각 독립적으로 1,4-페닐렌기, 피리딘-2,5-디일 및 피리미딘-2,5-디일로부터 선택되고, 1개 또는 2개의 수소 원자가 F로 치환될 수 있다. 또한, 상기 식에서, R2는 탄소수가 1 내지 15의 임의의 수인 알킬기 또는 알케닐기이고, 그리고 1 ≤ l ≤ 9이다.
또한, 베이스 액정으로서, 예를 들어, 고온측으로부터 등방성 액체상, 네마틱상, 스멕틱 A상 및 스멕틱 C상의 상 순서를 제공할 수 있고, 특히 실온에서 또는 실온 근방에서 안정한 스멕틱 C상을 제공할 수 있는, 골격 구조 때문에 낮은 점도를 갖는 것으로 생각되고 고속 반응을 제공하는 페닐피리미딘 화합물을 사용하는 것이 바람직하다.
이유는 완전히 밝혀지지 않았지만, 키랄 스멕틱 C상의 나선형 피치는 이의 배향을 안정화할 수 있는 것이 적절하고, 따라서 두꺼운 층의 수직 배향 액정을 갖는 액정 소자에서조차도 불완전한 배향을 갖지 않고 우수한 배향을 갖는 액정층이 얻어질 수 있다.
(특정 구체예 1-2)
특정 구체예 1-2는 특정 구체예 (1-1)에서 식 (1-Ⅱ)의 키랄 화합물이 하기식 (1-Ⅲ)의 화합물이라는 특징이 있다.
[화학식 1-Ⅲ]
Figure 112007078737878-PCT00008
식(1-Ⅲ)에서, R3는 탄소수가 1 내지 15의 임의의 수인 알킬기 또는 알케닐기이고, 그리고 1 ≤ l ≤ 9이다. 이유는 완전히 밝혀지지 않았지만, 키랄 스멕틱 C상의 나선형 피치는 이의 배향을 안정화할 수 있는 것이 적절하고, 따라서 두꺼운 층의 수직 배향 액정을 갖는 액정 소자에서조차 불완전한 배향을 갖지 않고 우수한 배향을 갖는 액정층이 얻어질 수 있다.
(특정 구체예 1-3)
특정 구체예 (1-3)은 베이스 액정 물질이 페닐피리미딘 골격 구조를 갖는 한 종류 이상의 화합물을 포함하는 특정 구체예 (1-1) 또는 특정 구체예 (1-2)이다.
페닐피리미딘 화합물은 고온측으로부터 등방성 액체상, 네마틱상, 스멕틱 A상 및 스멕틱 C상의 상 순서를 제공하고, 특히 실온에서 또는 실온 근방에서 안정한 스멕틱 C상을 제공할 수 있다. 따라서, 작동 온도 범위에서 안정한 강유전체 액정층을 형성할 수 있는 액정 소자가 제공될 수 있다.
여기서, 페닐피리미딘 골격 구조를 갖는 화합물의 바람직한 실시예로서, 하기식 (1-a)
[식 1-a]
Figure 112007078737878-PCT00009
및 하기식 (1-b)의 화합물이 제공될 수 있다.
[식 1-b]
Figure 112007078737878-PCT00010
식 (1-a) 및 (1-b)에서, R4 및 R5는 각각 탄소수가 3 내지 15의 임의의 수인 선형 또는 분지형 알킬 또는 알케닐기이고, 하나 이상의 H가 F 또는 Cl로 치환될 수 있다. 또한, 이의 CH2기는 -0-, -CO-, -O-CO-, -CO-O-, 또는 -0-C0-0-로 치환될 수 있다.
(특정 구체예 2-1)
첫째로, 특정 구체예 (2-1)은 적어도 하기 일반식 (2-I)의 키랄 화합물,
[화학식 2-I]
Figure 112007078737878-PCT00011
및 하기 일반식 (2-Ⅱ)의 키랄 화합물을 함유하는 특징을 갖는다.
[화학식 2-Ⅱ]
Figure 112007078737878-PCT00012
상기 식 (2-I)에서, X기는 -(A1)h-(B1)i-(A2)j-(B2)k-(A3)l-이고, R1은 탄소수가 3 내지 12의 임의의 수인 선형 알킬기 또는 알콕시기를 나타내고, R2는 탄소수가 3 내지 12의 임의의 수인 선형 알킬기를 나타낸다. 또한, 식에서 *는 키랄 중심을 나타낸다. 또한, h 및 j는 각각 0, 1 또는 2이고, i 및 k는 각각 0 또는 1이고, l은 0, 1 또는 2이고, 여기서 h 및 j 중 하나 또는 둘 다가 0인 경우에 i는 0이고, l이 0인 경우 k는 0이고, h + j + l은 2 또는 3이다. 특히, R2의 탄소수가 3개 내지 5개인 것이 바람직하다.
또한, 식에서, A1 및 A2는 각각 식 (2-a)로부터 선택된 기를 나타내고,
[식 2-a]
Figure 112007078737878-PCT00013
A3는 식 (2-b)로부터 선택된 기를 나타낸다.
[식 2-b]
Figure 112007078737878-PCT00014
또한, B1 및 B2 는 각각 -C0-0-, -0-C0-, -CH2O- 또는 -OCH2-이다.
상기 식 (2-Ⅱ)에서, X기는 -(A1)h-(B1)i-(A2)j-(B2)k-(A3)l-이고, A1, A2, A3, B1, B2, h, i, j, k 및 l은 각각 식 (2-I)에서와 동일하게 정의되고, 독립적으로 식 (2-I)에서와 같거나 다를 수 있다. R3는 탄소수가 3 내지 12의 임의의 수인 선형 알킬기 또는 알콕시기를 나타내고, R4 및 R5은 각각 탄소수가 3 내지 5의 임의의 수인 선형 알킬기 또는 말단이 서로 결합된 6원자 이상의 환 구조를 갖는 알킬기를 나타낸다. 특히, A1, A2 및 A3 중 하나가 피리미딘 환이고, i 및 k 둘 다가 0인 것이 바람직하다.
또한, 베이스 액정으로서, 예를 들어, 고온측으로부터 등방성 액체상, 네마틱상, 스멕틱 A상 및 스멕틱 C상의 상 순서를 제공할 수 있고, 특히 실온에서 또는 실온 근방에서 안정한 스멕틱 C상을 제공할 수 있는, 골격 구조 때문에 낮은 점도를 갖는 것으로 생각되고 고속 반응을 제공하는 페닐피리미딘 화합물을 사용하는 것이 바람직하다.
에폭사이드 에스테르기는 이의 키랄 중심 주위의 R형 및 시스형을 갖는다. 이는 플러스 자발적 분극을 유도하고, 네마틱(N*) 상의 오른손 나선을 유도하는 특성을 갖는다. 유사한 구조를 갖는 트랜스형은 비교적 작은 자발적 분극을 유도하는 효과를 가지므로, 더 큰 효과를 갖는 시스형이 더욱 바람직하다.
반면, 식 (2-Ⅱ)의 디옥솔란 에테르기는 이의 키랄 중심 주위의 S형 및 트랜스형을 갖는다. 이는 플러스 자발적 분극을 유도하고, 네마틱(N*) 상의 왼손 나선을 유도하는 특성을 갖는다. 즉, 식 (2-Ⅱ)의 화합물은 나선을 제공하는 (2-I)의 화합물의 효과를 상쇄하는 효과를 가질 수 있다. 또한, 자발적 분극의 신호가 동일하기 때문에, 큰 자발적 분극이 유지되는 동안에 식 (2-Ⅱ)의 화합물 및 식 (2-I)의 화합물의 함량비를 적절히 조정함으로써, 네마틱(N*) 상의 나선 피치는 작은 값으로부터 큰 값에 이르기까지 제어될 수 있다.
네마틱(N*) 상의 나선 피치가 액정 소자의 제조 시간에서 배향에 영향을 줄 수 있는 것으로 생각되므로, 각 소자의 특성에서 최적 피치를 설정함으로써, 배향이 우수한 액정 소자가 틀림없이 얻어질 수 있다. 또한, 키랄 스멕틱 C상의 나선 피치는 식 (2-Ⅱ)의 화합물 및 식 (2-I)의 화합물을 혼합함으로써 제어될 수 있다. 키랄 스멕틱 C상의 나선 피치가 작은 경우, 액정 소자의 구동 공정이 정지되는 경우에 액정층 내의 도메인 구조 형성이 어려울 수 있지만, 광학축의 경사각을 포화시키는 전기장의 강도는 증가하는 경향이 있다. 반면, 키랄 스멕틱 C상의 나선 피치가 큰 경우, 광학축의 경사각을 포화시키는 전기장의 강도는 감소하는 경향이 있지만, 액정 소자의 구동 공정이 정지되는 경우에 도메인 구조가 액정층 내에 쉽게 형성될 수 있다.
본 발명의 구체예에 따른 액정 소자에 대하여, 배향의 안정성을 유지하기 위하여, 키랄 스멕틱 C상의 나선 피치가 액정층의 두께보다 더 작은 것이 바람직하다. 최적 피치가 각 소자의 특성에서 설정되는 경우, 배향의 안정성이 우수하고, 광학축의 경사각을 포화시키기 위한 비교적 약한 강도의 전기장을 갖는 액정층을 얻을 수 있고, 낮은 전기장 조건 하에서도 광학축의 충분한 경사각이 얻어질 수 있다.
(특정 구체예 2-2)
특정 구체예 2-2는 하기 일반식 (2-Ⅲ)의 키랄 화합물이 액정층에 더욱 첨가되는 특정 구체예 (2-1)의 액정 소자이다.
[화학식 2-Ⅲ]
Figure 112007078737878-PCT00015
식 (2-Ⅲ)에서, X기는 -(A1)h-(B1)i-(A2)j-(B2)k-(A3)l-이고, Y기는
Figure 112007078737878-PCT00016
이고,
A1, A2, A3, B1, B2, h, i, j, k 및 l은 각각 식 (2-I)에서와 동일하게 정의되고, 독립적으로 식 (2-I) 또는 식 (2-Ⅱ)에서와 같거나 다를 수 있고, R6은 탄소수가 3 내지 12의 임의의 수인 선형 알킬기 또는 알콕시기이거나, 또는 Y기이고, 그리고 R7은 탄소수가 3 내지 12의 임의의 수인 선형 알킬기를 나타낸다. 특히, R7의 탄소수가 3 내지 5의 임의의 수인 것이 바람직하다.
식 (2-Ⅲ)에서 Y기로 나타내는 에폭사이드 에스테르기는 이의 키랄 중심 주위의 S형 및 트랜스형을 갖는다. 이는 플러스 자발적 분극을 유도하고, 네마틱(N*) 상 내의 왼손 나선을 유도하는 특성을 갖는다. 따라서, 특히, 식 (2-I)의 화합물과 함께, 네마틱(N*) 상의 나선 피치를 제어하는 효과가 제공될 수 있다. 형과 관련하여, 자발적 분극을 유도하는 효과가 비교적 작을 수 있다. 그러나, 네마틱(N*) 상의 나선 피치는 식 (2-I)로 나타내는 시스형의 에스테스형 화합물 및 식 (2-Ⅲ)로 나타내는 트랜스형의 에테르형 화합물을 혼합함으로써 다른 물리적 특성을 적은 양으로 변화시키면서 조정될 수 있다. 식 (2-Ⅲ)의 키랄 화합물이 식 (2-I) 및 식 (2-Ⅱ)의 키랄 화합물 내로 더욱 첨가되는 경우, 큰 자발적 분극을 갖고 반응성 및 배향이 우수한 액정 소자가 얻어질 수 있다.
(특정 구체예 2-3)
특정 구체예 2-3은 일반식 (2-I)의 키랄 화합물이 하기식 (2-IV)의 화합물이고,
[화학식 2-IV]
Figure 112007078737878-PCT00017
일반식 (2-Ⅱ)의 키랄 화합물이 하기식 (2-V)의 화합물이고,
[화학식 2-V]
Figure 112007078737878-PCT00018
그리고 일반식 (2-Ⅲ)의 키랄 화합물이 하기식 (2-VI)의 화합물인 특정 구체예 (2-2)의 액정 소자이다.
[화학식 2-VI]
Figure 112007078737878-PCT00019
식 (2-IV)에서, n 및 m은 각각 3 내지 12의 정수이고, 여기서 n 및 m은 동일한 수치일 수 있다. 또한, 식 (2-V)에서, n은 3 내지 12의 정수이다. 또한, 식 (2-VI)에서, n 및 m은 각각 3 내지 12의 정수이다. n 및 m은 동일한 수치일 수 있다. 또한, 식 (2-IV) 내지 식 (2- VI) 중 임의의 n 및 m은 각각 독립적인 수치일 수 있다. 또한, 식 (2-IV), (2-V) 및 (2-VI)에서, M1은 메소게닉 방향족 단위(메소게닉기)이고, 식 (2-c)로부터 선택된 기를 나타낸다.
[식 2-c]
Figure 112007078737878-PCT00020
페닐피리미딘기가 식 (2-IV)의 메소게닉기로 사용되는 경우, 특히, 베이스 액정 물질의 피리미딘 환과 동일한 배향을 갖는 것이 사용되는 경우, 호환성이 비교적 개선되고, 결정화의 방지와 같이 액정층의 안정성을 개선시키는 효과를 제공할 수 있는 것으로 생각된다. 또한, 식 (2-V)의 형상은 키랄 부분의 말단이 시클로헥산 구조인 것이다. 분자 구조와의 관계가 완전히 밝혀지지 않았지만, 식 (2-V)의 화합물을 이용함으로써 수직 배향을 개선하고 유지시키는 효과가 제공될 수 있다. 또한, 식 (2-VI)의 화합물이 2개의 키랄 중심을 갖기 때문에, 큰 자발적 분극을 유도하는 효과가 제공될 수 있다. 따라서, 자발적 분극이 더욱 증가될 수 있고, 반응성이 매우 우수한 액정 소자가 얻어질 수 있다.
(특정 구체예 2-4)
특정 구체예 2-4는 하기식 (2-VⅡ)의 화합물이 일반식 (2-I)의 다른 키랄 화합물로서 더욱 첨가되는 특정 구체예 2-3의 액정 소자이다.
[화학식 2-VⅡ]
Figure 112007078737878-PCT00021
식 (2-VⅡ)에서, n 및 m은 각각 3 내지 12의 정수이다. n 및 m은 동일한 수치일 수 있다. 또한 M2는 메소게닉 방향족 단위(메소게닉기)이고, 하기식 (2-d)로부터 선택된 기를 나타낸다.
[식 2-d]
Figure 112007078737878-PCT00022
식 (2-VⅡ)의 메소게닉기는 삼환 구조를 갖고, 일반적으로 이의 첨가에 의해 상 전이 온도를 증가시키는 효과를 갖는 경향이 있다. 본 발명의 특정 구체예에서, 2,5-페닐피리미딘기가 특히 식 (2-VⅡ)의 메소게닉기로 사용되는 경우, 포화 전기장을 감소시키는 유의한 효과가 제공될 수 있다. 이의 원인이 완전히 밝혀지지는 않았지만, 다른 키랄 화합물과의 상호작용의 특별한 효과로 생각된다. 따라서, 광학축의 경사각을 포화시키기 위한 매우 약한 강도의 전기장을 갖고 반응성이 매우 우수한 액정 소자가 제공될 수 있다.
(특정 구체예 2-5)
특정 구체예 2-5는 특정 구체예 2-3과 유사하게, 일반식 (2-I)의 키랄 화합물이 식 (2-IV)의 화합물이고, 일반식 (2-Ⅱ)의 키랄 화합물이 식 (2-V)의 화합물인 특정 구체예 2-2의 액정 소자이고, 일반식 (2-Ⅲ)의 키랄 화합물이 하기식 (2-Ⅷ)의 화합물이라는 특징을 갖는 액정 소자이다.
[화학식 2-Ⅷ]
Figure 112007078737878-PCT00023
식 (2-Ⅷ)에서, n 및 m은 각각 3 내지 12의 정수이다. n 및 m은 동일한 수치일 수 있다. 또한, 식 (2-IV) 내지 식 (2-Ⅷ) 중 임의의 n 및 m은 각각 독립적인 수치일 수 있다. M1 은 메소게닉기이고, 상기한 메소게닉기와 동일한 메소게닉기가 사용될 수 있다.
상기한 식 (2-VI)와 비교하여 식 (2-Ⅷ)는 하나의 키랄 중심부를 갖는다는 점이 다르다. 따라서, 자발적 분극을 유도하는 효과는 비교적 작다. 그러나, 페닐피리미딘기가 특히 식 (2-Ⅷ)의 메소게닉기로서 사용되는 경우, 다른 키랄 화합물 또는 베이스 액정 물질과 유사한 구조 때문에, 호환성이 우수할 수 있고, 배향을 개선시키는 효과가 제공될 수 있다. 특히, 액정 소자 공정 과정에서 광 특성으로서 MTF(변조 전파 기능: modulation transfer function) 특성을 개선시키는 효과가 제공될 수 있다.
(특정 구체예 2-6)
특정 구체예 2-6은 식 (2-VⅡ)의 화합물이 일반식 (2-I)의 다른 키랄 화합물로서 더욱 첨가되는 특정 구체예 2-5의 액정 소자이다.
식 (2-VⅡ)에서, n 및 m은 각각 3 내지 12의 임의의 정수이다. n 및 m은 동일한 수치일 수 있다. M2는 메소게닉기이고, 상기한 메소게닉기와 동일한 메소게닉기가 사용될 수 있다.
식 (2-VⅡ)의 메소게닉기는 삼환 구조를 갖고, 일반적으로 이의 첨가에 의해 상 전이 온도를 증가시키는 효과를 갖는 경향이 있다. 본 발명의 특정 구체예에서, 2,5-페닐피리미딘기가 특히 식 (2-VⅡ)의 메소게닉기로 사용되는 경우, 수직 배향 및 반응성을 개선시키는 유의한 효과가 제공될 수 있다. 배향을 개선하는 원인이 완전히 밝혀지지는 않았지만, 자발적 분극을 증가시키는 효과 때문에 반응성이 유의하게 증가될 수 있는 것으로 생각된다. 그러나, 특정 구체예 (2-4)의 효과와 대조적으로, 포화 전기장이 증가하는 경향이 있음을 관찰되었다. 이의 원인이 완전히 밝혀지지는 않았지만, 다른 키랄 화합물과의 상호작용이 영향을 미칠 수 있기 때문에, 동일한 화합물이 첨가되는 경우에도 다른 효과가 제공될 수 있는 것으로 생각된다. 따라서, 우수한 수직 배향, 매우 짧은 반응 시간, 및 전기장 구동 시간에 매우 우수한 MTF 특성을 갖는 액정 소자가 제공될 수 있다.
(특정 구체예 2-7)
특정 구체예 2-7은 액정층에 함유되는 키랄 화합물의 비율이 15 중량% 이상이고, 40 중량% 이하인 특정 구체예 2-1 내지 특정 구체예 2-6 중 임의의 액정 소자이다.
상기한 바와 같이 키랄 화합물의 비율이 15 중량% 미만인 경우, 즉, 베이스 액정의 함량이 85 중량% 이상인 경우, 자발적 분극은 작고, 반응 시간은 1.0 ms 이상으로 강등될 수 있다. 반응 시간이 1.0 ms 보다 큰 경우, 강유전체 액정의 형상이 사용될 수 없다. 따라서, 키랄 화합물의 비율이 15 중량% 이상인 경우, 즉, 베이스 액정의 비율이 85 중량% 미만인 경우, 자발적 분극은 대략 40 nC/cm2을 넘어 커질 수 있고, 액정 소자의 반응 시간은 고속을 의미하는 1.0 ms 이하일 수 있다. 그러나, 속도 상승을 위해 키랄 화합물이 너무 많이 증가되면, 결정화에 의해 야기되는 상 분리 및 백탁과 같은 부작용이 발생할 수 있다. 따라서, 키랄 화합물의 비가 40 중량% 이하인 경우, 액정 소자의 광 특성의 강등, 예를 들어, 백탁의 형성이 방지될 수 있다.
또한, 더욱 바람직하게는, 액정층에 함유되는 키랄 화합물의 비율이 20 중량% 이상이고, 40 중량% 이하이다. 키랄 화합물의 비율이 20 중량% 이상인 경우, 자발적 분극은 더욱 증가될 수 있고, 액정 소자의 반응 시간은 0.5 ms 이하가 될 수 있고, 이는 고속을 의미한다.
(특정 구체예 2-8)
특정 구체예 (2-8)은 베이스 액정 물질이 적어도 페닐피리미딘 화합물을 함유하는 특정 구체예 2-1 내지 특정 구체예 2-7 중 임의의 액정 소자이다.
페닐피리미딘 화합물은 고온측으로부터 등방성 액체상, 네마틱상, 스멕틱 A상 및 스멕틱 C상의 상 순서를 제공할 수 있고, 특히 실온에서 또는 실온 근방에서 스멕틱 C상을 제공할 수 있다. 따라서, 작동 온도 범위에서 안정한 강유전체 액정층을 형성할 수 있는 액정 소자가 제공될 수 있다.
여기서, 페닐피리미딘 골격 구조를 갖는 화합물의 바람직한 구체예로서, 하기식 (2-e)의 화합물 및 하기식 (2-f)가 제공될 수 있다.
[식 2-e]
Figure 112007078737878-PCT00024
[식 2-f]
Figure 112007078737878-PCT00025
식 (2-e)에서, R4 및 R5은 각각 탄소수가 3 내지 15의 임의의 수인 선형 또는 분지형 알킬기 또는 알케닐기이고, 하나 이상의 H가 F 또는 Cl로 치환될 수 있다. 또한, 이의 CH2기는 -0-, -CO-, -0-C0-, -CO-O-, or -0-C0-0-로 치환될 수 있다.
본 발명의 구체예에 따른 광로 편향 소자는 전기적 신호에 반응하여 빛의 광로를 편향시키고, 특정 구체예 (1-1) 내지 특정 구체예 (1-3) 및 특정 구체예 (2-1) 내지 특정 구체예 (2-8)의 임의의 액정 소자를 포함하고, 상기 액정 소자로의 입사광을 직선 편광으로 만들고, 직선 편광의 편광면을 상기 소자 내의 평행 전기장의 인가 방향에 대해 직교하는 방향으로 설정함으로써, 입사광의 광로에 대한 출사광의 광로의 상대적 위치가 평행하게 이동될 수 있는 특징이 있다. 즉, 액정층(5)의 광학축의 경사 방향 또는 경사각을 변환하는 공정으로 투과광의 경로가 평행하게 이동될 수 있다. 강유전체 액정 물질이 도 4A 및 4B에서와 같이 사용되기 때문에, 광학축을 변환하는 공정은 빠르고, 따라서, 광로의 고속 이동이 달성될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 구체예에 따른 화상 표시 장치를 설명한다.
본 발명의 구체예에 따른 화상 표시 장치는 화상 정보에 따라 빛의 제어가 가능한 복수의 화소가 2차원적으로 배열된 화상 표시 소자, 광원, 화상 표시 소자를 조명하는 조명 장치, 화상 표시 소자 위에 표시된 화상 패턴을 관찰하기 위해 배치된 광학 장치, 시간적으로 분할하여 제공되는 복수의 서브 필드에 기초한 화상 필드를 형성하는 표시 구동 장치 및 각 화소로부터의 출사광의 광로를 편향시키는 본 발명의 구체예에 따른 상기 광로 편향 소자를 포함하고, 여기서 광로 편향 소자에 의해 제공되는 각 서브 필드에서의 광로의 편향에 따라 위치가 이동된 표시에 대응하는 화상 패턴을 화상 표시 소자 위에 표시함으로써 화상 표시 소자의 화소의 수가 명백히 증가된다.
화상 표시 장치의 구조의 예를 도 7에 나타낸다. 도 7에서, LED 램프가 2차원적 배열로 배열되는 광원(22), 확산판(22), 콘덴서 렌즈(23), 화상 표시 소자로서의 투과형 액정 패널(24) 및 화상 패턴을 관찰하기 위한 광 부재로서의 투사 렌즈(25)가 광원(21)에서 스크린(26)까지 생성되는 빛의 이동 방향을 따라서 순서대로 제공된다. 또한, 광원(21)의 광원 구동부 및 투과형 액정층 패널(24)의 구동부는 각각 도면 부호 27 및 28로 나타낸다.
또한, 픽셀 이동 소자로 기능하는 광로 편향 소자(20)는 투과형 액정 패널(24) 및 투사 렌즈(25) 사이의 광로를 따라 중간에 제공되고, 구동부(30)에 연결된다. 이러한 광로 편향 소자(20)에서, 상기한 액정 소자가 사용될 수 있다.
광원 구동부(27)에 의해 제어되는 광원(21)으로부터 발산된 조명광은 조명원과 동시에 액정 구동부(28)에 의해 제어되는 확산판(22)을 통하여 균일한 조명광으로 변하고, 콘덴서 렌즈(23)를 통해 투과형 액정 패널(24)을 조명한다. 투과형 액정 패널(24)을 통해 공간적 광 변조를 받게 되는 조명광은 화상광으로서 광로 편향 소자(20) 위로 입사되고, 화상광은 광로 편향 소자(20)를 사용함으로써 화소 배열 방향으로 임의 거리로 이동된다. 광로 편향 소자(20)를 통해 투과된 광은 투사 렌즈(25)에 의해 스크린(26)에 확대 투사된다.
여기서, 화상 필드를 시간적으로 분할함으로써 제공되는 복수의 서브 필드 각각에서 이동된 광로의 위치에 따라 위치가 이동하는 표시에 대응하는 화상 패턴이 표시되어, 투과형 액정 패널(24)의 화소의 수가 명백히 증가된다. 따라서, 투사 화상의 수가 투사형 액정 패널(24)의 화소의 배열 방향으로 2배 증가될 수 있기 때문에, 광로 편향 소자(20)의 이동량은 화소 피치의 1/2로 설정될 수 있다. 그 후, 투과형 액정 패널(24)을 구동하는 화상 신호가 이동량에 따라 그리고 이동량에 의해 교정되는 경우, 명백히 매우 우수한 화상이 표시될 수 있다. 여기서, 우수한 배향을 갖고 고속 반응성에 있어 뛰어난 광로 편향 소자가 사용되기 때문에, 광로의 고속 편향이 서브 필드 화상에서 달성될 수 있고, 따라서, 명백히 매우 우수한 화상이 표시될 수 있다. 또한, 서브 필드 화상의 변환 시간이 고속 반응성 때문에 짧아질 수 있고, 따라서, 광 사용의 시간적 효율성이 증가될 수 있다.
[실제 실시예]
본 발명을 수행하는 실제 실시예(실시예 1-1 및 1-2)를 하기한다.
(실제 실시예 1-1)
(1) 액정 소자의 제조
액정 소자를 하기 단계에 따라 제조하였다.
먼저, 10 ㎛ 폭을 갖는 400개의 투명 전극 라인을 1.1 mm 두께의 유리 기판 표면 위의 100 ㎛의 피치에 평행하게 형성시켰다. 투명 전극 라인의 유효 길이는 10 mm였다. 투명 전극 라인 그룹의 유효 표면적은 40 mm2였고, 150 ㎛ 두께의 유리판을 자외선 경화 접착제를 사용하여 여기에 적층하였다. 접착층의 두께는 대략 10 ㎛였다. 따라서, 투명 라인 전극(4L)을 도 5의 단면도의 액정 소자와 같이 기판(2)으로서 사용된 투명 유리판의 내측에 매립하였다.
폴리이미드 화합물로 만든 0.06 ㎛ 두께의 수직(호메오트로픽) 배향 필름(3)을 기판 표면 위에 형성시켰다. 폴리이미드 배향 필름에, 폴리아믹산 용액을 스핀 코팅에 의해 도포하고, 이미드화(imidation) 처리로서 대략 180 ℃에서 가열 처리 를 수행하여, 폴리이미드 필름을 얻었다. 이어서, 유효 표면적의 외측에 50 ㎛의 스페이스 시트를 끼워 넣어 두 개의 기판을 마주보게 하여, 셀을 얻었다. 그 후, 셀의 꼭대기에서 볼 때 상부 기판의 유효 표면적 위의 투명 전극 라인이 하부 기판의 것에 대해 대안적으로 위치하도록 기판을 서로 적층하였다. 그 후, 셀이 대략 95 ℃로 가열되는 동안, 하기 액정 물질을 모세관 현상에 의해 기판 사이의 공간 내로 주입하였다. 냉각 후, 70 ㎛ 두께 및 4 cm2의 유효 표면적의 액정 소자(10)를 얻을 수 있도록 접착제로 밀봉하였다.
또한, 도 6A 및 6B에서 나타내는 바와 같이, 저항체(8)가 CrSiO 필름 축적에 의해 필름을 형성하여, 각각의 투명 전극 라인(4L)이 기판(2)에 직접 연결되었다. 펄스 발생기 및 고속 AMP로 구성된 전원 공급장치가 저항체(8)의 양쪽 단자에 연결되는 경우, 전류가 저항체의 배열을 통해 흐르고 따라서 특정 전압이 배분되어 전기 포텐셜의 특정 배분이 유효 표면적 내측에서 이루어진다.
(2) 액정 물질
하기 화합물은 실제 실시예에서 액정 물질로 혼합되어 사용된다.
- 하기 표 1-1에서 나타낸 성분비로 혼합된 베이스 액정: 90 wt%
[표 1-1]
Figure 112007078737878-PCT00026
- 식 (1-1)의 키랄 화합물의 예로서, 하기식으로 나타내는 화합물 A: 10 wt%
Figure 112007078737878-PCT00027
또한, 액정 물질의 상 전이 온도는 결정/스멕틱 C상에서는 -15 ℃, 키랄 스 멕틱 C상/스멕틱 A상에서는 81 ℃, 스멕틱 A상/네마틱상에서는 89 ℃, 그리고 네마틱상/등방성 상에서는 101 - 103 ℃였다. 또한, SSFLC 소자를 사용하여 측정된 자발적 분극의 결과는 -24 nC/cm2였다.
(3) 액정 소자의 특성 평가
액정 소자의 샘플을 제조한 후에, 수직 배향을 표적 관찰 및 편광 현미경 관찰로 초기 조건에서 평가하였다. 결과적으로, 투과율은 우수하였고, 도메인이 관찰되지 않거나 거의 관찰되지 않아, 넓게 균일한 배향이 나타났다.
다음으로, 액정 소자의 다양한 종류의 특성을 도 8에 나타낸 장치를 사용하여 측정하였다.
100 사이클/mm (피치:10 ㎛)의 공간 주파수의 사인파 밀도 분포를 갖는 MFT 차트(46)를 조명각을 설정하기 위한 광학 시스템(ND 필터(42), 확산판(43), F 4.1 50 mm 렌즈(44)) 및 편광판(45)을 통과하는 광원(41)으로부터의 빛으로 조명하였다. 그 후, MFT 차트(46)를 통해 투과된 빛의 액정 소자(10)를 통과한 광 투과를 현미경 및 매우 미세한 CCD카메라가 장착된 고속 카메라와 같은 카메라(47)로 관찰하였다.
이 때, 100 Hz로 설정된, 액정 소자(10)를 구동하기 위한 주파수를 갖는 사각파 변환 전압을 사용하였다. 따라서, 광로 이동을 액정층(5)의 광학축의 변환으로 만들고, MTF 차트(46)의 패턴(MTF 패턴)의 위치 이동을 관찰하였다. 패턴의 이동을 고속 카메라(47)에 화상화하고, 그 후 얻어진 화상을 분석하여, 반응 시간을 얻었다. 여기서, 10 %의 최대 이동량에서 90 %의 최대 이동량으로 이동하는데 필요한 시간 간격을 반응 시간으로 정의하고, 150 V/mm의 전기장 강도에서 비교하였다.
또한, 매우 미세한 CCD 카메라가 고속 카메라 대신 사용되는 경우, CCD 카메라의 프레임 주파수와 액정 소자(10)의 구동 주파수의 사이의 차이 때문에, MFT 패턴의 비교적 느린 이동이 CCD 카메라에 얻어진 화상에서 관찰되었다. 이러한 경우, 일측으로 이동되고 휴지 상태인 MTF 패턴의 화상은 컴퓨터 내에 인스톨되고, 액정 소자의 MFT 값이 관찰된다. 또한, 참조 소자에서 얻어진 MFT 값으로 얻어진 MTF 값을 표준화함으로써, 액정층(5) 부분과 관련된 MFT 비가 얻어졌다.
또한, MTF 패턴의 양측의 정적 부분을 비교함으로써 광로 이동량을 얻었다. 전기장의 강도가 더욱 증가되고, 광학축의 경사를 포화시키는 전기장의 강도는 광로 이동량이 특정 값에서 포화되는 지점에서의 전기장으로부터 얻어졌다.
실제 실시예의 액정 소자와 관련된 평가 결과를 하기한다.
- 반응 시간: 1.3 ms (E = 150 V/mm의 전기장에서)
- 포화 전기장: 270 V
- MTF 비: 0.883 (100 Hz에서 구동되는 경우)
실제 실시예의 액정의 배향은 매우 우수하였고, MFT 값은 0.883으로 매우 높았다. 반응 시간이 비교적 낮다고 생각되는 1.3 ms였고, 포화 전기장이 비교적 큰 270 V였지만, 이는 수직 배향 강유전체 액정 소자로서 실제 작동하였다.
(실제 실시예 1-2)
실제 실시예 1-1의 액정 소자를 광로 편향 소자로서 사용하여 도 7과 같은 화상 표시 장치를 제조하였다. 화상 표시 소자(투과형 액정 패널(24))로, 모서리를 가로질러 0.9 인치 폭의 폴리실리콘 TFT 액정 광 밸브 및 XGA(1024 x 768 도트)를 사용하였다. 여기서, 화소의 피치는 가로 및 세로 방향 각각을 따라 대략 18 um였고, 화소의 개구수(numerical aperture)는 대략 50 %였다. 또한, 조명광에 대한 광 수집율을 증가하기 위해, 마이크로렌즈 배열은 화상 표시 소자(투과형 액정 패널(24))의 광원 측부에 제공되었다. 실제 실시예에서, RGB 컬러의 LED 광원을 광원으로서 사용하였고, 고속에서 상기한 액정 패널(24)을 조명하기 위해 빛의 컬러 변환에 의해 컬러 표시를 수행하는 소위 필드 연속법을 사용하였다.
실제 실시예에서, 화상을 표시하는 프레임 주파수는 60 Hz였고, 픽셀 이동에 의해 화소수를 4배 크게 명백히 증가시키는 서브 필드 주파수는 240 Hz으로, 프레임 주파수보다 4배 컸다. 또한, 컬러에서 하나의 서브 프레임을 3개의 프레임으로 더욱 분할하기 위하여, 각각의 컬러에 대응하는 화상을 720 Hz에서 변환시켰다. 관찰자는 액정 패널 위의 각각의 컬러 화상을 표시하는 시간에 따른 각각의 컬러에 대응하는 LED 광원을 켜고 끄고 것에 의해 전체 컬러 화상을 볼 수 있다.
실제 실시예에서, 실제 실시예 1-1의 2개의 액정 소자가 광로 편향 소자(20)로서 사용되고, 제1 광로 편향 소자 및 제2 광로 편향 소자가 각각 입구측과 출구측에서 제공된다. 이들은 라인 전극의 방향이 서로 직교하도록 배열되고, 화상 표시 소자(투과형 액정 패널(24))의 화소의 배열 방향에 대응한다.
또한, 실제 실시예에서, 액정 광 밸브로부터의 출사광은 직선 편광이고, 편광 방향이 제1 광로 편향 소자의 광로 편향의 방향에 대응하도록 광 밸브가 배열되 었다. 또한, 광로 편향 소자로의 입사광의 편향도를 보증하기 위하여, 편광 방향 제어 수단으로서 직선 편광판을 광로 편향 소자(20)의 입구측에 제공하였다. 따라서, 제1 광로 편향 소자에 의해 편향되지 않고 직진하는 노이즈 광의 형성을 방지할 수 있었다.
또한, 편광면 회전 소자를 제1 및 제2 광로 편향 소자 사이에 제공하였다. 편광면 회전 소자는 하기와 같이 제조하였다. 즉, 폴리이미드형 배향 물질을 얇은 유리 기판(3 cm x 4 cm, 두께: 0.15 mm) 위에 스핀 코팅하여, 대략 0.1 ㎛의 두께를 갖는 배향 필름을 형성시켰다. 유리 기판의 어닐링(annealing) 처리 후에, 문지름(rubbing) 처리를 수행하였다. 8 ㎛ 두께의 스페이서를 가장자리 부분에서 2개의 유리 기판 사이에 끼워 넣었다. 그 후, 빈 셀을 얻기 위해, 상부 및 하부 기판을 문지름 방향이 서로 직교하도록 서로 적층하였다. 액정 분자의 배향이 90 도로 뒤틀린 편광면 회전 소자로서의 TN 액정 셀을 얻기 위해, 포지티브 절연성 비등방성의 네마틱 액정 내로 적절한 양의 키랄 물질을 혼합함으로써 제공되는 물질을 일반 압력 하에서 셀 내로 주입하였다. 전극이 셀에 제공되지 않으므로, 이는 단순 편광면 회전 소자로 작용한다.
편광면 회전 소자의 배열에서, 이는 두개의 광로 편향 소자 사이에 끼워지도록 배열되어, 제1 광로 편향 소자로부터의 출사광의 편광면이 편광면 회전 소자의 입구면의 문지름 방향과 대응한다. 편광면 회전 소자 때문에, 제1 광로 편향 소자로부터의 출사광의 편광면이 90 도로 회전되고, 제2 광로 편향 소자의 편광 방향과 대응한다. 따라서, 제1 광로 편향 소자, 편향면 회전 소자, 및 제2 광로 편향 소자 로 구성된 제조된 픽셀 이동 소자는 화상 표시 소자(투과형 액정 패널(24))의 바로 뒤에 위치한다.
실제 실시예에서, 픽셀 이동 소자를 구동하는 사각파 전압은 ±6 keV였고, 이의 주파수는 60 Hz였다. 또한, 각각의 2개의 소자의 가로 및 세로 방향에 따른 상이 90 도로 이동하고, 4방향의 화상 이동이 달성되도록 구동 시간을 설정하였다. 상기 조건 하에서, 광로 편향 소자의 이동량은 6 ㎛였다.
실제 실시예에서, 화상 표시 소자 위에 표시되는 서브 필드 화상이 240 Hz의 조건 하에서 재생되는 경우, 2 방향, 즉 세로 방향 및 가로 방향에 따른 화소의 수가 명백하게 4배 큰 화소의 수로 증가하는 매우 우수한 화상이 표시될 수 있다. 광로 편향 소자의 변환 시간은 대략 1.3 ms였고, 광 사용의 충분한 효율성이 얻어졌다. 또한, 예를 들어, 플리커(flicker)가 관찰되지 않았다.
본 발명을 사용하는 실제 실시예(실시예 2-1 내지 2-8)를 하기한다.
또한, 실제 실시예에서, 액정 물질로서 첨가되고 사용되는 키랄 화합물은 하기 표 2-1의 화합물로부터 선택하였다.
[표 2-1]
Figure 112007078737878-PCT00028
(실제 실시예 2-1)
(1) 액정 소자의 제조
액정 소자를 하기 단계에 따라 제조하였다.
먼저, 10 ㎛ 폭을 갖는 400개의 투명 전극 라인을 1.1 mm 두께의 유리 기판 표면 위의 100 ㎛의 피치에 평행하게 형성시켰다. 투명 전극 라인의 유효 길이는 10 mm였다. 투명 전극 라인 그룹의 유효 표면적은 40 mm2였고, 150 ㎛ 두께의 유리판을 자외선 경화 접착제를 사용하여 여기에 적층하였다. 접착층의 두께는 대략 10 ㎛였다. 따라서, 투명 라인 전극(4L)을 도 5의 단면도의 액정 소자와 같이 기판(2)으로서 사용된 투명 유리판의 내측에 매립하였다.
폴리이미드 화합물로 만든 0.06 ㎛ 두께의 수직(호메오트로픽) 배향 필름(3)을 기판 표면 위에 형성시켰다. 폴리이미드 배향 필름에, 폴리아믹산 용액을 스핀 코팅에 의해 도포하고, 이미드화(imidation) 처리로서 대략 180 ℃에서 가열 처리를 수행하여,폴리이미드 필름을 얻었다. 이어서, 유효 표면적의 외부에 50 ㎛의 스페이스 시트를 끼워 넣어 두 개의 기판을 마주보게 하여, 셀을 얻었다. 그 후, 셀의 꼭대기에서 볼 때 상부 기판의 유효 표면적 위의 투명 전극 라인이 하부 기판의 것에 대해 대안적으로 위치하도록 기판을 서로 적층하였다. 그 후, 셀이 대략 95 ℃로 가열되는 동안, 하기 액정 물질을 모세관 현상에 의해 기판 사이의 공간 내로 주입하였다. 냉각 후, 70 ㎛ 두께 및 4 cm2의 유효 표면적의 액정 소자(10)를 얻을 수 있도록 접착제로 밀봉하였다.
또한, 도 6A 및 6B에서 나타내는 바와 같이, 저항체(8)가 CrSiO 필름 축적에 의해 필름을 형성하여, 각각의 투명 전극 라인(4L)이 기판(2)에 직접 연결되었다. 펄스 발생기 및 고속 AMP로 구성된 전원 공급장치가 저항체(8)의 양쪽 단자에 연결되는 경우, 전류가 저항체의 배열을 통해 흐르고 따라서 특정 전압이 배분되어 전 기 포텐셜의 특정 배분이 유효 표면적 내측에서 이루어진다.
(2) 액정 물질
하기 화합물은 실제 실시예에서 액정 물질로 혼합되어 사용된다.
- 하기 표 2-2에서 나타낸 성분비로 혼합된 베이스 액정: 87 wt%
[표 2-2]
Figure 112007078737878-PCT00029
- 식 (2-I)의 키랄 화합물의 예로서, 표 2-1에 나타낸 화합물 A: 4 wt%
- 식 (2-I)의 키랄 화합물의 예로서, 표 2-1에 나타낸 화합물 B: 5 wt%
- 식 (2-Ⅱ)의 키랄 화합물의 예로서, 표 2-1에 나타낸 화합물 E: 4 wt%
또한, 액정 물질의 상 전이 온도는 결정/스멕틱 C상에서는 -17 ℃, 키랄 스멕틱 C상/스멕틱 A상에서는 75 ℃, 스멕틱 A상/네마틱상에서는 85 ℃, 그리고 네마틱상/등방성 상에서는 90 ℃였다. 또한, SSFLC 소자를 사용하여 측정된 자발적 분극의 결과는 +35 nC/cm2였다.
(3) 액정 소자의 특성 평가
액정 소자의 샘플을 제조한 후에, 수직 배향을 표적 관찰 및 편광 현미경 관찰로 초기 조건에서 평가하였다. 평가는 순위 평가 방식으로 수행되었고, 평가 기준은 하기와 같았다.
실제 실시예에서 액정 소자의 배향은 순위 2에 속하였고, 실제 사용이 가능하였다.
(배향의 평가 기준)
- 순위 1: 빛이 투과되지 않을 정도로 불완전한 배향이 관찰되었다.
- 순위 2: 투과율은 우수하나, 경미한 백탁이 발견되었다. 백탁은 전기장 구동에 의해 사라졌고, 따라서 실제 사용이 가능하였다.
- 순위 3: 투과율이 우수하고, 백탁이 발견되지 않았다. 그러나, 수십 ㎛ 내지 수백 ㎛ 크기의 도메인이 관찰되었다.
- 순위 4: 투과율이 우수하고, 도메인이 전혀 관찰되지 않거나 거의 관찰되 지 않았다. 넓게 균일한 배향이 관찰되었다.
다음으로, 액정 소자의 다양한 종류의 특성을 도 8에 나타낸 장치를 사용하여 측정하였다.
100 사이클/mm (피치:10 ㎛)의 공간 주파수의 사인파 밀도 분포를 갖는 MFT 차트(46)를 조명각을 설정하기 위한 광학 시스템(ND 필터(42), 확산판(43), F 4.1 50 mm 렌즈(44)) 및 편광판(45)을 통과하는 광원(41)으로부터의 빛으로 조명하였다. 그 후, MFT 차트(46)를 통해 투과된 빛의 액정 소자(10)를 통한 광 투과를 현미경 및 매우 미세한 CCD카메라가 장착된 고속 카메라와 같은 카메라(47)로 관찰하였다.
이 때, 100 Hz로 설정된, 액정 소자(10)를 구동하기 위한 주파수를 갖는 사각파 변환 전압을 사용하였다. 따라서, 광로 이동을 액정층(5)의 광학축의 변환으로 만들고, MTF 차트(46)의 패턴(MTF 패턴)의 위치 이동을 관찰하였다. 패턴의 이동을 고속 카메라(47)에 화상화하고, 그 후 얻어진 화상을 분석하여, 반응시간을 얻었다. 여기서, 10 %의 최대 이동량에서 90 %의 최대 이동량으로 이동하는데 필요한 시간 간격을 반응 시간으로 정의하고, 150 V/mm의 전기장 강도에서 비교하였다.
또한, 매우 미세한 CCD 카메라가 고속 카메라 대신 사용되는 경우, CCD 카메라의 프레임 주파수와 액정 소자(10)의 구동 주파수의 사이의 차이 때문에, MFT 패턴의 비교적 느린 이동이 CCD 카메라에 얻어진 화상에서 관찰되었다. 이러한 경우, 일측으로 이동되고 휴지 상태인 MTF 패턴의 화상은 컴퓨터 내에 인스톨되고, 액정 소자의 MFT 값이 관찰된다. 또한, 참조 소자에서 얻어진 MFT 값으로 얻어진 MTF 값 을 표준화함으로써, 액정층(5) 부분과 관련된 MFT 비가 얻어졌다.
또한, MTF 패턴의 양측의 정적 부분을 비교함으로써 광로 이동량을 얻었다. 전기장의 강도가 더욱 증가되고, 광학축의 경사를 포화시키는 전기장의 강도는 광로 이동량이 특정 값에서 포화되는 지점에서의 전기장으로부터 얻어졌다.
실제 실시예의 액정 소자와 관련된 평가 결과를 하기한다.
- 반응 시간: 1.2 ms (E = 150 V/mm의 전기장에서)
- 포화 전기장: 45 V
- MTF 비: 0.6 (100 Hz에서 구동되는 경우)
실제 실시예의 액정은 포화 전기장이 45 V로 낮아서 매우 뛰어났다. 배향 특성이 조금 낮은 순위인, 순위 2에 속하고, 반응 시간이 비교적 낮다고 생각되는 1.2 ms였지만, 이는 수직 배향 강유전체 액정 소자로서 실제 작동하였다.
(실제 실시예 2-2)
액정 소자는 실제 실시예 2-1에서의 액정 물질 대신 하기 조성물이 사용된 것을 제외하고는, 실제 실시예 2-1과 유사한 방법으로 제조되었다.
- 표 2-2에 나타낸 성분비의 베이스 액정: 82 wt%
- 식 (2-I)의 키랄 화합물의 예로서, 표 2-1에 나타낸 화합물 A: 5 wt%
- 식 (2-I)의 키랄 화합물의 예로서, 표 2-1에 나타낸 화합물 B: 5 wt%
- 식 (2-Ⅱ)의 키랄 화합물의 예로서, 표 2-1에 나타낸 화합물 E: 3 wt%
- 식 (2-Ⅲ)의 키랄 화합물의 예로서, 표 2-1에 나타낸 화합물 C: 5 wt%
또한, 액정 물질의 상 전이 온도는 결정/스멕틱 C상에서는 -17 ℃, 키랄 스 멕틱 C상/스멕틱 A상에서는 77 ℃, 스멕틱 A상/네마틱상에서는 87 ℃, 그리고 네마틱상/등방성 상에서는 93 ℃였다. 또한, SSFLC 소자를 사용하여 측정된 자발적 분극의 결과는 +60 nC/cm2였다.
또한, 실제 실시예에서 액정 소자의 배향은 비교적 우수한, 순위 3에 속하였다.
또한, 액정 소자의 특성의 평가 결과는 하기와 같았다.
- 반응 시간(VAFLC 소자): 0.6 ms (E = 150 V/mm의 전기장에서)
- 포화 전기장(VAFLC 소자): 40 V
- MTF 비(VAFLC 소자): 0.85 (100 Hz에서 구동되는 경우)
실제 실시예 2-2의 액정 소자에 있어, 포화 전기장은 40 V로 작았고, 또한, 반응 시간은 0.6 ms로 향상되었다.
(비교 실시예)
액정 소자는 실제 실시예 2-1에서의 액정 물질 대신 하기 조성물이 사용된 것을 제외하고는, 실제 실시예 2-1과 유사한 방법으로 제조되었다.
- 표 2-2에 나타낸 성분비의 베이스 액정: 82 wt%
- 식 (2-I)의 키랄 화합물의 예로서, 표 2-1에 나타낸 화합물 A: 6 wt%
- 식 (2-I)의 키랄 화합물의 예로서, 표 2-1에 나타낸 화합물 B: 6 wt%
- 식 (2-Ⅱ)의 키랄 화합물은 함유되지 않았다.
- 식 (2-Ⅲ)의 키랄 화합물의 예로서, 표 2-1에 나타낸 화합물 C: 6 wt%
또한, 액정 물질의 상 전이 온도는 결정/스멕틱 C상에서는 -17 ℃, 키랄 스멕틱 C상/스멕틱 A상에서는 80 ℃, 스멕틱 A상/네마틱상에서는 86 ℃, 그리고 네마틱상/등방성 상에서는 93 ℃였다. 또한, SSFLC 소자를 사용하여 측정된 자발적 분극의 결과는 +77 nC/cm2였다.
또한, 불완전한 배향에 의해 야기되는 백탁이 유효부의 일부에서 생성되었기 때문에, 비교 실시예에서 액정 소자의 배향은 순위 1로 결정되었다. 이유는 식 (2-Ⅱ)의 화합물이 함유되지 않아서, 수직 배향이 강등되었기 때문인 것으로 생각된다. 우수한 배향이 자발적 분극의 측정을 위한 SSFLC 소자에서 발견되었기 때문에, 이러한 현상은 수직 배향이고 비교적 큰 셀 두께를 갖는 소자에서의 특별한 현상으로 생각된다. 백탁이 형성되었으므로, 다른 평가는 수행되지 않았다.
(실제 실시예 2-3)
액정 소자는 실제 실시예 2-1에서의 액정 물질 대신 하기 조성물이 사용된 것을 제외하고는, 실제 실시예 2-1과 유사한 방법으로 제조되었다.
- 표 2-2에 나타낸 성분비의 베이스 액정: 70 wt%
- 식 (2-Ⅳ)의 키랄 화합물의 예로서, 표 2-1에 나타낸 화합물 H: 13 wt%
- 식 (2-V)의 키랄 화합물의 예로서, 표 2-1에 나타낸 화합물 E: 4 wt%
- 식 (2-VI)의 키랄 화합물의 예로서, 표 2-1에 나타낸 화합물 C: 13 wt%
또한, 액정 물질의 상 전이 온도는 결정/스멕틱 C상에서는 -17 ℃, 키랄 스멕틱 C상/스멕틱 A상에서는 67 ℃, 스멕틱 A상/네마틱상에서는 82 ℃, 그리고 네마 틱상/등방성 상에서는 89 ℃였다. 또한, SSFLC 소자를 사용하여 측정된 자발적 분극의 결과는 +67 nC/cm2였다.
또한, 실제 실시예에서 액정 소자의 배향은 비교적 우수한 순위 3에 속하였다.
또한, 액정 소자의 특성의 평가 결과는 하기와 같았다.
- 반응 시간(VAFLC 소자): 0.4 ms (E = 150 V/mm의 전기장에서)
- 포화 전기장(VAFLC 소자): 70 V
- MTF 비(VAFLC 소자): 0.80 (100 Hz에서 구동되는 경우)
실제 실시예 2-3의 액정 소자에 있어, 반응 시간은 0.4 ms로 매우 고속이었지만, 광학축의 경사각을 포화시키는 전기장은 70 V로 비교적 컸다.
(실제 실시예 2-4)
액정 소자는 실제 실시예 2-1에서의 액정 물질 대신 하기 조성물이 사용된 것을 제외하고는, 실제 실시예 2-1과 유사한 방법으로 제조되었다.
- 표 2-2에 나타낸 성분비의 베이스 액정: 72 wt%
- 식 (2-Ⅳ)의 키랄 화합물의 예로서, 표 2-1에 나타낸 화합물 H: 8 wt%
- 식 (2-VⅡ)의 키랄 화합물의 예로서, 표 2-1에 나타낸 화합물 B: 4 wt%
- 식 (2-V)의 키랄 화합물의 예로서, 표 2-1에 나타낸 화합물 E: 4 wt%
- 식 (2-VI)의 키랄 화합물의 예로서, 표 2-1에 나타낸 화합물 C: 8 wt%
또한, 액정 물질의 상 전이 온도는 결정/스멕틱 C상에서는 -17 ℃, 키랄 스 멕틱 C상/스멕틱 A상에서는 77 ℃, 스멕틱 A상/네마틱상에서는 92 ℃, 그리고 네마틱상/등방성 상에서는 95 ℃였다. 또한, SSFLC 소자를 사용하여 측정된 자발적 분극의 결과는 +94 nC/cm2였다.
또한, 실제 실시예에서 액정 소자의 배향은 비교적 우수한, 순위 3에 속하였다.
또한, 액정 소자의 특성의 평가 결과는 하기와 같았다.
- 반응 시간(VAFLC 소자): 0.4 ms (E = 150 V/mm의 전기장에서)
- 포화 전기장(VAFLC 소자): 30 V
- MTF 비(VAFLC 소자): 0.85 (100 Hz에서 구동되는 경우)
실제 실시예 2-4의 액정 소자에 있어, 반응 시간은 0.4 ms로 매우 짧았고, 광학축의 경사각을 포화시키는 전기장은 30 V로 작았다. 반면, MTF 값은 0.85로 충분하였으나, 더욱 향상되는 것을 목표로 하였다.
(실제 실시예 2-5)
액정 소자는 실제 실시예 2-1에서의 액정 물질 대신 하기 조성물이 사용된 것을 제외하고는, 실제 실시예 2-1과 유사한 방법으로 제조되었다.
- 표 2-3에 나타낸 성분비의 베이스 액정: 70 wt%
[표 2-3]
Figure 112007078737878-PCT00030
- 식 (2-Ⅳ)의 키랄 화합물의 예로서, 표 2-1에 나타낸 화합물 H: 13 wt%
- 식 (2-V)의 키랄 화합물의 예로서, 표 2-1에 나타낸 화합물 E: 4 wt%
- 식 (2-Ⅷ)의 키랄 화합물의 예로서, 표 2-1에 나타낸 화합물 I: 13 wt%
또한, 액정 물질의 상 전이 온도는 결정/스멕틱 C상에서는 -10 ℃, 키랄 스멕틱 C상/스멕틱 A상에서는 68 ℃, 스멕틱 A상/네마틱상에서는 90 ℃, 그리고 네마틱상/등방성 상에서는 96 ℃였다. 또한, SSFLC 소자를 사용하여 측정된 자발적 분 극의 결과는 +50 nC/cm2였다.
또한, 실제 실시예에서 액정 소자의 배향은 비교적 우수한, 순위 3에 속하였다.
또한, 액정 소자의 특성의 평가 결과는 하기와 같았다.
- 반응 시간(VAFLC 소자): 0.5 ms (E = 150 V/mm의 전기장에서)
- 포화 전기장(VAFLC 소자): 35 V
- MTF 비(VAFLC 소자): 0.90 (100 Hz에서 구동되는 경우)
실제 실시예 2-5의 액정 소자에 있어, 광학축의 경사각을 포화시키는 전기장은 35 V로 작았고, 전기장 구동 시간에서 MTF 값은 0.9로 매우 우수하였다. 즉, MTF 특성이 화합물 I의 사용에 의해 향상되었다. 반응 시간이 0.5 ms로 약간 느린것으로 생각되나, 실제 사용에 있어 이러한 특성에서 문제점이 발견되지 않았다.
(실제 실시예 2-6)
액정 소자는 실제 실시예 2-1에서의 액정 물질 대신 하기 조성물이 사용된 것을 제외하고는, 실제 실시예 2-1과 유사한 방법으로 제조되었다.
- 표 2-2에 나타낸 성분비의 베이스 액정: 66 wt%
- 식 (2-Ⅳ)의 키랄 화합물의 예로서, 표 2-1에 나타낸 화합물 H: 13 wt%
- 식 (2-VⅡ)의 키랄 화합물의 예로서, 표 2-1에 나타낸 화합물 B: 4 wt%
- 식 (2-V)의 키랄 화합물의 예로서, 표 2-1에 나타낸 화합물 E: 4 wt%
- 식 (2-Ⅷ)의 키랄 화합물의 예로서, 표 2-1에 나타낸 화합물 I: 13 wt%
또한, 액정 물질의 상 전이 온도는 결정/스멕틱 C상에서는 -17 ℃, 키랄 스멕틱 C상/스멕틱 A상에서는 69 ℃, 스멕틱 A상/네마틱상에서는 88 ℃, 그리고 네마틱상/등방성 상에서는 89 ℃였다. 또한, SSFLC 소자를 사용하여 측정된 자발적 분극의 결과는 +86 nC/cm2였다.
또한, 실제 실시예에서 액정 소자의 배향은 매우 우수한 순위 4에 속하였다.
또한, 액정 소자의 특성의 평가 결과는 하기와 같았다.
- 반응 시간(VAFLC 소자): 0.3 ms (E = 150 V/mm의 전기장에서)
- 포화 전기장(VAFLC 소자): 70 V
- MTF 비(VAFLC 소자): 0.90 (100 Hz에서 구동되는 경우)
실제 실시예 2-6의 액정 소자에 있어, 초기 배향의 순위는 4로서 우수하면서, 반응 시간은 0.3 ms로 매우 빠른 것으로 생각되고, 그리고 전기장이 구동되는 시간에 MTF 값은 0.9로 매우 우수하였다. 즉, 초기 배향이 화합물 B의 첨가에 의해 향상되었다. 광학축의 경사각을 포화시키는 전기장은 75 V로 약간 컸지만, 실제 사용이 있어 이러한 특성에 있어 문제점이 발견되지 않았다.
실제 실시예 2-1 내지 실제 실시예 2-6 모두의 평가 결과를 표 2-4에 나타낸다.
[표 2-4]
Figure 112007078737878-PCT00031
Figure 112007078737878-PCT00032
(실제 실시예 2-7)
실제 실시예에서, 각각의 키랄 화합물의 다양한 조합의 총 농도와 반응 시간과의 관계를 조사하였다. 특별히, 실제 실시예 2-1에서, 표 2-1에 나타낸 키랄 화합물 중에서 화합물 A, B, C 및 E의 조합(기호 ●), 화합물 A, B 및 E의 조합(기호 ○), 화합물 H, B, I 및 E의 조합(기호 ▲), 화합물 H, B, C 및 E의 조합(△), 화합물 H, C 및 E의 조합(X), 그리고 화합물 H, I 및 E의 조합(□) 각각에서 키랄 화 합물의 총 농도를 변화시키고, 이를 표 2-2 또는 표 2-3에 나타낸 조성을 갖는 베이스 액정과 혼합함으로써 제공되는 액정 물질이 사용되는 것을 제외하고는, 실제 실시예 2-1과 유사한 방법으로 액정 소자를 제조하였다. 그 후, 각각의 액정 소자의 반응 시간을 전기장 E = 150V/mm에서 측정하였다.
표 2-2 또는 표 2-3에서 나타낸 베이스 액정과 관련된 각각의 키랄 화합물의 다양한 조합의 총 농도와 반응 시간과의 관계를 도 9에 나타낸다.
키랄 화합물의 조합이 변화되더라도, 액정의 함량이 85 중량% 이상인 경우, 자발적 분극은 작았고, 반응 시간은 1.0 ms 이상으로 강등되었고, 총 함량에 대한 반응 시간의 변화에 있어 거의 유사한 특성을 나타냈다. 반응 시간이 1.0 ms 보다 길어지는 경우, 강유전체 액정 물질의 양상이 사용되지 않았다. 여기서, 키랄 화합물의 비율이 15 중량% 이상인 경우, 즉, 베이스 액정의 함량이 85 중량% 미만인 경우, 자발적 분극은 대략 40 nC/cm2보다 컸고, 액정 소자의 반응 소자는 1.0 ms 이하로 고속일 수 있었다. 더욱 바람직하게는, 키랄 화합물이 함량이 20 중량% 이상인 경우, 자발적 분극은 더욱 증가하였고, 액정 소자의 반응 시간은 0.5 ms 이하로, 고속이었다.
다음으로, 상기 각각의 조합의 키랄 화합물의 총 농도를 변화시킴으로써 제조된 액정 소자에서 MTF 값을 측정하였다.
결과를 도 10에 나타낸다. 특정 키랄 화합물의 조합과 관련하여 약간의 편차가 나타났지만, MTF 값은 총 농도의 증가와 함께 강등되는 경향이 있다. 특히, 이 것이 40 중량%를 넘는 경우, 급격히 감소하였다. 이유는 키랄 화합물(들)의 상 분리 또는 결정화 때문으로 생각된다.
따라서, 본 발명이 구체예에 따른 액정 소자 내의 액정층 내에 함유된 키랄 화합물(들)의 비율은 바람직하게는 5 중량% 이상, 40 중량% 이하이고, 그리고 더욱 바람직하게는, 20 중량% 이상, 40 중량% 이하이다.
(실제 실시예 2-8)
실제 실시예 2-6의 액정 소자를 광로 편향 소자로서 사용하여 도 7과 같은 화상 표시 장치를 제조하였다. 화상 표시 소자(투과형 액정 패널(24))로, 모서리를 가로질러 0.9 인치 폭의 폴리실리콘 TFT 액정 광 밸브 및 XGA(1024 x 768 도트)를 사용하였다. 여기서, 화소의 피치는 가로 및 세로 방향 각각을 따라 대략 18 um였고, 화소의 개구수(numerical aperture)는 대략 50 %였다. 또한, 조명광에 대한 광 수집율을 증가하기 위해, 마이크로렌즈 배열은 화상 표시 소자(투과형 액정 패널(24))의 광원 측부에 제공되었다. 실제 실시예에서, RGB 컬러의 LED 광원을 광원으로서 사용하였고, 고속에서 상기한 액정 패널(24)을 조명하기 위해 빛의 컬러 변환에 의해 컬러 표시를 수행하는 소위 필드 연속법을 사용하였다.
실제 실시예에서, 화상을 표시하는 프레임 주파수는 60 Hz였고, 픽셀 이동에 의해 화소수를 4배 크게 명백히 증가시키는 서브 필드 주파수는 240 Hz으로, 프레임 주파수보다 4배 컸다. 또한, 컬러에서 하나의 서브 프레임을 3개의 프레임으로 더욱 분할하기 위하여, 각각의 컬러에 대응하는 화상을 720 Hz에서 변환시켰다. 관찰자는 액정 패널 위의 각각의 컬러 화상을 표시하는 시간에 따른 각각의 컬러에 대응하는 LED 광원을 켜고 끄고 것에 의해 전체 컬러 화상을 볼 수 있다.
실제 실시예에서, 실제 실시예 2-6의 2개의 액정 소자가 광로 편향 소자(20)로서 사용되어, 제1 광로 편향 소자 및 제2 광로 편향 소자가 각각 입구측과 출구측에서 제공된다. 이들은 라인 전극의 방향이 서로 직교하도록 배열되고, 화상 표시 소자(투과형 액정 패널(24))의 화소의 배열 방향에 대응한다.
또한, 실제 실시예에서, 액정 광 밸브로부터의 출사광은 직선 편광이었고, 편광 방향이 제1 광로 편향 소자의 광로 편향 방향에 대응하도록 광 밸브가 배열되었다. 또한, 광로 편향 소자로의 입사광의 편광도를 보증하기 위하여, 편광 방향 제어 수단으로서 직선 편광판을 광로 편향 소자(20)의 입구측에 제공하였다. 따라서, 제1 광로 편향 소자에 의해 편향되지 않고 직진하는 노이즈 광의 형성을 방지할 수 있었다.
또한, 편광면 회전 소자를 제1 및 제2 광로 편향 소자 사이에 제공하였다. 편광면 회전 소자는 하기와 같이 제조하였다. 즉, 폴리이미드형 배향 물질을 얇은 유리 기판(3 cm x 4 cm, 두께: 0.15 mm) 위에 스핀 코팅하여, 대략 0.1 ㎛의 두께를 갖는 배향 필름을 형성시켰다. 유리 기판의 어닐링(annealing) 처리 후에, 문지름(rubbing) 처리를 수행하였다. 8 ㎛ 두께의 스페이서를 가장자리 부분에서 2개의 유리 기판 사이에 끼워 넣었다. 그 후, 빈 셀을 얻기 위해, 상부 및 하부 기판을 문지름 방향이 서로 직교하도록 서로 적층하였다. 액정 분자의 배향이 90 도로 뒤틀린 편광면 회전 소자로서의 TN 액정 셀을 얻기 위해, 포지티브 절연성 비등방성의 네마틱 액정 내로 적절한 양의 키랄 물질을 혼합함으로써 제공되는 물질을 일반 압력 하에서 셀 내로 주입하였다. 전극이 셀에 제공되지 않으므로, 이는 단순 편광면 회전 소자로 작용한다.
편광면 회전 소자의 배열에서, 이는 두개의 광로 편향 소자 사이에 끼워지도록 배열되어, 제1 광로 편향 소자로부터의 출사광의 편광면이 편광면 회전 소자의 입구면의 문지름 방향과 대응한다. 편광면 회전 소자 때문에, 제1 광로 편향 소자로부터의 출사광의 편광면이 90 도로 회전되고, 제2 광로 편향 소자의 편광 방향과 대응한다. 따라서, 제1 광로 편향 소자, 편광면 회전 소자, 및 제2 광로 편향 소자로 구성된 제조된 픽셀 이동 소자는 화상 표시 소자(투과형 액정 패널(24))의 바로 뒤에 위치한다.
실제 실시예에서, 픽셀 이동 소자를 구동하는 사각파 전압은 ±6 keV였고, 이의 주파수는 60 Hz였다. 또한, 각각의 2개의 소자의 가로 및 세로 방향에 따른 상이 90 도로 이동하고, 4방향의 화상 이동이 달성되도록 구동 시간을 설정하였다. 상기 조건 하에서, 광로 편향 소자의 이동량은 9 ㎛였다.
실제 실시예에서, 화상 표시 소자 위에 표시될 수 있는 서브 필드 화상이 240 Hz의 조건 하에서 재생되는 경우, 2 방향, 즉 세로 방향 및 가로 방향에 따른 화소의 수가 명백하게 4배 큰 화소의 수로 증가하는 매우 우수한 화상이 표시될 수 있다. 광로 편향 소자의 변환 시간은 대략 0.3 ms였고, 광 사용의 충분한 효율성이 얻어졌다. 또한, 예를 들어, 플리커가 관찰되지 않았다.
[부록]
본 발명의 일반적 구체예 (1-1) 내지 (1-6) 및 (2-1) 내지 (2-10)를 하기한 다.
하나 이상의 일반적 구체예의 목적 중의 하나는 강유전체 액정층을 포함하고 배향이 우수하고 작동 온도 범위 내에서 안정한 액정 소자를 제공하는 것이다.
하나 이상의 일반적 구체예의 다른 목적은 배향 및 반응성 및/또는 광 특성 이 우수하고, 낮은 전기장 조건 하에서 광학축을 구동할 수 있는 액정 소자를 제공하는 것이다.
하나 이상의 일반적 구체예의 다른 목적은 상기한 액정 소자를 포함하고, 고속에서 투과광의 경로를 평행하게 이동시킬 수 있는 광로 편향 소자를 제공하는 것이다.
하나 이상의 일반적 구체예의 다른 목적은 상기한 광로 편향 소자를 포함하고, 작은 화소(들) 수의 화상 표시 기구를 사용하여 매우 우수한 표시가 달성될 수 있는 화상 표시 장치를 제공하는 것이다.
구체예 (1-1)은 한 쌍의 투명 기판, 상기 한 쌍의 기판 사이에 충전되고 호메오트로픽 배향을 하는 키랄 스멕틱 C상을 형성할 수 있는 액정층, 및 적어도 액정층에 대하여 상기 기판의 주면과 평행한 방향으로 전기장(평행 전기장)을 발생시키는 전극을 포함하는 액정 소자로서, 액정층이 고온측으로부터 등방성 액체상, 네마틱상, 스멕틱 A상 및 스멕틱 C상의 상 순서를 제공할 수 있는 베이스 액정 물질 내에 적어도 하기 일반식 (1-I)의 키랄 화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
[화학식 1-I]
Figure 112007078737878-PCT00033
상기 식에서, R1은 탄소수가 1 내지 15의 임의의 수이고, 치환되지 않거나,하나의 탄소가 -CN으로 치환되거나, 또는 하나 이상의 수소 원자가 F 또는 Cl로 치환될 수 있는 알킬기 또는 알케닐기이고, CH2기는 -0-, -CO-, -0-C0-, -CO-O- 또는 -0-C0-0-로 치환될 수 있고, A2는 1,4-페닐렌기, 피리딘-2,5-디일, 피리미딘-2,5-디일, 1,3,4-티아디아졸-2,5-디일, 또는 1,2,4-티아디아졸-3,5-디일이고, 1개 또는 2개의 수소 원자가 F로 치환될 수 있고, Z1 및 Z2은 각각 독립적으로 -CO-O-, -0-C0-, 또는 단일 결합이고, m=1 또는 2이고, 그리고 1 ≤ l ≤9이다.
구체예 (1-2)는 일반식 (1-I)의 키랄 화합물이 하기식 (l-Ⅱ)의 화합물인 것을 특징으로 하는 상기 구체예 (1-1)에 언급된 것과 같은 액정 소자이다.
[화학식 l-Ⅱ]
Figure 112007078737878-PCT00034
상기 식에서, A3 및 A4은 각각 독립적으로 1,4-페닐렌기, 피리딘-2,5-디일 및 피리미딘-2,5-디일로부터 선택되고, 1개 또는 2개의 수소 원자가 F로 치환될 수 있 고, R2는 탄소수가 1 내지 15의 임의의 수인 알킬기 또는 알케닐기이고, 그리고 1 ≤ l ≤ 9이다.
구체예 (1-3)은 식 (1-Ⅱ)의 키랄 화합물이 하기식 (1-Ⅲ)의 화합물인 것을 특징으로 하는 상기 구체예 (1-2)에 언급된 것과 같은 액정 소자이다.
[화학식 1-Ⅲ]
Figure 112007078737878-PCT00035
상기 식에서, R3는 탄소수가 1 내지 15의 임의의 수인 알킬기 또는 알케닐기이고, 그리고 1 ≤ l ≤ 9이다.
구체예 (1-4)는 베이스 액정 물질이 한 종류 이상의 페닐피리미딘 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 구체예 (1-1) 내지 (1-3) 중 임의의 것에 언급된 액정 소자이다.
구체예 (1-5)는 전기적 신호에 반응하여 빛의 광로를 편향시키는 광로 편향 소자로서, 상기한 구체예 (1-1) 내지 (1-4) 중 임의의 것에 언급된 액정 소자를 포함하고, 상기 액정 소자로의 입사광을 직선 편광으로 만들고, 직선 편광의 편광면을 상기 소자 내의 평행 전기장의 인가 방향에 대해 직교하는 방향으로 설정함으로써, 입사광의 광로에 대한 출사광의 광로의 상대적 위치가 평행하게 이동될 수 있는 광로 편향 소자인 것을 특징으로 한다.
구체예 (1-6)은 화상 정보에 따른 빛의 제어가 가능한 복수의 화소가 2차원 적으로 배열된 화상 표시 소자, 광원, 화상 표시 소자를 조명하는 조명 장치, 화상 표시 소자 위에 표시된 화상 패턴을 관찰하기 위해 배치된 광학 장치, 시간적으로 분할하여 제공되는 복수의 서브 필드에 기초한 화상 필드를 형성하는 표시 구동 장치 및 각 화소로부터의 출사광의 광로를 편향시키는 광로 편향 소자를 포함하는 화상 표시 장치로서, 광로 편향 소자에 의해 제공되는 각 서브 필드에서의 광로의 편향에 따라 위치가 이동된 표시에 대응하는 화상 패턴을 화상 표시 소자 위에 표시함으로써 화상 표시 소자의 화소의 수가 명백히 증가되고, 광로 편향 소자로서 구체예 (1-5)에 기술된 바와 같은 광로 편향 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 화상 표시 장치이다.
구체예 (2-1)은 한 쌍의 투명 기판, 상기 한 쌍의 기판 사이에 충전되고 호메오트로픽 배향을 하는 키랄 스멕틱 C상을 형성하는 액정층, 및 적어도 액정층에 대하여 기판의 주면과 평행한 방향으로 전기장(평행 전기장)을 발생시키는 전극을 포함하는 액정 소자로서, 액정층이 고온측으로부터 등방성 액체상, 네마틱상, 스멕틱 A상 및 스멕틱 C상의 상 순서를 제공할 수 있는 베이스 액정 물질 내에 적어도 하기 일반식 (2-I)의 키랄 화합물
[화학식 2-I]
Figure 112007078737878-PCT00036
및 하기 일반식 (2-Ⅱ)의 키랄 화합물
[화학식 2-Ⅱ]
Figure 112007078737878-PCT00037
을 포함하는 것을 특징으로 한다:
상기 식 (2-I)에서, X기는 -(A1)h-(B1)i-(A2)j-(B2)k-(A3)l-이고, R1은 탄소수가 3 내지 12의 임의의 수인 선형 알킬기 또는 알콕시기를 나타내고, R2는 탄소수가 3 내지 12의 임의의 수이고, 분지형일 수 있는 알킬기를 나타내고, *는 키랄 중심을 나타내고, h 및 j는 각각 0, 1 또는 2이고, i 및 k는 각각 0 또는 1이고, l은 0, 1 또는 2이고, 여기서, h 및 j 중 하나 또는 둘 다가 0인 경우에 i는 0이고, l이 0인 경우 k는 0이고, h + j + l은 2 또는 3이고, A1 및 A2는 각각 식 (2-a)로부터 선택된 기를 나타내고,
[식 2-a]
Figure 112007078737878-PCT00038
A3는 식 (2-b)로부터 선택된 기를 나타내고,
[식 2-b]
Figure 112007078737878-PCT00039
B1 및 B2는 각각 -C0-0-, -0-C0-, -CH2O- 또는 -OCH2-이고, 그리고 상기 식 (2-Ⅱ)에서, X기는 -(A1)h-(B1)i-(A2)j-(B2)k-(A3)l-이고, R3는 탄소수가 3 내지 12의 임의의 수이고 분지형일 수 있는 알킬기 또는 알콕시기를 나타내고, R4 및 R5는 각각 탄소수가 3 내지 5의 임의의 수인 선형 알킬기 또는 말단이 서로 결합된 6원자 이상의 환 구조를 갖는 알킬기를 나타내고, 그리고 A1, A2, A3, B1, B2, h, i, j, k 및 l은 각각 식 (2-I)에서와 동일하게 정의되고, 독립적으로 식 (2-I)에서와 같거나 다를 수 있다.
구체예 (2-2)는 하기 일반식 (2-Ⅲ)의 키랄 화합물이 액정층 내로 더욱 첨가되는 것을 특징으로 하는 상기 구체예 (2-1)에서 기술한 것과 같은 액정 소자이다.
[화학식 2-Ⅲ]
Figure 112007078737878-PCT00040
상기 식에서, X기는 -(A1)h-(B1)i-(A2)j-(B2)k-(A3)l-이고, Y기는
Figure 112007078737878-PCT00041
이고,
A1, A2, A3, B1, B2, h, i, j, k 및 l은 각각 식 (2-I)에서와 동일하게 정의되고, 독립적으로 식 (2-I) 또는 식 (2-Ⅱ)에서와 같거나 다를 수 있고, R6은 탄소수가 3 내지 12의 임의의 수이고 분지형일 수 있는 알킬기 또는 알콕시기, 또는 Y기이고, 그리고 R7은 탄소수가 3 내지 12의 임의의 수이고 분지형일 수 있는 알킬기를 나타낸다.
구체예 (2-3)는 일반식 (2-I)의 키랄 화합물이 하기식 (2-IV)의 화합물이고,
[화학식 2-IV]
Figure 112007078737878-PCT00042
(상기 식에서, n 및 m은 각각 3 내지 12의 정수이고, 여기서 n 및 m은 동일한 수치일 수 있고, M1은 메소게닉 방향족 단위(메소게닉기)이고, 식 (2-c)로부터 선택된 기를 나타냄)
[식 2-c]
Figure 112007078737878-PCT00043
일반식 (2-Ⅱ)의 키랄 화합물이 하기식 (2-V)의 화합물이고,
[화학식 2-V]
Figure 112007078737878-PCT00044
(상기 식에서, n은 3 내지 12의 정수이고, M1은 식 (2-IV)에서와 동일하게 정의되고 식 (2-IV)에서와 동일하거나 다를 수 있음)
그리고 일반식 (2-Ⅲ)의 키랄 화합물이 하기식 (2-VI)의 화합물인 것을 특징으로 하는 상기 구체예 (2-2)에서 기술한 것과 같은 액정 소자이다.
[화학식 2-VI]
Figure 112007078737878-PCT00045
(n 및 m은 각각 3 내지 12의 정수이고, 여기서 n 및 m은 동일한 수치일 수 있고, 식 (2-IV) 내지 식 (2-VI) 중 임의의 n 및 m은 서로 독립적인 수치일 수 있고, 그리고 M1은 식 (2-IV)에서와 동일하게 정의되고 식 (2-IV) 또는 식 (2-V)에서와 동일하거나 다를 수 있음)
구체예 (2-4)는 하기 일반식 (2-VⅡ)의 화합물이 일반식 (2-I)의 키랄 화합물로 더욱 첨가되는 것을 특징으로 하는 상기 구체예 (2-3)에서 기술한 것과 같은 액정 소자이다.
[화학식 2-VⅡ]
Figure 112007078737878-PCT00046
상기 식에서, n 및 m은 각각 3 내지 12의 정수이고, 여기서 n 및 m은 동일한 수치일 수 있고, 그리고 M2는 메소게닉 방향족 단위(메소겐)이고 식 (2-d)로부터 선택된 기를 나타낸다.
[식 2-d]
Figure 112007078737878-PCT00047
구체예 (2-5)는 일반식 (2-I)의 키랄 화합물이 식 (2-IV)의 화합물이고, 일반식 (2-Ⅱ)의 키랄 화합물이 식 (2-V)의 화합물이고, 그리고 일반식 (2-Ⅲ)의 키랄 화합물이 하기식 (2-Ⅷ)의 화합물인 것을 특징으로 하는 구체예 (2-2)에 기술된 것과 같은 액정 소자이다.
[화학식 2-Ⅷ]
Figure 112007078737878-PCT00048
상기 식에서, n 및 m은 3 내지 12의 정수이고, 여기서 n 및 m은 동일한 수치일 수 있고, 식 (2-IV) 내지 식 (2-Ⅷ) 중 임의의 n 및 m은 서로 독립적인 수치일 수 있고, 그리고 M1은 식 (2-IV)에서와 동일하게 정의되고 식 (2-IV) 또는 식 (2-V)에서와 동일하거나 다를 수 있다.
구체예 (2-6)은 식 (2-VⅡ)의 화합물이 일반식 (2-I)의 키랄 화합물로서 더욱 첨가되는 것을 특징으로 하는 상기 구체예 (2-5)에서 기술한 것과 같은 액정 소자이다.
구체예 (2-7)은 액정층 내에 포함된 키랄 화합물의 비가 15 중량% 이상이고, 40 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 상기 구체예 (2-1) 내지 (2-6) 중 임의의 것에 기술된 것과 같은 액정 소자이다.
구체예 (2-8)은 베이스 액정 물질이 하나 이상의 페닐피리미딘 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 구체예 (2-1) 내지 (2-7) 중 임의의 것에 기술된 것과 같은 액정 소자이다.
구체예 (2-9)는 상기한 구체예 (2-1) 내지 (2-8) 중 임의의 액정 소자를 포함하고, 상기 액정 소자로의 입사광을 직선 편광으로 만들고, 직선 편광의 편광면을 상기 소자 내의 평행 전기장의 인가 방향에 대해 직교하는 방향으로 설정함으로써 입사광의 광로에 대한 출사광의 광로의 상대적 위치가 평행하게 이동될 수 있는 광로 편향 소자인 것을 특징으로 하는, 전기적 신호에 반응하여 빛의 광로를 편향시키는 광로 편향 소자이다.
구체예 (2-10)은 화상 정보에 따른 빛의 제어가 가능한 복수의 화소가 2차원적으로 배열된 화상 표시 소자, 광원, 화상 표시 소자를 조명하는 조명 장치, 화상 표시 소자 위에 표시된 화상 패턴을 관찰하기 위해 배치된 광학 장치, 시간적으로 분할하여 제공되는 복수의 서브 필드에 기초한 화상 필드를 형성하는 표시 구동 장치 및 각 화소로부터 나오는 빛의 광로를 편향시키는 광로 편향 소자를 포함하는 화상 표시 장치로서, 광로 편향 소자에 의해 제공되는 각 서브 필드에서의 광로의 편향에 따라 위치가 이동된 표시에 대응하는 화상 패턴을 화상 표시 소자 위에 표시함으로써 화상 표시 소자의 화소의 수가 명백히 증가되고, 광로 편향 소자로서 구체예 (2-9)에 기술된 바와 같은 광로 편향 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 화상 표시 장치이다.
구체예 (1-1) 내지 (1-3)에 따라, 수직 배향으로 액정의 두꺼운 층을 갖는 액정 소자의 경우에도 불완전한 배향이 없는 액정층이 얻어질 수 있어, 광산란을 방지할 수 있다.
구체예 (1-4)에 따라, 실온에서 또는 실온 근방에서 안정된 스멕틱 상의 형성에 의해 낮은 점도 및 고속 반응성을 갖는 액정층이 얻어질 수 있다.
구체예 (1-5)에 따라, 투과광의 경로가 액정층의 광학축의 경사각 또는 경사 방향을 전환하는 작동으로 평행하게 이동될 수 있다. 그 후, 상기한 것과 같은 강유전체 액정 물질이 사용될 수 있기 때문에, 광학축을 전환하는 작동이 고속에서 수행될 수 있어, 광로의 고속 이동이 달성될 수 있다.
구체예 (1-6)에 따라, 우수한 배향 및 고속 반응성을 갖는 광로 편향 소자가 사용될 수 있기 때문에, 광로의 고속 편향이 서브 필드 화상에서 달성될 수 있고, 따라서, 명백히 매우 우수한 화상이 표시될 수 있다. 또한, 서브 필드 화상간의 변환 시간이 고속 반응성 때문에 감소할 수 있기 때문에, 광 사용의 시간적 효율성이 개선될 수 있다.
구체예 (2-1)에 따라, 수직 배향의 액정의 두꺼운 층을 갖는 액정 소자의 경 우에도 불완전한 배향이 없는 액정층이 얻어질 수 있어, 광산란을 방지할 수 있다. 또한, 광학축의 경사각을 포화시기키 위한 비교적 약한 강도의 전기장으로 충분한 광학축의 경사각이 가능한 액정층이 낮은 전기장 조건 하에서도 얻어질 수 있다.
구체예 (2-2)에 따라, 수직 배향의 액정의 두꺼운 층을 갖는 액정 소자의 경우에도 불완전한 배향이 없는 액정층이 얻어질 수 있어, 광산란을 방지할 수 있다. 또한, 광학축의 경사각을 포화시키기 위한 비교적 약한 강도의 전기장을 가지며 뛰어난 반응성을 갖는 액정 소자를 얻을 수 있다.
구체예 (2-3)에 따라, 수직 배향의 액정의 두꺼운 층을 갖는 액정 소자의 경우에도 불완전한 배향이 없는 액정층이 얻어질 수 있어, 광산란을 방지할 수 있다. 또한, 액정층의 자발적 분극이 증가될 수 있고, 따라서, 뛰어난 반응성을 갖는 액정 소자를 얻을 수 있다.
구체예 (2-4)에 따라, 수직 배향의 액정의 두꺼운 층을 갖는 액정 소자의 경우에도 불완전한 배향이 없는 액정층이 얻어질 수 있어, 광산란을 방지할 수 있다. 또한, 광학축의 경사각을 포화시키기 위한 매우 약한 강도의 전기장을 가지며 매우 뛰어난 반응성을 갖는 액정 소자를 얻을 수 있다. 특히, 2,5-디페닐피리미딘기가 메소게닉기로 사용되는 경우, 포화 전기장을 감소시키는 효과가 주목할 만하다.
구체예 (2-5)에 따라, 수직 배향의 액정의 두꺼운 층을 갖는 액정 소자의 경우에도 불완전한 배향이 없는 액정층이 얻어질 수 있어, 광산란을 방지할 수 있다. 또한, 광학축의 경사각을 포화시키기 위한 매우 약한 강도의 전기장을 가지며, 전기장 구동 시간에 매우 뛰어난 MTF 특성을 갖는 액정 소자를 얻을 수 있다.
구체예 (2-6)에 따라, 수직 배향의 액정의 두꺼운 층을 갖는 액정 소자의 경우에도 불완전한 배향이 없는 액정층이 얻어질 수 있어, 광산란을 방지할 수 있다. 또한, 매우 짧은 반응 시간을 갖고, 전기장 구동 시간에 매우 뛰어난 MTF 특성을 갖는 액정 소자를 얻을 수 있다. 특히, 2,5-디페닐피리미딘기가 식 (2-VⅡ)에서 메소게닉기로 사용되는 경우, 수직 배향 및 반응성을 증가시키는 효과가 주목할 만하다.
구체예 (2-7)에 따라, 키랄 화합물의 비율을 15 중량% 이상으로 만드는 것에 의해 자발적 분극이 증가되어, 반응 시간이 1.0 ms 이하가 될 수 있고, 다시 말해, 속도의 증가가 달성될 수 있다. 반면, 광 특성의 강등, 예를 들어, 상 분리에 의해 야기되는 백탁의 형성은 이를 40 중량% 이하로 만드는 것에 의해 방지될 수 있다.
구체예 (2-8)에 따라, 실온 또는 실온 근방에서 안정한 스멕틱 상이 형성될 수 있고, 낮은 점도 및 고속 반응성을 갖는 액정층을 얻을 수 있다.
구체예 (2-9)에 따라, 투과광의 경로가 액정층의 광학축의 경사각 또는 경사 방향을 전환하는 공정으로 평행하게 이동될 수 있다. 그 후, 상기한 것과 같은 강유전체 액정 물질이 사용될 수 있기 때문에, 광학축을 전환하는 공정이 고속에서 수행될 수 있어, 광로의 고속 이동이 달성될 수 있다.
구체예 (2-10)에 따라, 우수한 배향 및 고속 반응성을 갖는 광로 편향 소자가 사용될 수 있기 때문에, 광로의 고속 편향이 서브 필드 화상에서 달성될 수 있고, 따라서, 명백히 매우 우수한 화상이 표시될 수 있다. 또한, 서브 필드 화상간의 변환 시간이 고속 반응성 때문에 감소할 수 있기 때문에, 광 사용의 시간적 효 율성이 향상될 수 있다.
본 발명은 특별히 개시된 구체예에 한정되지 않고, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 한 변화 및 변경이 이루어질 수 있다.
본 출원은 그 전체 문맥이 참조로서 본 명세서에 결부된 출원인 2006년 3월 1일에 출원된 일본특허출원 제2006-054850호 및 2006년 3월 1일에 출원된 일본특허출원 제2006-054851호에 우선권을 주장한다.
본 발명은 전기적 신호에 의해 단일축 물질의 광학축의 경사 방향을 변화시키는 액정 소자, 상기 액정 소자를 포함하고 전기적 신호에 의해 빛의 광로를 편향시키는 광로 편향 소자, 및 상기 광로 편향 소자를 포함하는 화상 표시 장치에 사용될 수 있다. 광로 편향 소자는 예를 들어, 프로젝터, 헤드 마운트 디스플레이, 광 스위치, 또는 광학적 화상 시스템에 사용될 수 있다.

Claims (16)

  1. 한 쌍의 투명 기판;
    상기 한 쌍의 기판 사이에 충전되고 호메오트로픽(homeotropic) 배향을 하는 키랄 스멕틱 C상(chiral smectic C phase)을 형성할 수 있는 액정층; 및
    적어도 액정층에 대하여 상기 기판의 주면(principal face)과 평행한 방향으로 전기장(평행 전기장)을 발생시키는 전극
    을 포함하는 액정 소자로서,
    상기 액정층은 실온에서 키랄 스멕틱 C상을 형성하고, 고온측으로부터 등방성 액체상, 네마틱상, 스멕틱 A상 및 스멕틱 C상의 상 순서를 제공할 수 있는 베이스 액정 물질 내에 적어도 하기 일반식 (2-I)의 키랄 화합물
    [화학식 2-I]
    Figure 112007078737878-PCT00049
    및 하기 일반식 (2-Ⅱ)의 키랄 화합물을 포함하는 것인 액정 소자:
    [화학식 2-Ⅱ]
    Figure 112007078737878-PCT00050
    상기 식 (2-I)에서,
    X기는 -(A1)h-(B1)i-(A2)j-(B2)k-(A3)l-이고,
    R1은 탄소수가 3 내지 12의 임의의 수인 선형 알킬기 또는 알콕시기를 나타내고,
    R2는 탄소수가 3 내지 12의 임의의 수이고, 분지형일 수 있는 알킬기를 나타내고,
    *는 키랄 중심을 나타내고,
    h 및 j는 각각 0, 1 또는 2이고,
    i 및 k는 각각 0 또는 1이고,
    l은 0, 1 또는 2이고,
    여기서, h와 j 중 하나 또는 둘 다가 0인 경우에 i는 0이고, l이 0인 경우 k는 0이고, h + j + l은 2 또는 3이고,
    A1 및 A2는 각각 식 (2-a)로부터 선택된 기를 나타내고,
    [식 2-a]
    Figure 112007078737878-PCT00051
    A3는 식 (2-b)로부터 선택된 기를 나타내고,
    [식 2-b]
    Figure 112007078737878-PCT00052
    B1 및 B2는 각각 -C0-0-, -0-C0-, -CH2O- 또는 -OCH2-이고, 그리고
    상기 식 (2-Ⅱ)에서,
    X기는 -(A1)h-(B1)i-(A2)j-(B2)k-(A3)l-이고,
    R3는 탄소수가 3 내지 12의 임의의 수이고, 분지형일 수 있는 알킬기 또는 알콕시기를 나타내고,
    R4 및 R5는 각각 탄소수가 3 내지 5의 임의의 수인 선형 알킬기를 나타내거 나, 말단이 서로 결합된 6원자 이상의 환 구조를 갖는 알킬기를 나타내고,
    A1, A2, A3, B1, B2, h, i, j, k 및 l는 각각 식 (2-I)에서와 동일하게 정의되고, 독립적으로 식 (2-I)에서와 같거나 다를 수 있다.
  2. 제1항에 있어서, 하기 일반식 (2-Ⅲ)의 키랄 화합물이 상기 액정층 내로 더욱 첨가되는 것인 액정 소자:
    [화학식 2-Ⅲ]
    Figure 112007078737878-PCT00053
    상기 식에서,
    X기는 -(A1)h-(B1)i-(A2)j-(B2)k-(A3)l-이고,
    Y기는
    Figure 112007078737878-PCT00054
    이고,
    A1, A2, A3, B1, B2, h, i, j, k 및 l은 각각 식 (2-I)에서와 동일하게 정의되고, 독립적으로 식 (2-I) 또는 식 (2-Ⅱ)에서와 같거나 다를 수 있고,
    R6는 탄소수가 3 내지 12의 임의의 수이고, 분지형일 수 있는 알킬기 또는 알콕시기이거나, 또는 Y기이고, 그리고
    R7은 탄소수가 3 내지 12의 임의의 수이고, 분지형일 수 있는 알킬기를 나타낸다.
  3. 제2항에 있어서, 상기 일반식 (2-I)의 키랄 화합물은 하기식 (2-Ⅳ)의 화합물이고,
    [화학식 2-Ⅳ]
    Figure 112007078737878-PCT00055
    (상기 식에서,
    n 및 m은 각각 3 내지 12의 정수이고, 여기서 n 및 m은 동일한 수치일 수 있고,
    M1은 메소게닉 방향족 단위(메소게닉기)이고, 식 (2-c)로부터 선택된 기를 나타냄)
    [식 2-c]
    Figure 112007078737878-PCT00056
    ,
    상기 일반식 (2-Ⅱ)의 키랄 화합물은 하기식 (2-Ⅴ)의 화합물이고,
    [화학식 2-Ⅴ]
    Figure 112007078737878-PCT00057
    (상기 식에서,
    n은 3 내지 12의 정수이고, 그리고
    M1은 식 (2-Ⅳ)에서와 동일하게 정의되고, 식 (2-Ⅳ)에서와 같거나 다를 수 있음), 그리고
    상기 일반식 (2-Ⅲ)의 키랄 화합물은 하기식 (2-Ⅵ)의 화합물인 액정 소자.
    [화학식 2-Ⅵ]
    Figure 112007078737878-PCT00058
    (상기 식에서,
    n 및 m은 각각 3 내지 12의 정수이고, 여기서 n 및 m은 동일한 수치일 수 있고,
    식 (2-IV) 내지 식 (2-VI) 중 임의의 n 및 m은 각각 독립적인 수치일 수 있고, 그리고
    M1은 식 (2-Ⅳ)에서와 동일하게 정의되고, 식 (2-Ⅳ) 또는 식 (2-V)에서와 같거나 다를 수 있음)
  4. 제3항에 있어서, 하기식 (2-Ⅶ)의 화합물이 일반식 (2-I)의 키랄 화합물로서 더욱 첨가되는 것인 액정 소자.
    [화학식 2-Ⅶ]
    Figure 112007078737878-PCT00059
    (상기 식에서,
    n 및 m은 각각 3 내지 12의 정수이고, 여기서 n 및 m은 동일한 수치일 수 있고, 그리고
    M2는 메소게닉 방향족 단위(메소겐)이고, 식 (2-d)로부터 선택된 기를 나타낸다.)
    [식 2-d]
    Figure 112007078737878-PCT00060
  5. 제2항에 있어서, 상기 일반식 (2-I)의 키랄 화합물은 식 (2-Ⅳ)의 화합물이고, 상기 일반식 (2-Ⅱ)의 키랄 화합물은 식 (2-Ⅴ)의 화합물이고, 그리고 상기 일반식 (2-Ⅲ)의 키랄 화합물은 하기식 (2-Ⅷ)의 화합물인 액정 소자.
    [화학식 2-Ⅷ]
    Figure 112007078737878-PCT00061
    (상기 식에서,
    n 및 m은 각각 3 내지 12의 정수이고, 여기서 n 및 m은 동일한 수치일 수 있고,
    식 (2-IV) 내지 식 (2-Ⅷ) 중 임의의 n 및 m은 각각 독립적인 수치일 수 있고, 그리고
    M1은 식 (2-Ⅳ)에서와 동일하게 정의되고, 식 (2-Ⅳ) 또는 식 (2-V)에서와 같거나 다를 수 있음)
  6. 제5항에 있어서, 상기 식 (2-Ⅶ)의 화합물이 일반식 (2-I)의 키랄 화합물로서 더욱 첨가되는 것인 액정 소자.
  7. 제1항에 있어서, 상기 액정층 내에 포함된 키랄 화합물의 비율이 15 중량% 이상이고, 40 중량% 이하인 것인 액정 소자.
  8. 제1항에 있어서, 상기 베이스 액정 물질이 적어도 페닐피리미딘 화합물을 포함하는 것인 액정 소자.
  9. 전기적 신호에 반응하여 빛의 광로를 편향시키는 광로 편향 소자로서, 제1항의 액정 소자를 포함하고, 상기 액정 소자로의 입사광을 직선 편광으로 만들고, 직선 편광의 편광면을 상기 소자 내의 평행 전기장의 인가 방향에 대해 직교하는 방향으로 설정함으로써, 입사광의 광로에 대한 출사광의 광로의 상대적 위치가 평행하게 이동(shift)될 수 있는 것인 광로 편향 소자.
  10. 화상 정보에 따라 빛의 제어가 가능한 복수의 화소가 2차원적으로 배열된 화 상 표시 소자;
    광원;
    화상 표시 소자를 조명하는 조명 장치;
    화상 표시 소자 위에 표시된 화상 패턴을 관찰하기 위해 배치된 광학 장치;
    시간적으로 분할하여 제공되는 복수의 서브 필드에 기초한 화상 필드를 형성하는 표시 구동 장치; 및
    각 화소로부터의 출사광의 광로를 편향시키는 광로 편향 소자
    를 포함하는 화상 표시 장치로서,
    광로 편향 소자에 의해 제공되는 각 서브 필드에서의 광로의 편향에 따라 위치가 이동된 표시에 대응하는 화상 패턴을 화상 표시 소자 위에 표시함으로써, 화상 표시 소자의 화소의 수가 명백히 증가되고,
    광로 편향 소자로서 제9항에 따른 광로 편향 소자를 포함하는 화상 표시 장치.
  11. 한 쌍의 투명 기판;
    상기 한 쌍의 기판 사이에 충전되고 호메오트로픽 배향을 하는 키랄 스멕틱 C상을 형성할 수 있는 액정층; 및
    적어도 액정층에 대하여 상기 기판의 주면과 평행한 방향으로 전기장(평행 전기장)을 발생시키는 전극
    을 포함하는 액정 소자로서,
    상기 액정층은 실온에서 키랄 스멕틱 C상을 형성하고, 고온측으로부터 등방성 액체상, 네마틱상, 스멕틱 A상 및 스멕틱 C상의 상 순서를 제공할 수 있는 베이스 액정 물질 내에 적어도 하기 일반식 (1-I)의 키랄 화합물을 포함하는 것인 액정 소자:
    [화학식 1-I]
    Figure 112007078737878-PCT00062
    상기 식에서,
    R1은 탄소수가 1 내지 15의 임의의 수이고, 치환되지 않거나, 하나의 탄소가 -CN으로 치환되거나, 또는 하나 이상의 수소 원자가 F 또는 Cl로 치환된 알킬기 또는 알케닐기이고, CH2기는 -0-, -CO-, -0-C0-, -CO-O- 또는 -0-C0-0-로 치환될 수 있고,
    A2는 1,4-페닐렌기, 피리딘-2,5-디일, 피리미딘-2,5-디일, 1,3,4-티아디아졸-2,5-디일, 또는 1,2,4-티아디아졸-3,5-디일이고, 1개 또는 2개의 수소 원자가 F로 치환될 수 있고,
    Z1 및 Z2는 각각 독립적으로 -CO-O-, -0-C0-, 또는 단일 결합이고,
    m=1 또는 2이고, 그리고
    1 ≤ l ≤9이다.
  12. 제11항에 있어서, 일반식 (1-I)의 키랄 화합물이 하기식 (1-Ⅱ)의 화합물인 액정 소자:
    [화학식 1-Ⅱ]
    Figure 112007078737878-PCT00063
    상기 식에서,
    A3 및 A4는 각각 1,4-페닐렌기, 피리딘-2,5-디일 및 피리미딘-2,5-디일로부터 독립적으로 선택되고, 1개 또는 2개의 수소 원자가 F로 치환될 수 있고,
    R2는 탄소수가 1 내지 15의 임의의 수인 알킬기 또는 알케닐기이고, 그리고
    1 ≤ l ≤ 9이다.
  13. 제12항에 있어서, 상기 식 (1-Ⅱ)의 키랄 화합물이 하기식 (1-Ⅲ)의 화합물인 액정 소자:
    [화학식 1-Ⅲ]
    Figure 112007078737878-PCT00064
    상기 식에서,
    R3는 탄소수가 1 내지 15의 임의의 수인 알킬기 또는 알케닐기이고, 그리고
    1 ≤ l ≤ 9이다.
  14. 제11항에 있어서, 상기 베이스 액정 물질이 한 종류 이상의 페닐피리미딘 화합물을 포함하는 것인 액정 소자.
  15. 전기적 신호에 반응하여 빛의 광로를 편향시키는 광로 편향 소자로서, 제11항의 액정 소자를 포함하고, 상기 액정 소자로의 입사광을 직선 편광으로 만들고, 직선 편광의 편광면을 상기 소자 내의 평행 전기장의 인가 방향에 대해 직교하는 방향으로 설정함으로써, 입사광의 광로에 대한 출사광의 광로의 상대적 위치가 평행하게 이동될 수 있는 것인 광로 편향 소자.
  16. 화상 정보에 따라 빛의 제어가 가능한 복수의 화소가 2차원적으로 배열된 화상 표시 소자;
    광원;
    화상 표시 소자를 조명하는 조명 장치;
    화상 표시 소자 위에 표시된 화상 패턴을 관찰하기 위해 배치된 광학 장치;
    시간적으로 분할하여 제공되는 복수의 서브 필드에 기초한 화상 필드를 형성하는 표시 구동 장치; 및 각 화소로부터의 출사광의 광로를 편향시키는 광로 편향 소자
    를 포함하는 화상 표시 장치로서,
    광로 편향 소자에 의해 제공되는 각 서브 필드에서의 광로의 편향에 따라 위치가 이동된 표시에 대응하는 화상 패턴을 화상 표시 소자 위에 표시함으로써, 화상 표시 소자의 화소의 수가 명백히 증가되고,
    광로 편향 소자로서 제15항에 따른 광로 편향 소자를 포함하는 화상 표시 장치.
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