KR20090113913A - 액정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액정 표시 장치에 관한 것으로, 액정 표시 장치는, 전극 패턴(41; 42)에 의해서 상기 전극 패턴(41; 42)에 인접한 벌크 층(44)의 제1 서브-체적에 걸쳐서 생성되는 불균일한 인-플레인 전기장과, 상기 제1 서브-체적 및/또는 상기 전극 패턴(41; 42)이 적용된 정렬층(43)에 포함된 분극 상태에 있는 액정들 간의 강유전성 및/또는 플렉소일렉트릭 커플링과 같은 선형 커플링에 의해 구동되고, 상기 분극이 (i) 상기 제1 서브-체적 및/또는 상기 제1 정렬층(43)의 외부에서의, 그리고 (ii) 다른 기판 상에 적용된 제2 전극 패턴 또는 제2 정렬층, 또는 상기 다른 기판의 안쪽 표면에 인접한 상기 벌크 층의 제2 서브-체적 외부에서의, 상기 벌크 층(44)의 어떤 가능한 유사 액정 분극보다 더 강하다.

Description

액정 장치{LIQUID CRYSTAL DEVICE}
본 발명은 일반적으로 액정들 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 인가된 인-플레인(in-plane) 전기장과 분극 상태에 있는 액정들 간의 강유전성(ferroelectric) 및/또는 플렉소일렉트릭(flexoelectric) 커플링과 같은 선형 커플링에 의해 구동되는 액정 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 네마틱 액정 표시 장치(LCD)들은 유전성 커플링을 기초로 하여 작동하고, 다시 말해서 전기-광학 응답을 결과하는 액정의 유전 이방성(Δε)과 인가된 전기장 간의 커플링을 기초로 하여 작동한다. 이러한 응답은 인가된 전기장에 대하여 2차적이고(quadratic with), 다시 말해서 극성(極性)(polar)이지 아니하고, 전기장에 의해서 액정 분자들의 스위칭으로부터 발생한다. 종래의 네마틱 LCD들에 있어서, 액정 분자들의 스위칭은 인가된 전기장의 방향을 포함하는 평면 내에서 발생하고, 이것은 액정 샌드위치 셀을 가로질러 인가된 전기장이 평면 밖에서(out-of-plane) 다시 말해서 셀 기판들에 수직한 평면에서 분자들을 스위칭할 것임을 의미한다. 그런데 이러한 유형의 스위칭에 의하여 시야각에 강하게 의존하는 명암비를 가지는 전기-광학 응답이 결과된다. 또한, 전체 응답 시간(τ), 즉 상승 시간(τr) 및 하강(전기장-오프) 시간(τf)의 합인 스위칭 시간이 대개는 동영상 표시에 있어서 충분히 짧지 아니하다.
다른 한편으로, 기판들 중 하나의 안쪽 표면 상에 배치된 (인-플레인 전기장을 생성하는) 서로 맞물린 전극 패턴을 가지는 LCD들은 광학 축의 인-플레인 스위칭(IPS)을 나타내고 이로써 대조비가 시야각에 덜 의존적인 영상을 제공한다. 개선된 버전 S-IPS(super in-plane switching)에서 헤링본(herringbone) 전극 구조가 이용된다. 그럼에도 불구하고, IPS-모드를 동작하는 액정 장치들의 스위칭 시간은 양질의 동영상을 생성하기에 충분히 짧지 아니하다.
인-플레인 전기장들은 또한 프린지(fringe) 전기장을 생성하는 빗-유사(comb-like) 전극 구조에 의해서 효과적으로 생성될 수 있다. 그런데, 이러한 소위 프린지 전기장 스위칭(FFS) 장치들에서도, 유전성 커플링이 일반적으로 이용되고 따라서 전술한 긴 전기장-오프 시간에 의한 문제가 해결되지 아니한다.
전술한 예들에 있어서, 상승 시간(τr)과는 달리, 전기장-오프 시간(τf)은 인가된 전기장의 크기에 의존하지 않음이 언급되어져야 한다. 따라서 상승 시간은 전기장에 의해서 효과적으로 제어될 수 있지만, 전기장-오프 시간은 전기장에 독립적이다. 전기장-오프 시간은 단지 셀 갭과 같은 셀 특성들과 점성과 고체 기판들에의 배향 규제 강도와 같은 액정 물질들의 파라미터들에 의존한다.
다른 광학 상태들 간에서 네마틱 액정을 스위칭하는 다른 알려진 방법은, 인 가된 전기장과 초기에 변형된 네마틱 액정의 플렉소일렉트릭 벌크 분극 간의 선형 커플링을 이용한다("Flexoelectrically controlled twist texture in a nematic liquid crystal", Dozov 외, J de Phys Lett, 43 (1982), L-365 내지 L-369); 그리고 "A novel polar electrooptic effect in reversely pretilted nematic liquid crystal layers with weak anchoring", Komitov 외, Proceedings of 3rd International Display Research Conference, October 1983, Kobe, Japan).
WO 2005/071477는 플렉소일렉트릭 액정 벌크 층을 포함하는 액정 장치를 개시하는데, 여기서 기판들에 서로 맞물린 전극 패턴에 의해서 기판들에 실질적으로 평행한 방향으로 불균일한(inhomogeneous) 전기장이 생성된다. 전기장-오프 상태에서 기판들에 평행한 방향으로의 평균 분극 방향이 전기장이 생성되어야 할 방향과 직교한다면 바람직하다. 이 경우에서, 상승 시간 및 하강 시간은 전기장-의존적이고 이로써 전체 응답 시간이 감소한다.
US 6 160 600는 두 기판들 중 하나 상에 배치된 공통 전극과 표시 전극들을 구비하는 액정 표시 장치를 개시한다. 액정 물질의 지향은 혼성 정렬 네마틱(HAN; hybrid alignment nematic) 유형의 것이다. 이러한 장치에 있어서, 전극이 제공된 기판 근처의 액정 물질은 전기장에의 유전성 커플링에 의해서 스위칭되고 이로써 고 유전율을 가지는 액정 물질을 필요로 한다. 또한 이러한 스위칭 모드는 스위칭의 방향 제어를 허용하지 아니한다.
빗-유사 전극을 포함하는 강유전성 액정(FLC) 표시 장치가 또한 알려져 있다(JP 10-161128).
전기적으로 명령되는 표면(ECS; electrically commanded surface)을 사용하여, 셀 기판들을 가로질러 인가되는 전기장에 의해서 네마틱 액정을 인-플레인 스위칭하는 것이 최근에 실현되었다. 공개된 국제 특허 출원 번호 WO 00/03288은 소위 ECS(Electrically Commanded Surfaces) 원리를 개시한다.
ECS 원리에 따르면, 종래의 샌드위치 셀에서 액정 벌크 물질을 한정하는 기판들의 어느 하나 또는 양자의 안쪽 표면(들) 상에 별도의 얇은 카이랄 스메틱 액정 층, 바람직하게는 강유전성(카이랄 스메틱 C 상, SmC*) 액정 폴리머 층이 배치된다.
카이랄 스메틱 액정 폴리머 층은 인접한 액정 벌크 물질에 평면 또는 실질적으로 평면인 배향을 강요하는 표면-방향자 정렬 층처럼 작용한다. 보다 구체적으로, 셀을 가로질러 -그리고 이로써 표면-방향자 정렬 층을 가로질러- 외부 전기장을 인가할 때, 별도의 카이랄 스메틱 액정 층에서의 분자들은 스위칭될 것이다. 전기장에 응답하는 동적 표면-방향자 정렬층의 변화는, "1차 표면 스위칭(primary surface switching)"으로서 지칭된다. 1차 표면 스위칭에 의해서 차례로 탄성력(입체적(steric) 커플링)을 통해서 기판들 사이에 한정된 액정 벌크 물질의 벌크 체적 내에 선취된(preferred) 분자 지향의 스위칭이 결과된다. 이러한 2차 스위칭을 "유도된 벌크 스위칭"으로서 지칭한다. 이러한 유도된 벌크 스위칭은 인-플레인 스위칭이다. 따라서 동적 표면-방향자 정렬층에서의 분자 스위칭은 탄성력을 통해서 별도의 표면-방향자 정렬층과 벌크 층 사이의 경계에서 벌크 체적 내로 전 달될 것이고, 이것은 동적 표면-방향자 정렬층에 의해 개재된(mediated) 벌크 체적 분자들의 상대적으로 빠른 인-플레인 스위칭을 결과한다.
카이랄 스메틱 액정 층, 다시 말해서 동적 표면-방향자 정렬층은 양쪽에서 서로 경사진(synclinic) 또는 서로 반대쪽으로 경사진(anticlinic) 카이랄 스메틱, 예를 들어, 스메틱 C (SmC* 또는 SmCA *), 물질 또는 카이랄 스메틱 A (SmA*) 물질(이것은 소위 랜덤 SmC*을 포함한다)일 수 있다. 따라서 인가된 전기장에 대한 동적 표면-방향자 정렬층의 응답은 각각 강유전성, 반강유전성 또는 상유전성일 수 있다.
공개된 국제 특허 출원 번호 WO 2003/081326는 액정 벌크 층과 하나 이상의 표면에 영구적으로 부착된 결과로서 상기 벌크 층에 불균일하게 분포된 카이랄 도펀트들을 포함하는 액정 장치를 개시하는데, 이로써 상기 도펀트들은 상기 표면에 인접한 벌크 층의 서브-체적에서 자발 분극을 유도한다. 벌크 층에 걸쳐서 인가된 전기장에 대한 상기 서브-체적 내 벌크 층의 응답은 강유전성, 반강유전성, 또는 상유전성일 수 있다.
액정 장치에서 ECS 층/서브-체적을 사용하는 것은 상대적으로 빠른 인-플레인 스위칭과 높은 영상 대조비를 제공한다. 그런데 대조비를 훨씬 더 향상시키는 것이 바람직하다. 또한, 요구되는 전압들은 다소 높다.
본 발명의 일반적인 목적은 전술한 문제점들을 경감시키고 개선된 액정 장치를 제공하는 것이다. 특히 본 발명의 목적은 높은 대조비와 광시야각을 생성할 수 있고 빠른 인-플레인 스위칭을 나타낼 수 있는 액정 장치를 제공하는 것이고, 보다 구체적으로는 전기-광학 응답의 하강 시간을 줄여서 동영상의 만족스러운 표시를 가능케 하도록 전체 스위칭 시간을 줄이는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 액정 벌크의 스위칭을 조정하는 임계 전압의 크기를 줄이는 것이고, 다시 말해서, 액정 장치의 구동 전압을 줄이는 것이다. 이것은 특히 휴대폰과 같은 휴대용 어플리케이션들에서 중요하다.
본 발명은 디스플레이들에만 적용되는 것이 아니고 다른 많은 액정 장치들에도 또한 적용될 수 있다.
본 발명의 제1 태양(aspect)에 따르면, 본 발명이 제공하는 액정 장치는: 제1 및 제2 한정(confining) 기판; 상기 기판들 사이에 배치된 액정 벌크 층; 상기 제1 기판의 안쪽면 상에 적용된 제1 전극 패턴; 및 상기 제1 전극 패턴 상에 적용되고, 벌크 표면에서 상기 벌크 층과 상호 작용하도록 배열된 제1 정렬층;을 포함하고, 상기 제1 전극 패턴은 상기 제1 정렬층에 인접한 상기 벌크 층의 제1 서브-체적에 걸쳐서 불균일한 전기장을 생성하도록 배열되되, 상기 전기장은 전계선들의 방향 및 세기에 대하여 불균일하고, 상기 전기장은 상기 제1 정렬층에 걸쳐서도 생성된다. 상기 액정 장치는, 상기 제1 서브-체적 및/또는 상기 제1 정렬층에 포함된 분극 상태에 있는 액정들로서, 상기 액정들의 분극이 (i) 상기 제1 서브-체적 및/또는 상기 제1 정렬층의 외부에서의, 그리고 (ii) 상기 제2 기판에 인접한 상기 벌크 층의 제2 서브-체적 및/또는 상기 제2 기판 상에 배열된 제2 정렬층 외부에서의, 상기 벌크 층의 어떤 가능한 유사 액정 분극보다 더 강한 액정들을 더 포함하고; 적어도 부분적으로 상기 전기장 및 상기 분극 간의 커플링에 의해서, 상기 제1 서브-체적 및/또는 상기 제1 정렬층에 포함된 분극 상태에 있는 액정들이 스위칭되어서, 탄성력에 의해서 상기 벌크 층의 액정들의 스위칭이 성취된다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 성명으로부터 본 발명의 다른 태양들, 특징들 및 잇점들이 분명해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 장치에서 실행을 위한 서로 맞물린 전극 패턴을 나타내는 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 서로 맞물린 전극 패턴에 의해서 생성되는 인-플레인 전기장을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 장치에서 프린지 전기장을 생성하는 빗-유사 전극을 포함하는 전극 구조를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 4 내지 도 14, 도 16 및 도 17은 본 발명에 따른 장치에서 정렬층의 배향 규제(anchoring) 특성들 및/또는 표면 지형(topography)에 의해서 기판 표면들의 하나에서 플렉소일렉트릭 분극이 어떻게 유도될 수 있는지를 나타내는 개략적인 단면도들이다.
도 15는 본 발명에 따른 장치에서 정렬층들의 배향 규제 특성들 및/또는 표 면 지형에 의해서 각각의 기판의 안쪽 표면에서 플렉소일렉트릭 분극이 어떻게 유도될 수 있는지를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 18 및 도 19는 본 발명에 따른 장치에서 다수의 셀들에서 장치 간격을 분할하는 벽에 의해서 플렉소일렉트릭 분극이 어떻게 유도될 수 있는지를 나타내는 개략적인 단면도들이다.
도 20 내지 도 25는 혼성 정렬(HAN; hybrid alignment)을 구비하는 네마틱 벌크 층과 서로 맞물린 전극들을 포함하는 본 발명에 따른 장치의 성능과 구조를 나타낸다.
도 26 내지 도 31은 역 혼성 정렬(reversed hybrid alignment)을 구비하는 네마틱 벌크 층과 서로 맞물린 전극들을 포함하는 본 발명에 따른 장치의 성능과 구조를 나타낸다.
도 32 내지 도 36은 강유전성 정렬층과 서로 맞물린 전극들을 포함하는 본 발명에 따른 장치의 성능과 구조를 나타낸다.
도 37 내지 도 44는 역 혼성 정렬을 구비하는 네마틱 벌크 층과 프린지 전기장을 생성하는 전극 패턴을 포함하는 본 발명에 따른 장치의 성능과 구조를 나타낸다.
도 45 내지 도 50 및 도 53 내지 도 55는 강유전성 정렬층과 프린지 전기장을 생성하는 전극 패턴을 포함하는 본 발명에 따른 장치의 성능과 구조를 나타낸다.
도 51 및 도 52는 강유전성 정렬층과 전체 벌크에 걸쳐서 전기장을 생성하는 전극 패턴을 포함하는 본 발명에 따른 장치의 성능과 구조를 나타낸다.
도 56 내지 도 58 및 도 60은 본 발명에 따른 장치에서 프린지 전기장을 생성하는 전극 패턴에서 사용되는 탑 전극 구조들의 실시예들을 나타낸다.
도 59는 기판들에 대하여 수직으로 지향된 네마틱으로 채워진 프린지 전기장을 생성하는 전극 패턴을 포함하는 장치의 실시예를 나타낸다.
본 발명은 액정 장치에 관한 것으로, 상기 액정 장치는,
유리 또는 플라스틱 기판들과 같은 제1 및 제2 한정(confining) 기판; 상기 기판들 사이에 배치된 액정 벌크 층; 상기 제1 기판의 안쪽면 상에 적용된 제1 전극 패턴; 및 상기 제1 전극 패턴 상에 적용되고, 벌크 표면에서 상기 벌크 층과 상호 작용하도록 배열된 제1 정렬층;을 포함하고,
상기 제1 전극 패턴은 상기 제1 정렬층에 인접한 상기 벌크 층의 제1 서브-체적에 걸쳐서 불균일한 전기장을 생성하도록 배열되되, 상기 전기장은 전계선들의 방향 및 세기에 대하여 불균일하고, 상기 전기장은 상기 제1 정렬층에 걸쳐서도 생성되고,
상기 액정 장치는, 상기 제1 서브-체적 및/또는 상기 제1 정렬층에 포함된 분극 상태에 있는 액정들로서, 상기 액정들의 분극(polarization)이 (i) 상기 제1 서브-체적 및/또는 상기 제1 정렬층의 외부에서의, 그리고 (ii) 상기 제2 기판에 인접한 상기 벌크 층의 제2 서브-체적 및/또는 상기 제2 기판 상에 배열된 제2 정 렬층 외부에서의, 상기 벌크 층의 어떤 가능한 유사 액정 분극보다 더 강한 액정들을 더 포함하고; 적어도 부분적으로 상기 전기장 및 상기 분극 간의 커플링에 의해서, 상기 제1 서브-체적 및/또는 상기 제1 정렬층에 포함된 분극 상태에 있는 액정들이 스위칭되어서, 탄성력에 의해서 상기 벌크 층의 액정들의 스위칭이 성취된다.
전술한 액정 장치가 (제1) 전극 패턴 상에 적용된 (제1 ) 정렬층을 포함하는 경우에, 상기 제1 서브-체적이 상기 (제1) 정렬층에 인접함을 유의하여야 한다.
전기장이 존재하지 않는 경우(다시 말해서 전기장-프리 조건에서) 상기 서브- 체적의 분극 및/또는 정렬이 존재하는 것이 바람직하다.
본 명세서에서 사용된 용어 "유사 분극(similar polarization)"은, 서브-체적 및/또는 정렬층에서의 분극의 세기 그리고 상기 제1 및 제2 서브-체적들 및 정렬층의 외부인 상기 벌크 층에서의 분극의 세기를 비교할 때, 동일한 유형의 전기적인 커플링, 다시 말해서 강유전성 또는 플렉소일렉트릭 커플링을 제공하는 분극을 가리킨다.
기판에 인접한 액정 벌크 물질의 서브-체적에서와 같이, 본 명세서에서 사용된 용어 "에 인접한"은 상기 서브-체적이 기판에 가장 가깝게 위치한 벌크 물질의 부분을 포함함을 가리킨다. 이것은 전극 패턴들과 정렬층들과 같은 본 발명에 따른 장치의 부가적인 구성 요소들이 이러한 서브-체적과 기판 사이에 배치되는 가능성을 배제하지 아니한다.
상기 정렬층은 수동 정렬층 또는 능동 정렬층 중 하나이다.
분극 상태에 있는 상기 액정들이 상기 정렬층에 포함되는 경우에 있어서, 상 기 정렬층운 동적 정렬층으로서 지칭될 수 있는데, 그러면 상기 액정들의 스위칭을 수행하도록 상기 인가된 전기장과 커플링될 것이기 때문이다. 본 발명에 따른 장치는 부가적으로 또는 대안적으로 상기 기판 표면들 중 하나 또는 양자 상에 적용된 수동 정렬층(들)을 포함할 수 있다.
동일한 기판 표면 상에 적용된 전극들을 포함하는 전극 패턴에 의해서 전기장이 생성되기 때문에, 상기 전기장은 전극 패턴을 끼면서(bear) 기판 표면 근처에서 실질적으로 국부화된다. 따라서 전기장은 액정 벌크 층에서 지수함수적으로 약해진다. 또한, 전기장은 기판 표면에 실질적으로 평행한 방향들인 전계선들을 포함하고, 다시 말해서 인-플레인 전기장이 생성된다.
바람직하게는 빗-유사 전극 구조를 포함하는 전극 패턴과 같은, 프린지-전기장 생성 전극들 또는 서로 맞물린 전극들 중 하나를 포함하는 전극 패턴에 의해서 상기 전기장이 생성된다.
상기 제1 서브-체적 및/또는 상기 (동적) 정렬층에 포함된 분극 상태에 있는 액정 분자들이 강한 유전율(Δε)을 가지면, 상기 스위칭은 상기 전기장과 상기 분극 간의 커플링에 부가적으로, 전기장에의 유전성 커플링(dielectric coupling) 성분을 (가질 필요는 없지만) 가질 수 있다.
기판들(3) 중 하나의 안쪽면 상에 적용된 서로 맞물린(interdigitated) 전극들(1 및 2)을 포함하는 전극 패턴이 도 1에 도시되어 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 서로 맞물린 전극들(1 및 2)에 의해서 생성되는 전기장(E)은 전극들(1 및 2) 을 끼면서(bear) 기판 표면에서 실질적으로 국부화된다. 전기장(E)은 상부에 전극들(1 및 2)이 적용된 기판 표면(3)에 실질적으로 평행한 방향인 전계선들을 주로 포함한다. 그러나 전기장(E)은 또한 상부에 전극들(1 및 2)이 적용된 기판 표면(3)에 실질적으로 수직한 것을 포함하는 몇몇 평행하지 않은 방향인 전계선들도 포함한다. 전계선들의 방향은 하나의 전극 갭으로부터 다음의 전극 갭을 지나갈 때 바뀐다. 따라서, 전기장은 전계선들의 방향 (및 그 세기)에 대하여 불균일하다.
본 발명이 속한 기술 분야의 통상의 기술자가 이해할 수 있는 바와 같이, 서로 맞물린 전극들을 포함하는 전극 패턴은 도 1에 도시된 일 형상 외에도 다른 많은 형상들을 가질 수 있다. 서로 맞물린 전극들을 포함하는 모든 전극 패턴들의 공통적인 특징은 전극들이 동일한 기하학적 평면 내에 배치된다는 것이다.
도 3에는 빗-유사(comb-like) 전극 구조를 포함하는 전극 패턴이 도시되어 있다. 전극 패턴은 기판 표면(5) 상에 배치되고 예를 들어 ITO(indium tin oxide) 층인 제1 전도층(4)(공통 전극 또는 바텀 전극으로도 불린다), 제1 전도층 상에 배치되고 대개 SiOx인 절연층(6), 그리고 절연층의 맨위 상에 배치되고 예를 들어 ITO 층인 제2 전도층(7)(탑 전극으로서도 불린다)을 포함하고, 상기 제2 전도층(7)은 빗-유사 형태를 가진다. 도 3에는 정렬층(8)도 도시되어 있다. 이러한 전극 구조에 의해 생성되는 전기장(플린지 전기장(fringe field))은 전극들(4 및 7)을 끼면서 기판 표면(5) 근처에서 실질적으로 국부화된다. 전기장(E)은 상부에 전극들(4 및 7)이 적용된 기판 표면(5)에 실질적으로 평행한 방향인 전계선(Ex)과 실질 적으로 수직한 방향인 전계선(Ez) 양자를 포함한다(다시 말해서 플린지 전기장은 기판 표면(5)을 따르는 전기장 성분과 기판 표면(5)에 수직한 전기장 성분을 포함한다). 전계선들의 분포와 그 세기는 전극들(4 및 7)의 기하학적 배열과 그 상호 위치에 따라서 달라진다.
프린지 전기장을 생성하는 전극 패턴의 다른 유형은 기판 표면 상에 배치된 제1 전도층(바텀 전극)과, 제1 전도층 상에 배치된 절연층과, 그리고 상기 절연층 상에 배치되고 개구들을 구비하는 제2 전도층(탑 전극)을 포함한다. 상기 제2 전도층은 도 56에 도시된 바와 같거나 이와 유사한 구조를 가질 수 있다. 도 56a는 6각형 개구들을 구비하는 탑 전극 구조를 나타낸다. 도 56b는 원형 스팟들 형태의 개구들을 구비하는 탑 전극 구조를 나타내고, 도 56c는 사각형 개구들을 구비하는 탑 전극 구조를 나타낸다. 본 발명이 속한 기술 분야의 통상의 기술자가 이해할 수 있는 바와 같이, 탑 전극은 도 56에 도시된 것들과는 다른 많은 형태들을 취할 수 있다. 이러한 유형의 전극 패턴은 광시야각 영상들을 표시하기에 이롭다. 도 56에 도시된 실시예들 중 어떤 것에 따른 전극 패턴에 의해 얻어지는 전기장은 기판 표면에의 수직선을 따르고 개구의 중심을 거쳐서 연장되는 복수의 대칭축들을 가질 것이다. 전기장의 국부적인 대칭성 때문에, 그리고 이로써 액정 정렬의 국부적인 대칭성 때문에, 이러한 전극 패턴을 가지는 장치는 시야각과 무관한 방향 및 우수한 광시야각을 가질 것이다.
도 57 및 도 58은 각각 전기장-오프 및 전기장-온 상태에서 액정 표시 장치의 하나의 기판 표면(63)에서의 액정 벌크 분자들(62)의 지향을 나타내는데, 여기 서 액정 표시 장치는 수직 배향을 촉진하는 정렬층(미도시)과, 양의 유전 이방성을 나타내는 네마틱 액정 벌크 층(62)과, 프린지-전지장 생성 전극 패턴을 포함하고, 상기 프린지 전기장 생성 전극 패턴은 상기 기판 표면(63) 상에 배치된 바텀 전극(64)과 상기 바텀 전극 상에 배치된 절연층(65)과 원형 스팟들 형태인 개구들을 구비하는 탑 전극(66)을 포함한다.
도 57 및 도 58에서의 장치 구조는 음의 유전 이방성을 나타내는 네마틱 액정 벌크 층을 구비하는 경우에도 또한 적용될 수 있다.
도 59a는 도 38의 빗-유사 전극 구조를 이용하는 장치의 측면도를 나타내는데, 액정 벌크 분자들이 수직 배향되어 있다.
도 59b는 도 38 및 도 58에서의 전극 구조의 측면도를 나타내고 또한 전기장-온 상태에서 전계선들의 불균일한 전기장 분포를 나타낸다.
도 59a는 기판(63)의 안쪽 표면 상에 형성된 전극 구조를 포함하는 장치를 나타낸다. 액정 벌크 층의 분자들은 기판(63 및 69) 상에 배치된 정렬층(70 및 68)에 의하여 기판 표면에 대하여 수직하게 지향된다. 전극 구조는 불균일한 전기장(프린지 전기장)(도 59b)를 생성한다. 만약 액정 물질이 양의 유전 이방성을 가진다면(Δε>0), 전기장이 셀에 적용되었을 때, 액정 벌크의 분자들은 전계선들을 따르도록 지향되려 한다. 그런데, 이것으로 인하여 전극 패턴 부근의 서브-체적에서 주기적인 스플레이-벤드(splay-bend) 탄성 변형들이 결과될 것이고, 액정 벌크 물질이 플렉소일렉트릭 분극성(flexoelectrical polarizability)을 가진다면, 이것은 차례로 플렉소일렉트릭 분극을 발생시킨다. 적용된 전기장이 적절한 형태와 극 성을 가진다면, 전기장과 플렉소일렉트릭 분극의 커플링은 셀의 스위칭 시간을 줄일 수 있다.
도 59a에 도시된 장치는 음의 유전 이방성을 가지는(Δε<0) 네마틱 액정 벌크 층을 구비하는 경우에도 또한 적용될 수 있다.
도 60은 전기장-온 상태에 있는 양면 장치에서 액정 벌크 분자들의 지향을 나타낸다.
본 발명에 따른 장치는 단면 장치 또는 양면 장치 중 어느 하나에 적용될 수 있음을 유의해야 한다.
본 발명에 따른 장치의 단면 장치에 관한 실시예에서, 기판들의 하나만이 그 안쪽면 상에 적용된 전극 패턴을 포함한다.
본 발명에 따른 장치의 양면 장치에 관한 실시예에서, 두 기판들 양자가 각각의 안쪽면 상에 적용된 전극 패턴을 포함한다. 따라서 이러한 장치에 있어서, 제2 전극 패턴 또는 상기 제2 전극 패턴 상에 적용된 제2 정렬층에 인접한 벌크 층의 제2 서브-체적에 걸쳐서도 불균일한 전기장을 생성하도록, 다른 기판의 안쪽면 상에 제2 전극 패턴이 적용되는데, 여기서 상기 전기장은 전계선들의 방향 및 그 세기에 대하여 불균일하다.
두 기판들 상에 적용된 동일한 유형의 서로 맞물린 전극들을 포함하는 본 발명에 따른 장치(양면 장치의 실시예)에 있어서, 제1 기판 상에 적용된 전극들의 제1 기판 표면을 따르는 지향이 제2 기판 상에 적용된 전극들의 제2 기판 표면을 따르는 지향에 대하여 각을 이루는 것이 특히 바람직하다. 이러한 유형의 장치에 의 하면 표시 장치의 시야각이 상당히 증가한다.
두 기판들 상에 적용된 도 1에 도시한 바와 같은 유형의 서로 맞물린 전극들을 포함하는 본 발명에 따른 장치에 있어서, 제2 기판 표면을 따라서 배열된 전극들의 방향에 대하여 실질적으로 수직한 방향으로 제1 기판 표면을 따라서 제1 기판 상의 전극들이 배열되는 것이 특히 바람직하다.
나아가, 본 발명에 따른 장치의 양면 장치의 실시예에 있어서, 상기 전극 패턴들 또는 상기 전기 패턴들 상에 적용된 정렬층 각각에 인접한 각각의 서브-체적(제1 및 제2 서브-체적, 각각)이 편광된 상태에서 적용된 전기장과 강유전성 또는 플렉소일렉트릭 커플링을 나타내는 액정들을 포함하는 것이, 바람직하다. 이러한 경우에, 상기 서브-체적(들) 및/또는 정렬층(들) 각각에서의 분극은 상기 서브-체적(들) 및/또는 정렬층(들) 외부에서의 벌크 층의 어떤 가능한 유사한 액정 분극보다 더 강하다. 그러나 각각의 서브-체적 및/또는 정렬층에서의 분극 세기는 서로와 비교하여 다를 수 있음을 유의해야 한다.
보다 구체적으로, 상기 서브-체적 및/또는 상기 정렬층에 포함된 분극 상태에 있는 상기 액정들은 자발 분극(spontaneous polarisation) 또는 유도된 자발 분극을 포함하는 유도된 분극 중의 하나를 나타낸다.
특히, 상기 서브-체적 및/또는 상기 정렬층에서의 분극과 상기 적용된 전기장 사이의 커플링은 강유전성, 반강유전성, 상유전성(paraelectric) 또는 플렉소일렉트릭 중의 하나이다.
본 발명의 제1 실시예 그룹에서, 상기 정렬층은 SmC*, SmCA *, 또는 SmA*와 같은 카이랄(chiral) 스메틱(Sm*) 액정 물질을 포함한다.
스메틱 액정 구조는 인접한 스메틱 층들에 배치된 액정 분자들을 포함한다. 스메틱 A 및 스메틱 C 상들은 이러한 "레이어드(layered)" 액정들의 가장 중요한 두 전형들(representatives)이다. 나아가, 스메틱 액정 분자들은 비카이랄(achiral)(예를 들어, SmA, SmC 또는 SmCA) 또는 카이랄(예를 들어, SmC*, SmCA *, 또는 SmA*)일 수 있는데, 여기서 용어 카이랄은 거울 대칭의 결핍을 의미한다.
틸트된 카이랄 스메틱 액정은 하나의 스메틱 층으로부터 다음 스메틱 층까지 가면서 원뿔에서(in a cone) 회전하는 방향자를 구비한다. 원뿔의 꼭지각 θ=2β는 전형적으로 약 45°일 수 있다. 이로써, 나선 축이 상기 원뿔의 축에 평행하고 스메틱 층들에 수직한 채로, 층들을 가로지르는 나선 텍스쳐(helix texture)가 형성된다. 그런데, 그러면 방향자에 커플링된 국부적인 자발 분극(Ps)이 또한 동일한 주기 또는 피치를 가진 채로 나선 형태로 회전할 것이다. 이러한 국부적인 분극의 나선 구조는 국부적인 분극이 자기-상쇄적임(self-cancelling)을 의미하고, 다시 말해서, 벌크 액정은 어떤 거시적인 분극도 나타내지 않을 것이다.
스메틱 A 상 구조에서, 분자들의 평균 방향은 스메틱 층 노멀(smectic layer normal)에 평행하고(β = 0°), 다시 말해서 분자들은 스메틱 층 노멀을 따라서 ㅈ 지향된다. 전기장이 카이랄 스메틱 A(SmA*) 액정 구조에 인가된다면, 인가된 전기장에 대한 응답은 소위 상유전성 응답이 될 것이다.
스메틱 C 상 구조에서, 분자들은 스메틱 층 노멀에 대하여 각 β(전형적으로 약 22.5°)를 이루며 기울어진다.
양쪽에서 서로 경사진 스메틱(synclinic smectic), 예를 들어, 스메틱 C 액정 구조에서, 두 인접한 스메틱 층들의 분자들은 스메틱 층 노멀에 대하여 동일한 방향으로 틸트된다. 전기장이 양쪽에서 서로 경사진 카이랄 스메틱 예를 들어 스메틱 C* (SmC*) 액정 구조에 인가되면, 인가된 전기장에 대한 응답은 소위 강유전성 응답이 될 것이다.
서로 반대쪽으로 경사진 스메틱(anticlinic smectic), 예를 들어, 스메틱 CA, 액정 구조에서, 두 인접한 스메틱 층들의 분자들은 스메틱 층 노멀에 대하여 반대 방향으로 틸트된다. 전기장이 서로 반대쪽으로 경사진 카이랄 스메틱, 예를 들어, 스메틱 CA (SmCA *) 액정 구조에 인가된다면, 소위 반강유전성 응답이 발생할 것이다. 그런데, 인가된 전기장이 특정한 임계치를 넘어서면, 서로 반대쪽으로 경사진 구조는 서로 경사진 구조로 변형될 것이고, 다시 말해서, 인가된 전기장에 대한 강유전성 응답이 제공될 것이다.
따라서, 이러한 본 발명에 따른 장치의 제1 그룹의 실시예들에 있어서, 정렬층에서의 상기 분극과 상기 인가된 전기장 사이의 커플링은 강유전성, 반강유전성 또는 상유전성, 보다 바람직하게는 강유전성일 수 있다. 도입부에서 설명한 바와 같이, 이러한 카이랄 스메틱 정렬층에서의 분자들의 1차 스위칭(primary switching)에 의하여 탄성력(입체적(steric) 커플링)을 통해서 벌크층에서의 액정들의 분자 지향의 유도된 스위칭이 결과된다.
본 발명에 따른 장치의 이러한 그룹의 실시예들에서 카이랄 스메틱 정렬층이 양쪽에서 서로 경사진 카이랄 스메틱, 예를 들어, 스메틱 C(SmC*), 액정 물질, 특히 양쪽에서 서로 경사진 카이랄 스메틱 C(SmC*) 액정 폴리머(강유전성 액정 폴리머(FLCP)로서도 불린다)를 포함하는 것이 바람직하다.
정렬층의 FLCP와 같은 카이랄 스메틱 액정 물질은 벌크 층의 액정 물질에서 불용성인 것이 바람직하다. 특히 정렬층의 액정 물질이 벌크 층의 액정 물질의 물성들에 영향을 미치거나 그와 반대로 영향을 미쳐서는 아니된다.
이러한 제1 그룹의 실시예들에서, 벌크 층이 카이랄 또는 비카이랄 네마틱 또는 스메틱 액정 물질, 보다 바람직하게는 0이거나 매우 작은 양이나 음의 유전 이방성, 즉 Δε
Figure 112009058995829-PCT00001
0을 가지는 네마틱 또는 스메틱 액정 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 따라서, 액정 물질은 인가된 전기장과 실질적으로 어떤 유전성 커플링도 나타내지 아니한다.
벌크 층이 비카이랄 스메틱 액정 물질을 포함하는 경우에, 벌크 층의 스메틱 층들이 정렬층의 스메틱 층들에 실질적으로 평행한 것이 적절할 수 있다.
나아가, 정렬층의 스메틱 층들이 인가된 전기장에 실질적으로 평행하게 지향 되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 이러한 제1 그룹의 실시예들에서 전술한 정렬층은 동적 정렬층으로서도 불릴 수 있는데, 인가된 전기장에 의해서 영향을 받고 상기 전기장에 커플링되기 때문이다.
본 발명의 이러한 제1 그룹의 실시예들에 따른 장치는 또한 상기 동적 정렬층 밑에 수동 정렬층을 포함하여서, 상기 수동 정렬층이 상기 동적 정렬층에 대하여 선취된(preferred) 정렬 방향을 제공할 수 있다.
실시예 3 및 실시예 4에서 설명하는 바와 같이, FLCP와 같은 카이랄 스메틱 액정 분자를 포함하는 정렬층을 구비하는 본 발명에 따른 장치에 있어서, 플렉소일렉트릭 벌크 분극이 유도된다.
또한, 이러한 그룹의 실시예들에서, 상부에 적용된 정렬층과 함께 전극 패턴을 끼는 기판 표면에 인접한 액정 벌크 분자들은 마주보는 기판 표면에 인접한 액정 벌크 분자들보다 더 높은 분자 프리틸트(pretilt)를 나타내는 것이 바람직하다고 발견되었다.
자발 분극을 나타내는 전술한 정렬층을 어떻게 제공하는 방법에 대한 추가적인 정보에 대하여 WO 00/03288를 참조할 수 있다.
본 발명의 제2 그룹의 실시예들은, 상기 제1 서브-체적에서 하나 이상의 표면에 영구적으로 부착되는 것과, 이로써 상기 제1 서브-체적 내에 하나 이상의 키랄성-연관 물성들의 국부적인 증가를 유도하는 것(본 명세서에서 키랄 성(chirality)의 효과(들)로서도 불린다)의 결과로서, 벌크 층에 카이랄 도펀트들이 불균일하게 분포되고, 상기 표면에서 최대이고 상기 표면으로부터 멀어지는 방향으로 감소하는 비균일한 분포를 가지는 자발 분극이 출현하는 것이 결과되는데, 여기서 상기 카이랄 도펀트들은 액정 벌크 층에서 용해가능하다.
본 명세서에서 사용된 용어 "용해가능한"은 액정 벌크 층에서 도펀트들이 용해될 수 있음을 의미한다.
키랄성의 효과의 상기 유도된 증가는 벌크 층의 전체 체적에서 발생하는 것이 아니라 단지 표면에 인접한 그 제한된 영역(서브-영역)에서만 발생한다.
제2 그룹의 실시예들에서, 벌크 층은 비카이랄 또는 카이랄 네마틱 또는 스메틱 액정 물질, 바람직하게는 SmC와 같은 비카이랄 스메틱 액정 물질, 보다 바람직하게는 0이거나 매우 작은 양이나 음의 유전 이방성, 즉 Δε
Figure 112009058995829-PCT00002
0을 가지는 SmC와 같은 비카이랄 스메틱 액정 물질을 포함한다.
이러한 그룹의 실시예들의 실시예적인 예로서, 벌크 층은 비카이랄 스메틱 C 액정 물질을 포함할 수 있다. 서브-영역에서, 비카이랄 스메틱 C는 비카이랄 스메틱 C에서 용해가능하고 상기 서브-체적에서의 표면에 영구적으로 부착되는 카이랄 도펀트들에 의해서 도핑된다. 상기 도펀트들은 서브-체적 내 액정 벌크 물질에서 키랄성을 유도하고 이로써 키랄성 효과(들)의 증가를 유도한다. 유도된 키랄성은 차례로 강유전성 특성들을 제공하는 서브-체적 내 자발 분극을 결과한다. 도핑되는 서브-영역의 실제 체적과, 키랄성과 자발 분극을 나타내는 서브 체적은 다소 달라질 수 있는데, 도펀트 분자들이 또한 도펀트들로부터 특정한 거리를 두고 키랄성 을 유도할 것이기 때문이다. 상기 전기장을 상기 유도된 자발 분극을 나타내는 서브 체적에 걸쳐 인가함으로써, 인가된 전기장에의 직접 강유전성 커플링에 의해서 분자들이 매우 빠르게 스위칭될 것이다. 이러한 빠른 강유전성 스위칭은 차례로 서브-체적 외부의 벌크 분자들의 빠른 스위칭을 결과하는데, 벌크 체적의 인접한 분자들과 표면 서브-영역에서의 분자들 간의 탄성 커플링 때문이다.
카이랄 도펀트들은 표면에 영구적으로 부착되어서, 이것은 벌크 체적에서 자유로이 벗어나는 것이 막아지는 방식으로 도펀트들이 표면에 결합(bond)되는 것으로서 해석되어야 한다. 비록 도펀트들이 표면에 영구적으로 부착되더라도, 그들은 여전히 제한적인 이동성을, 특히 예를 들어 인가된 외부 전기장에 의한 스위칭 동안, 도펀트 분자들이 표면에서 재지향되는 것을 허용하는 이동성을 가질 수 있다.
도펀트들이 부착되는 표면은 벌크 층의 경계에 위치한 또는 상기 경계를 정의하는 표면뿐만 아니라 서브-체적 내부에 위치한 표면까지 포함하기 위해 홀딩되어야 한다. 따라서 이 점에서, 용어 "표면"은 도펀트 물질을 통해서 직간접적으로 상기 서브-체적에서 벌크 층 물질과 접촉하는 어떤 물리적 또는 기하학적 표면 또는 평면을 포함할 수 있다.
바람직하게는 도펀트들은 벌크 층의 액정들과 상호작용하고 이로써 벌크 층의 액정들의 선취된 분자 지향을 제공하도록 배열된 상기 정렬층 또는 상기 전극 패턴의 안쪽 표면에 부착된다.
본 발명에 따른 장치의 이러한 제2 그룹의 실시예들에서, 상기 인가된 전기장과 상기 제1 서브-체적에서의 상기 분극 간의 커플링은 전술한 바로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 강유전성, 반-강유전성 또는 상유전성일 수 있고, 보다 바람직하게는 강유전성일 수 있다.
유도된 자발 분극을 나타내는 전술한 서브-체적을 제공하는 방법에 대한 추가적인 정보에 대해서는 WO 2003/081326을 참조할 수 있다.
본 발명에 따른 장치의 제3 그룹의 실시예들에서, 서브-체적에서의 액정들의 스플레이(splay) 및/또는 벤드 변형들에 의해서 상기 제1 서브-체적의 액정들의 분극이 유도되고, 이로써 전기장과 상기 제1 서브-체적에서 분극 상태에 있는 액정들 간의 플렉소일렉트릭 커플링을 제공한다.
액정들에서의 플렉소일렉트릭 효과는 고체 물질에서의 압전 효과와 유사하나, 본질적으로는 완전히 다르다. 플렉소일렉트릭성은 벤드 및/또는 스플레이 변형과 같은 탄성 변형의 결과로서의 액정 물질의 분극을 의미한다. 분자들로 구성된 액정 물질들에 있어서, 영구적인 순 쌍극자 모멘트들에 부가적으로 또한 "형태 극성(shape polarity)"을 가진다고 진술된다. 전체 플렉소일렉트릭 분극(Pflexo)는 Pflexo =esS + ebB 으로서 주어지는데, 여기서 es는 스플레이 플렉소일렉트릭 계수이고 eb는 벤드 플렉소일렉트릭 계수이다. 이들은 플렉소일렉트릭 분극의 세기를 정의하는 매우 중요한 파라미터들이다.
Figure 112009058995829-PCT00003
및
Figure 112009058995829-PCT00004
는 각각 스플레이 탄성 변형 및 벤드 탄성 변형이다. 일반적으로 탄성 변형이 커질수 록 Pflexo가 더 커진다. 비록 플렉소일렉트릭성이 액정들의 공통적인 물성일지라도, 다른 부호(sign)를 가지는 Pflexo를 나타내는 액정들 및 0의 Pflexo를 가지는 액정들이 존재한다.
본 발명이 속한 기술 분야의 통상의 기술자에게 알려진 바와 같이, 스플레이 및/또는 벤드 변형을 가지는 액정 물질은 인가된 전기장에 커플링된 플렉소일렉트릭을 제공하는 분극을 유도할 수 있다(플렉소일렉트릭 효과).
바람직하게는 본 발명에 따른 장치의 이러한 제3 그룹의 실시예들에서, 높은 플렉소일렉트릭 분극성을 가지는 액정 물질, 다시 말해서 탄성 변형 하에서 높은 플렉소일렉트릭 분극을 나타내는 액정 물질이 사용된다. 전형적으로, 이러한 액정 물질들은 플렉소일렉트릭 계수 es 및 eb 중 하나 이상이 높은 값을 가진다. 탄성 변형 하에서 어떠한 플렉소일렉트릭 분극도 나타내지 않는 액정 물질들이 존재한다는 것을 그리고 이로써 본 발명에 따른 장치의 이러한 제3 실시예에서 사용되기 위한 액정 물질이 임의로 선택될 수 없음을 유의해야 한다.
일반적으로, 스플레이 변형, 벤드 변형 및 비대칭 혼성(asymmetrical hybrid) (스플레이 + 벤드) 변형이 존재한다.
본 발명에 따라서 원하는 효과들을 얻기 위해서는, 상기 제1 서브-체적에서의 플렉소일렉트릭 효과가 상기 서브-체적들(제1 서브-체적 및 제2 서브-체적, 각각)의 외부에서의 벌크 층의 어떤 가능한 플렉소일렉트릭 효과보다 더 강하다는 것이 중요하다.
예를 들어, 서브-체적 내로 연장하는 돌출부들 및/또는 예를 들어 정렬 방향에 영향을 미치는 가변 배향 규제 특성들을 가지는 정렬층을 기판 표면들 중 하나 또는 둘 상에 적용하여서, 상기 제1 서브-체적에 국부적인 스플레이 변형 및/또는 벤드 변형을 제공함으로써 이것을 성취할 수 있다. 상기 돌출부들로부터 결과되는 표면 지형은, 가변 배향 규제 특성들과 조합하여 또는 단독으로, 인접한 액정들의 플렉소일렉트릭 분극을 야기할 수 있다.
이러한 단면 장치의 실시예에 있어서, 바람직하게는 평면 또는 수직(homeotropic)과 같은 특정한 정렬 방향을 나타내는 부가적인(제2 의) 정렬층이 다른 기판의 안쪽 표면 상에 적용된다.
상기 액정 벌크에 면하는 한정 기판 표면들 상에 소위 (표면-방향자) 정렬층(또는 지향 층으로서도 불림)을 적용하는 것과 같이, 일반적으로 한정 고체 기판 표면들을 적절히 표면 처리하여서, 전기장이 존재하지 않을 때 액정 층의 요구되는 초기 정렬을 얻는다. 고체 표면/액정 상호작용들에 의해서 초기의 액정 정렬이 정의된다. 한정 기판에 인접한 액정 분자들의 지향은 탄성력을 통해 벌크에서의 액정 분자들에 전달되고 이로써 모든 액정 벌크 분자들에 실질적으로 동일한 배향이 강요된다. 한정 기판 표면들 근처의 액정 분자들의 방향자는 한정 기판 표면들에 수직(perpendicular)(homeotropic 또는 vertical으로도 지칭됨)하거나 평행(평면적이라고도 지칭됨)하는 것과 같이 특정한 방향을 가리키도록 구속된다. 몇몇 예들에서, 기판에 대하여 특정하게 기울어진 지향 각(프리-틸트 각)을 이루며 액정 벌크 분자들이 더 지향되는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명에 따른 장치의 이러한 제3 그룹의 실시예들에 있어서, 상기 제1 서브-체적에서 하나 이상의 표면에 영구적으로 부착되는 것과 이로써 상기 제1 서브-체적 내에 하나 이상의 물성들의 국부적인 증가를 촉진하는 것의 결과로서 상기 벌크 층에 플렉소일렉트릭 분극을 촉진하는 도펀트들이 불균일하게 분포되고, 상기 표면에서 최대이고 상기 표면으로부터 멀어지는 방향으로 감소하는 비균일한 분포를 가지는 플렉소일렉트릭 분극이 출현이 결과되되, 상기 도펀트들은 상기 액정 벌크 층에서 용해가능하다.
서브-체적에서의 플렉소일렉트릭 분극을 촉진하도록 이용될 수 있는 도펀트들은 예를 들어 바나나-형, 방울-형, 방울-바나나 혼성-형 도펀트들 및 이들 중의 둘 이상의 어떤 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 도펀트들을 포함하는데, 이들은 이들의 이방성 형태 때문에 요구되는 효과를 가진다. 이러한 도펀트들은 더 큰 플렉소일렉트릭 계수를 부여하는 것으로 본 발명이 속한 기술 분야에 알려져 있다. 상기 도펀트들은 중간독형(mesogenic) 화합물일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
수직 배향을 설정하는 방법의 실시예는 한정 기판 표면들을 레시틴(lecithin) 또는 헥사데실트리 메틸 암모늄 브롬화물(hexadecyltri methyl ammonium bromide)과 같은 계면활성제로 코팅하는 것을 포함한다. 그러면 바람직하게는 코팅된 기판 표면들이 또한 기결정된 방향으로 러빙(rub)되어서, 액정 분자들의 전기장-유도 평면 배향이 기결정된 러빙 방향으로 지향될 것이다.
평면 배향을 설정하는 방법의 실시예는 소위 유기막 러빙 방법인데, 여기서 예를 들어 폴리이미드의 유기 코팅이 기판 표면 상에 적용된다. 그 후 유기 코팅은 천으로 기결정된 방향으로 러빙되어서, 상기 층과 접촉하는 액정 분자들이 러빙 방향으로 지향될 것이다.
도 4 내지 도 19는 전술한 바와 같이 전극 패턴(도면들에서 전극 패턴은 미도시)을 끼는 기판 표면에 인접한 서브 체적에서 정렬층의 (정렬 방향을 포함하여) 배향 규제 특성들 및/또는 표면 지형에 의해서 어떻게 플렉소일렉트릭 분극이 유도될 수 있는지를 예시한다. 플렉소일렉트릭 분극의 방향을 도면들에서 화살표들로 나타냈고, 점선들은 액정 분자들의 정렬 방향을 나타낸다.
도 4 내지 도 17은 수직 및 평면 배향과 같은 서로 다른 유형들의 배향 방향들과 피라밋형 또는 사각형 표면을 나타내는 정렬층들에 의해 유도된 플렉소일렉트릭 분극을 나타낸다. D Flanders, D Shaver, 및 H Smith, Appl Phys Lett, 55, 2506 (1978); J Cheng, 및 G Boyd, Appl Phys Lett, 35, 444 (1979); G P Bryan-Brown, C V Brown, I C Sage, 및 V C HuI, Nature, V 392, 365 (1998); 그리고 C Brown, M Towler, V Hui, 및 G Bryan-Brown, Liquid Crystals, 27, 233 (2000)은 이러한 유형의 주기적인 표면 지형을 제공하는 방법들을 개시한다.
도 4, 도 7 및 도 8의 각각은 (피라밋형 돌출부들 상에 적용된) 수직 배향 및 피라밋 지형을 구비하는 정렬층을 나타낸다. 도 4에서, 상기 피라밋형 돌출부들 사이에 있는 기판 표면 또한 수직 배향을 나타낸다. 마주보는 기판 표면은 평면 배향을 나타내는 부가적인 정렬층을 포함한다.
도 5는 피라밋형 돌출부들 사이에 있는 평면 배향 및 (피라밋형 돌출부들 상 에 적용된) 수직 배향을 가지는 피라밋형 지형을 구비하는 정렬층을 나타낸다. 마주보는 기판 표면은 평면 배향을 나타내는 부가적인 정렬층을 포함한다.
도 6, 도 13 및 도 14의 각각은 (피라밋형 돌출부들 상에 적용된) 평면 배향 및 피라밋 지형을 구비하는 정렬층을 나타낸다. 도 6에서, 상기 피라밋형 돌출부들 사이에 있는 기판 표면 또한 평면 배향을 나타낸다. 마주보는 기판 표면은 평면 배향을 나타내는 부가적인 정렬층을 포함한다.
도 9는 (피라밋형 돌출부들 상에 적용된) 평면 배향 및 피라밋형 지형을 구비하는 정렬층을 나타낸다. 마주보는 기판 표면은 수직 배향을 나타내는 부가적인 정렬층을 포함한다.
도 10은 (비대칭 피라밋형 돌출부들 상에 적용된) 평면 배향 및 피라밋형 지형을 구비하는 정렬층을 나타낸다. 마주보는 기판 표면은 수직 배향을 나타내는 부가적인 정렬층을 포함한다.
도 11은 피라밋형 돌출부들 사이에 있는 수직 배향 및 (피라밋형 돌출부들 상에 적용된) 평면 배향을 가지는 피라밋형 지형을 구비하는 정렬층을 나타낸다. 마주보는 기판 표면은 수직 배향을 나타내는 부가적인 정렬층을 포함한다.
도 12는 (피라밋형 돌출부들 상에 적용된) 수직 배향 및 교호 평면 배향(alternating planar alignment)을 가지는 피라밋형 지형을 구비하는 정렬층을 나타낸다. 마주보는 기판 표면은 평면 배향을 나타내는 부가적인 정렬층을 포함한다.
도 15는 도 4에 도시된 단면 장치의 실시예에 관한 양면 장치의 실시예이고, 여기서 플렉소일렉트릭 분극은 기판들 각각의 안쪽 표면에서 국부화된다.
도 16은 (사각형 돌출부들 상에 적용된) 수직 배향 및 교호 평면 배향을 가지는 사각형 지형을 구비하는 정렬층을 나타낸다.
도 17은 (사각형 돌출부들 상에 적용된) 평면 배향을 가지는 사각형 지형을 구비하는 정렬층을 나타낸다.
도 18 및 도 19는 본 발명에 따른 장치들의 개략적인 단면도들인데, 여기서 다수의 셀들에서 장치 갭을 분할하는 폴리머 벽들에 의해서 플렉소일렉트릭 분극이 생성된다. R Caputo, L De Sio, A V Sukhov, A Veltri 및 C Umeton, Opt Lett 29, 1261 (2004); 그리고 G Strangi, V Barna, R Caputo, A de Luca, C Versace, N Scaramuzza, C Umeton, 및 R Bartolino, Phys Rev Lett, 94, 063903 (2005)는 이러한 유형의 폴리머 벽들을 제공하는 방법들을 개시한다.
대안적으로, 본 발명에 다른 장치에서 스플레이 및/또는 벤드 변형들이 전체 벌크에(다시 말해서 벌크 분극) 제공될 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 장치는 비대칭 스플레이-벤드 혼성 변형을 가지는 벌크 층을 포함하는데, 여기서
- 제1 서브-체적의 액정들은 실질적으로 벤드 변형을 나타내고, 벤드 플렉소일렉트릭 계수(eb)가 플렉소일렉트릭 분극의 주된 플렉소일렉트릭 계수가 된다(다시 말해서,
Figure 112009058995829-PCT00005
), (바람직하게는, 이러한 예에서 제1 서브-체적의 액정들은 음의 유전 이방성(Δε
Figure 112009058995829-PCT00006
0)을 나타내고 상기 제1 서브-체적은 실질적으로 벤드 변 형을 나타내는 액정들을 포함한다), 또는
- 제1 서브-체적의 액정들은 실질적으로 스플레이 변형을 나타내고, 스플레이 플렉소일렉트릭 계수(es)가 플렉소일렉트릭 분극의 주된 플렉소일렉트릭 계수가 된다(다시 말해서,
Figure 112009058995829-PCT00007
), (바람직하게는, 이러한 예에서 벌크 층의 액정들은 양의 유전 이방성(
Figure 112009058995829-PCT00008
)을 나타내고 상기 제1 서브-체적은 실질적으로 스플레이 변형을 나타내는 액정들을 포함한다).
이러한 예들에서, 상기 제1 서브-체적에서의 플렉소일렉트릭 효과는 상기 제1 서브-체적 외부에서의 벌크 층의 플렉소일렉트릭 효과보다 더 강하다.
본 발명에 따른 장치의 이러한 제3 그룹의 실시예들에서, 또한 스플레이 변형을 가지는 벌크 층을 사용하는 것이 가능한데, 여기서 스플레이 플렉소일렉트릭 계수(es)는, 플렉소일렉트릭 분극의 주된 플렉소일렉트릭 계수가 된다(그리고 전형적으로, 벌크 층의 액정들은 양의 유전 이방성(
Figure 112009058995829-PCT00009
)을 나타낸다). 이러한 경우에서, 본 발명에 따른 전극 패턴들은 두 기판 표면들 상에 적절하게 적용되어서, 상기 전극 패턴에 인접한 벌크 층의 각각의 강하게 분극된 서브-체적에 걸쳐서 불균일한 전기장을 제공한다.
유사하게, 본 발명에 따른 장치의 이러한 제3 그룹의 실시예들에서, 대안적으로 벤드 변형을 가지는 벌크 층을 사용하는 것이 가능한데, 여기서 벤드 플렉소일렉트릭 계수(eb)는, 플렉소일렉트릭 분극의 주된 플렉소일렉트릭 계수가 된다(그 리고 전형적으로, 벌크 층의 액정들은 음의 유전 이방성(
Figure 112009058995829-PCT00010
)을 나타낸다). 또한 이러한 경우에서, 전극 패턴들은 두 기판 표면들 상에 적절하게 적용된다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따른 장치가 대칭 스플레이 또는 벤드 변형을 가지는 벌크 층과 (단면 장치의 실시예에서) 단 하나의 기판 표면 상에만 적용된 전극 패턴을 포함한다면, 상기 제1 서브-체적에서의 플렉소일렉트릭 분극은 전극 패턴이 결여된(하지만 상부에 적용된 정렬층을 구비하는) 기판의 표면에 인접한 제2 서브-체적에서의 플렉소일렉트릭 분극만큼의 세기를 가진다.
이러한 제3 그룹의 실시예들에서, 벌크 층이 네마틱 (카이랄 또는 비카이랄) 액정 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 나아가 탄성 변형에 의하여 변형될 때, 벌크 층의 액정 물질이 두드러지는 플렉소일렉트릭을 나타내는 것이 적절하다. 따라서 바람직하게는 벌크 층의 액정 물질은 플렉소일렉트릭 분극성을 나타낸다.
플렉소일렉트릭 분극의 세기가 플렉소일렉트릭 계수들의 크기 및 부호 그리고 탄성 변형의 정도에 의존함을 유의해야 한다. 예를 들어, 액정 장치에서 셀 갭이 감소할 때 플렉소일렉트릭 분극이 증가한다.
나아가, 이러한 제3 그룹의 실시예들에서, 상기 제1 서브-체적에서의 전기장-오프 상태에 있는 플렉소일렉트릭 분극의 평균 방향이 상부에 적용된 전극 패턴을 구비하는 상기 기판에 대하여 평행하거나 또는 90°보다 작을 각을 이루며 틸트되면, 그리고 바람직하게는 인-플레인 전기장이 생성될 방향들에 대하여 실질적으로 수직하면, 벌크 층의 액정들의 인-플레인 스위칭이 성취된다.
부가적으로, 본 발명은 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 액정 표시 장치를 제공하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은:
- 기판의 안쪽 표면 상에 전극 패턴을 적용하되, 상기 전극 패턴은 상기 전극 패턴에 인접한 액정 벌크 층의 제1 서브 체적에 걸쳐서 불균일한 전기장을 생성할 수 있고, 전계선들의 방향 및 세기에 대하여 불균일하고,
- 상기 전극 패턴 상에 정렬층을 배치하되, 상기 전기장은 상기 정렬층에 걸쳐서도 생성되고,
- 상기 전극 패턴과 상부에 적용된 정렬층을 구비하는 상기 기판과 제2 기판 사이에 셀 갭을 형성하고,
- 상기 셀 갭을 액정 벌크 층을 형성하는 액정 물질로 채우고,
- 상기 정렬층 및/또는 상기 제1 서브-체적에 분극 상태에 있는 액정들을 제공하되, 상기 분극은 상기 제1 서브-체적, 상기 정렬층, 및/또는 제2 기판의 안쪽 표면에 인접한 벌크 층의 제2 서브-체적 외부에서의 또는 상부에 적용된 광학 제2 전극 패턴 또는 제2 정렬층 외부에서의, 상기 벌크 층의 어떤 가능한 유사 액정 분극보다 더 강하고,
상기 액정들의 스위칭을 수행하도록 상기 분극이 상기 전기장과 커플링되어서, 탄성력에 의해서 상기 벌크 층의 액정들의 스위칭이 성취될 수 있다.
요약하면, 본 발명은 전극 패턴에 인접한 벌크 층의 제1 서브 체적에 걸쳐서 상기 전극 패턴에 의해서 생성되는 불균일한 인-플레인 전기장과 상기 전극 패턴 상에 적용된 정렬층 및/또는 상기 제1 서브-체적에 포함된 분극 상태에 있는 액정 들 간의 강유전성 및/또는 플렉소일렉트릭 커플링과 같은 선형 커플링에 의해서 적어도 부분적으로 구동되는 액정 장치에 관한 것으로서,
상기 분극이 (i) 상기 제1 서브-체적, 상기 제1 정렬층의 외부에서의, 그리고 (ii) 상기 다른 기판의 안쪽 표면에 인접한 벌크 층의 제2 서브-체적, 또는 상기 다른 기판 상에 적용된 광학 제2 전극 또는 제2 정렬층 외부에서의, 상기 벌크 층의 어떤 가능한 유사 액정 분극보다 더 강하다.
본 발명에 따른 액정 장치에 대한 전술한 설명으로부터 전술한 방법의 다른 바람직한 특징들을 이해할 수 있을 것이다.
이하 후술하는 본 발명을 제한하지 아니하는 실시예들을 사용하여 본 발명을 상술할 것이다.
실시예 1:
서로 맞물린 전극들과 혼성 정렬( HAN )을 구비하는 벌크 층을 포함하는 셀
약 20μm 인 셀 갭을 형성하는 두 평행한 유리 기판들(9 및 10)을 포함하는 샌드위치 셀(도 20)이 사용된다. (단면 장치에서) 기판들 중 하나(9)의 안쪽 면 상에 서로 맞물린 전극 패턴(11)(도 1에 도시됨)이 제공된다. 두 인접한 전극들 사이의 간격은 약 20μm이다.
셀 갭에 제공된 액정 분자들(13)을 포함하여 액정 벌크 층의 균일한 평면 정렬을 촉진하도록 전극 패턴(11)에 평행하게 러빙된 닛산(Nissan) SE-2170으로 이루어진 제1 정렬층(12)이 전극 패턴(11) 상에 배치된다.
수직 배향을 촉진하는 닛산 SE-1211으로 이루어진 제2 정렬층(14)이 다른 기판(10)의 안쪽 면 상에 배치된다.
(Merck에 의해서 제공되는) 네마틱 액정 물질 MLC 16000-000으로 채워진 셀 갭은 양의 유전 이방성(Δε>0)을 가진다.
정렬층들(12 및 14)의 지향들 때문에, 네마틱 벌크(13)은 혼성 정렬(HAN)을 채용하고, 다시 말해서 전극 패턴(11)을 끼는 기판(9)에서 정렬은 평면이고 다른 기판(10)에서 정렬은 수직하다(도 20 및 도 21). 이러한 네마틱 벌크 층(13)의 탄성 변형에 의해서 플렉소일렉트릭 분극(Pflexo)이 결과된다. 도 21 내지 도 23에서 양쪽 화살표는 샘플 광학 축의 방향을 나타낸다.
전극 패턴(11)을 끼는 기판(9)에서 스플레이 변형이 국부화되기 때문에 그리고 MLC 16000-000이 양의 유전 이방성을 나타내기 때문에, 여기서 가장 강한 플렉소일렉트릭 분극이 국부화되는데, 다시 말해서 전극 패턴(11)을 끼는 기판(9)에서 스플레이 변형이 지배적이다(도 20).
전극 패턴(11)에 평행하고 셀 기판들(9 및 10)에 수직한 동일한 평면 내에 탄성 변형 및 플렉소일렉트릭 분극이 놓여진다. 플렉소일렉트릭 분극은 인가된 전기장(E)에 선형적으로 커플링되어 액정들(13)의 빠른 스위칭을 제공한다. 측정된 전체 스위칭 시간(τrise + τfall)은 인가된 전압이 25V일 때 약 8 내지 12 ms이다. 종래의 IPS 액정 장치에서는 동일한 조건에서 전체 스위칭 시간이 약 28 내지 34 ms이다.
도 22 및 도 23은 각각 하나의 전극 갭에서 네마틱 액정들(13)의 스위칭을 개략적으로 나타낸다. 이러한 두 도면들에서 보여지듯이, 스위칭의 방향은 전기장(E)의 극성에 의존한다. 도 24 및 도 25에 각각 도시된 바와 같이, 두 인접한 전극 갭들에서 네마틱 LC 분자들(13)은 각각 시계방향으로 및 반시계방향으로 스위칭한다. 이들 도면들은 인가된 전기장(E)의 서로 다른 전기장 극성에 상응하는 셀의 두 상태들을 나타낸다. λ-레드 광학판이 사이에 삽입된 채로 셀이 교차된 편광자들 사이에서 보여진다. 서로 다른 색상들이 λ-레드 광학판의 광학축에 대하여 (도 24 및 도 25에 화살표들로서 도시된) 방향자(n)의 서로 다른 위치에 상응한다.
실시예 2:
서로 맞물린 전극들과 혼성 정렬( HAN )을 구비하는 벌크 층을 포함하는 셀
실시예 1에서와 같이 이 실시예에서도 동일한 유형의 샌드위치 셀이 사용되지만, HAN 텍스쳐(texture)가 역전된다(도 26). 따라서, 도 26 및 도 27에 도시된 바와 같이, 전극 패턴(17)을 끼는 기판(15)에서 제1 정렬층(18)에 의해 유도되는 정렬은 수직하고, 반대 기판(16)에서 제2 정렬층(20)에 의해서 유도되는 정렬은 평면적이다.
또한 음의 유전 이방성(Δε<0)을 가지는, (Merck에 의해서 제공되는) 다른 네마틱 액정 물질(19) MDA-05-187으로 셀이 채워진다.
전극 패턴(17)을 끼는 기판(15)에서 벤드 변형이 국부화되기 때문에 그리고 MDA-05-187이 음의 유전 이방성을 나타내기 때문에, 여기서 가장 강한 플렉소일렉트릭 분극(Pflexo)이 국부화되는데, 다시 말해서 전극 패턴(17)을 끼는 기판(15)에서 벤드 변형이 지배적이다(도 26). 도 27 내지 도 29에서 양쪽 화살표는 샘플 광학 축의 방향을 나타낸다.
스위칭 시간을 포함하는 네마틱의 스위칭은 실시예 1에 기술된 스위칭과 유사한 것으로 발견되었으며, 도 28 및 도 29에 개략적으로 도시되어 있다. 그런데 플렉소일렉트릭 커플링(Pflexo)과 유전성 커플링이 동일한 방향을 가지는 실시예 1에서 기술된 스위칭과는 대조적으로, 이러한 실시예에서 이들 커플링들은 반대 방향을 가진다. 약하거나 중간인 전기장에서 플렉소일렉트릭 커플링(Pflexo)은 전기장(E)와 유전 이방성과의 유전성 커플링에 비하여 지배적일 것이다. 그런데, 강한 전기장 및 고주파에서 유전성 커플링이 지배적이다. 따라서, 전극들에 dc 전압을 먼저 인가하는 것에 의해서, 상응하는 전극 갭에서 인가된 전기장(E)의 극성에 따라서 플렉소일렉트릭 커플링 때문에 각각 시계방향으로 및 반시계방향으로 네마틱 분자들(19)가 스위칭된다. 유전성 커플링 때문에 강한 고주파 펄스는 네마틱(19)를 원래대로 스위칭한다. 결과적으로 dc 전압을 인가하면, 네마틱(19)이 스위치-온되고(도 30a, 30b 및 30c), 반면에 고주파 펄스는 네마틱(19)을 정렬의 초기의 전기장-오프에서 선취된 방향(도 30 및 도 31에서 양쪽 화살표로 나타냄)으로 원래대로 스위칭하는데, 이것은 실시예 1에서와 같이, 전극들(17)에 평행하다(도 31a 및 31 b).
실시예 3
서로 맞물린 전극들과 카이랄 스메틱 정렬층을 포함하는 셀
이 실시예(도 32)에서 사용되는 셀은 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 구조를 가진다. 그런데, 이 실시예에서, 기판들(21 및 22)의 두 안쪽 표면들은 프리틸트(θa)된 준-평면(quasi-planar) 배향을 촉진하도록 전극들(23)을 따라서 단일 방향으로 러빙된 닛산 SE-2170을 포함하는 정렬층들(미도시)로 코팅된다.
전극 패턴(23)을 덮는 정렬층의 맨 위 상에, 박막 강유전성 액정 폴리머(FLCP), 보다 구체적으로 강유전성 곁사슬 폴리실록산(side-chain polysiloxane)(미도시)가 배치된다. FLCP 층은 분자 틸트(θb)을 가지고 책장 형상으로 다시 말해서 기판 표면(21)에 평행한 스메틱 층들로 정렬된다.
셀 갭은 음의 유전 이방성 (Δε < 0)을 가지고 FLCP에서 혼합가능하지 않은(용해되지 않는) 사내에서(in-house) 준비되는 네마틱 액정 물질(24)로 채워진다.
이 실시예에서 인가된 전기장(E)은 음의 유전 이방성 때문에 네마틱 분자들(24)을 직접 스위칭하지 않는다. 그러나, 전기장(E)은 FLCP의 분자들을 FLCP 물질의 자발 분극에 의해서 스위칭하고 이것은 차례로 탄성력에 의해서 벌크 층의 네마틱 액정 분자들(24)을 스위칭한다(WO 00/03288 참조). 따라서, 전기장 극성(E)을바꿔서, 네마틱 벌크(24)의 선취된 정렬 방향을 기판들(21 및 22)의 평면 내에서 스위칭한다(다시 말해서, 인-플레인 스위칭).
도 32로부터 보여지는 바와 같이, 하나의 전기장 극성(E)에서, 분자의 프리틸트는 네마틱 벌크(24)를 가로질러 균일한 분포를 가지는 반면, 다른 하나의 전기장 극성(E)에서 네마틱 벌크(24)는 도 33에 도시된 바와 같이 플렉소일렉트릭 분극(Pflexo)을 결과하는 스플레이 변형을 채용한다. 그러나, FLCP 층의 자발 분극(Ps)과 유사하게, 플렉소일렉트릭 분극(Pflexo)은 전기장(E)와 선형적으로 커플링되어 인-플레인 스위칭이 결과된다.
실시예 1 및 실시예 2와 유사하게, 전체 스위칭 시간(τrise + τfall)은 인가된 전압이 25V일 때 약 8 내지 12 ms인 것으로 발견되었다.
전극들(23)이 없는 기판(22)에서 프리틸트(θα)가 전극들(23)을 끼는 기판(21)에서의 프리틸트(θβ)보다 더 작으면, 가장 강한 플렉소일렉트릭 분극(Pflexo)이 실질적으로 전극 패턴(23)을 끼는 표면(21)에서 국부화될 것이고, 이로써 인가된 전기장(E)에의 더 강한 커플링이 제공되고 네마틱(24)의 더 효과적인 스위칭(다시 말해서 더 짧은 스위칭 시간)이 가능해진다.
실시예 4
서로 맞물린 전극들과 카이랄 스메틱 정렬층을 포함하는 셀
이 실시예(도 34)에서 사용되는 셀은 실시예 3에서 사용된 것과 동일한 구조 를 가진다. 그러나 이 실시예에서 기판들(25 및 26)의 두 안쪽 표면들은 90°보다 작게 프리틸트(θ)된 준-수직 배향을 촉진하도록 전극 패턴(27)을 따라서 단일 방향으로 러빙된 정렬층들(미도시)로 코팅된다(도 34). 또한, FLCP 층(미도시)이 기판(25)에 평행하게 스메틱 층들과 정렬된다.
도 34로부터 보여지는 바와 같이, 하나의 전기장 극성(E)에서 분자의 프리틸트는 네마틱 벌크(28)을 가로질러 균일한 분포를 가지는 반면에서, 다른 전기장 극성(E)에서 네마틱 벌크(28)는 도 35에 도시된 바와 같이, 플렉소일렉트릭 분극(Pflexo)을 결과하는 벤드 변형을 채용하고, 상기 플렉소일렉트릭 분극(Pflexo)은 전기장(E)에 선형적으로 커플링되어 인-플레인 스위칭을 야기한다.
FLCP 층의 스위칭이 도 36a 및 도 36b에 개략적으로 도시되어 있다.
스위칭 시간을 포함하는 네마틱 벌크(28)의 스위칭은 실시예 3에 기술된 스위칭과 유사한 것으로 발견되었다.
실시예 5
프린지 전기장을 생성하는 빗-유사 전극과 혼성 정렬( HAN )을 구비하는 벌크 층을 포함하는 셀
이 실시예(도 37)에서 약 2μm인 셀 갭을 형성하는 두 평행한 유리 기판들(29 및 30)을 포함하는 샌드위치 셀이 사용된다. 제1 전도층(31), 두께가 약 300 nm인 절연층(32) 및 빗-유사 형태를 가지는 제2 전도층(33)을 포함하는 전극 패턴이 기판들 중 하나(29)의 안쪽 표면 상에 제공된다(단면 장치)(도 37). 이러한 전극 패턴에 의해서 생성되는 프린지 전기장의 성분들의 분포가 도 3에 개략적으로 도시되어 있다.
실시예 2에서와 같이, 셀 갭에 제공된 액정 벌크 층(35)의 수직 배향을 촉진하는, 닛산 SE1211로 이루어진 제1 정렬층(34)이 빗-유사 전극(33)을 끼는 기판(29) 상에 배치된다.
실시예 2에서와 같이, 셀 갭에 제공된 상기 액정 벌크 층(35)의 균일한 평면 배향을 촉진하도록 전극들(31 및 33)에 평행하게 러빙된 닛산 SE-2170으로 이루어진 제2 정렬층(36)이 다른 기판(30)의 안쪽 표면 상에 배치된다.
실시예 2에서와 같이, 음의 유전 이방성(Δε<0)을 가지는, 다른 네마틱 액정 물질 MDA-05-187으로 셀 갭이 채워진다.
따라서, 셀 갭을 채운 네마틱 액정(35)은 HAN 구조를 채용하고(도 37 및 도 38), 빗-유사 전극(33)을 끼는 기판(29) 근처에서 가장 강한 플렉소일렉트릭 분극(Pflexo)이 국부화된다. 도 38 내지 도 40에서 양쪽 화살표는 샘플 광학 축의 방향을 나타낸다.
도 39 및 도 40에 도시된 바와 같이, 프린지 전기장(E)의 평행한 성분들은 빗-유사 전극(33)의 두 평행한 면들에 인접한 플렉소일렉트릭 분극(Pflexo)을 인-플레인에서, 각각 시계방향 및 반시계방향으로 스위칭하고 이로써 실질적인 전기-광학 응답을 결과한다.
그런데 도 41 및 도 42에 도시된 바와 같이, 프린지 전기장(E)에 수직한 성분은 평면 밖에서(out-of-plane) 빗-유사 전극(33)의 두 평행한 면들 사이의 중간에서 플렉소일렉트릭 분극(Pflexo)을 스위칭하지만, 이것은 전기-광학 응답을 결과하지 않는다.
이러한 장치의 표시 영상이 높은 대조비를 가짐이 도시되는데, 도 43은 전기장-온 상태를 나타내고 도 44는 전기장-오프 상태를 나타낸다.
부가적으로, 인-플레인 스위칭 때문에, 상기 장치는 또한 광시야각을 가진다.
또한, 이러한 장치에서 네마틱 벌크(35)의 스위칭을 구동하기 위해 요구되는 전압은 약 6V이고, 이것은 종래의 IPS 디스플레이에 요구되는 전압(15 내지 20V)보다 훨씬 더 작다.
이러한 장치의 전체 스위칭 시간(τrise + τfall)은 약 3 ms인 것으로 발견되었다. 상승 시간(τrise)은 약 2 ms이고 하강 시간(τfall)은 약 0.9 ms이다. 따라서, 종래의 IPS 디스플레이에 비하여 스위칭 시간이 훨씬 더 짧다.
실시예 6
프린지 전기장을 생성하는 빗-유사 전극과 혼성 정렬( HAN )을 구비하는 벌크 층을 포함하는 셀
실시예 5에서와 같은 동일한 유형의 샌드위치 셀이 이 실시예에서 사용되지 만, HAN 텍스쳐가 역전된다. 따라서 전극들을 끼는 기판에서 정렬이 평면적이고, 반대 기판에서의 정렬은 수직이다(다시 말해서 실시예 1과 유사하다).
또한, 실시예 1에서 사용된 것과 같이, 양의 유전 이방성(Δε>0)을 가지는 (Merck에 의해서 제공되는) 다른 네마틱 액정 물질 MLC 16000-000으로 셀 갭이 채워진다.
실시예 1에서와 마찬가지로, 네마틱 액정은 HAN 구조를 채용하고 빗-유사 전극을 끼는 기판 근처에서 가장 강한 플렉소일렉트릭 분극(Pflexo)이 국부화된다.
스위칭 시간을 포함하여 네마틱의 스위칭은 실시예 5에서 기술된 스위칭과 유사한 것으로 발견되었다.
실시예 7
프린지 전기장을 생성하는 빗-유사 전극과 카이랄 스메틱 정렬층을 포함하는 셀
이 실시예(도 45)에서 사용되는 셀은 실시예 5에서 사용된 것과 동일한 구조를 가진다. 하지만, 이 실시예에서, 기판들(37 및 38)의 두 안쪽 표면들은 단일 방향의 평면 배향을 촉진하도록 빗-유사 전극(41)에 평행하게 러빙된 닛산 SE-2170의 정렬층들(39 및 40)로 코팅된다.
전극들(41 및 42)를 덮는 정렬층(39)의 맨 위 상에 박막 유전성 액정 폴리머(FLCP)(43), 보다 구체적으로 강유전성 곁사슬 폴리실록산이 배치된다. FLCP 층(43)은 책장 형상으로 다시 말해서 기판 표면(37)에 평행한 스메틱 층들로 정렬된다. 셀 갭은 음의 유전 이방성 (Δε < 0)을 가지고 FLCP(43)에서 혼합가능하지 않은(용해되지 않는) 사내에서(in-house) 준비되는 네마틱 액정 물질(44)로 채워진다.
실시예 3과 마찬가지로, 전기장(E)은 음의 유전 이방성 때문에 네마틱 분자들(44)을 직접 스위칭하지 않는다. 그러나, 전기장(E)은 FLCP(43)의 분자들을 FLCP 물질(43)의 자발 분극에 의해서 스위칭하고 이것은 차례로 탄성력에 의해서 벌크 층의 네마틱 액정 분자들(44)을 스위칭한다(인-플레인 스위칭)(WO 00/03288 참조)(도 47 및 도 48).
도 51에 나타낸 것과 같이, 전기장(E)을 적용하여서 FLCP 분자들(43)을 스위칭하는 것이 전체 벌크에 걸쳐서 전기장(다시 말해서 개별적인 기판 표면들 상에 적용된 전극들 사이에 생성된 전기장)을 적용하여서 스위칭하는 것보다 더 효율적임이 발견되었다. 도 51에 도시된 장치는 각각이 기판 표면들(47 및 48)의 각각 상에 적용된 ITO 전극들(45 및 46)과 상기 ITO 전극들(45 및 46) 상에 적용된 FLCP 층들(49 및 50)을 포함한다. 스페이서들(51)에 의해서 분리된 셀 갭은 비카이랄 네마틱 액정 물질(52)로 채워진다.
프린지 전기장에 의한 장치의 표시 영상의 대조비는 전체 벌크 층에 걸쳐서 생성된 전기장에 의한 장치의 표시 영상(도 52)보다 훨씬 큰 대조비를 가지는 것으로 보여진다(도 49 및 도 50 참조).
또한 프린지 전기장에 의한 장치의 약 6.7V인 구동 전압은 전체 벌크 층에 걸쳐서 생성된 전기장에 의한 장치의 약 50V인 구동 전압보다 훨씬 더 작다(측정 장치의 특성 때문에 오실로스코프 상에 표시된 전압은 인수 10으로 곱해져야 한다).
실시예 8
프린지 전기장을 생성하는 빗-유사 전극과 카이랄 스메틱 정렬층을 포함하는 셀
실시예 7이 반복되지만, 다만 네마틱 액정 물질이 양의 유전 이방성 (Δε > 0)을 나타낸다.
실시예 9
프린지 전기장을 생성하는 빗-유사 전극과 카이랄 스메틱 정렬층을 포함하는 셀
실시예 7이 반복되지만, 다만 기판 표면에 평행하게 스메틱 층들로 FLCP 층이 정렬된다. FLCP의 기대되는 스위칭이 도 53 및 도 54에 도시되어 있다.
실시예 10
프린지 전기장을 생성하는 빗-유사 전극과 카이랄 스메틱 정렬층을 포함하는 셀(양면 장치)
실시예 7이 반복되지만, 다만 기판들(53 및 54)의 각각의 안쪽 표면이 두 기 판들(53 및 54) 근처에서 프린지 전기장들을 생성하는 앞서 기술된 전극 패턴(55 및 56)을 낀다(양면 장치)(도 55). 또한 각각의 기판 표면(53 및 54)은 각각 비카이랄 네마틱 액정 벌크 층(61)에 면하고 각각이 각각의 수동 정렬층(57 및 58)과 전극 패턴(55 및 56) 상에 배치된 FLCP 층(59 및 60)을 포함한다.
실시예 11
프린지 전기장을 생성하는 빗-유사 전극과 카이랄 스메틱 정렬층을 포함하는 셀(양면 장치)
실시예 8이 반복되지만, 다만 기판들의 두 안쪽 표면들이 두 기판들 근처에서 프린지 전기장들을 생성하는 앞서 기술된 전극 패턴을 낀다(양면 장치).
실시예 12
프린지 전기장을 생성하는 빗-유사 전극과 카이랄 스메틱 서브-체적을 포함하는 셀(양면 장치)
실시예 7이 반복되지만, 다만 기판들의 각각의 안쪽 표면이 앞서 기술된 전극 패턴을 끼고(양면 장치), 각각의 기판 표면은 수동 정렬층을 포함한다. 그런데, 각각의 정렬층이 FLCP 층으로 코팅되는 것 대신에, 카이랄 분자들(카이랄 도펀트들)이 정렬층에 부착된다. 또한, 셀 갭이 비카이랄 스메틱 액정 물질로 채워진다. 카이랄 분자들은 비카이랄 스메틱 벌크 층의 서브-체적에서 키랄성을 유도하고, 그리고 이로써 빗-유사 전극을 끼는 기판 근처에서 스위칭가능한 강유전성 서 브-체적을 유도한다.
이상 특정한 실시예들을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 본 발명이 속한 기술 분야의 통상의 기술자가 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 아니하면서 이들에 대한 다양한 변형 및 변경을 가할 수 있음은 명백하다 할 것이다.

Claims (24)

  1. - 제1 및 제2 한정(confining) 기판;
    - 상기 기판들 사이에 배치된 액정 벌크 층;
    - 상기 제1 기판의 안쪽면 상에 적용된 제1 전극 패턴; 및
    - 상기 제1 전극 패턴 상에 적용되고, 벌크 표면에서 상기 벌크 층과 상호 작용하도록 배열된 제1 정렬층;을 포함하고,
    상기 제1 전극 패턴은 상기 제1 정렬층에 인접한 상기 벌크 층의 제1 서브-체적에 걸쳐서 불균일한 전기장을 생성하도록 배열되되, 상기 전기장은 전계선들의 방향 및 세기에 대하여 불균일하고, 상기 전기장은 상기 제1 정렬층에 걸쳐서도 생성되는: 액정 장치에 있어서,
    - 상기 제1 서브-체적 및/또는 상기 제1 정렬층에 포함된 분극 상태에 있는 액정들로서, 상기 액정들의 분극이 (i) 상기 제1 서브-체적 및/또는 상기 제1 정렬층의 외부에서의, 그리고 (ii) 상기 제2 기판에 인접한 상기 벌크 층의 제2 서브-체적 및/또는 상기 제2 기판 상에 배열된 제2 정렬층 외부에서의, 상기 벌크 층의 어떤 가능한 유사 액정 분극보다 더 강한 액정들을 더 포함하고;
    적어도 부분적으로 상기 전기장 및 상기 분극 간의 커플링에 의해서, 상기 제1 서브-체적 및/또는 상기 제1 정렬층에 포함된 분극 상태에 있는 액정들이 스위칭되어서, 탄성력에 의해서 상기 벌크 층의 액정들의 스위칭이 성취되는: 것을 특징으로 하는,
    액정 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    제2 전극 패턴이 상기 제2 기판의 안쪽면 상에 적용되어, 상기 제2 전극 패턴에 인접한 상기 벌크 층의 제2 서브-체적에 걸쳐서도 불균일한 전기장을 생성하되, 상기 전기장은 전계선들의 방향 및 세기에 대하여 불균일하고,
    상기 제2 전극 패턴 상에 제2 정렬층이 적용된,
    액정 장치.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 제1 서브-체적 및/또는 제1 정렬층에서의 상기 외부에서의 분극이,
    상기 제1 서브-체적 및/또는 상기 제1 정렬층 외부에서의, 상기 벌크 층의 어떤 가능한 유사 액정 분극보다 더 강한,
    액정 장치.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 전기장 및 편광된 상태의 액정들 사이의 커플링은,
    강유전성 커플링, 반강유전성 커플링, 상유전성 커플링, 플렉소일렉트릭 커플링, 및 이들의 어떤 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된,
    액정 장치.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 전기장 및 편광된 상태의 액정들 사이의 커플링은,
    강유전성 커플링인,
    액정 장치.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 정렬층은
    자발 분극(spontaneous polarization)을 나타내는 액정 물질을 포함하는,
    액정 장치.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 정렬층은,
    카이랄 스메틱 C(SmC*)액정 물질을 포함하는,
    액정 장치.
  8. 제4 항에 있어서, 자발 분극을 나타내는 상기 액정 물질은,
    상기 전기장에 강유전성 커플링, 반강유전성 커플링 및/또는 상유전성 커플링을 할 수 있는 액정 폴리머인,
    액정 장치.
  9. 제5 항에 있어서, 상기 서브-체적은
    유도된 자발 분극을 나타내는 액정 물질을 포함하는,
    액정 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 서브-체적에서 하나 이상의 표면에 영구적으로 부착되는 것과 이로써 상기 제1 서브-체적 내에 하나 이상의 키랄성-연관 물성들의 국부적인 증가를 유도하는 것의 결과로서 상기 벌크 층에 카이랄 도펀트들이 불균일하게 분포되고, 상기 표면에서 최대이고 상기 표면으로부터 멀어지는 방향으로 감소하는 비균일한 분포를 가지는 자발 분극이 출현하는 것이 결과되되, 상기 카이랄 도펀트들은 상기 액정 벌크 층에서 용해가능한,
    액정 장치.
  11. 제4 항에 있어서, 상기 전기장 및 편광된 상태의 액정들 사이의 커플링은,
    플렉소일렉트릭 커플링인,
    액정 장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 서브-체적에서 하나 이상의 표면에 영구적으로 부착되는 것과 이로써 상기 제1 서브-체적 내에 하나 이상의 물성들의 국부적인 증가를 촉진하는 것의 결과로서 상기 벌크 층에 도펀트들이 불균일하게 분포되고, 상기 표면에서 최대이 고 상기 표면으로부터 멀어지는 방향으로 감소하는 비균일한 분포를 가지는 플렉소일렉트릭 분극이 출현하는 것이 촉진되되, 상기 도펀트들은 상기 액정 벌크 층에서 용해가능한,
    액정 장치.
  13. 제12 항에 있어서, 상기 도펀트들은,
    바나나-형, 방울-형, 방울-바나나 혼성-형 도펀트들 및 이들 중 하나 이상의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는,
    액정 장치.
  14. 제11 항에 있어서, 상기 전기장 및 편광된 상태의 액정들 사이의 커플링은,
    플렉소일렉트릭 커플링 및 유전성 커플링의 조합인,
    액정 장치.
  15. 제11 항에 있어서,
    상기 액정 벌크 층은 그 탄성 변형 하에서 플렉소일렉트릭 분극을 나타내는 네마틱 액정 물질을 포함하는,
    액정 장치.
  16. 제15 항에 있어서, 상기 제1 서브-체적의 액정들의 분극은,
    상기 제1 서브-체적 내로 연장하는 돌출부들 및/또는 변화하는 배향 규제 특성을 구비하는 상기 정렬층에 의해서 야기되는 상기 액정 벌크 층에서의 스플레이(splay) 변형 및/또는 벤드(bend) 변형에 의해서 유도되는,
    액정 장치.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 액정 벌크 층은 스플레이-벤드 혼성(splay-bend hybrid) 변형을 나타내고, eb는 상기 플렉소일렉트릭 분극의 주된(major) 플렉소일렉트릭 계수(coefficient)이고, 상기 제1 서브-체적의 액정들은 벤드 변형을 나타내는,
    액정 장치.
  18. 제15 항에 있어서,
    상기 액정 벌크 층은 스플레이-벤드 혼성 변형을 나타내고, es는 상기 플렉소일렉트릭 분극의 주된 플렉소일렉트릭 계수이고, 상기 제1 서브-체적의 액정들은 스플레이 변형을 나타내는,
    액정 장치.
  19. 제15 항에 있어서,
    상기 액정 벌크 층은 양의 유전 이방성과 스플레이 변형을 나타내고, 상기 기판들의 각각의 안쪽 표면 상에 전극 패턴이 적용되어, 상기 전극 패턴들에 인접한 상기 벌크 층의 각각의 서브-체적에 걸쳐서 불균일한 전기장을 생성하는,
    액정 장치.
  20. 제15 항에 있어서,
    상기 액정 벌크 층은 음의 유전 이방성과 벤드 변형을 나타내고, 상기 기판들의 각각의 안쪽 표면 상에 전극 패턴이 적용되어, 상기 전극 패턴들에 인접한 상기 벌크 층의 각각의 서브-체적에 걸쳐서 불균일한 전기장을 생성하는,
    액정 장치.
  21. 제1 항 내지 제20 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극 패턴은 서로 맞물린 전극들을 포함하는,
    액정 장치.
  22. 제1 항 내지 제20 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극 패턴은 프린지-전기장 생성 전극들을 포함하는,
    액정 장치.
  23. 제22 항에 있어서,
    상기 전극 패턴은 상기 기판 상에 배열된 제1 전도층과, 상기 제1 전도층 상 에 배치된 절연층 및 상기 절연층의 맨 위 상에 배열된 제2 전도층을 포함하고,
    상기 제2 전도층은 빗-유사(comb-like) 형태를 가진,
    액정 장치.
  24. 제22 항에 있어서,
    상기 전극 패턴은 상기 기판 상에 배열된 제1 전도층과, 상기 제1 전도층 상에 배치된 절연층 및 상기 절연층의 맨 위 상에 배열된 제2 전도층을 포함하고,
    상기 제2 전도층은 개구들을 구비하는,
    액정 장치.
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