KR20130029376A - 전기광학 스위칭 소자 및 전기광학 디스플레이 - Google Patents

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KR20130029376A
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마사요시 스즈키
나오야 후지와라
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메르크 파텐트 게엠베하
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Abstract

본 발명은 전기광학 스위칭 소자들 및 그들을 포함하는 디스플레이들에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 전기광학 스위칭 소자들로서, 특히, 가시광을 선택적으로 반사시키는 양쪽 모두의 선성 트위스트 센스들을 갖는 콜레스테릭 액정층들 및/또는 콜레스테릭 액정층들 또는 다른 층들에 임베딩된 발광 성분들 및 투과광 및/또는 반사광의 양을 제어하는 광 제어 수단을 포함한다. 디스플레이들은 작은 전력 소비로 밝거나 또는 어두운 조건들하에서 밝은 이미지들을 제공한다. 그들은 전자종이 애플리케이션들 및/또는 디지털 사이니지 애플리케이션들에 특히 적합하다.

Description

전기광학 스위칭 소자 및 전기광학 디스플레이{ELECTRO-OPTICAL SWITCHING ELEMENT AND ELECTRO-OPTICAL DISPLAY}
본 발명은 전기광학 스위칭 소자 및 전기광학 디스플레이에서의 그의 사용 및 이들 디스플레이에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 밝은 주위 광 조건들 하에서 탁월한 가시성을 갖고 따라서 낮은 전력 소비를 갖는 밝은 이미지들을 초래하고 추가적으로 장기 신뢰성을 특징으로 하는 전기광학 스위칭 소자에 관한 것이다. 이들 전기광학 스위칭 소자들은 적어도 하나의 콜레스테릭 액정 층을 포함하고, 그 콜레스테릭 액정 층은 선택적으로 재료를 포함하고, 그 재료는 차례로 하나 이상의 발광 부분 (moiety) 들을 포함한다. 본원에 따른 전기광학 스위칭 소자는 소위 전자종이 (e-paper) 용도들에 특히 잘 적합하다.
조명으로서 선택적으로 형광 염료를 포함하는 나선 구조를 갖는 액정 재료 및/또는 반사 재료를 사용하여, 그렇지 않은 경우 액정 나선 구조에 의한 주위 광의 통상적인 강한 선택적 반사를 회피하는 것에 의한 향상된 콘트라스트를 갖는 전기광학 스위칭 소자들이 공개된 일본 특허 출원 JP 2008-233915 (A) 에 기재되어 있다.
광 (예를 들면, 주위광 및/또는 백라이트 시스템으로부터의 광) 을 변환할 수 있는 광변환 수단으로서 선택적으로 형광 염료를 포함하는, 헬리컬 구조를 갖는 액정 재료를 사용한 전기광학 스위칭 소자들로서, 상기 광변환 수단의 각각은,
○ 비편광 광으로부터 선형 편광 광 또는 원형 편광 광 중 어느 하나로 광의 편광 상태를 변환시킬 수 있고, 동시에,
○ 선택적으로, 광의 파장을 더 긴 값으로 시프트할 수 있는, 상기 전기광학 스위칭 소자들이 아직 미공개 국제 특허 출원 PCT/EP 2009/005866에 기재되어 있다. 하지만 그들은 하나 이상의 편광자 (polarizer) 들을 포함하는 액정 셀을 사용하는데 이는 전체 광의 절반만을 이용하는 디바이스들 및/또는 메모리효과를 갖는 디스플레이 효과를 이용함에 있어 곤란을 초래한다.
공개된 일본 특허 출원 JP H08-286214 (A) (1996) 에서, 게스트 호스트 타입 액정 및 금속 반사체를 사용한 반사형 액정 디스플레이가 기재되어 있다.
WO 2007/007384 에서, 전압의 인가에 의해 선택적인 반사들을 변화시키는 콜레스테릭 액정 층들을 적층한 반사형 액정 디스플레이 디바이스가 기재되어 있다.
어드레싱 전압에 대한 반응으로 광의 전달을 제어 및 수정하는 재료로서, 즉 스위칭 매체 (switching medium) 로서 콜레스테릭 액정을 사용한 디스플레이 디바이스들은 통상적으로 메모리 효과를 나타내고 디스플레이되는 이미지들은 어드레싱 전압이 턴오프된 후에 유지된다.
하지만, 이들 타입의 전자종이는 심지어 흐릿한 주위 조명 조건들 하에서도 양호한 콘트라스트 및 양호한 가독성을 갖는 선명한 이미지 (clear image) 들을 디스플레이할 수 없다. 그 상황은 이런 타입의 디스플레이들에 컬러 필터가 사용되는 경우에 더 악화된다. 이 경우에, 디스플레이되는 이미지들은 심지어 밝은 조명 조건들하에서 불량하다. 디스플레이들에 의한 광의 이용의 효율은 컬러 필터에 의해 크게 감소되는데, 이는 대부분의 입사광을 흡수한다.
액정이 스위칭 매체로서 사용되는 이들 디스플레이들 이외에, 전기 영동 스위칭 소자 (electrophoretic switching element) 가 이색성 입자들이 사용되는 디스플레이로서 또는 "신속 응답 액체 분말 (Quick Response Liquid Powder)" 로서 알려져 있다. 이들 디스플레이 디바이스들도 통상적으로 메모리 효과를 갖고 이미지들은 어드레싱 전압이 턴오프된 후에도 유지된다. 예를 들면, 공개된 일본 특허 출원 JP 2003-005225 (A) 에는, 대전 입자들이 소면적을 갖는 전극 상에 수집 및 집중되거나 또는 대면적을 갖는 전극에 걸쳐 분산되는 것 중 어느 하나인 디스플레이 디바이스가 기재되어 있다. 따라서 디바이스는 백색 상태로부터 흑색 상태로 스위치될 수 있다. WO2005/098525에는, 그러한 입자의 바람직한 크기가 기재되어 있다.
공개된 일본 특허 출원 JP 2004-045643 (A) 및 JP 2007-206365 (A) 에는, 소형 이색성 구체의 디스플레이 디바이스가 기재되어 있다. 이들 미세 구체 (tiny sphere) 들은 유체에 현탁/분산되고 프레임과 함께 한 쌍의 기판에 의해 형성된 셀에 둘러 싸인다. 이들 구체들은 2개의 상이한 반구체 (semi-sphere) 들을 각각 갖는다. 이들 반구체들 중 하나는 흑색인 반면, 다른 하나는 백색이다. 그리고 동시에, 2개의 반구체들은 전기적으로 대전되며, 서로 반대 부호의 전하를 갖는다. 기판들의 내측면 상의 한 쌍의 전극들에 적절한 극성을 갖는 전압의 인가시 일정 방향을 갖는 전계가 생성된다. 상이하게 대전된 반구체들의 배향에 따라, 이색성 구체들은 토크를 겪고 회전된다. 따라서, 적절한 극성을 갖는 전압의 인가에 의해 반구체들은 관측자에게 흑색 반구체 또는 백색 반구체 중 어느 하나를 양자 택일적으로 나타내게 되고 따라서 흑색 및 백색 상태들이 디스플레이될 수도 있다. 이들 디스플레이들의 전기광학 효과는 또한, 전계에 의해 유도된 회전으로부터 소위 "일렉트로 자이릭 (electro-gyric)" 효과로 불린다.
컬러 이미지를 실현하기 위하여, 공개된 일본 특허 출원 JP 2004-199022 (A) 는 3개의 상이한 타입들의 이색성 구체들을 사용하는 것을 제안하는데, 여기서 흑색이 아닌 이색성 구체들의 반구체는 3개의 대안의 상이한 컬러들 중 하나, 예를 들면 3원색 (적색, 녹색 및 청색) 들 중 하나를, 백색 대신에 갖는다.
다르게는, US 2002/0180688 (A) 는 각각의 흑색 및 백색 디스플레이 상에 컬러 필터의 사용을 제안한다.
하지만, 이들 디스플레이들은 무빙 이미지 (moving image) 들을 디스플레이할 수 없지만, 그들의 이미지들은 구동 전압을 스위칭 오프한 후에 유지되며, 이는 전력이 절약되야 하는 일정 애플리케이션들에 유리하다. 그들은 종종 전자종이 (electronic paper, 줄여서 e-paper) 로 지칭되며 현재 디스플레이 매체로서 일반적인 종이를 대체하기 위해 광범위하게 연구 및 개발되고 있다.
또한, 쌍극성 전하 (bipolar charge) 들을 갖는 2개 컬러의 반구체들이 사용되는 일렉트로-자이릭 디스플레이들에 대하여, 광 이용 효율은 아주 낮다. 여기서, 특히 컬러 필터들의 사용에 기인하여 컬러 이미지들에 대하여 그들의 반사 효율이 아주 낮다는 것이 원인이다. 그들은 또한 밝은 조명 조건들하에서도 선명한 이미지 (vivid image) 들을 제공할 수 없다.
편광자를 이용하지 않는 반사형 액정 디스플레이는 SID 06 DIGEST, 페이지 769 내지 772에 기재되어 있다. 여기서, 역반사체 (retro-reflector) 를 갖는 폴리머 분산 액정 (PDLC) 디스플레이가 기재되어 있다. PDLC가 투명한 상태에서는, 이미지가 흑색이고 PDLC가 광을 산란시킬 때는, 이미지가 백색이다.
이러한 타입의 디스플레이에서 역반사체는 인간의 눈의 동공 보다 더 작은 것이 바람직하다. PDLC가 투명할 때, 역반사체에 의해 반사된 광 중에 인간의 동공 방향으로 전달되는 광의 부분만을 관측자가 볼 수 있다. 이것은 관측자가 보는 광이 사실상 없고 이미지가 흑색으로 보인다는 것을 의미한다. 하지만, PDLC가 광 산란 상태에 있을 때, 주위 광은 역반사체에 의해 반사되고 PDLC에 의해 산란된다. 이 경우에 또한, 원래 관측자의 동공 방향과는 상이한 방향들로부터 나오는 광은 볼 수 있게 되고 이미지는 백색으로 보인다.
하지만, 이들 디스플레이들에 사용된 역반사체의 제조는 높은 해상도를 갖는 마이크로 리소그래픽 (micro-lithographic) 단계들을 필요로 하며 그것을 더 큰 디스플레이들의 전체 면적으로 스케일 (scale) 하는 것은 곤란한다.
본 발명
본 발명에서 전기 전압의 인가에 응답하여 광의 세기를 변경, 바람직하게는 광의 세기를 조절 또는 수정, 즉 광의 세기를 제어할 수 있는, 하나 이상의 전기광학 스위칭 소자들이 사용된다. 상기 전기광학 스위칭 소자들은 광의 세기를 조절할 수 있고, 이는 디바이스의 각각의 부분들에 의해 투과 및/또는 반사된다. 본 발명에 따른 상기 전기광학 스위칭 소자들은 광을 편광하는 수단, 예를 들면 편광자를 필요로하지 않고 바람직하게는 포함하지 않는다. 바람직하게는, 본원에 따른 디바이스들은 광을 편광하거나 또는 광의 편광을 변화시키는 수단을 포함하지 않고, 가장 바람직하게는, 그들은 편광자를 포함하지 않는다.
바람직하게는, 본원에 따른 디바이스들은 광의 투과/반사/산란의 정도를 스위칭 및/또는 제어할 수 있는 하나 이상의 전기광학 소자들을 포함하고 있다.
바람직하게는, 본원에 따른 디바이스들은 광 (예를 들면 주위 광) 을 반사시킬 수 있는 하나 이상의 광 반사 수단을 포함하고 있고, 상기 광 반사 수단은 특정 파장 영역의 광을 선택적으로 반사시킬 수 있다.
바람직하게는, 본원에 따른 디바이스들은 전자 디스플레이들이다. 특히 바람직하게는, 그들은 정보의 디스플레이를 위한 디스플레이들이고 가장 바람직하게는 그들은 소위 "전자종이" 를 위한 디스플레이들이다.
반사된 광만을 이용하는 각각의 신규한 디스플레이 디바이스들이 유리하게 사용되는데, 그들은 전력 소비에 있어서 현저한 감소를 달성하기 때문이다.
광의 투과/반사/산란의 정도를 스위칭 및/또는 제어할 수 있는 하나 이상의 전기광학 소자들의 사용은 하나의 전기광학 소자에 대하여, 즉 하나의 전기광학 스위칭 소자에서 동시에 2개의 상이한 콜레스테릭 층들의 사용을 허용한다. 이들 2개의 상이한 콜레스테릭 액정 층들은 바람직하게는 서로에 대해 상호 반대 트위스팅 센스 (mutually opposite twisting sense) (즉, 상호 반대 선성 (mutually opposite handedness)) 를 갖는다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서 본 발명에 따른 전기광학 디바이스들은 백라이트로부터의 광뿐만아니라 반사된 주위 광을 이용하여 저전력 소비로 밝은 주위 광 조건들 하에서 선명한 가시성을 갖는 밝은 이미지를 초래하도록 하는 광학 소자들의 특이 조합 및 배열을 갖는다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면 하나 이상의 광학 소자들이 사용되며, 상기 광학 소자들은,
- 광 (예를 들면 주위 광) 을 반사시킬 수 있는 하나 이상의 광 반사 수단으로서,
○ 특정 파장 영역의 광을 선택적으로 반사시킬 수 있고, 동시에,
○ 선택적으로 광의 파장을 더 긴 값으로, 바람직하게는 가시광으로 시프트시킬 수 있는, 상기 광 반사 수단,
- 적어도 하나의 변환 수단으로서
○ 광의 파장을 더 긴 값으로 시프트시킬 수 있는, 상기 변환 수단 및
- 바람직하게는 층 형태의 재료로서, 광의 세기를 변경, 바람직하게는 광의 세기를 조절 또는 수정, 즉 광의 세기를 스위칭 및/또는 제어할 수 있으며, 상기 재료의 전기적 어드레싱 (electrical addressing) 의 하나 이상의 수단이 구비된, 상기 재료를 포함하고,
-바람직하게는 광을 편광시키는 수단을 포함하지 않고,
-선택적으로 예를 들면 백라이트로서 조명 수단을 포함한다.
본 발명에 따른 전기광학 디바이스들은 아주 효율적으로 백라이트 시스템으로부터 광을 이용하고 백라이트 시스템으로부터의 방사선이 고에너지를 갖는 방사선을 포함하지 않고, 바람직하게는 임의의 UV 방사선을 포함하지 않고 더 바람직하게는 짧은 파장을 갖는 청색광도 포함하지 않는 그러한 방식으로 배열된 하나 이상의 광학 소자들을 포함한다. 바람직하게는, 광의 파장은 385 nm이상, 더 바람직하게는 420nm 이상 그리고 가장 바람직하게는 435nm 이상이다.
광의 세기를 변경할 수 있는 재료의 표현은 재료를 통한 투과의 상태가 외력을 가하는 것에 의해, 바람직하게는 그를 전기적으로 어드레싱하는 것에 의해 적어도, 하나의 상태로부터 적어도 하나의 다른 상태로 변경될 수도 있다는 것을 의미한다. 투과의 변화는 그레이 스케일의 표시를 용이하게 하기 위하여, 다소 연속적일 수도 있고 그것이 바람직하다.
하지만, 쌍안정성을 나타내는 효과들을 사용한 전기광학 스위칭 소자들을 사용하는 것이 또한 가능하다. 후자의 경우는, 예를 들면 본 발명에 따라 바람직한 전자종이 애플리케이션들에서 처럼 사용되는 에너지의 절약을 필요로하는 애플리케이션들을 위한 디바이스들에서 사용되는 것이 종종 유익하다.
본 발명에 따라 사용되는 광 반사 수단은 상이한 형태들을 가질 수도 있다. 바람직한 실시형태에서 그들은 하나 이상의 층들을 포함하고 있으며, 그 하나 이상의 층들은 디스플레이의 본질적으로 모든 스위칭 소자들을 바람직하게는 덮는 다소 평탄한, 본질적으로 연속적인 층들이다. 다른 실시형태에서 반사 수단은 아래에서 어느 정도 자세하게 설명되는 바처럼, 예를 들면 디스플레이의 픽셀들 또는 서브 픽셀들에 본질적으로 부합 (congruent) 하는 것과 같은 예를 들면 패턴화 방식으로 구조화되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 광학 소자가 실현되며, 그 광학 소자는, 적어도 하나의 트위스팅 센스 또는 반사체로서 적어도 하나의 발광 부분들을 함유하는 콜레스테릭 액정 층을 갖는 하나 이상의 콜레스테릭 액정 층들을 포함하며, 광 세기를 제어하는 광학 컴포넌트를 갖는다. 콜레스테릭 액정 층은 효율적인 광 반사체이므로, 반사 세기는 아주 높다. 우선 (right-handed) 및 좌선 (left-handed) 트위스트 센스들 양쪽 모두를 갖는 콜레스테릭 액정들이 이용가능하고 따라서, 이론적으로는 100 %의 반사 효율이 달성될 수도 있다. 게다가, 적어도 하나의 콜레스테릭 액정 층은 하나 이상의 발광 부분들을 포함하는 광 재료를 포함할 수 있다. 그러면, 적절한 광원으로 콜레스테릭 액정 층들을 조명하는 것에 의해 어두운 조건들하에서도 선명하고 가독성이 좋은 이미지들이 디스플레이된다. 콜레스테릭 액정 층들은 기판 상에 용이하게 코팅될 수 있고 용이하게 제조될 수 있는데 왜냐하면 광 중합성 재료들이 이용가능하기 때문이다. 발광 부분 또는 부분들이 바람직하게 관측자를 향하는 콜레스테릭 액정 층의 측면상에 배치된 콜레스테릭 액정 층과는 상이한 층에서 존재할 수 있다.
콜레스테릭 층 또는 층들은 바람직하게는 폴리머 필름 또는 폴리머 필름들 형태로 존재한다. 그들은 유익하게 디스플레이의 픽셀들에 매칭되는 면적 부분들을 갖는 매트릭스 형태로 구조화될 수도 있다. 이들 면적 부분들은 패턴화 방식에서 상이한 컬러들에 따를 수도 있다. 그들은 또한 유익하게 서로 상호 반대 트위스팅 센스를 갖는 이중 층들로 이루어질 수도 있다.
본 발명에 따른 제 1 바람직한 실시형태에서, 광량을 제어하는 광학 소자는, 하나 이상의 이색성 염료 (들) 에 의해 도핑된 네마틱 액정을 포함하는 액정셀이다. 도 1에서 트위스트된 네마틱 LC 구조가 사용되는 실시형태를 위한 디바이스가 도시되어 있다. 이 구조는 트위스트된 네마틱 구조 또는 수직 배향 구조 중 어느 하나에서의 액정들을 위해 적용될 수도 있다. 이들 2개의 상이한 가능 구조들에서 대응하는 스위칭 상태들은 전압이 인가된 경우 대 전압이 인가되지 않은 경우로 교환된다. 트위스트 각도는 바람직하게는 90° 또는 대략 90°이다. 액정은 하나 이상의 이색성 염료들 (101) 을 포함한다. 액정은 "호스트" 로 칭해지고 이색성 염료는 "게스트"로 칭해진다. 이색성 염료들은 그들의 천이 모멘트 (transition moment) 가 그들의 장 분자 축 (long molecular axis) 에 평행하고, 이경우에, 그는 호스트 액정의 디렉터 (director), 즉 액정의 평균 장 분자 축에 평행하게 배향된다. 하지만, 또한 천이 모멘트가 평균 배향의 장 분자 축, 즉 액정 호스트의 디렉터에 수직한 이색성 염료들이 사용될 수도 있다. 이 도면에 도시된 액정 호스트 (102) 는 포지티브 유전 이방성 (positive dielectric anisotropy) 을 갖는다. 하지만, 또한, 네가티브 유전 이방성을 갖는 액정 호스트가 유리하게 사용될 수도 있으며, 그 경우에 호스트 액정에 키랄 도펀트 (chiral dopant) 의 첨가가 오직 선택적이다. 액정 호스트 및 이색성 염료, 각각 이색성 염료들로 이루어지는 게스트 호스트 혼합물이, 적어도 하나가 투명 기판인 2개의 기판들 및 적절한 프레임으로 구성되는 액정셀에 충전된다. 2개 기판들 각각은 투명 전극 (103), 그들의 내부 측면들 상의, 즉 액정을 향하는 투명 전극들을 각각 갖는다. 전극들은 바람직하게는 배향 층으로, 바람직하게는 폴리이미드 배향 층으로 덮인다. 이것은 도면에 도시되어 있지 않다. 실시형태 중 이 부분은 종래 네마틱 액정 셀의 그것과 유사하다. 액정은 다시 종래 액정 디스플레이의 경우에서와 같이 예를 들면 박막 트랜지스터 (TFT: (104)) 를 사용하여, 액티브 매트릭스 구동 시스템에 의해 유익하게 어드레싱될 수도 있다. 하지만, 액정은 또한 직접 어드레싱되거나 또는 패시브 매트릭스 구동 시스템에 의해 즉 소위 "타임 멀티플렉스" 어드레싱에서 어드레싱될 수도 있다. 이들 2개의 후자의 경우들의 어드레싱은 액티브 구동 소자 (예를 들면 TFT) 의 매트릭스를 필요로 하지 않는다. 액티브 매트릭스 구동 시스템에서, 통상적으로 그리고 바람직하게는 액정 셀들이 사용되며 여기서 액정 셀의 디렉터는 저부 기판으로부터 상부 기판으로 셀을 통해 90° 또는 약 90°의 절대값을 갖는 각도에 의해 트위스트된다 ("TN" 구성). 대조적으로, 패시브 매트릭스 구동 시스템을 사용하는 디스플레이들에서, 액정들의 디렉터는 180°내지 270°의 범위, 바람직하게는 240° 내지 270° 범위의 절대 값을 갖는 각도에 의해 트위스트된다 ("STN" 구성).
종래 액정 스위칭 소자들과 비교되는 본 발명에 따른 이들 전기광학 스위칭 소자들의 주요 차이는 그들이 가시광 범위의 선택적 반사를 갖는 콜레스테릭 액정 층 (105) 을 포함한다는 것이다. 이 콜레스테릭 액정 층은 바람직하게는 하부 기판과 이 기판의 각각의 전극 사이에 위치된다. 컬러 디스플레이를 실현하기 위하여, 예를 들면 3개의 이들 스위칭 소자들이 편리하게 사용될 수도 있으며, 각기 하나는 선택적인 반사의 상이한 파장을 나타내는 상이한 콜레스테릭 액정을 갖는다. 바람직하게는 이들 상이한 콜레스테릭 액정들의 각기 하나는 3개의 원색 적색 (R), 녹색 (G), 및 청색 (B) 의 각기 하나에 대응하는 스펙트럼 영역에서 선택적인 반사의 파장들의 영역을 각각 갖는다.
도 1a는 포지티브 유전 이방성을 갖는 액정 호스트 혼합물이 사용되고 스위칭 소자들의 전극들에 전압이 인가되지 않는 경우에 90° 의 트위스트 각도를 갖는 게스트-호스트 액정을 위한 스위칭 소자들의 개략적인 구성을 도시한다. 다음으로, 액정의 디렉터가 기판들에 평행하게 배향되고 저부 기판으로부터 상부 기판으로 90°의 각도에 대해 트위스트된다. 그 상태에서, 게스트 호스트 액정에 진입하는 주위 광 (106) 은 이색성 염료에 의해 강하게 흡수되고, 이는 그의 장 분자 축을 따라 강한 흡수를 갖는다. 그리고, 결과적으로, 광은 콜레스테릭 액정 층에 도달하지 않는다. 이 상태에서 스위칭 소자 (픽셀) 은 어두운 이미지를 나타낸다. 스펙트럼의 가시 범위의 대부분 또는 심지어 전부를 커버하는 넓은 스펙트럼을 달성하기 위하여, 하나 보다 많은 이색성 염료의, 바람직하게는 3개 이색성 염료의 조합이 사용된다. 이들 염료들은 스펙트럼에의 개별적인 기여를 위해 적절히 선택된다.
도 1b는, 적절한 크기 (즉, 임계 전압 보다 충분히 높은) 전압이 게스트 호스트 액정을 샌드위칭 (sandwiching) 하는 전극들에 인가되는 상황의 하나의 스위칭 소자를 예시적으로 도시한다. 이제 액정의 디렉터는 기판들에 수직하게 배향되고 이색성 염료 (101) 는 더이상 주위 광을 강하게 흡수하지 않는다. 다음으로 입사광은 콜레스테릭 액정 층 (105) 에 도달하고 적절한 파장을 갖는 입사광의 부분이 선택적으로 반사된다. 콜레스테릭 액정 층 (105) 으로부터의 선택적인 반사는 상대적으로 강하므로, 오히려 밝은 이미지가 획득된다. 이것은 흐릿한 조명 조건들하에서도 유지되는데 이미지의 콘트라스트가 오히려 양호한 상태로 남기 때문이다. 상이한 스위칭 소자들의 상이한 콜레스테릭 액정들의 선택적 반사의 파장들의 영역들은 3원색들 중 각기 하나에 대응하도록 선택될 수도 있고 따라서 이들 디스플레이들에 대해 컬러 필터들은 필요하지 않다. 게다가, 편광자를 사용할 필요도 없다.
도 1a 및 도 1b에서 오직 단일의 콜레스테릭 액정층을 갖는 실시형태가 도시되어 있다. 하지만, 대안의 실시형태에서, 제 1 콜레스테릭 액정 층과는 반대되는 트위스트의 센스를 갖는 제 2 콜레스테릭 액정층이 부가적으로 사용될 수도 있다. 2개 층들은 하나가 다른 하나의 상부에 오게 적층될 수도 있거나 또는 이와 달리 그들은 나란히 코팅될 수도 있다. 첫번째 경우에, 2개층들의 적층 (stack) 이 사용되는 경우, 특히 밝은 이미지가 실현될 수도 있는데 왜냐하면 2개 콜레스테릭 액정 층의 적층은 양쪽 모두의 트위스트의 센스의 원형 편광 광을 반사시키기 때문이다.
콜레스테릭 액정들로부터 선택적인 반사에 의해 생성된 광은 오히려 좁은 각도 분산을 특징으로 하고, 반사된 광 밝기의 오히려 강한 각도 의존성에 이른다. 하지만, 이것은 콜레스테릭 액정 층의 축의 배향의 의도적인 방해 (disturbation) 에 의해 감소될 수도 있다. 이것은 공개된 일본 특허 출원 JP 2005-003823 (A) 에 나타나 있듯이 시야의 증가를 초래한다.
위에 설명된 실시형태에서, 1 보다 큰 이색 비를 갖는 이색성 염료 (즉 장 분자 축에 평행한 흡수가 장 분자 축에 수직한 것보다 더 강한 이색성 염료) 가 포지티브 유전 이방성을 갖는 액정 호스트 혼합물에서 사용된다. 이색성 염료 또는 사용된 액정 중 어느 하나가 반대 이방성을 갖는 (즉, 이색성 염료가 1미만의 이색 비를 갖거나 또는 액정 호스트가 네가티브 유전 이방성을 갖는) 경우에, 흑색 및 백색 이미지들은 인가된 전압의 "온상태" 및 "오프 상태" 에 관하여 반전된다. 이색성 염료 또는 액정 호스트 양쪽 모두가 도 1a 및 도 1b에 도시된 상황에 비교되는 반대 이방성을 갖는 경우, 액정의 초기 배향만이 변화되야 하지만, 인가된 전압에 따른 흑색 및 백색 상태에서의 변화는 없다.
광 흡수 층이 유익하게는 콜레스테릭 액정 층과 하부 기판 사이 및/또는 콜레스테릭 액정 층에 대해 기판의 반대측 상에 배치될 수도 있다.
본 발명의 제 2 바람직한 실시형태의 디스플레이의 구조는 도 2a 및 도 2b에 개략적으로 도시되어 있다. 그것은 위에서 설명된 제 1 실시형태와 특히 2가지 방식에서 상이하다. 여기서 디스플레이는 광원 (208) 및 콜레스테릭 액정 층(들) 을 포함하고 및/또는 층(들) 은 하나 이상의 발광 부분들 (207) 을 포함하는 적어도 하나의 재료를 추가적으로 함유한다. 여기서, 발광 부분(들)은 콜레스테릭 액정층 또는 다른 층에 있을 수도 있으며 이는 도 2에 도시되어 있지 않다.
하나 이상의 발광 부분들을 포함하는 적어도 하나의 재료를 추가적으로 함유하는, 상기 콜레스테릭 액정 층(들) 및/또는 다른 층(들) 은 광 변환 수단으로서 유용하다.
본 발명에 따라 사용되는 광 변환 수단은 하나 이상의 유기 염료 및/또는 하나 이상의 무기 형광체 (phosphor) 를 포함할 수도 있다.
하나 이상의 발광 부분들 (207) 을 포함하는 재료로서, 여기 광을 흡수하고 또한 발광하는 모든 재료가 사용될 수도 있다. 유기 형광 염료들 및/또는 무기 형광체들이 사용될 수도 있다. 작은 스토크 시프트 (Stokes shift) 를 갖는 염료들이 사용될 때, 주위 광은 여기를 위한 광으로서 사용될 수 있다. 470 nm 의 파장을 갖는 청색광을 방출하는 및/또는 470 nm보다 짧은 또는 심지어 더 바람직하게는 400 nm 보다 더 짧은 파장들을 갖는 광을 방출하는 광원 (208) 이 여기를 위해 사용될 때 더 밝은 이미지들이 획득될 수도 있다. 여기를 위한 광원 (208) 으로서, 무기 발광 다이오드 (LED), 유기 발광 다이오드 (OLED) 또는 형광 램프 또는 레이저가 사용될 수도 있다.
또한, 에너지의 사용을 절약하기 위하여 각각의 디스플레이에서 백라이트를 국부적으로 조광 (dimming) 하는 방법을 적용하는 것이 가능하다. 그러한 디스플레이들에서 백라이트는 통상적으로 세그먼트화되고, 원칙적으로 밝은 컬러를 디스플레이하는 픽셀들만이 여기 광을 제공하는 세그먼트화된 백라이트의 각각의 세그먼트로부터의 광으로 조사된다.
유기 염료로서, 레이저 염료 및/또는 유기 발광 다이오드들에서 사용되는 광 발광성 염료들과 같은 다양한 종류의 형광 염료들 및 인광 염료들이 유익하게 사용될 수도 있다. 각각의 레이저 염료들은 일본의 Indeco Corporation을 통해 USA의 Exciton Corporation으로부터 상업적으로 이용가능한 반면에 다른 적합한 염료들은 캐나다의 American Dye Sources Inc.로부터 상업적으로 이용가능하다.
여기에서 사용될 수도 있는 청색 스펙트럼 영역의 방출 파장을 갖는 레이저 염료들이, 예를 들면, 일본의 Indeco Corporation을 통해 USA의 Exciton Corporation으로부터, 예를 들면, Coumarin460, Coumarin480, Coumarin481, Coumarin485, Coumarin487, Coumarin490, LD489, LD490, Coumarin500, Coumarin503, Coumarin504, Coumarin504T 및 Coumarin515이 상업적으로 이용가능하다. 이들 레이저 염료들외에, 청색 스펙트럼 영역에서 방출을 갖는 형광 염료들, 이를테면 페릴렌, 9-아미노-아크리딘, 12(9-안트로일옥시) 스테아르 산 (12(9-anthroyloxy)stearic acid), 4-페닐스피로[푸란-2(3H),1'-푸탈란]-3,3'-디온 (4-phenylspiro[furan-2(3H),1'-futalan]-3,3'-dione), N-(7-디메틸아미노-4-메틸쿠마리닐)-말레이미드 (N-(7-dimethylamino-4-methylcoumarynyl)-maleimide) 및/또는 캐나다의 American Dye Sources Inc. 로부터 상업적으로 이용가능한 염료 ADS135BE, ADS040BE, ADS256FS, ADS086BE, ADS084BE가 역시 사용될 수도 있다. 이들 염료들은 본 발명에 따라 개별적으로 또는 적절한 혼합물 형태 중 어느 하나로 사용될 수도 있다.
여기서 사용될 수도 있는 녹색 스펙트럼 영역에서 방출하는 레이저 염료들은, 예를 들면 일본의 Indeco Corporation을 통해 USA의 Exciton Corporation으로부터의 Coumarin522, Coumarin 522B, Coumarin525 및 Coumarin540A 이 상업적으로 이용가능하고 USA 의 Sigma-Aldrich의 자회사인 일본의 Sigma-AldrichLtd.로부터 Coumarin 6, 8-히드록시-키놀린* (8-hydroxy-xynoline*) 이 상업적으로 이용가능하다. 이들 레이저 염료들외에, 녹색 스펙트럼 영역에서 방출을 갖는 형광 염료들, 이를테면, 캐나다의 American Dye Sources Inc. 로부터의 염료들 ADS061GE, ADS063GE, ADS108GE, ADS109GE 및 ADS128GE가 역시 사용될 수도 있다. 또한, 이들 염료들은 본 발명에 따라 개별적으로 또는 적절한 혼합물 형태 중 어느 하나로 사용될 수도 있다.
여기서 사용될 수도 있는 적색 스펙트럼 영역에서 방출하는 레이저 염료들은, 예를 들면 일본의 Indeco Corporation을 통해 USA의 Exciton Corporation으로부터의 DCM, Fluorol 555, Rhodamine 560 Perchlorate, Rhodamine 560 Chloride 및 LDS698이 상업적으로 이용가능하다. 또한, 적색 스펙트럼 영역에서 방출을 갖는 형광 염료들, 이를테면, 캐나다의 American Dye Sources Inc. 로부터 상업적으로 이용가능한 ADS055RE, ADS061RE, ADS068RE, ADS069RE 및 ADS076RE이 사용될 수도 있다. 또한, 이들 염료들은 본 발명에 따라 개별적으로 또는 적절한 혼합물 형태 중 어느 하나로 사용될 수도 있다.
다르게는 유기 염료로서, OLED (organic light emitting diode) 를 위해 개발된 발광 염료들이 또한 여기서 사용될 수도 있다. 컬러들을 변환할 수 있는 일본 특허 JP 2795932 (B2) 에 기재된 것들과 같은 염료들이 본 발명에 따라 사용될 수도 있다. S. A. Swanson 등의 논문, Chem. Mater., Vol.15, (2003) pp.2305-2312에 기재된 염료들이 또한 유익하게 사용될 수도 있다. 일본 특허 출원 JP 2004-263179 (A), JP 2006-269819 (A) 및 JP 2008-091282 (A) 에 기재된 적색 뿐만 아니라, 청색 염료, 및 녹색 염료들이 또한 사용될 수도 있다. 특히, 적색 염료들에 대해, UV 방사선 또는 청색광을 변환하는, 녹색 발광 염료들이, 공개된 일본 특허 출원 JP 2003-264081 (A)에 기재된 바처럼 녹색광을 흡수하고 적색광을 방출하는 적색 발광 염료들과 조합하여 사용될 수도 있다. 이들 염료들은 대개 일반적으로는 각각의 레퍼런스에 의해 기재된 바처럼 사용될 수도 있다. 하지만, 그들의 화학 구조들을 잘 알려진 수단에 의해, 예를 들면 알킬 사슬들의 도입 또는 알킬 사슬들의 수정에 의해, 약간 수정하여 그들의 용해도를 유기 용매들에서 특히 액정들에서 증가시키는 것이 필요할 수도 있다.
청색 무기 형광체로서, 공개된 일본 특허 출원 JP 2002-062530 (A) 에 기재된 바처럼 Cu 활성화 아연 설파이드 형광체 및/또는 Eu 활성화 할로포스페이트 형광체들, Eu 활성화 알루미네이트 형광체들이 공개된 일본 특허 출원 JP 2006-299207 (A) 에 기재되어 있는 것처럼 사용될 수도 있다. 녹색 무기 형광체에, Ce 또는 Tb 활성화 희토류 원소 보레이트 형광체들이 공개된 일본 특허 출원 JP 2006-299207 (A) 에 기재되어 있는 것처럼 사용될 수도 있다. 적색 무기 형광체에, Eu 활성화 란탄 설파이드 형광체들 또는 Eu 활성화 이트륨 설파이드 형광체들이 공개된 일본 특허 출원 JP 2006-299207 (A) 에 기재되어 있는 것처럼 사용될 수도 있다. 컬러 중심으로서 BaS 및 Cu2+으로 이루어지는 황색 형광체들이, 공개된 일본 특허 출원 JP2007-063365 (A) 에 기재되어 있는 바처럼, 그리고 컬러 중심으로서 Ba2ZnS3 및 Mn2+로 이루어지는 적색 형광체들이 공개된 일본 특허 출원 JP 2007-063366 (A) 에 기재되어 있는 것처럼 또한 사용될 수 있다. 위에서 언급된 일본 특허 JP 3503139 (B2) 에 기재되어 있는 바처럼 Ce 활성화된 가넷 형광체들, 공개된 일본 특허 출원 JP 2005-048105 (A) 에 기재되어 있는 바처럼 적색 형광체들, 공개된 일본 특허 출원 JP 2007-262417 (A) 에 기재되어 있는 바처럼, 베타-시알론 (beta-sialon) 녹색 형광체들, Ca 알파-시알론 (alfa-sialon) 적색 형광체들이 또한 사용될 수도 있다. 위에서 언급된 형광체들이 그라운드 재료 (ground material) 로서 및/또는 광 변환 층들에 분산된 표면 개질 재료로서 사용될 수 있다. WO 2006/017125에 기재된 양자점 (Quantum dot) 들이 또한 사용될 수도 있다.
본 발명에 따른 전기광학 스위칭 소자에서 광 변환 수단은 색도 (chromaticity) 범위를 증가시키고, 백라이트로부터의 광의 분산의 균일성을 향상시키고, 단파장을 갖는 광의 투과를 억제하여 액정 재료에 대한 손상을 감소시키거나 또는 심지어 방지한다.
본 발명에 따라 사용된 광변환 수단은 예를 들면 하나 또는 수종의 유기 염료들 및/또는 무기 형광체들을 포함하는 단일층 형태를 갖거나 또는 상이한 염료들 및/또는 무기 형광체들을 각 층에 포함하는 적층된 층들의 형태를 가질 수도 있다. 그들은 또한 다소 연속적이거나 또는 공간적으로 각기 패턴화된 구조들일 수도 있다.
본 발명의 제 3 바람직한 실시형태들에서, 전압의 인가시, 광의 세기를 변경, 즉 광의 세기를 스위치 또는 제어할 수 있는, 사용된 소자는 전기영동 스위칭 소자이다. 이들 실시형태들은 도 3 및 도 4에 각각 개략적으로 도시되어 있다. 이들 전기영동 스위칭 소자들에서, 고속 응답 시간들을 갖는 디스플레이들의 실현을 허용하기 위하여 대전된 입자들이 유체 매질에, 바람직하게는 저점도를 갖는 액체에 현탁 (suspended) /분산 (dispersed) 된다. 본 발명의 일 바람직한 실시형태에서 전기적으로 대전된 입자들은 일본 공개 특허 출원 JP 2006-058550 (A) 에 기재된 바처럼, 플라스틱 재료, 전하 제어제 및 착색제로 구성된다. 플라스틱 재료로서 예를 들면 우레탄 수지, 우레아 수지, 아크릴레이트 수지 및/또는 폴리에스터 수지가 사용될 수도 있다. 예를 들면 살리실 산의 금속 착물인, 입자들에 음전하를 도입하는 전하 제어제로서, 금속 원자들 또는 이온들을 함유하는 아조 염료들, 금속 이온들 또는 원자들을 함유하는 소수성 염료 재료, (터셔리) 암모늄 화합물들 및 보론 함유 화합물들이 (예를 들면 벤질산 보론 착물들*로서) 사용될 수도 있다. 포지티브 전하를 도입하는 전하 제어제로서, 예를 들면, 니그로신 염료들, 트리페닐메탄 화합물, (터셔리) 암모늄 화합물, 폴리아민 수지 및 이미다졸 유도체들이 사용될 수도 있다. 착색제로서, 예를 들면 카본블랙, 구리 산화물, 망간 이산화물, 아닐린 블랙 및 활성탄이 사용될 수도 있다. 저점도를 갖는 유체로서 건조 공기, 질소, 불활성 기체 및/또는 심지어 진공이 셀들에서 사용될 수도 있다. 대전된 입자들로서 또한, 대전 착색 색소들이, 예를 들면 수지로 코팅된 카본블랙들이 기재되어 있는 일본 공개 특허 출원 JP 2007-240679 (A) 에 기재되어 있는 그러한 입자들이 사용될 수도 있다. 그 셀은 또한 투명액, 이를테면 물, 알코올 및/또는 오일들로 충전될 수도 있다.
도 3a에 도시된 바처럼, 2개 전극들 (303) 이 기판들 상에, 상부 및 하부 기판 상에 각각 하나씩, 성막되고, 소정 트위스트 센스(들) 을 갖는 콜레스테릭 액정 층들이 하부 전극 상에 제조되고 상기 콜레스테릭 액정 층의 일부는 상기 콜레스테릭 액정층의 나머지 부분보다 더 작은 두께를 갖는다. 콜레스테릭 액정층은 오목 형상부 또는 심지어 아래 전극에 이르는 홀을 가질 수도 있다.
하부 전극을 대전 입자 (301) 의 전하와 반대 부호를 갖는 전기 전하로 대전시키는, 적절한 극성을 갖는 DC 전압이 전극들에 인가될 때, 대전 입자들은 오목 부분, 층의 누락 부분 (missing part) 에, 도 3a 도시된 바처럼, 각각 수집된다. 다음으로 콜레스테릭 액정 층은 스위칭 소자의 거의 모든 영역들에서 드러난다. 다음으로 주위광 (306) 이 콜레스테릭 액정 층에 의해 선택적으로 반사되고 콜레스테릭 액정 층의 키랄 피치 (chiral pitch) 에 매칭되는 파장 영역에서의 광이 강하게 반사된다. 반사광만을 이용하는 반사 모드에서, 광 흡수 재료는 하부 기판의 위 또는 아래 중 어느 한쪽에 배치될 수도 있다.
도 3b는, 위의 도 3a에 예시된 경우와는 반대 극성을 갖는 DC 전압이 전극들에 인가되는 경우의 상황을 도시한다. 이제 상부 전극은 대전 입자 (301) 의 전하의 반대 부호를 갖는 전기 전하로 대전된다. 결과적으로, 이 상태에서의 대전 입자 (301) 는 상부 전극상에 수집되고 스위칭 소자의 전체 영역은 흑색으로 만들어진다.
편리하게는 그러한 전기광학 스위칭 소자들은 액티브 매트릭스 구동 방법에 의해 어드레싱될 수도 있다. 편리하게는 전압이 예를 들면 박막 트랜지스터와 같은 비선형 스위칭 전자 소자 (304) 를 통해 그리고 바람직하게는 기판들 중 적어도 하나에 위치된 박막 트랜지스터에 의해 전기광학 스위칭 소자의 전극들에 인가될 수도 있다. 이 경우에, 편리하게는 카운터 전극 (counter electrode) 이 TFT(들) 을 지니는 기판의 반대쪽 기판에 제공된다. 다르게는, 인가된 전압은 패시브 매트릭스 구동에 의해 제어될 수도 있는데, 여기서 전극들은 상부 및 하부 기판 상에 각각 준비되고, 상기 전극들은 바람직하게는 스트라이프 (stripe) 형상이고 기판 들 중 어느 하나에서 상이한 방향들로 연장되며, 상기 방향들은, 예를 들면 기판 상의 라인 형상 전극들이 "x" 축의 방향으로 연장되고, 다른 기판 상의 전극들은 "y" 축의 방향으로 연장되는 경우에, 서로 상호 직각 (예를 들면, 수직) 을 이룬다.
도 3에 도시된 실시형태에서, 콜레스테릭 액정층은 전기광학 스위칭 소자의 인접 전극들의 전계를 수정하는 유전 층으로서 사용된다.
도 4a 및 도 4b에 예시된 바처럼, 하지만, 적절한 유전 층 (409) 은 또한 분리하여 그리고 콜레스테릭 액정층 (405) 에 독립하여 제조될 수도 있다. 유전 층은 SiNx 및/또는 SiO2의 스퍼터링된 필름들과 같은 무기재료들 및/또는 광중합성 수지들과 같은 유기 재료들로 구성될 수도 있다.
도 4a 및 도 4b는 또한 본 발명의 추가의 바람직한 실시형태의 다른 양태를 예시한다. 도 3에 예시된 실시형태에서 콜레스테릭 액정 층의 여기를 위해 광원이 사용되지 않는다. 하지만, 반사 광 (410) 을 이용하는 것 뿐만 아니라 전기광학 스위칭 소자에 백 라이트를 제공하고 반사 광 (410) 이외에 방출된 광 (411) 을 이용하는 것이 또한 가능하고, 많은 경우들에서는 심지어 권할 만하다. 이 경우에, 하나 이상의 발광 부분들을 포함하는 발광 재료 (407) 는 도 2에 예시된 실시형태에서 처럼, 콜레스테릭 액정층 (405) 에 임베딩된다. 이 발광 재료는 주위 광에 의해 및/또는 백라이트 (408) 의 광에 의해 여기될 수도 있다. 특히, 작은 스토크 시프트 (Stokes shift) 를 나타내는 발광 재료가 사용될 때, 주위 광만으로도 발광 재료를 여기시키기에 충분하다. 발광 재료를 여기시키기 위하여 광원 (408) 이 사용되는 경우에, 여기를 위한 광이 통과하는 것을 허용하는 동시에 가시광을 흡수하는 필터가 콜레스테릭 액정층과 백라이트 사이에 배치될 수도 있고/있거나 컬러 필터가 상부 기판의 어느 한쪽 측면 상에 배치될 수도 있다.
위에서 설명된 바처럼, 본 발명의 이들 실시형태들에서, 대전 입자들을 채용하는 전기광학 스위칭 소자들이 사용된다. 대전 입자들을 채용하는 전기광학 스위칭 소자들 이외에도, 전기영동 디스플레이들이 일본 특허 출원 JP H 09-185087 (A) (1997) 에 기재되어 있는 것처럼 사용될 수도 있다.
본 발명의 제 4 실시형태는 전기광학 스위칭 소자를 이용하고 있고, 이는 저분자량를 갖는 액정 재료 및 폴리머, 예를 들면 PDLC (polymer dispersed liquid crystal display) 로 이루어지는 복합재를 광량을 제어하는 광학 소자로서 이용하고 있다. 이 실시형태는 도 5a 및 도 5b에 개략적으로 예시되어 있다. 전기광학 스위칭 소자의 동작 원리는 PDLC 및 역반사체를 이용하는 편광자 없는 반사형 액정 디스플레이의 경우와 같다.
도 5a는 PDLC가 광을 산란시키는 상태를 도시한다. 정상 모드 PDLC에서 이것은 "언파워 (unpowered)" 상태이고, 여기서 PDLC 층을 샌드위칭하는 기판들 상의 각각의 전극들에 전압이 인가되지 않는다. PDLC의 ("페일 세이프 모드 (fail safe mode)" 로도 불리는) 역전 모드에서는 "파워 (powered)" 상태, 즉 PDLC 층을 샌드위칭하는 기판들 상의 각각의 전극들에 적절한 크기의 전압이 인가되는 상태이다. 이들 모드들 중 어느 것에서 전극들에 인가된 전압은 바람직하게는 AC 전압이다. 몇몇 실시형태들에서 인가된 전압은 사인형 시간 함수를 갖는 반면, 몇몇 애플리케이션들에서는 구형 (각기 직사각형) 파가 바람직하게는 적용된다. 하지만, 또한 다른 파동 함수들, 예를 들면, 삼각형 파 또는 "톱니" 형 파들이 적용될 수도 있다.
도 5a에 도시된 PDLC의 산란 상태에서, 저분자량을 갖는 액정 (501) 및 폴리머 (502) 로 이루어지는 복합 시스템 (예를 들면, PDLC) 에 의해 산란되지 않은 주위 광 (506) 의 일 부분이 콜레스테릭 액정층 (505) 에 도달하고, 콜레스테릭 액정층 (505) 에 의해 선택적으로 반사되고 PDLC (501 및 502) 에 의해 산란된다.
그러므로, 관측자는 상기 관측자의 동공의 방향으로부터 입사되는 광 이외에 광을 관측할 수 있고 픽셀에서 선택적인 반사의 컬러를 보게된다.
도 5b에 개략적으로 도시된 바처럼, PDLC가 그의 반대 상태에 있을 때, 즉 투명 상태에 있을 때, 관측자는 실제로 광을 전혀 보지 못하고, 스위칭 소자는 흑색으로 보인다. 이것은 특히, 각 콜레스테릭 액정 층이 인간의 동공보다 더 작은 경우에 유지된다. 이 효과는 다음과 같이 이해될 수도 있다. 콜레스테릭 액정 층의 선택적인 반사는 단일 방향에서 고도로 집중된다. 콜레스테릭 액정층이 확장부를 갖고, 이것이 인간의 동공보다 더 작은 경우에, 반사된 광의 대부분은 동공 방향에서 벗어나는 각도로부터 입사된다.
다른 실시형태들에서, 의도적으로 콜레스테릭 액정 층들의 트위스트 축들을 어긋나게 하는 것 (disturbing) 은 예를 들면 일본 공개 특허 출원 JP 2005-003823 (A) 에 기재된 바처럼 시야 (field of view) 를 향상시키는데 효과적이다. 하지만, 본 실시형태에서, 모든 콜레스테릭 액정 층들의 트위스트 축들이 하나 그리고 같은 방향에서 배향되는 것이 매우 바람직하다. 이 타입의 배향은 예를 들면, 다음 프로세스에 의해 오히려 용이하게 실현될 수도 있다. 배향층은 기계적으로 러빙 (rubbing) 및/또는 광화학적으로 처리되고 콜레스테릭 액정 층은 배향층의 상부에 코팅된다. 다음으로, 콜레스테릭 액정 층은 그의 투명점 (즉, 등방성 상 (isotropic phase) 으로의 천이 온도) 위의 온도로 가열되고 그 다음에 주위 온도로 서서히 냉각되게 한다.
상 변화 모드에서 동작하는 액정셀은 PDLC 모드에서 동작하는 셀 또는 필름 대신 사용될 수 있다. 상 변화 모드에서 동작하는 셀에 사용된 액정 재료는 바람직하게는, 스멕틱 (smectic) 재료, 바람직하게는 SA 상을 나타내는 재료 또는 적절한 피치의 콜레스테릭 재료 중 어느 하나일 수도 있다. 바람직하게는 콜레스테릭 재료가 사용된다. 이들 액정 셀들은 산란 모드에서 사용되고 따라서 편광자들의 사용을 필요로 하지 않는다. 바람직하게는 사용된 콜레스테릭 액정은 그의 상태가 그의 산란 초점 콘형 배향에서 그의 평면 (또는 호메오트로픽 (homeotropic) 투명 상태로 변화한다. 이들 전기광학 모드들은, 그들이 메모리 효과를 나타낼 때, 특히 유용하다.
컬러 필터들의 사용은 본 발명에 따르면 필수적이지 않다. 그러나 컬러 필터들이 사용될 수 있다. 바람직하게는 그들은 상부 기판, 즉 관측자를 향하는 기판 상에 배치된다. 컬러 필터들이 사용되는 경우에, 전기광학 스위칭 소자들의 밝기 (brightness) 감소가 관측될 수도 있다. 하지만, 밝기 감소는 콜레스테릭 액정(들) 의 대응하는 부분들의 선택적인 반사의 영역들로 컬러 필터의 상이한 컬러들의 투과 (즉, 컬러 필터들의 각각의 부분의 최대 투과의 파장들의 영역) 를 매칭시키는 것에 의해 최소화될 수도 있다.
다르게는, "광대역 (broad-band)" 반사 콜레스테릭 액정층, 즉 광범위한 파장들을 갖는 "선택적인" 반사를 나타내는 콜레스테릭 액정층이 도포될 수도 있다. 그러한 광대역 반사 콜레스테릭 액정은, 예를 들면 층의 두께 전체에 걸쳐 위치의 함수로서 서서히 변화하는, 콜레스테릭 피치를 갖는 콜레스테릭 층을 제조하는 것에 의해 실현될 수도 있다. 그러한 층의 제조는 간단하고 쉽다.
제 1 광대역 콜레스테릭 액정층과 비교되는 트위스트의 반대 트위스트 센스를 갖는, 제 2 광대역 콜레스테릭 액정층의 부가는 가장 밝은 이미지들이 실현되게 한다.
본 발명의 제 5 실시형태는, 또한 도 6에 도시된 바처럼 반사된 광량을 제어하는 광학 소자로서 적절한 전계에서 2개의 반대 대전된 반구체들을 갖는 구체들의 회전을 이용하는, 일렉트로 자이릭 효과를 이용한다. 초기에 반구체는 적합한 선택적인 반사를 갖는 콜레스테릭 액정 층으로 덮이는 반면, 다른 반구체는 흑색 물질로 코팅된다. 다시, 종래 전기 자이릭 디스플레이들의 경우에서처럼, 2개의 반구체들은 서로 반대 부호의 전기 전하로 대전된다.
이들 구체들은 다음과 같이 준비될 수도 있다. 일본 공개 특허 출원 JP H11-085069 (A) (1999) 에서의 기재와 유사하게, 50 ㎛의 평균 직경을 갖는 아연 산화물의 구체들이 광반응성 콜레스테릭 액정 재료의 용액에 침액되고, 예를 들면 프로필렌글리콜 모노에틸에테르 아세테이트가 유기 용매로서 사용될 수도 있다. 그 다음에, 구체들은 콜레스테릭 액정 층으로 코팅된다. 콜레스테릭 액정층은 UV 조사에 의해 광중합된다. 그 다음에 코팅된 구체들은 전극 상에 퍼지고, 코로나 방전을 이용하여 그들의 표면은 대전된다. 블랙 토너를 이용한 광 현상 (light development) 에의 방전에 의해 처리된 영역의 노출 (exposure) 이 수행된 후에, 최종적으로 토너가 소성 (baking) (즉, 가열) 에 의해 고정된다.
하나는 흑색이고 다른 하나는 적합한 선택적인 반사를 갖는 콜레스테릭 액정층으로 덮인, 2개의 반대로 대전된 반구체들을 갖는 그러한 구체들 (601) 이 또한 일본 공개 특허 출원 JP H 10-214050 (A) (1998) 에 기재된 것과 유사한 방법을 이용하여 획득될 수도 있다. 50 ㎛의 평균 직경을 갖는 바륨 티타네이트의 작은 구체들이 광반응성 콜레스테릭 액정 재료의 용액에 침액되고, 상기 콜레스테릭 액정 층으로 덮인다.
그 층의 콜레스테릭 액정의 광중합후에, 구체들이 물에서 폴리비닐 알코올의 용액에 분산되고 전극을 지닌 기판 상에 스핀 코팅에 의해 도포되고 그 다음 건조된다. 구체들의 하부 반구체들은 폴리비닐 알코올로 덮인다. 상부 전극을 구체들과 접촉되게 하고 약 3 kV의 전기 전압이 약 10 시간 동안 상부 및 하부 전극들에 인가되어 구체들을 극성화 (polarize) 한다. 다음으로, 상부 기판이 제거되고 구체들을 갖는 하부 기판이 진공 증발 시스템 (vacuum evaporation system) 으로 이송된다. 흑색 물질, 이를테면 공증발된 (co-evaporated) MgF2 및 Sb2S3가 증발되고 구체들의 각 하나의 2개 반구체들 중 하나 상에 증착된다. 다음으로 기판은 계면활성제 (surfactant) 를 함유하는 아세톤 용액에 침액되고, 하나의 반구체는 콜레스테릭 액정층으로 덮이고 다른 하나의 반구체는 흑색 재료로 덮인 극성화된 구체들이 획득된다. 다음으로, 구체들은 오일 이를테면 실리콘 오일에 또는 투명 폴리머 매트릭스에 분산되고 2개의 기판들에 의해 샌드위치되며, 각각은 구체들의 분산을 향하는 내측들 상에 전극들 또는 전극이 구비된다. 다음으로, 적절한 크기의 DC 전압을 인가하는 것에 의해, 이미지는 예를 들면 공개된 일본 특허 출원 JP H11-085069 (A) (1999) 및 JP H10-214050 (A) (1998) 에 기재된 바처럼 디스플레이될 수 있다.
이 실시형태에서 콜레스테릭 액정층은 고효율을 갖는 광을 위한 반사체로서 작용한다. 그것은 또한 발광 재료를 포함할 수도 있다. 그것이 양자점들 및/또는 작은 스토크 시프트를 갖는 그러한 발광 물질을 함유하는 경우에, 선택적인 반사뿐만 아니라 형광 (fluorescent) (및/또는) 인광 (phosphorescent) 광이 이미지를 디스플레이하는데 기여할 수도 있고 현저히 더 밝은 이미지를 초래한다.
모든 실시형태들에서 컬러 필터들이, 필요한 경우, 적용되어 더 선명한 이미지들을 제공하는 디스플레이들을 생성할 수도 있다.
본 발명의 모든 실시형태들에서 발광 부분들을 포함하는 재료는 도 7에 도시된 바처럼 관측자를 향하는 콜레스테릭 액정층 (702) 의 측면 상의 추가 층 (711) 에 임베딩될 수도 있다. 이 경우에, 예를 들면, 광범위하게 다양한 매트릭스 물질들이 이용가능하고 방출된 광이 콜레스테릭 액정층들에 의해 반사되는, 바람직한 효과들이 실현될 수 있다.
게다가, 도 8에 예시된 바처럼, 여기광 (803) 을 재사용하는 콜레스테릭 층들 (805) 이 사용될 수도 있다. 콜레스테릭 액정 층들의 피치는 여기 광 (803) 의 파장에 매칭된다. 그러므로, 디스플레이된 이미지들을 생성하는 광 (804) 은 이들 층들에 의해 영향을 받지 않는다. 콜레스테릭 액정층들은 셀의 내부에 배치될 수도 있다. 그러나, 다르게 그들은 또한 셀의 외부에 배치될 수도 있다. 후자의 실시형태는 제조 프로세스의 현저한 간소화에 이른다.
본 발명의 제 6 실시형태는 작은 스케일 (small-scale) 의 전기기계 스위칭 소자들, 즉 미세-기계 (micro-mechanical) 스위칭 소자들을 위에서 예시된 전기광학 스위칭 소자들에 대한 대체물로서 사용한다. 본원의 용어에서, 용어 전기광학 스위칭 소자는 또한 이들 미세-기계 스위칭 소자들을 포함한다. 그러한 미세-기계 스위칭 소자들의 통상적인 예들은, 예를 들면, Hagood, N., Steyn, L., Fijil, J. Gandhi, J., Brosnihan, T., Lewis, S., Fike, G., Barton, R. Halfman, M., 및 Payne, Richard의, “MEMMS-Based Direct View Displays using Digital Micro Shutters”, IDW ’08의 프로시딩, 페이지 1345-1348에 개시된 Texas Instruments “Digital Light Processing (DLP®)”-디바이스들 또는 미세-기계 셔터들 (MEMS) 에 사용된 바처럼 힌지 미세-거울 (hinged micro-mirror) 들이다. “Digital Micro Shutter, 줄여서 DMS®”로도 지칭되는 이들 MEMS 셔터들은 광의 통과를 기계적으로 차단하기 위해서 기계적 셔터들로서 몇 ㎛ (some ㎛) 의 범위의 치수들을 갖는 가동 부분들을 사용한다. 셔터들은 전계의 인가에 의해 활성화된다. 이들 전기광학 스위칭 소자들에서 적절한 컬러의 광을 반사시키는 콜레스테릭 액정층은 유익하게는 광원을 향하는 측면 상의 디바이스 내부, 즉 미시적 셔터 (microscopic shutter) 자체에 도달하기 전에 광이 통과하는 슬롯들에 제조된다. 바람직하게는 콜레스테릭 층들의 어레이가, 하나의 서브픽셀에 대해 각각 하나씩, 제조된다. 각각의 하나의 서브픽셀에서 적절한 스펙트럼 특성들의 단일 콜레스테릭 층을 이용하는 것이 가능하다. 이 콜레스테릭 층은 2개의 가능한 나선 트위스팅 센스 (helical twisting sense) 들 중 어느 하나를 가질 수도 있다. 하지만, 특히 반사된 광의 세기의 최적화의 관점에서, 바람직하게는 상호 반대 트위스팅 센스를 갖는 2개 콜레스테릭 층들의 적층이 사용된다. 이들 콜레스테릭 액정 층들은 형광 염료들 또는 형광체들과 같은 발광 부분들을 포함하는 재료를 포함할 수도 있다. 사용된 콜레스테릭 액정 층들의 고유 컬러레이션 (intrinsic colouration) 에 기인하여, 이들 디바이스들은 컬러의 이미지들을 만들기 (render) 위하여 컬러 필터의 사용을 필요로 하지 않는다. 또한, 바람직하게는 광원으로부터 광 경로의 전체 영역 폭을 커버 (cover) 하는, 각 서브 픽셀에서 콜레스테릭 액정층들의 각각의 부분들의 컬러레이션은, 통상적인 MEMS 디바이스들에서 겪게되는 시차 문제 (parallax problem) 를 제거했다. 이들 디바이스들의 동작을 향상시키기 위하여, 종종 오히려 단파장, 바람직하게는 470 nm이하, 예를 들면 400 nm의 방출을 갖는 광원을 사용하는 것이 바람직하다. 이들 파장들은 발광 부분들의 여기를 위해 바람직하다. 하지만, 더 짧은 파장은 대부분의 경우에서 바람직하지 않은데, 그것은 사용된 다양한 재료의 열화를 초래할 수도 있기 때문이다. 광원으로서 LED들이 여기에서 특히 바람직하다.
자연 주위 광 (natural ambient light) 이외에, 광원으로부터의 광이 발광 물질들을 여기하기 위해 사용될 수도 있다. 이 광을 위해, 예를 들면 400 nm 내지 470 nm 범위의 파장을 갖는 광이 바람직하게는 조사 (irradiation) 에 사용된다. 그 다음 더 밝은 이미지들이 흐릿하거나 어두운 주위 조명 조건들하에서도 디스플레이될 수 있다.
본 발명에 따르면, 바람직하게는 여기에 사용된 광은 400 nm 이상의 파장을 갖는 광이며, 즉 자색광 (violet light) 을 포함하지만, UV 방사선을 포함하지 않고, 바람직하게는 그것은 420 nm 이상, 가장 바람직하게는 435 nm 이상의 파장을 갖는 광이다.
본 발명에 따르면, 모든 알려진 LCD 모드들이, 예를 들면, 트위스트 네마틱 (TN) 모드 및 수직 배향 (VA) 모드와 같은 액정 스위칭 층에 적용될 수도 있다.
본원의 바람직한 실시형태들은 또한 본원으로 출원된 청구항들로부터 전문가에 명백하며, 이는 이 관점에서 본원의 개시의 일부를 형성한다.
융점 T(C,N), 스멕 (S) 으로부터 네마틱 (N) 상 T(S,N) 으로의 천이 및 액정들의 투명점 T(N,I) 은 섭씨 온도로 주어진다.
본원에서, 모두 다르게 명시적으로 언급되지 않는다면, 모든 온도들은 백분도 (섭씨 온도, 짧게 °C) 로 주어지고, 모든 물리적 데이터들은 20°C의 온도에 적용되고 모든 농도들은 중량 백분율 (%, 각각 wt.-%) 이다.
1. 도 1
전기광학 스위칭 소자로서 이색성 염료로 도핑된 트위스트된 네마틱 액정층을 이용한 본 발명의 실시형태의 개략적 예시이다.
a) 인가된 전기 전압을 갖지 않는 트위스트된 네마틱 상태.
b) 인가된 전기 전압을 갖음.
2. 도 2
백 라이트의 추가 사용에 의한 도 1의 실시형태로부터 수정된 실시형태의 개략적인 예시이다.
a) 인가된 전기 전압을 갖지 않는 트위스트된 네마틱 상태.
b) 인가된 전기 전압을 갖음.
3. 도 3
전기광학 스위칭 소자로서 전기영동 셀을 이용한 본 발명의 실시형태의 개략적 예시이다.
a) 하부 전극이 입자들의 부호 전하에 대해 반대 부호 전하를 갖는 전하를 갖도록 전기 DC 전압이 인가된다.
b) 하부 전극이 입자들의 부호와 같은 부호의 전하를 갖도록 전기 DC 전압이 인가된다.
4. 도 4
백 라이트의 추가 사용에 의한 도 3의 실시형태로부터 수정된 실시형태의 개략적인 예시이다.
a) 하부 전극이 입자들의 전하의 부호의 반대 부호를 갖는 전하를 갖도록 전기 DC 전압이 인가된다.
b) 하부 전극이 입자들의 전하의 부호와 같은 부호를 갖는 전하를 갖도록 전기 DC 전압이 인가된다.
5. 도 5
전기광학 스위칭 소자로서 폴리머 및 저분자량을 갖는 액정의 복합재의 층을 이용한 본 발명의 제 5 실시형태의 개략적 예시이다.
a) 인가된 전기 전압을 갖지 않는 상태.
b) 인가된 전기 전압을 갖음.
6. 도 6
일렉트로 자이릭 전기광학 스위칭 소자를 이용한 본 발명의 제 6 실시형태의 개략적 예시이다.
a) 하부 전극이 구형 입자들의 흑색 부분의 전하의 반대 부호를 갖는 전하를 갖도록 전기 DC 전압이 인가된다.
b) 하부 전극이 구형 입자들의 흑색 부분의 전하와 같은 부호를 갖는 전하를 갖도록 전기 DC 전압이 인가된다.
7. 도 7
발광 부분 (각각, 부분들) 을 포함하는 재료가 추가 층에 임베딩되는 실시형태의 개략적인 예시이다.
8. 도 8
여기광을 반사시키는 층이 발광 층상에 배치되는 실시형태의 개략적인 예시이다.
예
다음의 예들을 참조하여 본 발명을 더 상세히 예시한다. 그들은 본 발명을 예시하기 위하여 의도되었으며, 본 발명을 어떤 식으로든 제한하지 않는다.
하지만, 조성, 구성 및 물리적 속성들을 포함하는 상이한 실시형태들은 전문가에게 아주 잘 예시하며, 그 속성들은 본 발명에 의해서 달성될 수 있으며 또한 특히, 그 범위에서 그들은 수정될 수 있다. 따라서, 특히 바람직하게는 달성될 수 있는 다양한 속성들의 조합이 전문가를 위해 잘 정의되어 있다.
예 1
청색, 녹색, 및 적색 선택적 반사들에 대응하는 6개의 콜레스테릭 액정층 및 각 컬러에 대해 2개의 트위스트 센스들이 광중합성 액정 재료 RMM34C, 독일의 Merck KGaA로부터 상업적으로 이용가능한 광개시제를 포함하는 반응성 메소겐 (mesogen) 들의 혼합물을 이용하여 준비된다. 키랄 도펀트들은 우선 트위스트 (right-hand twist) 에 대해서는 (Merck KGaA로부터도 이용가능한) BDH1281 및 좌선 트위스트 (left-hand twist) 에 대해서는 (Merck KGaA로부터도 이용가능한) S-5011이다. 키랄 도펀트의 농도들은 각각, BDH1281에 대해서는 4.54 % (B), 3.78 % (G) 및 3.00 % (R) 이고 S-5011에 대해서는 2.87 % (B), 2.44 % (G) 및 1.95 % (R) 이다.
유리 기판들을 평소대로 세정 및 건조되고 그 다음 일본, 도쿄 Kasei로부터의 폴리비닐알코올 (PVA) 의 수용액이 1,500rpm에서 스핀 코팅에 의해 도포된다. 그 다음 기판들은 30 분간 80°C의 온도에서 경화되고 후속하여 각각 일 방향에서 러빙된다. 각각의 키랄 도펀트로 도핑된 RMM34C는 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트 (PGMEA) 에 용해되고 60 % 용액이 러빙된 PVA로 덮인 기판 상에 1,500 rpm으로 스핀 코팅된다. 그 다음 각 기판은 30분간 60°C의 온도에서 건조된다. 이 프로세스에 의해 형성된 콜레스테릭 액정 구조는 365nm의 파장을 갖는 UV에 의한 (2,000 ± 50) mJ/cm2의 조사에의 노출에 의해 개시된 중합에 의해 안정화된다.
결과적인 콜레스테릭 액정층의 반사 스펙트럼들은 루미넌스 미터 (luminance meter), CS-1000 (일본의 Konica Minolta Holdings, Inc.) 및 백열등, Dolan-Jenner Industries, Inc.로부터의 Fiber Lite Model 190를 광원으로서 이용하여 측정된다. 입사광은 기판에 대해 수직 방향으로부터 30° 기울어져 있고 반사는 수직 방향으로부터 검출된다. R-원형 편광자 또는 L-원형 편광자 중 어느 하나가, 콜레스테릭 액정 층 상에 배치되고 그의 4분의 1 파장판의 측면이 콜레스테릭 층을 향한다. 참조로서 완전 산란판 (perfect scattering plate) 이 사용되고 상대적인 반사광 세기가 측정된다.
여기에서, 우선 원형 편광 광만을 투과시키는 (일본의 MeCan Imaging Inc.로부터의) R-원형 편광자가, 광범위한 파장들을 갖는 4분의 1 파장판을 선형 편광자에 배치하여 그의 광축이 편광자의 투과축에 대해 45° 만큼 시계방향으로 트위스트되게 함으로써 실현될 수 있다. 좌선 센스의 회전을 갖는 원형 편광 광만을 투과시키는 (일본의 MeCan Imaging Inc.로부터의) L-원형 편광자가, 선형 편광자 및 4분의 1 파장판의 조합으로 이루어지고, 여기서 4분의 1 파장판의 지상축 (slow axis) 이 편광자의 흡수축 (absorption axis) 에 대해 45° 만큼 회전된다.
우선 트위스트 콜레스테릭 액정 층들에 대한 결과들이 표 1에 나타나 있다. 명확하게 알 수 있는 바처럼, 우선 원형 편광 광만이 각 선택적인 반사 파장 영역에서 반사된다. 우선 트위스트 콜레스테릭 액정 층에 대한 결과들 (표 2) 은 거의 동일하고 그 결과들은 우선 센스 및 좌선 센스가 반전되는 점에서만 다르다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
Figure pct00004
독일의 Merck KGaA로부터 상업적으로 모두 이용가능한 이색성 염료들 F355, F357 및 F593이 액정 ZLI-3449-100 및 MLC-6609에 포함되며, 양자 모두는 또한 독일의 Merck KGaA로부터 상업적으로 이용가능하다. ZLI-3449-100 및 MLC-6609의 물리적 속성들이 표 3에 나타나 있다. 2 종류의 셀들이 준비된다. 타입 (1) 의 셀로서, 역 평행 러빙으로 처리된 수평 배향 (homogeneous alignment) 을 유도하는 폴리이미드로 덮인 패턴화된 ITO 전극을 갖고 10 μm의 셀 갭을 갖는, 타입 (1) 의 셀 및 타입 (2) 의 셀로서, (트위스트된 네마틱 상태를 초래하는) 수직 러빙으로 처리된 수평 배향을 유도하는 폴리이미드로 덮인 패턴화된 ITO 전극을 갖고 6 μm의 셀 갭을 갖는, 타입 (2) 의 셀이 준비된다.
Figure pct00005
이색성 염료들 F355, F357 및 F593의 이색 비 (dichroic ratio) 및 흡수 파장 범위를 체크하기 위하여, 각 염료는 1 %의 농도로 ZLI-3449-100에 도핑된다. 각각의 혼합물은 위에 기재된 타입 (1) 의 셀에 주입된다. 그의 흡수 스펙트럼들이 러빙 방향에 평행하고 수직한 양쪽 모두의 선형 편광 광에 대해 표 4에 나타나 있다. 명백하게, 높은 이색비가 가시 파장 영역에서 달성된다.
Figure pct00006
스위칭 소자로서 사용된 TN셀이 다음과 같이 제조된다. 각각 3 % 농도로 이색성 염료들 F355, F357 및 F593로 도핑된 네마틱 액정 화합물 ZLI-3449-100 이 위에 기재된 타입 (2) 의 셀내에 충전된다. 이것은 반사 속성이 표 1 및 표 2에 나타나 있는 2개의 적층된 콜레스테릭 액정 층들의 전방에 배치된다. 이 어셈블리의 반사는 콜레스테릭 액정 층 자체의 측정과 유사한 방식으로 측정된다. 입사광은 다시 기판에 대해 수직 방향으로부터 30° 기울어져 있고 반사는 수직 방향으로부터 검출된다. 이 측정에서는 편광자가 사용되지 않는다. 한번은 전압의 인가가 없고 (즉, 0 V의 전압) 한번은 40 V의 전압을 TN 셀에 인가한 각 컬러에 대한 반사 스펙트럼들이 청색, 녹색 및 적색 반사에 대해 표 5, 표 6 및 표 7에 각각 나타나 있다. 각 컬러는 이색성 염료를 함유하는 TN 셀에 의해 스위칭된다는 것이 명확히 나타나 있다.
Figure pct00007
Figure pct00008
예 2
예 1에서와 유사한 방식으로, 형광 염료를 갖는 콜레스테릭 액정 층이 다음과 같이 제조된다. 제 3 타입 (타입 (3)) 의 셀이 준비된다. 이런 목적으로, 세정되고 건조된 기판들이 일본의 Nissan Chemical Co.Ltd.로부터의 폴리이미드 배향층 (polyimide alignment layer) 의 적절한 용액으로 1,500 rpm에서 스핀코팅된다. 기판들은 3 분간 100°C에서 예열되고 그 다음 1h 동안 200°C에서 경화되고 후속하여 일 방향에서 러빙된다. 12.5 ㎛의 두께를 갖는 상업적으로 이용가능한 폴리이미드 (Du Pont으로부터의 Kapton Film H 타입 50H) 이 2개 기판들간의 스페이서로서 사용되고 기판들은 역평행 러빙 방향들로 어셈블리되고 폴리이미드 접착 테이프를 사용하여 고정된다.
콜레스테릭 액정층은 (또한 Merck KGaA로부터) 상업적으로 이용가능한 키랄 도펀트 BDH1281로 도핑된, 독일의 Merck KGaA으로부터 상업적으로 이용가능한 광중합성 액정 재료 RMM34C를 이용하여 준비된다. RMM34C에서 키랄 도펀트의 농도는 4.54 %이었다. 일본의 Indeco Corporation를 통해 USA의 Exciton Corporation으로부터 이용가능한 청색 염료 coumarin-500은 2.74 %의 농도로 이 중합성 혼합물에 포함된다. 그 혼합물은, 바로 위 단락에서 기재된 바처럼 타입 (3) 의 액정 셀로 도입된다. 혼합물을 갖는 셀은 80°C의 온도까지 가열되고, 그 온도에서 혼합물이 등방성 상에 있고, 후속하여 0.1°/min의 냉각 속도로 25°C의 온도까지 냉각된다. 그 다음에, 콜레스테릭 LC 구조는 중합에 의해 안정화되고 그 중합은 UV에 의한 조사에의 노출에 의해 개시된다. 365 nm의 파장을 갖는 UV 방사선이 사용되고 노출의 도우즈 (dose) 는 (2,000±50) mJ/cm2이다.
콜레스테릭 LC 층의 속성들은 예 1에 기재된 그것과 유사한 방식으로 연구되었다. 염료 도핑된 콜레스테릭 액정층으로부터의 방출 및 반사 스펙트럼들이 루미넌스 미터, CS-1000 (일본의 Konica Minolta Holdings, Inc.) 를 이용하여 측정된다. 여기를 위해, 400 nm의 파장을 갖는 LED (Dynatec Co.Ltd.로부터의 LB-50/150UV-400) 가 사용된다. 반면에 반사의 측정을 위해 백열등 (Dolan-Jenner Industries, Inc.로부터의 Fiber Lite Model 190) 이 사용된다. 여기서 다시, 입사광은 기판에 대해 수직 방향으로부터 30° 기울어져 있고 반사는 수직 방향으로부터 검출된다. 그 결과들은 (각각, 편광자가 사용되지 않는 경우, R-원형 편광자가 사용되는 경우, 및 L-원형 편광자가 사용되는 경우 등, 3개의 경우들에서) 방출 스펙트럼들에 대해서는 표 6 (a) 에 나타나 있고 반사 스펙트럼들에 대해서는 표 6 (b) 에 나타나 있다. 방출 피크는 약 467nm의 파장에 위치되고, 명확하게 선택적 반사 피크인 반사 피크는 약 460nm의 파장에 위치된다.
Figure pct00009
Figure pct00010
예 1의 경우와 유사하게, 독일의 Merck KGa로부터 상업적으로 이용가능한 이색성 염료 F357이 2개의 액정 ZLI-3449-100 및 MLC-6609에 포함되며, 또한 양자 모두는 독일의 Merck KGaA로부터 상업적으로 이용가능하다. 이들 혼합물의 물리적 속성들은 이미 위의 표 3에 나타나 있다.
이색성 염료 dye F357의 이색비 및 흡수 파장 범위를 체크하기 위하여, 10%의 F357 이 혼합물 MLC-6609에 도핑되고 결과적인 혼합물이 타입 (1) 의 셀, 예 1에 기재된 바처럼, 그 셀은 역 평행 러빙으로 처리된 수평 배향 (homogeneous alignment) 을 유도하는 폴리이미드로 덮인 패턴화된 ITO 전극을 갖고 10 μm의 셀 갭을 갖는, LC 셀에 주입된다. 이 셀의 스펙트럼들이 러빙 방향에 평행하고 수직한 선형 편광 광의 흡수에 대해 표 7에 나타나 있다. F357은 가시 스펙트럼의 청색 영역에서 흡수를 갖는다는 것이 명확히 나타나 있다.
Figure pct00011
예 1에 기재된 연구와 유사하게, 여기서 3 % F35로 도핑된 ZLI-3449-100이 타입 (2) 의 셀, 러빙에 의해 처리되고 서로 수직인 2개의 기판들의 각각의 러빙 방향들로 조립되는 (이는 조립 후에 트위스트된 네마틱 상태를 초래하는) 수평 배향을 유도하는 폴리이미드로 덮인 패턴화된 ITO 전극을 갖고 6 μm의 셀 갭을 갖는, TN 셀에 주입된다. 광학 속성들이 표 6 (a) 및 표 6 (b) 에 도시된 콜레스테릭 액정층의 전방에 배치된 염료 도핑된 ZLI-3449-100를 포함하는 이 TN 셀에 대한, 투과 및 반사 양쪽 모두에서의 스펙트럼들은 역시 루미넌스 미터 CS-1000 (일본, Konica Minolta Holdings, Inc.) 를 이용하여 측정된다. 여기를 위해, 400 nm의 파장을 갖는 LED가 여기에서 다시 사용된다. 그 결과들은 표 8 (a) (투과 스펙트럼들) 및 표 8 (b) (반사 스펙트럼들) 에 나타나 있다. 적절한 전압의 인가시 반사 및 투과 양쪽 모두가 증가하고 투과 및 반사 양쪽 모두는 이색성 염료로 도핑된 액정을 포함하는 셀에 의해 튜닝 (tuning) 될 수 있다는 것이 분명히 나타나 있다.
Figure pct00012
Figure pct00013
예 3
예 2에 기재된 연구들과 유사하게, 콜레스테릭 LC 층으로부터의 반사 및 콜레스테릭 LC 층을 통한 투과는 수직 배향 (VA) 에서 액정을 포함하는 액정셀을 이용하여 튜닝된다. 3 % F357로 도핑된 혼합물 MLC-6609이 VA 셀, (수직 배향 상태를 부여하는) 역 평행 러빙으로 처리된 수평 배향 (homogeneous alignment) 을 유도하는 폴리이미드로 덮인 패턴화된 ITO 전극을 갖고 6 μm의 셀 갭을 갖는, 타입 (3) 의 셀로 주입된다. 이 셀은 광학 속성이 표 8 (a) 및 표 8 (b) 에 나타나 있는 예 2에서 제조된 콜레스테릭 액정 층 상에 배치된다. 결합된 셀 구조의 전기광학 속성들이 역시 루미넌스 미터, CS-1000 (일본의 Konica Minolta Holdings, Inc.) 를 이용하여 측정된다. 여기를 위해, 위에 기재된 바처럼, 400 nm의 파장을 갖는 LED가 다시 사용된다.
콜레스테릭 액정 셀의 전방에 배치된, 염료로 도핑된 혼합물 MLC-6609을 포함하는 타입 (3) 의 셀 (즉, VA 셀) 에 대해, 투과 및 반사 스펙트럼들이 투과 스펙트럼들에 대해서는 표 9 (a) 에 나타나 있고 반사 스펙트럼들에 대해서는 표 9 (b)에 나타나 있다. 적절한 전압의 인가시 반사 및 투과 양쪽 모두가 감소하고 투과 및 반사 양쪽 모두는, 액정셀의 동작 모드에 상관없이, 염료로 도핑된 액정을 포함하는 액정셀에 의해 튜닝될 수 있다는 것이 분명하다.
이들 예들은 콜레스테릭 액정층이 광을 위한 탁월한 반사체로서 및/또는 광의 방출체로서 작동하고, 광의 세기는 임의의 광 제어 층을 이용하여 효과적으로 제어될 수도 있다는 것을 명확하게 나타낸다.
Figure pct00014
Figure pct00015
예 4
6개의 콜레스테릭 액정층들이 예 1에 기재된 바처럼 준비되고 각 컬러에 대해 단일 층의 반사 속성들이 3개 컬러들 중 각각에 대해 좌선 트위스팅 센스를 각각 갖는 하나의 층 및 우선 트위스팅 센스를 각각 갖는 하나의 층으로 이루어지는 이중층들에 비교하여 결정된다. 하나의 컬러에 대한 우선 및 좌선 층들은, 사용된 킬랄 도펀트들이 서로 광학적으로 반대되는, 즉 서로의 이난티오머 (enatiomer) 인 것을 제외하고 서로 동일하고, 따라서 층들은 같은 크기의 콜레스테릭 피치이지만 상호 반대 트위스트의 센스이다.
측정들이 루미넌스 미터, CS-1000 (일본의 Konica Minolta Holdings, Inc.) 를 이용하여 예 1에 기재된 바처럼 수행된다. 제 1 세트의 실험들에서, 예 4a에 대해, 백열등, Dolan-Jenner Industries, Inc.로부터의 Fiber Lite Model 190이 광원으로서 사용된다. 입사광은 다시 기판에 대해 수직인 방향으로부터 30°의 각도만큼 기울어져 있고 반사는 기판에 대해 수직인 방향에서 검출된다. 광원과 콜레스테릭 액정층 사이의 거리는 15 cm이다. 다르게는 제 2 세트의 실험들에서, 예 4b에 대해, Dynatec Co.Ltd.로부터의 백색 LED (MDBL-CW25) 가 역시 광원으로서 사용된다. 조명의 세기는 Ushio Inc로부터의 스펙트로라디오미터 (spectroradiometer) USHIO 타입 USR-40D-13를 이용하여 측정된다.
백열등 및 백색 LED의 조명의 세기는 15 cm의 거리에서 측정되어 각각 352 μW/cm2 및 43.8 μW/cm2 이다. 백열등 및 백색 LED의 조명 스펙트럼은 표 10 및 표 11에 각각 나타나 있다.
Figure pct00016
Figure pct00017
예 4a
단일 콜레스테릭 액정층들 (우선 트위스트 센스) 및 이중 콜레스테릭 액정층들의 반사의 세기는 표 12에서 백열등을 이용한 조명하에서 3개 컬러 (R,G,B) 의 각각에 대해 비교된다.
Figure pct00018
표 12에 모아진 데이터는 모든 컬러에 대해 이중층들이 단일층들에 비해 더 높은 세기의 반사에 이른다는 것을 명확하게 보여준다. 반사의 전체 세기는 각 컬러에 대한 반사의 파장 영역에 걸친 적분 (integral) 으로서 결정되므로, 각 이중 층 구조들에 대한 반사 세기의 전체 세기는 단일층 구조들에 대한 값들의 거의 2배이다. 이것은 전자종이 애플리케이션들에서 사용될 디바이스들에 대한 이중층 구조의 이점을 보여주고, 여기서 비편광 광이 이용될 수도 있다.
예 4b
이전 예로부터 샘플 층들이 다시 연구된다. 하지만, 이제 (예 4에서 표 11에 나타낸 방출 스펙트럼을 갖는) 백색 LED가 예 4a에 사용된 백열등 대신에 광원으로서 사용된다. 그 결과들은 표 13에 나타나 있다.
Figure pct00019
이들 결과들로부터 이중층들은 또한 백색 LED를 이용한 조명하에서 단일층들에 대한 값들의 약 2배의 반사된 광의 세기를 초래한다.
예 5
예 1에 기재된 바처럼, 다시 3개 컬러들 적색, 녹색 및 청색의 각각 하나를 반사시키는 3개 세트의 콜레스테릭 액정 층들이 준비된다. 하지만, 이제 전체 8개의 이들 콜레스테릭 액정층들이 제조되고, 3개는 각각 녹색 컬러 및 적색 컬러에 대한 것이고 2개는 청색 컬러에 대한 것이다. 2개 컬러들 녹색 및 적색 중 각각 하나에 대해 우선 나선 트위스팅 센스를 갖는 하나의 층이 준비된다. 그리고 또한 이들 2개 컬러들에 대해 각각 하나에 대해, 층들이 2개 더 준비되며 하나는 각각 우선과 좌선 나선 트위스팅 센스를 갖는다. 하지만, 예 1의 층들에 대조적으로, 여기에서 이들 4개 추가 콜레스테릭 층들의 각각에서, 즉, 컬러당 2개씩 형광 염료가 콜레스테릭 층에 포함된다. 녹색 선택적 반사를 낳는 2개 콜레스테릭 액정층들을 위해, 결과적인 혼합물의 전체 질량의 양에 대해 Aldrich로부터 상업적으로 이용가능한 2.16 %의 녹색 염료 coumarin 6이 혼합된다. 적색 선택적 반사를 낳는 2개 콜레스테릭 액정층들을 위해, 결과적인 혼합물의 전체 질량의 양에 대해 일본의 Hayashibara Biochemical Laboratories로부터 상업적으로 이용가능한 0.26 % 의 NK-3590 및 0.2 % coumarin 6이 혼합된다. 각각의 염료/염료들을 포함하는, 상호 반대 트위스팅 센스를 갖는 층들이 각 컬러에 대해 이중층으로 결합된다.
마지막으로, 청색광을 반사시키는 2개 콜레스테릭 액정층들이 이 예를 위해 준비된다. 그들은 서로 상호 반대되는 트위스팅 센스를 갖는다. 이들 층들의 하나로서, 우선 트위스팅 센스를 갖는, 그 하나는 단일 층인 것으로 연구되고 그 다음 양자 모두가 이중층으로 결합되고 다시 연구된다. 이들 후자의 2개 청색 층들은 임의의 염료 분자들을 함유하지 않는다.
예 5a
이들 6개의 층들, 즉 3개의 단일층들 및 3개의 이중층들이 예 4a에 기재된 바처럼 백열등을 이용하여 조사되고 (우선 트위스팅 센스를 갖는) 단일 층들을 위한 반사의 세기가, 녹색 및 적색 포함 염료들을 위한 것들인, 각각의 이중층들의 반사 세기와 비교된다. 표 14에서 염료들을 갖지 않는 단일 층들에 대한 반사의 세기가 이중층들의 반사의 세기와 비교된다.
Figure pct00020
표 14에 모아진 데이터는 반사된 광의 세기에 대한 콜레스테릭 층에의 염료의 포함의 엄청난 효과를 명확하게 보여준다. 특히, 적색 스펙트럼 영역에서 반사하는 필름에 대해, 염료들을 함유하는 이중층들에 대한 반사의 세기의 피크는 염료를 갖지 않는 단일층의 반사의 세기의 피크의 3배이다. 이것은 광의 파장을 변환하는 염료 분자들의 효과에 기인하여 이용되고 있는 보다 짧은 파장을 갖는 광의 기여에 의해 설명될 수도 있다. 그렇지 않으면, 보다 짧은 파장을 갖는 이 광은 반사에 기여하지 않는다. 따라서, 반사된 광의 세기가 단일층들 대신 이중층들의 사용으로부터 발생되는 향상에 더하여 콜레스테릭 층에의 염료의 포함에 의해 현저히 향상된다는 것은 분명하다.
예 5b
이들 바로 6개의 층들이 다시 연구된다. 그러나 여기에서, 예 4b와 같이, 백색 LED가 백열등 대신 광원으로서 사용된다. (우선 트위스팅 센스를 갖는) 단일 층들에 대한 반사의 세기는 표 15에서 녹색 및 적색 포함 염료들을 위한 것들인, 각각의 이중층들의 반사 세기와 비교된다.
Figure pct00021
이들 데이터들은 콜레스테릭 층에의 염료의 포함의 효과가 또한 백색 LED를 이용한 조명에 대해 반사된 광의 세기를 현저히 향상시킨다는 것을 명확히 나타낸다.
I. 총설
1. 도면들중 부분 a 및 b의 분할
개별 도면들 중 각각의 제 1 부분들 (즉 "a"로 라벨링된 부분들) 에서 비스위칭된 상태, 각각 더 강하게 흡수하는 상태, 각각 더 낮은 투과를 갖는 상태의 전기광학 스위칭 소자(들) 이 나타나 있다. 도면들 중 각각의 제 2 부분들 (즉 "b"로 라벨링된 부분들) 은 각각 상보적 상태 (complementary state) 를 나타낸다. 도 1b, 2b, 3a 및 3b에서 간결성을 위해, 단일 예시적 전기광학 스위칭 소자만이 나타나 있다. 도 1a, 2a, 4a, 4b, 5a 및 5b에서 3개의 스위칭 소자들, 각 컬러 (R, G, B) 에 대해 각각 하나씩 나타나 있다.
2. 광의 경로
도면들에서 폭이 넓은 화살표들은 광의 경로를 나타낸다.
3. 광의 컬러
R 적색,
B 청색 및
G 적색.
II. 참조 부호
1. 도 1a 및 도 1b:
101 이색성 염료
102 액정 분자
103 전극들
104 TFT
105 콜레스테릭 액정
106 입사광
107 반사광
2. 도 2a 및 도 2b:
201 이색성 염료
202 액정 분자
203 전극들
204 TFT
205 콜레스테릭 액정
206 입사광
207 하나 이상의 발광 성분들을 포함하는 재료
208 백라이트로부터의 광
3. 도 3a 및 도 3b:
301 대전 입자들
302 유체 매질
303 전극들
304 TFT
305 콜레스테릭 액정
306 입사광
307 하나 이상의 발광 성분들을 포함하는 재료
312 스위칭 소자의 셀의 프레임
4. 도 4a 및 도 4b:
401 대전 입자들
402 유체 매질
403 전극들
404 TFT
405 콜레스테릭 액정
406 입사광
407 하나 이상의 발광 성분들을 포함하는 재료
408 백라이트로부터 나오는 광을 갖는 백라이트
409 유전 쉴드 (dielectric shield)
410 반사광
411 백라이트로부터의 변환된 광
412 스위칭 소자의 셀의 프레임
5. 도 5a 및 도 5b:
501 폴리머 재료
502 저분자량 액정
503 전극들
504 TFT
505 콜레스테릭 액정
506 입사광
6. 도 6a 및 도 6b:
601 트위스트 볼
602 전기영동 매질
603 전극
604 박막 트랜지스터 (스위칭 소자)
605 콜레스테릭 액정층
606 주위광
607 콜레스테릭 액정층으로부터 반사된 광
613 트위스트 볼의 흑색 반구체
7. 도 7:
701 발광층
702 콜레스테릭 액정층
703 여기광
704 발광 부분으로부터의 방출된 광
8. 도 8:
801 발광층
802 콜레스테릭 액정층
803 여기광
804 발광 부분으로부터의 방출된 광
805 여기 광 반사층

Claims (16)

  1. 전기광학 스위칭 소자로서,
    - (가시) 광을 선택적으로 반사할 수 있는 하나 이상의 콜레스테릭 액정층들, 및
    - 광의 세기를 제어할 수 있는 전기광학 소자를 포함하는, 전기광학 스위칭 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    - (가시) 광을 선택적으로 반사할 수 있고, (상기) 광의 파장을 더 긴 값으로 시프트시킬 수 있는 하나 이상의 콜레스테릭 액정층들, 및
    - 광의 세기를 제어할 수 있는 전기광학 소자를 포함하는, 전기광학 스위칭 소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    - (가시) 광을 선택적으로 반사할 수 있는 하나 이상의 콜레스테릭 액정층들,
    - (상기) 광의 파장을 더 긴 값으로 시프트시킬 수 있는 하나 이상의 다른 층들 및
    - 광의 세기 (투과/반사/산란) 를 제어할 수 있는 전기광학 소자를 포함하는, 전기광학 스위칭 소자.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - (예를 들면, 백라이트로서) 조명 수단을 포함하는, 전기광학 스위칭 소자.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    여기광을 선택적으로 반사시키는 수단을 포함하는, 전기광학 스위칭 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    여기광을 선택적으로 반사시키는 수단을 포함하고, 상기 여기광을 선택적으로 반사시키는 수단은 콜레스테릭 액정 재료를 포함하는, 전기광학 스위칭 소자.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광의 세기를 제어할 수 있는 전기광학 소자는 액정 재료를 포함하는, 전기광학 스위칭 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 전기광학 소자는 다음의 액정 스위칭 소자들의 그룹으로부터 선택되는 액정 스위칭을 포함하는, 전기광학 스위칭 소자.
    - 하나 이상의 이색성 염료들을 포함하는 액정,
    - (예를 들면, PDLC, NCAP 또는 PN과 같은) 폴리머 성분 및 저분자량을 갖는 성분을 포함하는 액정의 복합재 및
    - (예를 들면, SA 상 변화 재료 또는 콜레스테릭 상 변화 재료와 같은) 상 변화 액정 재료.
  9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광의 세기를 제어할 수 있는 전기광학 소자는 전기영동 스위칭 소자인, 전기광학 스위칭 소자.
  10. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광의 세기를 제어할 수 있는 전기광학 소자는 일렉트로 자이릭 스위칭 소자 (electro-gyric switching element) 인, 전기광학 스위칭 소자.
  11. 제 10 항에 기재된 전기광학 스위칭 소자들의 어레이로서,
    광 변환 수단은 적층된 층들 또는 필름들로 이루어진 층인, 전기광학 스위칭 소자들의 어레이.
  12. 제 10 항에 기재된 전기광학 스위칭 소자들의 어레이로서,
    광 변환 수단은 3개의 컬러들, 적색, 녹색 및 청색 각각에 대한 분리된 영역들을 갖는 공간적으로 구조화/패턴화된 층의 형태를 갖는, 전기광학 스위칭 소자들의 어레이.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 기재된 전기광학 스위칭 소자들의 어레이를 포함하는, 전기광학 디스플레이.
  14. 제 13 항에 있어서,
    어레이 액티브 매트릭스, 예를 들면, 상기 전기광학 디스플레이를 어드레싱할 수 있는 TFT들의 매트릭스를 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이.
  15. 전기광학 디스플레이에서의 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항 기재된 전기광학 스위칭 소자의, 또는 제 11 항 또는 제 12 항에 기재된 전기광학 스위칭 소자들의 어레이의 용도.
  16. 정보의 디스플레이를 위한 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항 기재된 전기광학 스위칭 소자의, 또는 제 11 항 또는 제 12 항에 기재된 전기광학 스위칭 소자들의 어레이의 용도.
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