KR20160052092A

KR20160052092A - 나노 액정층을 구비하는 표시 소자

Info

Publication number: KR20160052092A
Application number: KR1020140151887A
Authority: KR
Inventors: 황현하; 강승곤
Original assignee: 이미지랩(주)
Priority date: 2014-11-04
Filing date: 2014-11-04
Publication date: 2016-05-12
Also published as: KR101664981B1

Abstract

본 발명은 종래 전기영동 방식의 표시 소자나 마이크로캡슐 방식의 표시 소자와 같이 미소 사이즈의 캡슐을 기반으로 하는 표시 소자와 명확히 구분되는 구성상 차이점을 통해 발현되는 고유한 광학 특성을 갖는 나노 액정층을 구비하는 표시 소자에 관한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노 액정층을 구비하는 표시 소자는, 기판; 및 상기 기판의 상부에 형성되는 나노 액정층을 포함하고,
상기 나노 액정층은, 액정을 포함한 코어 물질과, 상기 코어 물질을 감싸는 고분자 쉘 (Shell)로 이루어진 복수의 나노 액정캡슐; 및 상기 복수의 나노 액정캡슐이 내부에 배치되어 있는 고분자 바인딩 매트릭스를 포함하며,
상기 복수의 나노 액정캡슐은, 200nm 이하의 평균 직경 사이즈로 형성되어, 상기 고분자 바인딩 매트릭스 내부에 30 % ~ 70 % 범위 내의 충진율을 갖으며 분산되게 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

나노 액정층을 구비하는 표시 소자{DISPLAY DEVICE HAVING THE NANO-SIZED LC LAYER}

본 발명은 표시소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 나노 사이즈의 액정캡슐로 이루어진 나노 액정층을 이용하여 구성된 액정 표시 소자에 관한 것이다.

다양한 산업분야에서 디스플레이 표시소자에 대한 요구는 꾸준히 증가되어 왔으며, 최근 들어 정보통신 기술의 급속한 발달에 따라 디스플레이 표시소자에 대한 다양한 요구에 부응하여 그 기술개발이 활발히 진행되고 있다.

특히, 최근에는 기존의 CRT를 대체하는 디스플레이로서 화질이 우수하면서도 경량, 박형 및 저소비전력 등의 다양한 장점을 갖는 액정표시소자(LCD)가 소형 화면의 휴대용 모바일 디스플레이부터, 중형 화면의 노트북 컴퓨터, 모니터, 및 대형 화면의 텔레비전에 이르기까지 다양한 응용 제품으로 제품화 되고 있다.

일반적으로 액정표시소자는 상·하판 두 장의 기판 사이에 액정을 주입하고, 여기에 가해지는 전기장의 세기를 조절하여 광 투과량을 조절하게 된다. 이때 주입되는 액정분자는 구조가 가늘고 길기 때문에 분자배열에 방향성을 가지게 되는데, 이러한 특징으로 인해 액정분자는 이방성(Anisotropy)의 성질을 가지게 된다. 액정의 경우 크게 광학적 이방성(Optical Anisotropy)과 유전율 이방성(Dielectric Anisotropy)의 두 가지 중요한 성질을 가지게 되는데, 이러한 액정분자의 독특한 성질을 활용하여 외부에서 인위적으로 가해주는 전기장의 세기를 조절함으로써 액정분자의 배열 방향을 제어하여 광 투과량을 조절하게 되는 것이다.

특히, 최근에는 액정 물질이 갖는 굴절률 이방성의 특징으로 인해 액정 패널을 보는 각도에 따라 색의 변화 및 대비비의 변화가 커져서, 시야각이 좁고 계조 반전이 일어나는 문제점을 해결하기 위하여, 광시야각을 갖는 액정표시장치의 개발이 요구되었으며, 이에 대한 대안으로 횡전계(IPS) 방식의 액정표시장치가 제안되었다.

도 1은 미국등록특허 제7787090호(특허문헌 1)의 개시된 종래 횡전계 방식 액정표시소자의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이다. 참고로, 도 1에서는 일반적으로 도시하는 편광판은 도시되어 있지 않았다.

종래의 횡전계 방식 액정표시소자는 도 1에 도시된 바와 같이 컬러필터(2)가 형성된 상판(1)과, 화소전극(6;Pixel Array)이 형성되어 있는 하판(7) 사이에 액정층(4)이 주입되고, 상기 액정(4)의 배향상태를 조절하기 위해 상·하판에 각각 배향막(3,5)이 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다.

이러한 종래 횡전계 방식 액정표시소자는 전극에 전압이 인가되지 않은 경우, 액정층은 배향막에 의한 초기 수평배향 상태를 그대로 유지하며 외부로부터 입사하는 빛에 영향을 주지 않고 그대로 통과시킴으로 블랙(Black) 상태를 구현하게 된다.

반면에, 전극에 전압이 인가되면, 횡전계 방식의 액정표시소자에는 화소 전극과 평행한 방향으로 전기장이 형성되어 이로 인해 액정의 배열이 변하게 되어 빛을 투과시킴으로써 화이트(White) 상태를 구현하게 된다.

그런데, 종래 횡전계 방식 액정표시소자는 기본적으로 상·하판 각각의 기판을 사용하여 두 개의 기판을 합착한 후에, 두 기판 사이에 액정을 주입하는 복잡한 액정공정을 거쳐서 제작되기 때문에 다음과 같은 여러 가지 문제점들을 가지고 있다.

첫째는 상·하판 각각의 기판을 사용함으로 인해 공정이 복잡해지는 문제점이 있다. 이처럼, 상·하판 기판을 별도로 제작한 후에 나중에 두 기판을 합착할 경우에는 얼라인먼트(Alignment) 공정이 추가로 필요한 단점이 있었다.

둘째는 액정을 배향시키기 위해 배향막 인쇄 및 러빙 공정이 필요한데 이러한 액정배향 공정으로 인해 수율이 저하되는 문제점이 있었다.

셋째는 상·하판의 기판을 합착하여 액정을 주입한 후에 일정한 간격(Gap)을 항상 유지시켜 주어야 하는 문제점이 있다. 이로 인해, 외부의 압력이나 충격에 의해 상·하판의 간격이 달라지게 되면 디스플레이 화질이 변하게 되는 문제점이 있다. 특히 기판이 휘어지거나 접을 수 있는 유연한 재질의 플렉서블 디스플레이의 경우는 이러한 상·하판의 일정한 간격 유지문제가 더욱더 심각해지는 단점이 있었다.

넷째는 이와 같은 전반적인 액정공정을 진행하기 위해서는 클린룸 환경 및 대규모의 시설투자가 필요하기 때문에 초기 투자비용이 과다하게 들어가는 문제점이 있었다.

특허문헌 1: 미국등록특허 제7787090호 (2010.08.31. 등록) 특허문헌 2: 일본공개특허 특개평 11-183937 (1999.07.09.공개) 특허문헌 3: 한국공개특허 제10-2011-0095634호 (2011.08.25.공개)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 나노 액정층을 기반으로 구성된 전혀 새로운 개념의 횡전계 방식 액정표시소자를 통해 디스플레이 패널 제조공정을 대폭 단순화시킬 수 있고, 화소전극이 형성되어 있는 백플레인 기판 하나로 액정표시소자를 만들 수 있으며, 특히 플렉서블 디스플레이를 구현함에 매우 적합한 특성을 갖는 나노 액정층을 구비하는 표시 소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 종래 전기영동 방식의 표시 소자나 마이크로캡슐 방식의 표시 소자와 같이 미소 사이즈의 캡슐을 기반으로 하는 표시 소자와 명확히 구분되는 구성상 차이점을 제시하고, 이러한 차이점으로 인해 발현되는 고유한 광학 특성을 갖는 나노 액정층을 구비하는 표시 소자를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노 액정층을 구비하는 표시 소자는, 기판; 및 상기 기판의 상부에 형성되는 나노 액정층을 포함하고,

상기 나노 액정층은, 액정을 포함한 코어 물질과, 상기 코어 물질을 감싸는 고분자 쉘 (Shell)로 이루어진 복수의 나노 액정캡슐; 및 상기 복수의 나노 액정캡슐들이 내부에 배치되어 있는 고분자 바인딩 매트릭스를 포함하며,

상기 복수의 나노 액정캡슐은, 200nm 이하의 평균 직경 사이즈로 형성되어, 상기 고분자 바인딩 매트릭스 내부에 30 % ~ 70 % 범위 내의 충진율을 갖으며 분산되게 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 나노 액정층은 2.0㎛ 내지 4.0㎛ 범위 내의 두께로 형성되고, 상기 액정캡슐의 코어 물질은 양의 유전율 이방성을 갖는 네마틱 액정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 나노 액정층을 구비하는 표시 소자에 의하면, 기존의 액정표시소자 대비 배향막 인쇄, 러빙(Rubbing), 합착, 액정주입 및 엔드실(End Seal) 등의 여러 제조 공정을 생략할 수 있어 전체적인 액정패널 제조공정을 단순화할 수 있다.

또한, 종래의 액정표시소자 제조 시에는 상·하판 기판을 각각 사용하기 때문에 이를 정밀하게 얼라인(Align)하여 합착하는 합착 공정이 필요하지만, 본 발명에 의하면 화소전극이 형성되어 있는 백플레인 기판 하나만으로 액정표시소자를 만들 수 있어 공정을 대폭 단순화할 수 있고, 전체적인 패널의 두께를 얇게 할 수 있다.

또한, 유연한 기판을 적용했을 경우, 외부 압력에 의한 액정배향 상태 변화가 없기 때문에 휘거나 접었을 경우에도 화상이 변하지 않고 유지될 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래 횡전계 방식 액정표시소자의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도.
도 2(a)는 종래 전기영동 방식의 표시 소자의 표면을 촬영한 현미경 사진.
도 2(b)는 종래 마이크로 액정캡슐 방식의 표시 소자의 표면을 촬영한 현미경 사진.
도 3(a)는 본 발명에 따른 나노 액정층의 표면을 분석한 주사전자현미경 (SEM) 사진.
도 3(b)는 도 3(a)의 나노 액정캡슐의 입도 분포를 나타낸 분석 데이터.
도 4는 나노 이멀젼과 매크로 이멀젼의 비교 실험예.
도 5는 본 발명에 따른 나노 액정층을 구비하는 표시 소자의 코팅 두께별 V-T Curve 특성을 나타낸 측정 데이터.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 액정층을 구비하는 표시 소자의 단면 구조를 도시한 개략도.
도 7은 도 6의 'A' 영역의 확대 단면도.

본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 명세서에서, "~ 상에 또는 ~ 상부에" 라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 또한, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에 또는 상부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 상에 또는 상부에" 접촉하여 있거나 간격을 두고 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.

또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예, 장점 및 특징에 대하여 상세히 설명하도록 한다.

참고로, 본 발명의 나노 액정캡슐층을 구비하는 표시 소자는 종래 전기영동 방식의 표시 소자나 마이크로캡슐 방식의 표시 소자와 같이 미소 사이즈의 캡슐을 기반으로 하는 점은 유사하나, 이들과는 확연하게 구분되는 구성상 차이점을 통해 고유한 광학적 특성을 구현하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 이하에서는 본 발명에 따른 나노 액정캡슐층의 차별화된 광학적 특성 및 이를 구현하기 위한 구성상 특징을 명확히 설명하기 위해 전기영동 방식의 표시 소자 및 마이크로캡슐 액정캡슐 방식의 표시 소자와 대비하여 설명하기로 한다.

도 2(a)는 종래 전기영동 방식의 표시 소자의 표면을 촬영한 현미경 사진이고, 도 2(b)는 종래 마이크로 액정캡슐 방식의 표시 소자의 표면을 촬영한 현미경 사진이다. 참고로, 도 2(a)는 E-Ink사의 전기영동 방식 기술 자료에서 발췌한 사진이고, 도 2(b)는 켄트디스플레(Kent Display)사의 PIPS(Polymerization Induced Phase Separation) 제조방식에 의한 마이크로 액정캡슐 표시 소자에 대한 기술 자료에서 발췌한 사진이다.

도 2(a)에서 알 수 있듯이, 전기영동 방식의 표시 소자의 경우 캡슐 상호 간에 빈틈이 거의 없이 촘촘하게 밀집된 구조로 구성되는 것이 일반적이고, 도 2(b)에서 알 수 있듯이, 마이크로 액정캡슐 방식의 표시 소자 역시 다수의 캡슐들이 조밀하게 밀집되어 있는 구조를 이루고 있다.

이러한 충진 구조는 전기영동 및 마이크로 액정캡슐 방식의 표시 소자의 구동 원리에 기인하는데, 구체적으로 마이크로 사이즈의 캡슐을 이용하는 표시 소자는 캡슐과 캡슐이 최대한 밀집되어 분포하는 것이 구동 특성에 유리하기 때문에 일반적으로 캡슐의 조밀도(충진율)이 높으면 높을수록 표시 특성이 좋아지게 된다.

이와 같은 이유로, 전기영동 방식의 표시 소자의 경우 80 ~ 95% 범위의 캡슐 충진율을 갖도록 구성되고, 마이크로 액정캡슐 방식의 표시 소자의 경우 60 ~ 90% 범위의 캡슐 충진율을 갖는 것으로 분석되고 있다.

도 3(a)는 본 발명에 따른 나노 액정층의 표면을 분석한 주사전자현미경 (SEM) 사진으로서, 다수의 구멍(Hole) 형태로 분산되어 있는 것들이 본 발명의 나노 액정캡슐(32)에 해당한다. 그리고, 도 3(b)는 도 3(a)의 나노 액정캡슐의 입도 분포를 나타낸 분석 데이터이다.

참고로, 도 3(a)에서 나노 액정캡슐들(32)이 구멍(Hole) 형태로 보이는 이유는 원래 초기 상태에 나노 액정층으로 있을 때는 각각의 나노 액정캡슐 내부에 액정이 가득 차있어서 표면에 볼록하게 돌출되어 있었으나, SEM 분석을 위해 백금(Pt)으로 코팅하는 과정에서 표면에 돌출되어 있던 나노 액정캡슐들이 터져서 캡슐 내부의 액정이 밖으로 새어 나왔기 때문이다.

도 3(a)를 참조하면, 구멍 즉, 나노 액정캡슐(32)의 사이즈(직경)가 일정하지 않고 다양하게 나타나는 이유는 기본적으로 본 발명의 나노 액정층에 구비되는 액정캡슐들의 사이즈가 어느 정도의 사이즈 입도 분포를 가지고 있기 때문이다.

즉, 도 3(b)의 나노 액정캡슐 입도 분포 데이터에서 알 수 있듯이, 나노 액정층에 분산되어 있는 다수의 액정캡슐(32)의 평균입도는 약 120 ㎚ 정도이고, 일부 작은 사이즈의 액정캡슐은 80 ㎚ 정도이며, 일부 큰 사이즈의 액정캡슐은 300 nm 정도로 구성되는 입도 분포를 갖는다.

또한, 도 3(a)에서 알 수 있듯이, 본 발명의 나노 액정층 내에 구비되는 나노 액정캡슐들(32)은 서로 붙어있거나 밀집되어 있지 않고 대부분이 상호 어느 정도의 간격을 두고 분산되어 있는 구조로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이는, 도 2에서 설명 및 도시한 종래의 전기영동방식이나 마이크로 액정캡슐방식의 디스플레이 소자와는 확연히 구분되는 특징으로서 본 발명의 나노 액정층 기반의 표시 소자가 갖는 동작 원리에서 기인한 것이다.

본 발명의 나노 액정층은 나노 액정캡슐(32)을 200nm 이하의 평균 직경 사이즈로 형성하는 구성과, 이러한 나노 액정캡슐들(32)이 서로 붙어있지 않고 어느 정도의 거리를 두고 떨어져 있는 상태로 분산되게 구성함을 조합함으로써 나노 액정층으로 입사되는 광이 산란되지 않고 대부분 투과하여 초기 상태가 투명한 상태를 나타내도록 동작하는 효과를 구현하게 된다.

여기서, 만약 나노 액정캡슐(32)의 평균 입도를 200nm 이하로 구성하였는데, 캡슐 간의 거리 즉, 나노 액정캡슐(32)의 조밀도(충진율)를 종래 전기영동 방식 또는 마이크로 액정캡슐 방식과 같이 구성한다면, 산란도가 증가하여 초기 상태가 불투명한 상태를 나타내게 되어 본 발명이 구현하고자 하는 표시 소자로서 기능하지 못하게 된다.

구체적으로, 본 발명 출원인은 다수 회의 실험을 통해, 나노 액정캡슐(32)이 고분자 바인딩 매트릭스(도6,도7의 '31' 참조) 내부에 30 ~ 70 % 범위 내의 충진율을 갖으며 분산되게 배치할 경우 전술한 광학적 특성 즉, 투명한 초기 상태를 구현할 수 있음을 확인할 수 있었다.

참고로, 본 발명에서 사용하는 용어 '충진율 내지 조밀도'란 고분자 바인딩 매트릭스 (31)내부에서 다수의 나노 액정캡슐(32)이 차지하는 공간의 분율을 지칭한다.

도 4는 나노 이멀젼과 매크로 이멀젼의 비교 실험예로서, 도 4의 좌측 바이알 병에 담겨있는 시료는 액정캡슐(32)을 50㎚의 평균 직경 사이즈로 변형시킨 나노 이멀젼(Nano Emulsion)이고, 우측 바이알 병에 담겨있는 시료는 1.0㎛의 평균 직경 사이즈를 갖는 액정으로 이루어진 매크로 이멀젼(Macro Emulsion)이다.

도 4의 비교 실험 예에서 명확히 나타나듯이, 좌측의 나노 이멀젼 시료는 투명하게 보이는 반면, 우측의 매크로 이멀젼 시료는 백색으로 불투명하게 보이는 것을 알 수 있다.

본 발명의 발명자는 도 4와 같은 비교 실험을 통해, 어떤 매질 속에 포함되어 있는 입자의 크기에 따라 그 매질을 통과할 때 빛은 산란되기도 하고 또는 아무런 영향도 받지 않고 그대로 통과하기도 한다는 사실을 확인할 수 있었다.

특히, 나노 액정캡슐(32)을 가시광선의 파장보다 작은 나노 사이즈(바람직하게는 가시광선 파장 범위(400nm ~ 800nm)보다 1/4 이하로 작은 나노 사이즈)로 형성하게 되면 해당 시료로 입사되는 가시광선의 일부가 온전히 투과됨을 알 수 있었고, 보다 바람직하게는 나노 액정캡슐(32)을 100nm 이하의 직경 사이즈로 형성하였을 때 산란이 거의 일어나지 않아, 대부분의 입사광이 그대로 투과됨을 알 수 있었다.

본 발명의 나노 액정층을 구비하는 표시소자는 이처럼 액정캡슐(32)을 가시광선 파장 범위보다 1/4 이하로 작은 직경 사이즈로 형성하고, 더불어 나노 액정캡슐이 고분자 바인딩 매트릭스 내부에 30 ~ 70 % 범위 내의 충진율을 갖으며 분산되게 배치할 경우 발현되는 광학 특성을 이용하여 구성된 전혀 새로운 개념의 액정표시소자에 해당한다.

전술한 바와 같은 나노 액정층(30)은 세부적으로 다수의 나노 액정캡슐(32)과 고분자 바인딩 매트릭스(31)를 포함하여 구성된다. 그리고 나노 액정캡슐(32)은 액정(34)을 포함한 코어 물질과, 상기 코어 물질을 감싸는 고분자 쉘(Shell)(33)로 구성되며, 이러한 나노 액정캡슐(32)은 고분자 바인딩 매트릭스(31) 내부에 분산된 구조로 고정된다.(도 6 및 도 7 참조)

그리고, 나노 액정캡슐(32)은 액상의 바인더와 혼합하여 기판 상부에 코팅 경화시킴으로써, 고분자 바인딩 매트릭스(31) 내부에 다수의 나노 액정캡슐이 분산 배치되어 있는 나노 액정층(30)을 형성하게 된다.

본 발명의 코어 물질은 액정(34)을 주요 물질로 포함하는 구성으로서, 초기에 액정 드롭렛(Droplet) 형태로 형성될 수 있다.

바람직한 실시예에 따르면, 코어 물질을 구성하는 액정 물질(34)은 물성 측면에서는 굴절률 이방성(Δn )이 클수록, 유전율 이방성(Δε)도 크면 클수록 본 발명의 표시 소자의 구동 특성에 유리하다.

본 발명의 나노 액정캡슐(32)의 코어 물질에 적용될 수 있는 액정(34)으로는 네마틱(Nematic), 스멕틱(Smectic), 콜레스테릭(Cholesteric) 등 거의 모든 종류의 액정물질들이 가능하다. 그런데, 본 발명의 발명자가 다양한 실험을 통해서 확인해본 결과, 네마틱 액정 그 중에서도 양(Positive)의 유전율 이방성(Dielectric Anisotropy, Δε) 성질을 갖는 액정이 본 발명의 나노 액정층의 구동 특성에는 가장 유리하다는 것을 발견하였다.

그 이유는 양의 유전율 이방성을 갖는 네마틱 액정을 나노 액정층의 나노 액정캡슐에 적용했을 때 전계 인가(Field-on) 시 '커 효과'(Kerr effect)를 가장 크게 유도할 수 있었기 때문이다.

여기서, '커 효과'(Kerr effect)란 초기에 광학적으로 투명하면서 등방성 (Isotropic) 성질을 가지는 매체에 전압을 인가하였을 때, 전기장 세기(Electric field, E)의 제곱에 비례해서 광학적 이방성(Aniostropic)을 나타내는 현상을 일컫는 것으로서 1875년 John Kerr(스코틀랜드 물리학자)에 의해 처음 발견되었다.

이를 수식으로 표현하면, Δn = λ*K*E²로 정의되는데 여기에서 'Δn'은 전기장에 의해 유도되는 복굴절값이고 'K'는 '커 상수'(Kerr Constant)로서 나노 액정층을 형성하는 재료의 물성 및 전극의 구조에 의해서 결정되는 일종의 비례상수이고, 'E'는 외부에서 인가해주는 전기장의 세기를 나타내며, 'λ'는 매질에 입사되는 빛의 파장을 나타낸다. 본 발명의 나노 액정층(30)은 이처럼 전계 인가에 따른 복굴절 정도(Δn·d)가 λ/2 조건을 만족하도록 형성된 것을 특징으로 한다. 참고로, 'Δn'는 전기장에 의해 유도되는 액정의 복굴절값을 의미하고, 'd'는 나노 액정층(30)의 두께를 의미하고, 'λ'는 입사광의 파장을 의미한다.

특히, 본 발명의 나노 액정층(30)을 구비하는 표시 소자의 구동전압 측면에서는 전술한 '커 효과'가 크면 클수록 유리하기 때문에, 이러한 '커 효과'를 크게 하는 데는 액정(34)의 굴절률 이방성 (Δn)과 더불어 유전율 이방성 (Δε) 수치도 크면 클수록 유리하다. 구체적으로, 코어 물질을 구성하는 액정(34)의 굴절률 이방성 값의 범위는 0.2 이상의 것이 바람직하고, 유전율 이방성 값의 범위는 10 이상인 것이 바람직하다.

본 발명의 고분자 쉘(Shell)(33)은 초기에 구형의 드롭렛(Droplet) 형태로 이루어진 코어 물질의 외면을 둘러싸고 코어 물질을 고정시키는 외벽으로 기능하는 구성이다. 액정(34)을 포함하여 구성되는 코어 물질은 이러한 고분자 쉘(33) 내부에 갇힌 상태로 존재하게 된다.

이러한 고분자 쉘(33)은 크게 수용성(Water soluble) 고분자 또는 지용성(Water insoluble) 고분자로 형성할 수 있다.

바람직한 실시예에 따르면, 수용성 고분자 쉘(Shell)은 폴리비닐아코올 (Polyvinyl alcohol, PVA), 스타치(Starch), 카복실메틸셀룰로우스(Carboxyl methyl cellulose, CMC), 메틸셀룰로우스(Methyl cellulose), 에틸셀룰로우 스(Ethyl cellulose), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinyl pyrrolidone), 젤라틴 (Gelatin), 알기네이트(Alginate), 카제인(Casein) 및 검아라비아(Gum Arabia) 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성할 수 있다.

바람직한 실시예에 따르면, 지용성 고분자 쉘(33)은 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacryate, PMMA), 폴리우레아(Polyurea), 폴리우레탄 (Polyurethane), 우레아 포름알데하이드(Urea formaldehyde, UF), 멜라민 포름알데히드(Melamine formaldehyde, MF)와 같은 아미노(Amino) 레진 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성할 수 있다.

바람직한 실시 예에 따르면, 상기 고분자 쉘(33) 구성은 이중 쉘(double shell) 구조로 형성될 수 있다. 이는 종류가 서로 다른 쉘(shell) 고분자 재료를 내부 쉘(Inner shell)과 외부 쉘(Outer shell)로 구성되도록 하는 방법으로서 제조과정에서 내부 쉘(shell)을 먼저 형성 한 후에 그 다음 순차적으로 외부 쉘(shell)을 형성하는 방식으로 이루어진다. 이는 기존의 단일 쉘(single shell) 방식의 액정캡슐 제조방법들에 비해 액정분자의 앵커링 에너지(Anchoring energy) 조절 용의성 및 우수한 내용매성 특성을 가진다. 일반적으로 내부 쉘(inner shell) 물질로는 소프트한 성질을 갖는 수용성 폴리머, 예를 들어, 젤라틴(gelatin), 아라비아 검(arabic gum), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol) 등을 사용하고 외부 쉘(outer shell) 물질로는 지용성(oil-soluble) 폴리머인 아미노(amino) 레진, 폴리아미드 에피클로하이드린(polyamide-epichlorohydrin) 레진, 포름알데하이드(formaldehyde) 레진 등이 사용되며 이의 단독 또는 혼합용액으로 사용될 수 있다.

본 발명의 고분자 바인딩 매트릭스(31)는 내부에 다수의 나노 액정캡슐이 분산 고정될 수 있도록 구속하고, 이와 같이 분산 배치된 나노 액정캡슐이 기판 상에 밀착 고정될 수 있도록 기능하는 바인더를 의미한다.

고분자 바인딩 매트릭스(31)는 크게 수용성(Water soluble) 고분자 바인더 또는 수분산(Water dispersible) 바인더를 사용하여 형성할 수 있다.

바람직한 실시예에 따르면, 수용성 고분자 바인더는 폴리비닐아코올 (Polyvinyl alcohol, PVA), 스타치(Starch), 메톡시 셀룰로우스(Methoxy cellulose), 하이드록시 에틸셀룰로우스(Hydroxy ethylcellulose), 카복실 메틸셀룰로우스(Carboxyl methyl cellulose, CMC), 메틸셀룰로우스(Methyl cellulose), 에틸셀룰로우스(Ethyl cellulose), 폴리아크릴레이트 소다(Polyacrylate soda), 아크릴아미드/아크릴레이트 코폴리머(Acryl amide/acrylate copolymer), 아크릴아미드/아크릴레이트/메타크릴산 터폴리머(Acryl amide/acrylate/methacrylic acid terpolymer), 폴리아크릴아미드(Polyacrylamide), 알기네이트 소다(Alginate soda), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinyl pyrrolidone), 젤라틴(Gelatin), 알기네이트 (Alginate), 카제인(Casein) 및 검아라비아(Gum Arabia) 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성할 수 있다.

바람직한 실시예에 따르면, 수분산 바인더는 알키드 레진(Alkyd resin), 폴리아미드 에피클로로하이드린 레진(Polyamide epichlorohydrin resin), 폴리우레탄 레진(Polyurethane resin), 우레아 포름알데하이드 레진(Urea-formaldehyde resin), 멜라민 포름알데하이드 레진(Melamine-formaldehyde resin), 멜라민 우레아 포름알데하이드 레진(Melamine-urea-formaldehyde resin), 아크릴레이트 코폴리머 라텍스(Acrylate copolymer latex), 스티렌/부타디엔 코폴리머 라텍스 (Styrene/butadiene copolymer latex), 티렌/부타디엔/아크릴 코폴리머 라텍스 (Styrene/butadiene/acryl copolymer latex), 비닐아세테이트 레진 이멀젼(Vinyl acetate resin emulsion), 비닐아세테이트/아크릴레이트 코폴리머 이멀젼(Vinyl acetate/acrylate copolymer emulsion), 스티렌/아크릴레이트 코폴리머 이멀젼 (Styrene/acrylate copolymer emulsion) 및 아크릴레이트 레진 이멀젼(Acrylate resin emulsion) 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성할 수 있다.

상기에서 설명 및 도시한 바와 같이, 본 발명의 나노 액정층을 구비하는 표시 소자의 구동 특성은 ①나노 액정캡슐(32)의 평균입도, ②나노 액정캡슐(32)의 충진율(조밀도), ③ 코어 물질을 구성하는 액정 물질(34)의 물성에 크게 의존하게 된다.

그리고, 본 발명의 나노 액정층을 구비하는 표시 소자의 구동 특성에 영향을 주는 주요 인자로는 ④나노 액정층(30)의 두께가 더 있을 수 있다.

이하에서는, 먼저 ①나노 액정캡슐의 평균입도 및 ②나노 액정캡슐 충진율(조밀도)에 대해 상세히 설명한 후, ④나노 액정층의 두께에 대해 상세히 설명하도록 한다.

(1) 나노 액정캡슐의 평균입도 및 충진율

본 발명의 발명자는 나노 액정캡슐(32)의 평균입도와 충진율이 표시 소자의 구동특성에 어느 정도 영향을 주는지를 다음와 같이 실험적으로 확인하였다. 아래의 표 1은 나노 액정층에 적용되는 나노 액정캡슐(32)의 평균입도는 100nm와 200nm로 구분하고, 충진율은 낮은 쪽은 30%, 높은 쪽은 최대 70%까지 변화시켜 전체적으로는 총 네 가지의 종류의 나노 액정층(30)을 구비하는 표시 소자를 제작하여 구동특성을 비교하였다.

표 1에서 사용한 수평전계 전극재료로는 투명전극인 ITO(Indium Tin Oxide)를 사용하였으며 전극설계 사양은 선폭(w) 3㎛, 전극 간의 간격(l)은 6㎛, 전체적인 전극의 피치(Pitch)는 9㎛로 구성하였다.

나노 액정의 나노 액정캡슐들(32)이 서로 붙어있지 않으면서 최대한 밀집되게 분포할 수 있는 체적밀도(Volume density)의 최대치를 70%로 한정한 이유는 다음과 같다. 일반적인 고체상태 결정(Crystal) 구조를 갖는 물질의 경우, 이를 구성하고 있는 원자의 체적밀도 (Volume density) 또는 충진율(APF : Atomic Packing Factor)이 최대가 되는 구조는 면심입방 구조(FCC : Face Centered Cubic) 또는 육방조밀구조(HCP : Hexagonal Close-Packed) 등이다.

이때의 최대 충진율은 74%로서 이는 고체결정의 단위부피당 동일한 크기의 원자들이 최대로 밀집되어 있을 때 또는 충진되었을 때의 체적밀도 또는 충진율을 말하는 것이다. 다만, 이 경우는 원자의 크기가 모두 동일하다고 가정해서 계산한 결과이기 때문에 만약에 결정을 구성하고 있는 원자의 크기가 어느 정도의 사이즈 편차 즉 입도분포(Size distribution)를 가지고 있다면 최대 체적밀도 또는 최대 충진율은 74%보다 더 증가하게 된다.

이러한 결정구조의 충진율에 대한 이론적 배경을 바탕으로 본 발명의 나노 액정층(30) 내부의 나노 액정캡슐(32)의 충진율을 고려했을 때, 전술한 바와 같이 나노 액정층(30)의 각 나노 액정캡슐(32)은 서로 인접하여 붙어있지 않고 어느 정도 간격을 두고 떨어져 있어야 한다는 조건이 필요하다. 이러한 조건을 충족하면서 일정한 입도분포를 갖는 액정캡슐들이 서로 인접하여 붙어있지 않고 어느 정도의 간격을 두고 떨어져 있으면서 최대로 충진될 수 있는 밀도를 계산했을 때, 최대 70%까지가 한계인 것으로 확인되었다.

구분	평균입도	충진율	투과율(%)			구동전압	대조비 (＠30V)	비고
구분	평균입도	충진율	0V	30V	50V	구동전압	대조비 (＠30V)	비고
시료＃1	100㎚	30%	0.005	10.0	17.0	50V	2,000	구동전압상승
시료＃2	100㎚	70%	0.02	15.0	21.0	40V	750
시료＃3	200㎚	30%	0.03	13.0	20.0	40V	430
시료＃4	200㎚	70%	0.2	20.0	23.0	30V	100	Contrast 저하

표 1의 실험결과에 명확히 나타나듯이, 나노 액정캡슐(32)의 평균입도가 작으면 작을수록 나노 액정층 표시 소자의 구동특성 특히 대조비가 확연히 개선되는 것을 알 수 있다. 이처럼, 나노 액정층 표시 소자의 구동특성 특히, 대조비 측면에서는 나노 액정캡슐(32)의 평균입도를 작게 하면 할수록 확실하게 좋아지는 것을 알 수 있다.

그리고 나노 액정캡슐(32)의 최대 평균입도를 200nm로 설정한 이유는 평균입도 변화에 따른 실험결과 나노 액정캡슐(32)의 평균입도가 200nm 이상으로 커지게 되면 나노 액정캡슐(32)의 충진율 변화와 무관하게 나노 액정층의 산란도가 크게 증가하여 본 발명이 구현하고자 하는 나노 액정층 표시 소자의 구동특성이 현저히 떨어지는 것을 확인하였다. 따라서, 본 발명의 나노 액정층(30)을 구성하는 나노 액정캡슐(32)은 200nm 이하의 평균 직경 사이즈를 갖도록 한정하였다.

결국, 본 발명의 나노 액정층 표시 소자는 나노 액정캡슐(32)의 평균입도와 충진율이 구동특성과 밀접하게 관련되어 있는 것을 알 수 있다. 즉, 나노 액정캡슐(32)의 평균입도가 100nm 정도의 경우에 캡슐밀도가 30% 정도로 낮게 되면 대조비 특성은 좋지만 상대적으로 구동전압이 상승하는 것을 알 수 있다.

그리고, 나노 액정캡슐(32)의 평균입도가 100nm 정도이면서 충진율이 70%로 높게되면 대조비 특성은 약간 떨어지지만 구동전압이 낮아져서 전반적인 구동특성 측면에서는 좋아지는 것을 알 수 있다.

그리고, 나노 액정캡슐(32)의 평균입도가 200nm 정도로 증가한 경우에는 충진율이 30% 정도로 낮아도 구동전압이 크게 증가하지 않는 것을 알 수 있다. 그 이유는 충진율이 낮아진 만큼의 구동전압 상승효과를 캡슐 사이즈 증가로 보상시킨 효과 때문이다. 다시 말해, 나노 액정캡슐(32)의 사이즈가 증가하게 되면 캡슐 내부의 액정분자를 둘러싸는 고분자 쉘(33)의 표면적이 감소하고, 이로 인해 각각의 나노 액정캡슐들 내부에 존재하는 액정분자를 고정시킬려는 힘, 즉 앵커링 에너지(Anchoring energy)가 줄어들게 되어 구동전압이 감소하는 효과를 가져오는 것이다.

반면, 나노 액정캡슐(32)의 평균입도가 200nm 정도이면서 충진율이 70%로 높아지게 되면 구동전압은 많이 감소하지만 나노 액정층의 산란도가 많이 증가하게 되어 대조비가 급격히 떨어지게 된다.

이와 같은 실험결과를 토대로, 본 발명의 발명자는 나노 액정층 표시 소자의 구동특성을 고려하여 이에 적절합 나노 액정캡슐(32)의 평균입도는 200nm 이하로 구성하고, 충진율은 30 ~ 70% 범위 내로 구성하는 것이 바람직한 것으로 제시한다.

더욱 바람직하게는, 나노 액정캡슐(32)의 평균입도는 100 ~ 200nm로 구성하고, 충진율은 40 ~ 60% 범위 내로 구성하는 것이 최선이다.

(2) 나노 액정층의 두께

도 5는 본 발명에 따른 나노 액정층을 구비하는 표시 소자의 코팅 두께별 V-T Curve 특성을 나타낸 측정 데이터로서, 구체적으로는 나노 액정캡슐(32)의 평균입도를 120nm로 형성하고, 충진율은 약 50%로 맞춘 상태에서 나노 액정층의 코팅 두께를 2.7㎛에서 3.8㎛까지 증가시키면서 V-T Curve(Voltage-Transmittance Curve)를 측정한 것이다.

도 5에 나타나듯이, 나노 액정층(30)의 두께가 증가함에 따라 V-T Curve가 증가했다가 다시 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 나노 액정층(30)의 코팅두께가 표시 소자의 구동특성에 영향을 준다는 것을 나타내는 것이며 나노 액정캡슐(32)의 평균입도와 충진율이 정해졌을 때, 그에 맞는 적절한 코팅두께가 존재함을 증명하는 자료라 할 수 있다.

이러한 현상은 횡전계방식 전극구조로 구동되는 기존의 IPS-LCD나 PSBP-LCD (Polymer-Stabilized Blue Phase LCD)와는 다른 경향을 보이는 나노 액정층 표시 소자만의 독특한 특징이라 할 수 있다.

참고로, 도 5에서 'X'축은 구동전압을 나타내는 것으로 rms (root mean square) 구동의 교류전압(AC Voltage) 크기를 나타내는 것이며 'Y'축은 구동효율로서 나노 액정층 표시 소자의 모드 효율(Mode efficiency)을 나타내는 것이다.

본 발명의 발명자는 이와 같은 나노 액정층(30)의 코팅두께에 따른 구동특성 실험을 통해, 나노 액정층 표시 소자가 가장 우수한 구동특성을 나타내는 코팅 두께는 2.0㎛에서 4.0㎛ 범위로 형성하는 것이 바람직함을 확인하였다.

환언하면, 나노 액정층(30)의 코팅 두께를 2.0㎛보다 얇거나 또는 4.0㎛보다 두껍게 형성하게 되면, 두 경우 모두 모드 효율이 떨어지기 때문에 나노 액정층 표시소자의 구동특성 측면에서 바람직하지 않다고 할 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명의 나노 액정층(30)은 종래 캡슐 기반의 표시 소자와 명확히 구분되는 구성 즉 차별화된 사이즈 구성과 충진율의 조합에 의해 새로운 광학적 특성을 구현하게 되고, 이러한 광학적 특성을 갖는 나노 액정층을 이용하여 전혀 새로운 개념의 디스플레이 장치를 구현할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 나노 액정(30)층을 구성하는 나노 액정캡슐(32)은 상분리법 (Coacervation), 동시중합법 (In-situ Polymerization), 계면중합법 (Interfacial Polymerization) 또는 용매증발법 (Solvent Evaporation) 등을 이용하여 제조 가능하며, 이에 대한 구체적인 내용은 본 발명의 출원인이 출원한 한국공개특허 제2013-0038455호에 개시되어 있다.

이하에서는, 전술한 나노 액정층의 광학적 특성을 이용한 횡전계 방식 표시 소자에 대해 설명하도록 한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 액정층을 구비하는 표시 소자의 단면 구조를 도시한 개략도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 액정층을 구비하는 표시 소자는 제1 편광판(40), 기판(10), 횡전계 방식 전극층(20), 나노 액정층(30) 및 제2 편광판(50)이 차례로 적층 형성된 구조를 이루고 있다. 도면상에서는 제1 편광판(40)과 제2 편광판(50)이 각각 기판(10)과 나노 액정층(30)과 이격되어 설치되는 것으로 도시되어 있으나, 간격없이 상호 밀착되도록 구비되는 것이 바람직하다. 후술하는 도면에서도 유사하게 편광판은 밀착되도록 형성되는 것으로 이해되어져야 한다.

기판(10)은 투명한 재질로 이루어진 얇은 판체로서, 구체적으로 글래스(Glass) 소재의 유리기판은 물론, 탄성변형 가능한 유연성을 지닌 얇은 플라스틱 기판으로 구성할 수 있다.

한편, 플라스틱 기판을 채용할 경우 광투과도가 우수하고 복굴절 효과가 없는 기판으로 구성해야 한다. 상기 목적에 부합하는 플라스틱 기판의 소재로는 트리아세틸셀룰로우스(Tri Acetyl Cellulose, TAC), 폴리이미드(PI), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 및 폴리아릴레이트(PAR) 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정하지는 않는다.

제1 편광판(40)은 기판(10) 하부에 배치된 백라이트(미도시) 등을 통해 나노 액정층(30)으로 입사되는 광을 편광시키기 위한 구성부로서, 바람직하게는 기판(10)의 하면에 적층 형성된다.

제2 편광판(50)은 나노 액정층(30)에 입사된 광이 나노 액정층(30)의 복굴절 효과에 의한 편광됨 없이 그대로 투과할 경우 이를 차단하는 역할을 하는 구성부로서, 바람직하게는 나노 액정층(30)의 상면에 적층 형성된다.

제1 편광판(40)은 그 편광축이 제2 편광판(50)의 편광축과 직교상태를 이루도록 형성된다. 따라서, 제1 편광판(40)의 편광축이 0°(또는 90°) 라면, 제2 편광판(50)은 90°(또는 0°)의 편광축을 갖는 편광판으로 구비된다.

한편, 제2 편광판(50)은 대전방지성이 부여된 편광판으로 구성하는 것이 좋다. 이는, 외부 정전기에 의해 나노 액정층(30)이 영향을 받는 것을 최소화하기 위함이다.

제2 편광판(50)에 대전방지성을 부여하는 방법으로는, 대전방지성 점착제를 사용하여 대전방지성을 부여하는 방법(한국공개특허 제2006-0018495호, 제2004-0030919호, 일본공개특허 제2006-111856호, 제2006-104434호)으로, 코팅액에 수분산성인 도전성 금속 분말이나 탄소 입자와 같은 전도성 물질을 첨가하는 방법과, 점착제에 저분자량의 계면활성제 물질을 첨가하는 방법이 있으며, 그 외에 편광판의 적어도 한 면에 열처리에 의해 탄소 불순물이 정제된 탄소나노튜브를 포함하는 대전방지 코팅층을 형성하는 방법, 편광판의 하나 이상의 면에 순서대로 적층된 대전방지 코팅층과 대전방지성 점착제층을 형성하는 방법(한국공개특허 제2009-0027930호) 등을 이용할 수 있다.

횡전계 방식 전극층(20)은 횡전계를 인가하여 액정을 응답시켜 계조 표시를 하는 전극 구조를 지칭한다.

바람직하게는 횡전계를 형성하기 위해 화소전극 패턴과 공통전극 패턴을 동일 기판(10) 상에 동일층으로 형성한 IPS(In-Plane Switching) 모드로 구성하거나, 또는 횡전계를 형성하기 위해 화소전극 패턴과 공통전극 패턴을 동일 기판(10) 상에 형성하되, 화소전극(23)과 공통전극(21)을 서로 다른 층에 배치하고 그 사이에 절연막(22)을 개재시킨 FFS(Fringe-Field Switching) 모드로 구성할 수 있다.

그리고, 횡전계 방식 전극층(20)은 광을 투과시킬 수 있는 투명한 물질로 구성될 수 있다. 예컨대, 인듐 주석 산화물 (ITO), 인듐 아연 산화물 (IZO), 아연 산화물 (Zinc Oxide), 주석 산화물 (Tin Oxide), 불소가 도핑된 주석 산화물 (Fluorine-doped Zinc Oxide, FTO), 피도트 (PEDOT:PSS), 그래핀 (Graphene), 실버나노와이어(AgNW) 및 카본나노튜브(CNT)로 이루어진 투명 도전성 물질 군에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.

나노 액정층(30)은 전극층(20) 위에 적층된 형태로 구비되어, 제1 편광판(40)을 거쳐 입사된 광을 그대로 통과시키거나 또는 편광을 변화시키는 작용을 실현함으로써 표시소자가 계조표현을 할 수 있도록 하는 핵심 구성부에 해당한다.

이러한 나노 액정층(30)은 나노 액정캡슐(32)을 바인더(31)와 혼합하여 코팅용액을 제조한 후, 이를 화소전극이 형성되어 있는 기판(10) 상부에 코팅하고 경화시킴으로써 형성된다. 따라서, 나노 액정층(30)은 나노 액정캡슐(32)이 고분자 메트릭스(31) 내에 분산되어 있는 구조를 이루고 있다.

특히, 나노 액정층(30)은 전극층(20) 위에 접합된 일종의 필름 형태로 마련될 수 있게 되는데, 이러한 특성에 의해 한 개의 기판(10)만으로 횡전계 방식 액정표시소자를 제조할 수 있게 된다. 이는 상호 대향하는 한 쌍의 기판이 필요하였던 종래 횡전계 방식 액정표시소자와 대비되는 점이라 할 수 있다. 또한, 나노 액정층(30)은 상기 특성에 의해, 외부의 압력이나 충격에 의해 간격이 틀어지거나 변하는 문제도 없기 때문에 유연 재질의 플라스틱 기판을 적용한 플레서블 디스플레이에 매우 유리한 강점이 있다.

도 7은 도 6의 'A' 영역의 확대 단면도로서, 도 7 실시예의 횡전계 방식 액정표시소자의 전극층(20)은 FFS(Fringe-Field Switching) 방식의 전극 구조로 구성하였고, 전계가 인가된 온(On) 상태에서의 동작 원리를 보여준다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 나노 액정층(30)을 구비하는 표시 소자는 전극층(20)에 전계가 인가되지 않은 경우, 제1 편광판(40)을 통해 입사한 광을 그대로 투과시킴으로써 블랙 상태를 표시하도록 동작한다.

이에 따라, 0°의 편광축을 갖는 제1 편광판(40)을 투과한 광은 그대로 90°의 편광축을 갖는 제2 편광판(50)에 입사되고, 결국 해당 입사광은 편광축이 직교상태로 구비된 제2 편광판(50)에 의해 차단되어 표시 소자는 블랙(Black) 상태를 표시하게 되는 것이다.

전극층(20)에 전계가 인가된 경우, 제1 편광판(40)을 통해 입사한 광의 편광축이 90°만큼 회전되도록 함으로써 화이트 상태를 표시하도록 동작한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 온(0n) 상태에서는 화소전극(-)과 공통전극(+)의 구조로 인하여 프린지 필드(Fringe-Field)가 만들어져 나노 액정층(30)에 횡전계가 형성되게 된다.

이처럼 전계가 인가되는 온(On) 상태에서는 오프(Off) 상태와 달리, 횡전계에 의해 고분자 쉘(33)에 의해 둘러싸여 있는 액정분자(34)들이 전계 방향과 평행하게 수평으로 배열하기 때문에 액정분자의 배향에 의한 복굴절 효과가 만들어지게 된다.

즉, 제1 편광판(40)을 통해 입사한 빛이 나노 액정층(30)의 복굴절 효과에 의해 편광이 변하게 되는데, 이 때, 나노 액정층(30)의 복굴절 정도(Δn·d)가 입사광의 λ/2 조건을 만족하게 되면 입사광의 편광축이 90°만큼 회전하게 되어 제1 편광판(40)과 직교상태를 이루고 있는 제2 편광판(50)에 흡수되지 않고 그대로 통과하여 화이트 상태를 표시하게 된다.

상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.

10: 기판 20: 횡전계 방식 전극층
21: 공통전극 22: 절연막
23: 화소전극 30: 나노 액정층
31: 고분자 바인딩 매트릭스 32: 나노 액정캡슐
33: 고분자 쉘 34: 액정
40: 제1 편광판 50: 제2 편광판

Claims

표시 소자로서,
기판; 및 상기 기판의 상부에 형성되는 나노 액정층을 포함하고,
상기 나노 액정층은,
액정을 포함한 코어 물질과, 상기 코어 물질을 감싸는 고분자 쉘 (Shell)로 이루어진 복수의 나노 액정캡슐; 및 상기 복수의 나노 액정캡슐이 내부에 배치되어 있는 고분자 바인딩 매트릭스를 포함하며,
상기 복수의 나노 액정캡슐은,
200nm 이하의 평균 직경 사이즈로 형성되어, 상기 고분자 바인딩 매트릭스 내부에 30 % ~ 70 % 범위 내의 충진율을 갖으며 분산되게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 나노 액정층을 구비하는 표시 소자.
제1 항에 있어서,
상기 나노 액정층은 2.0㎛ 내지 4.0㎛ 범위 내의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 액정층을 구비하는 표시 소자.
제1 항에 있어서,
상기 코어 물질은 양의 유전율 이방성을 갖는 네마틱 액정을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 액정층을 구비하는 표시 소자.
제1 항에 있어서,
상기 액정은 굴절률 이방성 값은 0.2 이상이고, 유전율 이방성 값은 10 이상인 것을 특징으로 하는 나노 액정층을 구비하는 표시 소자.
제1 항에 있어서,
상기 고분자 쉘(Shell)은 폴리비닐아코올 (Polyvinyl alcohol, PVA), 스타치 (Starch), 카복실메틸셀룰로우스(Carboxyl methyl cellulose, CMC), 메틸셀룰로우스(Methyl cellulose), 에틸셀룰로우 스(Ethyl cellulose), 폴리비닐피롤리돈 (Polyvinyl pyrrolidone), 젤라틴 (Gelatin), 알기네이트(Alginate), 카제인 (Casein) 및 검아라비아(Gum Arabia) 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 수용성 고분자로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 액정층을 구비하는 표시 소자.
제1 항에 있어서,
상기 고분자 쉘(Shell)은 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacryate, PMMA), 폴리우레아(Polyurea), 폴리우레탄 (Polyurethane), 우레아 포름알데하이드 (Urea formaldehyde, UF), 멜라민 포름알데히드(Melamine formaldehyde, MF), 및 아미노(Amino) 레진 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 지용성 고분자로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 액정층을 구비하는 표시 소자.
제1 항에 있어서,
상기 고분자 쉘(Shell)은 내부 쉘과 외부 쉘로 이루어진 이중 쉘 구조로 형성되고,
상기 내부 쉘과 외부 쉘은 서로 다른 종류의 고분자로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 액정층을 구비하는 표시 소자.
제7 항에 있어서,
상기 내부 쉘은 수용성 고분자로 형성되고, 상기 외부 쉘은 지용성 고분자로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 액정층을 구비하는 표시 소자.
제1 항에 있어서,
상기 고분자 바인딩 매트릭스는 폴리비닐아코올 (Polyvinyl alcohol, PVA), 스타치(Starch), 메톡시 셀룰로우스(Methoxy cellulose), 하이드록시 에틸셀룰로우스(Hydroxy ethylcellulose), 카복실 메틸셀룰로우스(Carboxyl methyl cellulose, CMC), 메틸셀룰로우스(Methyl cellulose), 에틸셀룰로우스(Ethyl cellulose), 폴리아크릴레이트 소다(Polyacrylate soda), 아크릴아미드/아크릴레이트 코폴리머 (Acryl amide/acrylate copolymer), 아크릴아미드/아크릴레이트/메타크릴산 터폴리머(Acryl amide/acrylate/methacrylic acid terpolymer), 폴리아크릴아미드 (Polyacrylamide), 알기네이트 소다(Alginate soda), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinyl pyrrolidone), 젤라틴(Gelatin), 알기네이트 (Alginate), 카제인(Casein) 및 검아라비아(Gum Arabia) 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 수용성 바인더로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 액정층을 구비하는 표시 소자.
제1 항에 있어서,
상기 고분자 바인딩 매트릭스는 알키드 레진(Alkyd resin), 폴리아미드 에피클로로하이드린 레진(Polyamide epichlorohydrin resin), 폴리우레탄 레진(Polyurethane resin), 우레아 포름알데하이드 레진(Urea-formaldehyde resin), 멜라민 포름알데하이드 레진(Melamine-formaldehyde resin), 멜라민 우레아 포름알데하이드 레진(Melamine-urea-formaldehyde resin), 아크릴레이트 코폴리머 라텍스(Acrylate copolymer latex), 스티렌/부타디엔 코폴리머 라텍스 (Styrene/butadiene copolymer latex), 티렌/부타디엔/아크릴 코폴리머 라텍스 (Styrene/butadiene /acryl copolymer latex), 비닐아세테이트 레진 이멀젼(Vinyl acetate resin emulsion), 비닐아세테이트/아크릴레이트 코폴리머 이멀젼(Vinyl acetate/acrylate copolymer emulsion), 스티렌/아크릴레이트 코폴리머 이멀젼 (Styrene/acrylate copolymer emulsion) 및 아크릴레이트 레진 이멀젼(Acrylate resin emulsion) 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 수분산 바인더로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 액정층을 구비하는 표시 소자.
제1 항에 있어서,
상기 기판의 상면 상에 형성된 횡전계 방식의 전극층; 상기 기판의 하면 상에 배치되는 제1 편광판; 및 상기 나노 액정층의 상부에 배치되는 제2 편광판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 액정층을 구비하는 표시 소자.
제11 항에 있어서,
상기 제1 편광판의 편광축은 상기 제2 편광판의 편광축과 상호 직교상태에 있는 것을 특징으로 하는 나노 액정층을 구비하는 표시 소자.
제11 항에 있어서,
상기 횡전계 방식의 전극층은 IPS(In-Plane Switching) 구조 또는 FFS (Fringe-Field Switching) 구조로 구성된 것을 특징으로 하는 나노 액정층을 구비하는 표시 소자.
제11 항에 있어서,
상기 나노 액정층은,
상기 전극층에 전계가 인가되지 않은 경우, 상기 제1 편광판을 통해 입사한 광을 그대로 투과시킴으로써 블랙 상태를 표시하고,
상기 전극층에 전계가 인가된 경우, 상기 제1 편광판을 통해 입사한 광의 편광축이 90°만큼 회전되도록 함으로써 화이트 상태를 표시하도록 구동하는 것을 특징으로 하는 나노 액정층을 구비하는 표시 소자.