KR20150006448A - 전기-광학 스위칭 소자 및 전기-광학 디스플레이 - Google Patents

전기-광학 스위칭 소자 및 전기-광학 디스플레이 Download PDF

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KR20150006448A
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마사요시 스즈키
나오야 후지와라
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메르크 파텐트 게엠베하
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Abstract

본 발명은 전기-광학 스위칭 소자 및 이를 포함하는 디스플레이에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 적어도 광 반사층(1), 광 스위칭층(2), 및 하나 이상의 발광 물질(4)을 포함하는 광 변환층(3), 특히, 가시광을 선택적으로 반사하는 광 반사층(1), 광 반사층(1)에 의해 투과된(6) 및/또는 반사된(8) 광의 양을 조절하는 광 조절 소자(2), 및 광 조절 소자(2)에 의해 투과된 광(6,8)의 파장을 더 킨 값으로 이동시키는 광 변환층(3)을 포함하는 전기-광학 스위칭 소자에 관한 것이다. 본 디스플레이는 밝은 또는 어두운 조건 하에서 적은 전력 소비로 밝은 이미지를 제공한다. 그들은 소위 액정, 전자 종이(e-paper) 및 MEMS 스위칭 용도에 특히 적합하다.

Description

전기-광학 스위칭 소자 및 전기-광학 디스플레이{ELECTRO-OPTICAL SWITCHING ELEMENT AND ELECTRO-OPTICAL DISPLAY}
본 발명은 전기-광학 스위칭 소자 및 전기-광학 디스플레이에서의 그의 용도, 및 이들 디스플레이에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 밝은 주변 광 조건 하에서 탁월한 가시성을 갖고 따라서 낮은 전력 소비를 갖는 밝은 이미지를 야기하고, 추가적으로 장기 신뢰성을 특징으로 하는 전기-광학 스위칭 소자에 관한 것이다. 이들 전기-광학 스위칭 소자들은 적어도 광 반사층, 광 스위칭층 및 하나 이상의 발광 성분(moiety)을 포함하는 광 변환층을 포함한다. 본 발명에 따른 전기-광학 스위칭 소자는 소위 액정, 전자 종이(e-paper) 및 멤스(MEMS) 스위칭 용도에 특히 적합하다.
조명으로서, 선택적으로 형광 염료를 포함하는, 나선 구조를 갖는 액정 물질 및/또는 그렇지 않은 경우 액정 나선 구조에 의한 주변 광의 전형적인 강한 선택적 반사를 회피하는 것에 의한 향상된 콘트라스트(contrast)를 갖는 반사 물질을 사용하는 전기-광학 스위칭 소자들이 공개된 일본 특허 출원 JP 2008-233915 (A)에 기재되어 있다.
광(예를 들어, 주변 광 및/또는 백라이트 시스템으로부터의 광)을 변환할 수 있는 광 변환 수단으로서, 선택적으로 형광 염료를 포함하는, 나선 구조를 갖는 액정 물질을 사용하는 전기-광학 스위칭 소자들이 공개된 국제 특허 출원 WO2010/028728A에 기재되어 있으며, 상기 광 변환 수단의 각각은,
○ 비-편광된 광으로부터 선형 편광된 광 또는 원형 편광된 광 중 어느 하나로 광의 편광 상태를 변환시킬 수 있고, 동시에,
○ 선택적으로, 광의 파장을 더 긴 값으로 이동시킬 수 있다.
광(예를 들어, 주변 광 및/또는 백라이트 시스템으로부터의 광)을 변환할 수 있는 광 변환 수단으로서, 선택적으로 형광 염료를 포함하는, 하나 이상의 콜레스테릭 액정층을 포함하는 전기-광학 스위칭 소자들이 공개된 국제 특허 출원 WO2011/107215A에 기재되어 있으며, 상기 광 변환 수단의 각각은,
○ 비-편광된 광으로부터 선형 편광된 광 또는 원형 편광된 광 중 어느 하나로 광의 편광 상태를 변환시킬 수 있고, 동시에,
○ 선택적으로, 광의 파장을 더 긴 값으로 이동시킬 수 있다.
그러나, 높은 휘도, 주변 광 조건 하에서의 선명한 가시성, 낮은 전력 소비 및 넓은 프로세스 윈도우(process window)를 동시에 제공하는 어떠한 실제적인 디스플레이 장치도 앞서 언급한 선행문헌들의 개시내용에 의해 실현되지 못하였다.
본 발명자들은 앞서 언급한 문제점들의 원인에 대해서 열정적으로 분석하였고, 사실을 발견했다. 놀랍게도, 대부분의 경우, 레이저 염료와 같은 발광 성분들은 심지어 액체 물질이 사용되더라도 액정 물질과의 상용성이 충분하지 않았다. 이것이 발광 성분과 액정 물질의 열악한 균일성에 의하여 앞서 언급한 문제점들을 야기한다. 이는 또한 효율적인 발광 성분을 달성하기에 어려움을 야기한다.
앞서 언급한 지식에 근거하여, 본 발명자들은 문제점들을 해결하기 위하여 노력하였으며, 마침내 아래에서 설명하는 혁신적인 구조를 발견하였다.
본 발명에서, 전기-광학 스위칭 소자는 다음을 포함한다,
- 조명 광에 직면하는 방식으로 배열된, (가시)광을 선택적으로 반사할 수 있는 광 반사층의 하나 이상의 층들;
- 전압의 적용에 반응하여, 장치의 각 부품들에 의해 투과 및/또는 반사된 광의 강도를 조절할 수 있고, 광 반사층 위에 적층된, 하나 이상의 전기-광학 소자, 및
- (상기) 광의 파장을 더 큰 값으로 이동시킬 수 있고, 전기-광학 소자 위에 배열된, 광 변환층의 하나 이상의 층들.
바람직하게는 본원에 따른 전기-광학 스위칭 소자는 백라이트와 같은 조명 수단을 포함한다.
바람직하게는, 본원에 따른 전기-광학 스위칭 소자는 광 반사층 및 전기-광학 소자의 사이 및/또는 광 변환층의 반대면에 존재하는, 마이크로 렌즈 어레이와 같은, 하나 이상의 광 방향 변경층을 추가로 포함한다. 상기 광 반사 수단은 특정 파장 영역의 광을 선택적으로 반사할 수 있다.
바람직하게는, 본원에 따른 하나 이상의 전기-광학 스위칭 소자를 포함하는, 전기-광학 장치는 전자 디스플레이이다. 특히 바람직하게는, 그들은 "액정 디스플레이", "전자 종이" 및 "MEMS" 스위칭 디스플레이와 같은, 정보의 표시를 위한 디스플레이들이다. 그리고 가장 바람직한 디스플레이는 액정 디스플레이이다.
본 발명의 바람직한 구현예에서, 본 발명에 따른 전기-광학 장치는 광학 소자들의 독특한 조합 및 배열을 가져, 그들이 백라이트로부터의 광뿐만 아니라 반사된 주변 광을 사용할 수 있으며, 따라서, 그들은 낮은 전력 소비로 밝은 주변 광 조건에서 선명한 가시성을 갖는 밝은 이미지를 야기한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 전기-광학 스위칭 소자는 다음을 포함한다;
- 조명 수단(예를 들어, 백라이트)
- (가시)광을 선택적으로 반사할 수 있고 조명 수단 위에 적층된, 광 반사층의 하나 이상의 층들,
- 광의 강도를 조절할 수 있고, 광 반사층 위에 적층된, 전기-광학 소자, 및
- (상기) 광의 파장을 더 긴 값으로 이동시킬 수 있고, 전기-광학 소자 위에 배열된, 광 변환층의 하나 이상의 층들.
본 발명에 따른 전기-광학 장치에서, 하나 이상의 광학 요소는 그들이 백라이트 시스템으로부터의 빛을 상당히 효율적으로 사용하고, 추가로 백라이트 시스템으로부터의 방사선이 높은 에너지를 갖는 방사선을 포함하지 않는 방식으로 배열된다. 바람직하게는, 이는 어떠한 UV 방사선도 포함하지 않고, 더욱 바람직하게는 짧은 파장을 갖는 푸른 광 또한 포함하지 않는다. 바람직하게는, 광의 파장은 385nm 이상, 더욱 바람직하게는 420 nm이상, 및 가장 바람직하게는 430nm 이상이다.
본원에 따라 사용된 광 반사 수단은 상이한 형태를 가질 수 있다. 바람직한 구현예에서, 그들은 거의 편평하고, 필수적으로 연속적인 층이며, 바람직하게는 필수적으로 디스플레이의 스위칭 소자를 덮는, 하나 이상의 층들을 포함한다. 반사 수단은 바람직하게는, 예를 들어, 디스플레이의 픽셀 또는 서브-픽셀과 필수적으로 일치하는 것과 같이, 예를 들어 패턴화된 방식으로 구조화될 수 있다. 특히, 광 반사층이 콜레스테릭 액정층일 경우, 콜레스테릭 액정을 방해하는 것이 바람직하고, 시야각의 관점에서 일본 특허 출원 JP05-3823에 기재된 바와 같이 나선 축을 고의로 비틀어서(tilt) 콜레스테릭 액정 모폴로지(morphology)를 방해하는 것이 바람직하다.
전기-광학 소자가 빛의 강도를 조절할 수 있다는 표현은 전기-광학 소자를 통과한 투과광의 상태가 외부의 힘의 적용, 바람직하게는 전기적으로 어드레싱함에 의해, 적어도 한 상태에서 적어도 다른 상태로 변경될 수 있음을 의미한다. 투과광의 변화는 회색 색표(grey scale)의 표시를 가능하게 하기 위해, 거의 연속적일 수 있고, 바람직하게는 거의 연속적이다.
그러나, 쌍안정성(bistability)을 나타내는, 효과를 사용하는 전기-광학 소자를 사용하는 것이 또한 가능하다. 후자의 경우는 예를 들어 쌍안정 액정 셀과 같이, 에너지 사용을 절약하는 것이 요구되는, 용도를 위한 장치에서 종종 유익하게 사용된다.
본 발명에 따른 광 변환 수단은 색도 범위를 증가시키고, 백라이트로부터의 광의 분배의 균일성을 향상시키며, 짧은 파장을 갖는 광의 투과를 억제한다. 본 발명에 따라 사용된 광 변환 수단은 예를 들어, 하나 또는 수종의 유기 염료 및/또는 무기 형광체를 포함하는 단일층 형태를 갖거나, 또는 상이한 염료들 및/또는 무기 형광체들을 각 층에 포함하는 적층된 층들의 형태를 가질 수 있다. 그들은 또한 다소 연속적이거나 또는 공간적으로, 각각 패턴화된 구조일 수 있다.
도 1 및 도 2에, 본 발명의 장치의 제1 및 제2 구현예를 나타내었다. 백라이트(5), 광 반사층(1), 전기-광학 소자로서의 광 스위칭층(2), 및 광 변환층(3)이 백라이트(5)로부터의 광의 방향을 따라서 이 순서대로 배열되었다.
도 3 및 도 4는 마이크로-렌즈 어레이의 윤곽을 보여주는 개략도이다.
<도면의 부호에 대한 간단한 설명>
I. 일반적 설명
1. 광의 경로
도면에서 폭이 넓은 화살표는 광의 경로를 나타낸다.
2. 광의 색
R 적색,
G 청색 및
B 녹색
II . 참조 부호
1 광 반사층
2 광 스위칭층
3 광 변환층
4 발광 물질
5 백라이트
6 여기 광
7 주변 광
8 반사 광
9 방출된 광
10 여기 광 방지층
11 광 방향 변경층
12 광 방향 변경층
13 평행 광
14 탈출 또는 유입 광
도 1을 참조하면, 예를 들어, 하프 미러, BEF, 유전체 거울 및 콜레스테릭 액정층과 같이, 여기(exciting) 광(6)이 층을 통과할 수 있고, 주변 광(7)은 그 층에 의해 반사될 수 있다면, 임의의 층이 광 반사층(1)이 될 수 있다. 유전체 거울 및 콜레스테릭 액정층은, 반사 광 파장을 선택할 수 있고, 탈출 광이 완전히 통과할 수 있기 때문에, 둘 다 바람직하다. 실제적인 공정의 관점에서, 콜레스테릭 액정층이 광 반사층(2)으로서 더욱 바람직하다.
광 반사층(2)으로서, 콜레스테릭 액정층은 가시광 영역에서 선택적인 반사를 갖는다. 이 콜레스테릭 액정의 층은 바람직하게는 하부의 기판과 이 기판의 각 전극 사이에 위치하는 것이 바람직하다. 컬러 디스플레이를 실현하기 위해, 예를 들어 각각이 상이한 선택적인 반사의 파장을 나타내는 상이한 콜레스테릭 액정을 갖는, 3개의 이들 스위칭 소자가 편리하게 사용될 수 있다. 바람직하게는, 이들 상이한 콜레스테릭 액정의 각각은 3원색인 빨강(R), 초록(G) 및 파랑(B)의 각각에 상응하는 스펙트럼 영역에서의 선택적인 반사의 파장의 영역을 갖는다.
콜레스테릭 액정이 광 반사층(2)으로서의 액정층에 사용될 경우, 광 반사층(2)으로서의 액정층 내의 콜레스테릭 액정은 오직 하나의 트위스트 센스를 갖는데, 이는 장치가 오직 하나의 편광된 빛만을 사용하기 때문이다. 반면, 만약 전기영동(electrophoresis) 장치 또는 MEMS 스위칭 장치가 광 스위칭층(2)으로서 사용된다면, 광 반사층(2)으로서의 콜레스테릭 액정층은 두 개의 트위스트 센스를 가질 수 있다.
콜레스테릭 액정으로부터의 선택적인 반사에 의해 생성된 광은 반사된 광의 밝기의 오히려 강한 각도 의존성을 야기하는, 오히려 좁은 각도 분산을 특징으로 한다. 하지만, 이것은 콜레스테릭 액정층의 축의 배향의 의도적인 분배에 의해 감소할 수 있다. 이것은 일본 공개 특허 출원 JP 2005-003823 (A)에 나타난 바와 같은 시야의 증가를 야기한다.
빛의 양을 조절할 수 있는 한, 임의의 장치가 광 스위칭층으로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 액정 장치, 전기 영동 장치 및 MEMS 스위칭 장치가 사용될 수 있다.
광 스위칭층은 종래의 액정 디스플레이의 경우에서와 같이, 예를 들면 박막 트랜지스터(TFTs)를 사용하여, 액티브 매트릭스 구동 시스템에 의해 유익하게 어드레싱될 수 있다. 그러나, 광 스위칭층은 또한 직접 어드레싱되거나, 또는, 예를 들어 소위 "타임 멀티플렉스" 어드레싱에서의, 패시브 매트릭스 구동 시스템에 의해 어드레싱될 수 있다. 액정 장치가 광 스위칭층으로서 사용되는 경우에, 이들 2개의 후자의 경우들의 어드레싱은 액티브 구동 소자(예를 들어 TFT)의 매트릭스를 필요로 하지 않는다. 액티브 매트릭스 구동 시스템에서, 전형적으로, 그리고 바람직하게는, 액정 셀들이 사용되며 여기서 액정의 디렉터(director)는 저부 기판으로부터 상부 기판으로 셀을 통해 90°또는 약 90°의 절대값을 갖는 각도에 의해 트위스트된다("TN" 구성). 대조적으로, 패시브 매트릭스 구동 시스템을 사용하는 디스플레이에서, 액정의 디렉터는 180° 내지 270°의 범위, 바람직하게는 240° 내지 270° 범위의 절대 값을 갖는 각도에 의해 트위스트된다("STN" 구성).
광 변환층(3)은 여기 광(6)을 흡수하고 그것을 방출 광(9)으로서 더 긴 파장의 광으로 변환하는, 인광 및/또는 형광 염료와 같은, 발광 물질(4)을 함유하는 층이다. 발광 물질이 예를 들어 에폭시 수지 아크릴레이트 수지, 노볼락 수지, 실록산 및/또는 폴리스티렌이 사용될 수 있는, 통상의 플라스틱 물질에서 분산될 수 있는 한, 임의의 물질이 광 변환층(3)을 위한 매질로서 사용될 수 있다.
컬러 디스플레이를 실현하기 위해, 예를 들어, 각각이 상이한 파장의 선택적인 파장 변환을 나타내는 광 변환층을 갖는, 3개의 이들 스위칭 소자들이 편리하게는 사용될 수 있다. 바람직하게는, 이들 상이한 광 변환층 각각은 3원색인 빨강(R), 초록(G) 및 파랑(B)의 각각에 상응하는 스펙트럼 영역에서의 선택적인 파장 변환의 파장의 영역을 갖는다. 도 1에, 3원색인 빨강(R), 초록(G) 및 파랑(B)이 묘사되어 있다. 이 3색이 디스플레이 장치에 따라서 항상 필수적인 것은 아니다. 이를테면, 3색은 디스플레이 장치의 요구에 따라 중첩(pile)될 수 있다.
여기 광(106)은 광 스위칭층(2)이 열렸을 때 이를 통과하고 방광 물질(4)을 여기시키며, 따라서 픽셀이 성장한다. 방출된 광(9) 및 주변 광(7)의 양(강도)는 둘 다 광 스위칭층에 의해 조절된다.
하나 이상의 발광 물질(4)을 포함하는 물질로서, 여기의 광을 흡수하고 또한 광을 방출하는 모든 물질이 사용될 수 있다. 유기 형광 염료 및/또는 무기 형광체가 사용될 수 있다. 작은 스토크 시프트(Stokes shift)를 갖는 염료들이 사용될 경우, 주변 광은 여기를 위한 광으로서 사용될 수 있다. 470nm의 파장을 갖는 청색 광을 방출하는 및/또는 470nm보다 짧거나, 심지어 더욱 바람직하게는, 400nm 보다 더 짧은 파장들을 갖는 광을 방출하는, 백라이트(5)가 여기를 위해 사용될 때 더 밝은 이미지들이 얻어질 수 있다. 여기를 위한 백라이트(5)로서, 무기 발광 다이오드(LED), 유기 발광 다이오드(OLED) 또는 형광 램프 또는 레이저가 사용될 수 있다.
유기 염료로서, 레이저 염료 및/또는 유기 발광 다이오드에 사용되는 발광성 염료와 같은, 다양한 종류의 형광 염료 및 인광 염료가 유익하게 사용될 수 있다. 각각의 레이저 염료들은 일본의 인데코(Indeco Corporation)를 통해 미국의 엑시톤(Exciton Corporation)으로부터 상업적으로 이용가능한 반면, 다른 적합한 염료들은 캐나다의 아메리칸 다이 소스(American Dye Sources Inc.)로부터 상업적으로 이용가능하다.
본원에서 사용될 수 있는 청색 스펙트럼 영역 내의 방출 파장을 갖는 레이저 염료들은, 예를 들어, 일본의 인데코를 통해 미국의 엑시톤으로부터 상업적으로 이용가능한, 예를 들어, 쿠마린460(Coumarin460), 쿠마린480, 쿠마린481, 쿠마린485, 쿠마린487, 쿠마린490, LD489, LD490, 쿠마린500, 쿠마린503, 쿠마린504, 쿠마린504T 및 쿠마린515이다. 이들 레이저 염료 외에 페릴렌, 9-아미노-아크리딘, 12(9-안트로일옥시)스테아르산, 4-페닐스피로[푸란-2(3H),1'-푸탈란]-3,3'-디온, N-(7-디메틸아미노-4-메틸쿠마리닐)-말레이미드 및/또는 캐나다의 아메리카 다이 소스로부터 상업적으로 이용가능한, 염료 ADS135BE, ADS040BE, ADS256FS, ADS086BE, ADS084BE와 같은, 청색 스펙트럼 영역에서 방출을 갖는 형광 염료가 또한 사용될 수 있다. 이들 염료들은 본 발명에 따라 개별적으로 또는 적절한 혼합물 형태 중 어느 하나로 사용될 수 있다.
본원에 사용될 수 있는, 녹색 스펙트럼 영역에서 방출하는 레이저 염료는 상업적으로 이용가능하다: 예를 들어, 일본의 인데코를 통해 미국의 엑시톤으로부터의 쿠마린522, 쿠마린 522B, 쿠마린525 및 쿠마린540A와 미국의 시그마-알드리치(Sigma-Aldrich)의 자회사인 일본의 시그마-알드리치(Sigma-AldrichLtd.)로부터의 쿠마린 6,8-히드록시-자이놀린*. 이들 레이저 염료 외에 캐나다의 아메리칸 다이 소스로부터의 염료 ADS061GE, ADS063GE, ADS108GE, ADS109GE 및 ADS128GE와 같은 녹색 스펙트럼 영역에서 방출을 갖는 형광 염료들 역시 사용될 수 있다. 또한, 이들 염료들은 본 발명에 따라 개별적으로 또는 적절한 혼합물 형태 중 어느 하나로 사용될 수 있다.
본원에 사용될 수 있는 적색 스펙트럼 영역에서 방출하는 레이저 염료는 상업적으로 이용가능하다: 예를 들면 일본의 인데코를 통해 미국의 엑시톤으로부터의 DCM, 플루오롤(Fluorol) 555, 로다민(Rhodamine) 560 퍼클로레이트, 로다민 560 클로라이드 및 LDS698. 또한, 캐나다의 아메리칸 다이 소스로부터 상업적으로 이용가능한 ADS055RE, ADS061RE, ADS068RE, ADS069RE 및 ADS076RE와 같은 적색 스펙트럼 영역에서 방출을 갖는 형광 염료가 사용될 수 있다. 또한, 이들 염료들은 본 발명에 따라 개별적으로 또는 적절한 혼합물 형태 중 어느 하나로 사용될 수 있다.
대안적으로는, 유기 염료로서, 유기 발광 다이오드(OLED)를 위해 개발된 발광 염료들이 또한 본원에서 사용될 수 있다. 색을 변환할 수 있는, 일본 특허 JP 2795932 (B2)에 기재된 것들과 같은, 염료들이 본 발명에 따라 사용될 수 있다. S. A. Swanson 등의 논문, Chem. Mater., Vol.15, (2003) pp.2305-2312에 기재된 염료들이 또한 유익하게 사용될 수 있다. 일본 특허 출원 JP 2004-263179 (A), JP 2006-269819 (A) 및 JP 2008-091282 (A)에 기재된 적색뿐만 아니라, 청색 염료, 및 녹색 염료들이 또한 사용될 수 있으며, 특히, 적색 염료들에 대해, UV 방사선 또는 청색 광을 변환하는, 녹색 발광 염료들이, 공개된 일본 특허 출원 JP 2003-264081 (A)에 기재된 바와 같은 녹색 광을 흡수하고 적색 광을 방출하는, 적색 광 방출 염료들과 조합하여 사용될 수 있다. 이들 염료들은 대부분 일반적으로 그들이 각각의 참조문헌들에 의해 기재된 바와 같이 사용될 수 있다. 그러나, 예를 들어 알킬 사슬의 도입 또는 알킬 사슬의 수정에 의한 것과 같이, 잘 알려진 수단에 의해 그들의 화학 구조들을 약간 수정하여, 그들의 유기 용매 내에서의, 특히 액정 내에서의 용해도를 증가시키는 것이 필요할 수 있다.
청색 무기 형광체로서, 공개된 일본 특허 출원 JP 2002-062530 (A)에 기재된 바와 같은 Cu 활성화된 아연 설파이드 형광체 및/또는 공개된 일본 특허 출원 JP 2006-299207 (A)에 기재된 바와 같은 Eu 활성화된 할로 포스페이트 형광체, Eu 활성화된 알루미네이트 형광체가 사용될 수 있다. 녹색 무기 형광체로서, 공개된 일본 특허 출원 JP 2006-299207 (A)에 기재된 바와 같은 Ce 또는 Tb 활성화된 희토류 원소 보레이트 형광체가 사용될 수 있다. 적색 방출을 위해서, 공개된 일본 특허 출원 JP 2006-299207 (A)에 기재된 바와 같은 Eu 활성화된 란탄 설파이드 형광체 또는 Eu 활성화된 이트륨 설파이드 형광체가 사용될 수 있다. 공개된 일본 특허 출원 JP2007-063365 (A)에 기재된 바와 같은, 컬러 중심으로서 BaS 및 Cu2 +로 이루어지는 황색 형광체, 및 공개된 일본 특허 출원 JP 2007-063366 (A)에 기재된 바와 같은, 컬러 중심으로서 Ba2ZnS3 및 Mn2 +로 이루어지는 적색 형광체가 또한 사용될 수 있다. 앞서 언급한 일본 특허 JP 3503139 (B2)에 기재된 바와 같은 Ce 활성화된 가넷 형광체, 공개된 일본 특허 출원 JP 2005-048105 (A)에 기재된 바와 같은 적색 형광체, 공개된 일본 특허 출원 JP 2007-262417 (A)에 기재된 바와 같은 베타-시알론(beta-sialon) 녹색 형광체, 및 Ca 알파-시알론(alfa-sialon) 적색 형광체가 또한 사용될 수 있다. 위에서 언급된 형광체들은 기반 물질(ground material)로서 및/또는 광 변환층에 분산된 표면 개질 물질로서 사용될 수 있다. WO 2006/017125에 기재된 바와 같은 양자점(Quantum dot)이 또한 사용될 수 있다.
본 발명의 제2 구현예를 도 2에 나타내었으며, 여기에서, 백라이트 또는 주변 광으로부터의 광을 평행 광으로 만들 수 있는 각각의 광 방향 변경층(11)(12)이 광 스위칭층(2)의 두 바깥면의 하나 이상에 설치된다. 각각의 광 방향 변경층(11)(12)은 광 스위칭층(2)의 바깥면의 임의의 곳에 위치될 수 있다. 이를 관측 방향에 대해서 전체 장치의 상부, 및 백라이트(5)와 백라이트 쪽의 광 반사층(1) 사이에 위치시키는 것이 바람직하다. 각각의 광 방향 변경층(11)(12)은 보통 마이크로-렌즈 어레이로 구성되고, 이는 픽셀 크기가 작고 두꺼운 기판이 광 스위칭층(2)에 사용되는 경우에도 시차 문제를 해결할 수 있다.
마이크로-렌즈 어레이의 형태와 관련하여, 그의 피치(pitch)는 픽셀 크기보다 작은 것이 소망되고, 바람직하게는, 마이크로-렌즈 어레이와 디스플레이 픽셀 사이의 정렬의 복잡성을 피할 수 있도록, 피치는 픽셀의 짧은 면의 절반보다 더 작다.
도 3은 마이크로-렌즈 어레이의 윤곽을 보여준다. 마이크로-렌즈 어레이는 구의 일부인 표면 형상을 갖는다. 도 3에서 나타낸 바와 같이, 물질의 임계 각을 α라 할 때, 마이크로-렌즈의 하나의 모서리는 원뿔의 각이 α인 점이다. 구의 반경을 r이라 하고, 마이크로-렌즈의 피치를 L이라 했을 경우, r은 L/(2sinα)와 같다.
도 3 및 도 4에서, 물질 굴절률 n은 1이고, 이웃하는 층은 공기이고 그것의 굴절률은 1.45로 가정된다. 도 3 및 도 4에서 평행 광은 마이크로-렌즈를 방정식 Θ=β-α(여기서, β는 스넬의 법칙(Snell's law)에 의해 결정되는 각이다)에 의해 주어지는 각 Θ로 탈출한다(또는 들어온다)(도 3).
마이크로-렌즈 어레이는 광-리소그래피(photo-lithography) 기술 또는 나노-인프린팅(nano-inprinting) 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 나노-인프린팅 기술이 대량 생산의 관점에서 바람직하다. 광-리소그래피 기술에서, 수지는 코팅되고, 적절한 광 마스크를 통한 UV 광 노출과 수지 성장 이후, 에칭에 의해 원하는 형상으로 형성된다. 반면, 나노-인프린팅 기술에서, 몰드(mold)가 포토-리소그래피 기술을 사용하여 제조되고, 나노-인프린팅 공정에서, 열중합 수지 또는 광-중합성 수지의 어느 하나(또는 둘 다)로 구성된 수지가 몰드에 의해 복제된다.
다른 구현예에서, 의도적으로 콜레스테릭 액정층의 트위스트 축을 어긋나게 하는 것(disturbing)은 예를 들어 일본 공개 특허 출원 JP 2005-003823 (A)에 기재된 바와 같이 시야(field of view)를 향상시키는데 효과적이다. 그러나, 본 구현예에서, 모든 콜레스테릭 액정층의 트위스트 축들이 하나의 같은 방향으로 배향되는 것이 매우 바람직하다. 이 타입의 배향은, 예를 들어, 다음의 프로세스에 의해 오히려 용이하게 실현될 수 있다. 배향층은 기계적으로 러빙(rubbing) 및/또는 광화학적으로 처리되고, 콜레스테릭 액정층은 배향층의 상부에 코팅된다. 다음으로, 콜레스테릭 액정층은 그의 투명점(즉, 등방성 상으로의 전이 온도) 위의 온도로 가열되고, 그 다음에 주위 온도로 점차적으로 냉각되게 한다.
상 변화 모드에서 동작하는 액정 셀은 PDLC 모드에서 동작하는 셀 또는 필름 대신 사용될 수 있다. 상 변화 모드에서 동작하는 셀에 사용되는 액정 물질은 바람직하게는 스멕틱(smectic) 물질, 바람직하게는 SA 상을 나타내는 물질, 또는 적절한 피치의 콜레스테릭 물질 중 어느 하나일 수 있다. 바람직하게는 콜레스테릭 물질이 사용된다. 이들 액정 셀은 산란 모드에서 사용되고, 따라서 편광판의 사용을 필요로 하지 않는다. 사용된 콜레스테릭 액정은 바람직하게는 그의 상태가 그의 산란하는 포컬 코닉(focal conic) 배향에서 그의 평면형(planar)(또는 호메오트로픽(homeotropic)) 투명 상태로 변화한다. 이들 전기-광학 모드는, 그들이 메모리 효과를 나타낼 때, 특히 유용하다.
대안적으로는, "광대역(broad-band)" 반사 콜레스테릭 액정, 즉, 광범위한 파장을 갖는 "선택적인" 반사를 나타내는 콜레스테릭 액정의 층이 적용될 수 있다. 그러한 광대역 반사 콜레스테릭 액정은, 예를 들어 층의 두께 전체에 걸쳐 위치의 함수로서 점차적으로 변화하는, 콜레스테릭 피치를 갖는 콜레스테릭층을 제조하는 것에 의해 실현될 수 있다. 그러한 층의 제조는 간단하고 쉽다.
제 1 광대역 콜레스테릭 액정층의 그것과 비교하여 반대의 트위스트의 트위스트 센스를 갖는 제 2 광대역 콜레스테릭 액정층의 부가는 가장 밝은 이미지가 실현되게 한다.
자연 주변 광 외에, 그리고 만약 발광 물질을 야기시키는 광이 조사된다면, 예를 들어 400 nm 내지 470 nm 범위의 파장을 갖는 광이 바람직하게는 조사에 사용된다. 그러면 더 밝은 이미지들이 흐릿하거나 어두운 조명 조건 하에서도 디스플레이될 수 있다.
본원에 따르면, 여기를 위해 사용되는 광은 바람직하게는 400nm 이상의 파장을 갖는 광, 즉, 자색 광을 포함하지만, UV 방사선을 포함하지 않는 광이며, 바람직하게는 420nm 이상, 가장 바람직하게는 430nm 이상의 파장을 갖는 광이다.
본 발명에 따르면, 모든 알려진 LCD 모드들이, 예를 들어, 트위스트 네마틱(TN) 모드 및 수직 배향(VA) 모드와 같은 전기-광학 소자로서의 액정 스위칭층에 적용될 수 있다.
본원의 바람직한 구현예들은 또한 본원으로 출원된 청구항들로부터 전문가에 명백하며, 이는 이 관점에서 본원의 개시내용의 일부를 형성한다.
융점 T(C,N), 스멕틱(S)에서 네마틱(N) 상으로의 전이 T(S,N) 및 액정들의 투명점 T(N,I)은 섭씨 온도로 주어진다.
본원에서, 모두 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 모든 온도들은 백분도(섭씨 온도, 짧게 ℃)로 주어지고, 모든 물리적 데이터는 20°C의 온도에 적용되며, 모든 농도들은 중량 백분율(%, 각각 중량%)이다.
실시예
다음의 실시예에 의해 본 발명을 더 상세히 예시한다. 이들은 본 발명을 예시하기 위한 것이지만, 본 발명을 어떤 식으로든 제한하지는 않는다.
그러나, 본 발명에 의해서 달성될 수 있으며, 또한 특히, 그 범위에서 수정될 수 있는, 조성, 구성 및 물리적 성질들을 포함하는, 상이한 구현예들은 전문가에게 매우 잘 예시한다. 특히, 바람직하게는 달성될 수 있는 다양한 물성들의 조합이 따라서 전문가를 위해 잘 정의되어 있다.
실시예 1
광 반사층으로서 청색 선택적 반사에 상응하는, 콜레스테릭 액정층을 독일의 머크(Merck) KGaA로부터 상업적으로 이용가능한 광개시제를 포함하는 반응성 메소겐의 혼합물인, 광중합성 액정 물질 RMM34C을 이용하여 제조하였다. 키랄 도펀트는 우선(right-hand) 트위스트를 위한 BDH1281(역시 머크 KGaA로부터 이용가능)였다. 키랄 도펀트의 농도는 4.54% (B)였다.
유리 기판을 일반적으로 세정 및 건조하고, 그 다음 일본의 칸토 화학(Kanto Chemical Co. Ltd.)으로부터의 폴리비닐알코올(PVA)의 수용액을 1,500rpm에서 스핀-코팅에 의해 도포하였다. 그 다음 기판을 3 분간 80℃의 온도에서 예열하고, 30 분간 80℃의 온도에서 경화하였다. 후속하여 기판을 일 방향으로 러빙하였다. 키랄 도펀트 BDH1281로 도핑된 RMM34C를 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트(PGMEA)에 용해시키고, 60% 용액을 러빙된 PVA로 덮인 기판 상에 2,000 rpm으로 스핀-코팅하였다. 그 다음 기판을 3분간 100℃의 온도에서 건조하였다. 이 프로세스에 의해 형성된 콜레스테릭 액정 구조를 365nm의 파장을 갖는 UV에 의한 (1,200 ± 50) mJ/cm2의 조사에의 노출에 의해 개시되는 중합화에 의해 안정화시켰다.
광 변환층으로서 청색을 위한 실록산층을 일본의 아데카(Adeka Co.)로부터 상업적으로 입수가능한 광 중합성 실록산 FX-V5500 및 청색 염료 SEB-105(독일의 머크 KGaA로부터 상업적으로 입수가능함)를 사용하여 제조하였다. 청색 염료를 FX-V5500에 0.5중량%의 농도로 혼입하였다. 청색 염료로 도핑된 FX-V5500를 PGMEA에 용해시키고, 67% 용액을 깨끗한 유리 기판 상에 1,500rpm에서 스핀 코팅한 다음, 3분간 100℃에서 구웠다. 이 공정에 의해 형성된 실록산 구조를 365nm의 파장을 갖는 UV에 의한 360mJ/cm2의 조사에의 노출에 의해 개시되는 중합화에 의해 안정화시켰다.
광 스위칭층으로서의 VA LC 셀을 MLC-6608에 호메오트로픽 배향을 유도하는, JSR Corporation으로부터 구입한 상업상 명칭 JALS-2096-R1의 폴리이미드로 덮인 패턴화된 ITO 전극을 갖는 10㎛ 두께의 빈 LC 셀 및 MLC-6608을 사용하여 얻었다. MLC-6608을 빈 LC 셀에 주입하고 캡슐화하였다. 그 다음 LC 셀을 R-원형 편광판 및 LC 셀에 대면하는 그의 4분의 1 파장판의 측면을 갖는 L-원형 편광판(일본의 메칸 이미징(MeCan Imaging Inc.)로부터 입수한)에 의해 샌드위치시켰다. MLC-6608의 물리적 성질을 표 1에 나타내었다.
[표 1]
MLC -6608의 물리적 성질
Figure pct00001

여기에서, 오직 우선(right-hand) 원형 편광된 광만을 투과시키는 (일본의 메칸 이미징으로부터의) R-원형 편광판은 광범위한 파장을 갖는 4분의 1 파장판을 선형 편광판에 배치하여 그의 광축이 편광판의 투과축에 대해 45°만큼 시계 방향으로 트위스트되게 함으로써 실현될 수 있다. 좌선 센스의 회전을 갖는 원형 편광된 광만을 투과시키는 (일본의 메칸 이미징으로부터의) L-원형 편광판은 선형 편광판 및 4분의 1 파장판의 조합으로 이루어지고, 여기서 4분의 1 파장판의 지상축(slow axis)이 편광판의 흡수축(absorption axis)에 대해 45°만큼 회전된다.
샘플들을 아래에 나열하였다. 400nm LED 광원, 콜레스테릭 LC 층, VA LC 셀, 및 청색 염료로 도핑된 실록산층을 저부에서 상부로 이 순서대로 위치시켰다.
나열된 샘플들의 제조된 광 변환층의 방출 스펙트럼은 CS-1000(일본의 코니카 미놀타 홀딩스(Konica Minolta Holdings, Inc.)) 휘도계 및 400nm LED 광원을 사용하여 수직 방향으로부터 측정하였다. 여기 광은 400nm LED 광원으로부터 나온다. 샘플들의 제조된 광 반사층의 반사 스펙트럼을 휘도계 CS-1000 및 반사 스펙트럼 측정을 위한 광원으로서, 도란-제너 산업(Dolan-Jenner Industries, Inc.)으로부터의 파이버 라이트 모델(Fiber Lite Model) 190 백열 램프를 이용하여 측정하였다. 입사광은 기판에 대해 수직 방향으로부터 20°기울어져 있고, 반사는 수직 방향으로부터 검출되었다. 400nm LED 광원으로부터의 여기 광의 강도는 5mW/cm2이고, 백열 램프의 강도는 1,820㎼/cm2였다.
LC 셀에 적용된 전압에 대한 방출 강도를 표 2에 나열하였다. 명확하게 알 수 있듯이, LC 셀에 의해 400nm LED 광원으로부터의 여기 광을 조절함에 기인하여, 청색 광 방출 강도는 LC 셀에 의해 조절되었다.
[표 2]
방출 강도 I(W/( sr ·m 2 · nm )) vs . LC 셀에 적용된 전압
Figure pct00002

LC 셀에 적용된 전압에 대한 반사 강도를 표 3에 나열하였다. 명확하게 알 수 있듯이, LC 셀에 의해 백열 램프로부터의 입사광을 조절함에 기인하여, 청색 광 반사 강도는 LC 셀에 의해 조절되었다. 적용 전압이 0V일 때의 다소간 남아있는 반사는 샘플의 표면 반사에 기인하며, 만약 반사-방지 코팅이 사용된다면 제거된다.
[표 3]
반사 강도 I(W/( sr ·m 2 · nm )) vs . LC 셀에 적용된 전압
Figure pct00003

명확하게 알 수 있듯이, 방출 및 반사 강도 모두는 동일한 방식으로 LC 셀의 액정층에 의해 조절될 수 있다.
실시예 2
실시예 1에서와 유사한 방식으로, 콜레스테릭 액정층 및 녹색 형광 염료를 갖는 실록산층을 다음과 같이 제조하였다. 콜레스테릭 액정층을 독일의 머크 KGaA로부터 상업적으로 이용가능한 키랄 도판트 BDH1281로 도핑된, 광중합성 액정 물질 RMM34C(역시 머크 KGaA로부터 이용가능함)을 사용하여 제조하였다. RMM34C 내의 키랄 도펀트의 농도는 3.78%였다. 광 변환층으로서 녹색을 위한 실록산층을 광 중합성 실록산 FX-V5500 및 시그마-알드리치로부터 상업적으로 이용가능한 쿠마린 6 및 쿠마린 500(인데코로부터 상업적으로 입수가능함) 녹색 염료를 사용하여 제조하였다. 녹색 염료인 쿠마린 6 및 쿠마린 500을 광-중합성 실록산 FX-V5500에 각각 0.5중량%의 농도로 혼입하였다. 다른 조건들은 실시예 1에서 설명한 바와 동일하다.
LC 셀에 적용된 전압에 대한 방출 강도를 표 4에 나열하였다. 명확하게 알 수 있듯이, LC 셀에 의해 400nm LED 광원으로부터의 여기 광을 조절함에 기인하여, 녹색 광 방출 강도는 LC 셀에 의해 조절되었다.
[표 4]
방출 강도 I(W/( sr ·m 2 · nm )) vs . LC 셀에 적용된 전압
Figure pct00004

LC 셀에 적용된 전압에 대한 반사 강도를 표 5에 나열하였다. 명확하게 알 수 있듯이, LC 셀에 의해 백열 램프로부터의 입사광을 조절함에 기인하여, 녹색 광 반사 강도는 LC 셀에 의해 조절되었다. 적용 전압이 0V일 때의 다소간 남아있는 반사는 샘플의 표면 반사에 기인하며, 만약 반사-방지 코팅이 사용된다면 제거된다.
[표 5]
반사 강도 I(W/( sr ·m 2 · nm )) vs . LC 셀에 적용된 전압
Figure pct00005

명확하게 알 수 있듯이, 방출 및 반사 강도 모두는 동일한 방식으로 LC 셀의 액정층에 의해 조절될 수 있다.
실시예 3
실시예 1 및 2에서와 유사한 방식으로, 콜레스테릭 액정층 및 적색 형광 염료를 갖는 실록산층을 다음과 같이 제조하였다. 콜레스테릭 액정층을 독일의 머크 KGaA로부터 상업적으로 이용가능한 키랄 도판트 BDH1281로 도핑된, 광중합성 액정 물질 RMM34C(역시 머크 KGaA로부터 이용가능함)을 사용하여 제조하였다. RMM34C 내의 키랄 도펀트의 농도는 3.00%였다. 광 변환층으로서 적색을 위한 실록산층을 광 중합성 실록산 FX-V5500 및 하야시바라 바이오케미칼 연구소(Hayashibara Biochemical Laboratories)로부터 상업적으로 이용가능한 NK-3590 및 쿠마린 515(인데코로부터 상업적으로 입수가능함) 적색 염료를 사용하여 제조하였다. 적색 염료인 NK-3590 및 쿠마린 515를 광-중합성 실록산 FX-V5500에 각각 0.19중량% 및 0.22중량%의 농도로 혼입하였다. 다른 조건들은 실시예 1에서 설명한 바와 동일하다.
LC 셀에 적용된 전압에 대한 방출 강도를 표 6에 나열하였다. 명확하게 알 수 있듯이, LC 셀에 의해 400nm LED 광원으로부터의 여기 광을 조절함에 기인하여, 녹색 광 방출 강도는 LC 셀에 의해 조절되었다.
[표 6]
방출 강도 I(W/( sr ·m 2 · nm )) vs . LC 셀에 적용된 전압
Figure pct00006

LC 셀에 적용된 전압에 대한 반사 강도를 표 7에 나열하였다. 명확하게 알 수 있듯이, LC 셀에 의해 백열 램프로부터의 입사광을 조절함에 기인하여, 적색 광 반사 강도는 LC 셀에 의해 조절되었다. 적용 전압이 0V일 때의 다소간 남아있는 반사는 샘플의 표면 반사에 기인하며, 만약 반사-방지 코팅이 사용된다면 제거된다.
[표 7]
반사 강도 I(W/( sr ·m 2 · nm )) vs . LC 셀에 적용된 전압
Figure pct00007

명확하게 알 수 있듯이, 방출 및 반사 강도 모두는 동일한 방식으로 LC 셀의 액정층에 의해 조절될 수 있다.
이들 데이터는 염료(들)을 실록산층 및 콜레스테릭 LC 층에 발광 성분 없이 혼입한 것의 효과가 발광 강도 및 광 반사 강도를 유효하게 향상시킨다는 것을 명확하게 보여주며, 나아가, 액정 물질 내의 발광 성분들의 균일성 문제를 해소하기 때문에, 효과적인 발광 성분들이 실록산층에 사용될 수 있다. 이는 다양한 선택들 중에서 최선의 방출 성분을 선택할 수 있어 상당히 유익하다.

Claims (13)

  1. - 광을 선택적으로 반사할 수 있는 광 반사층(1)의 하나 이상의 층,
    - 상기 광 반사층(1) 위에 적층된, 광의 강도를 조절할 수 있는 전기-광학 소자(2), 및
    - 상기 전기-광학 소자(2) 위에 배열된, (상기) 광의 파장을 더 긴 값으로 이동시킬 수 있는 광 변환층(3)의 하나 이상의 층
    을 포함하되,
    상기 광 반사층(1)은 전기-광학 소자(2)의 하부 면에 있고,
    상기 광 변환층(3)은, 상기 전기-광학 스위칭 소자의 관측자에 대면하도록 설계된 상기 전기-광학 소자(2)의 전면에 있는,
    전기-광학 스위칭 소자.
  2. - 발광 수단(5),
    - 상기 발광 수단(5) 위에 적층된, 광을 선택적으로 반사할 수 있는 광 반사층(1)의 하나 이상의 층,
    - 상기 광 반사층(1) 위에 적층된, 광의 강도를 조절할 수 있는 전기-광학 소자(2), 및
    - 상기 전기-광학 소자(2) 위에 배열된, (상기) 광의 파장을 더 긴 값으로 이동시킬 수 있는 광 변환층(3)의 하나 이상의 층
    을 포함하는 전기-광학 스위칭 소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 발광 수단(5)이 청색 발광 LED 광원인, 전기-광학 스위칭 소자.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 반사층(1)이 적어도 하나 이상의 콜레스테릭 액정 물질(들)로 이루어진, 전기-광학 스위칭 소자.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    (상기) 광의 파장을 더 긴 값으로 이동시킬 수 있는 상기 광 변환층(3)이, 형광 물질, 인광 물질 및 형광체의 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 발광 물질(4)을 포함하는, 전기-광학 스위칭 소자.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기-광학 스위칭 소자(2)가 하나 이상의 반사-방지층을 추가로 포함하는, 전기-광학 스위칭 소자.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기-광학 스위칭 소자(2)가, 광 반사층과 전기-광학 소자 사이 및/또는 광 변환층의 반대면에 위치된, 하나 이상의 광 방향 변경층(11) 또는 (12)을 포함하는, 전기-광학 스위칭 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    하나 이상의 광 방향 변경층(11) 또는 (12)가 마이크로 렌즈 어레이로 이루어진, 전기-광학 스위칭 소자.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 다수의 전기-광학 스위칭 소자로 이루어진 전기-광학 스위칭 소자의 어레이로서, 광 변환층(3)이 적색, 녹색 및 청색 3색 각각의 구분된 영역을 갖는 공간적으로 구조화/패턴화된 층의 형태를 갖는, 전기-광학 스위칭 소자의 어레이.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 전기-광학 스위칭 소자 또는 제 9 항에 따른 전기-광학 스위칭 소자의 어레이를 포함하는 전기-광학 디스플레이.
  11. 제 10 항에 있어서,
    디스플레이를 어드레싱(addressing)할 수 있는 어레이 활성 매트릭스를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기-광학 디스플레이.
  12. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 전기-광학 스위칭 소자 또는 제 9 항에 따른 전기-광학 스위칭 소자의 어레이의, 전기-광학 디스플레이에의 용도.
  13. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 전기-광학 스위칭 소자 또는 제 9 항에 따른 전기-광학 스위칭 소자의 어레이의, 정보의 디스플레이를 위한 용도.
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