KR20190140777A - 액정 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 액정 소자를 제공한다. 이 액정 소자는 서로 대향되는 제1 기판과 제 2 기판; 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에서 상기 제 1 기판에 인접한 제 1 전극; 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에서 상기 제 2 기판에 인접한 제 2 전극; 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에서 상기 제 1 전극에 인접한 제 1 배향막; 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에서 상기 제 2 전극에 인접한 제 2 배향막; 및 상기 제 1 배향막과 상기 제 2 배향막 사이에 개재되는 액정층을 포함하되, 상기 액정층은 액정 분자들을 포함하는 액정 부분과 소수성 물질을 포함하는 소수성 부분을 포함하고, 상기 액정 부분과 상기 소수성 부분은 서로 상분리되고, 상기 소수성 물질은 불소를 포함한다.
Description
본 발명은 액정 소자에 관한 것이다.
액정(liquid crystal)이란 결정과 액체의 중간 상태(mesophase)인 물질일 수 있다. 액정이라고 하는 명칭은 액체(Liquid)의 유동성과 결정(Crystal)의 이방성의 특징에서 유래되었다. 액정은 결정상태에서 입자의 위치와 방향에 질서를 가진다. 하지만 액정은 액체 상태에서 무질서한 위치 및 방향을 가진다.
3차원 영상을 구현하는 방법으로는 홀로그래픽(holography), 스테레오스코피 (stereoscopy), 및 집적 영상(integral imaging) 기술이 개발되고 있다. 홀로그래피 방식은 사용자가 피로감 없이 입체 영상을 느낄 수 있는 가장 이상적인 방식으로 알려져 있다. 홀로그래피 방식은 광의 간섭 현상을 이용하여 거리와 깊이를 표현한다. 홀로그래피 방식은 공간 광 변조기(SLM: spatial Light Modulator)가 요구되는데, 공간 광 변조기는 입사 광의 투과도를 조절하거나 광의 위상 정보를 출력하는 기능을 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는 크로스 토크(cross talk) 현상이 개선된 액정 소자를 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 동작 전압을 낮출 수 있는 액정 소자를 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 액정 소자는, 서로 대향되는 제1 기판과 제 2 기판; 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에서 상기 제 1 기판에 인접한 제 1 전극; 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에서 상기 제 2 기판에 인접한 제 2 전극; 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에서 상기 제 1 전극에 인접한 제 1 배향막; 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에서 상기 제 2 전극에 인접한 제 2 배향막; 및 상기 제 1 배향막과 상기 제 2 배향막 사이에 개재되는 액정층을 포함하되, 상기 액정층은 액정 분자들을 포함하는 액정 부분과 소수성 물질을 포함하는 소수성 부분을 포함하고, 상기 액정 부분과 상기 소수성 부분은 서로 상분리되고, 상기 소수성 물질은 불소를 포함한다.
상기 소수성 물질은 300~5000의 분자량을 가질 수 있다.
상기 액정 소자는 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극에 전압을 인가하기 전에, 상기 액정 부분은 상기 제 1 배향막에 인접한 제 1 액정 부분과 상기 제 2 배향막에 인접한 제 2 액정 부분을 포함하고, 상기 소수성 부분은 상기 제 1 액정 부분과 상기 제 2 액정 부분 사이에 개재될 수 있다.
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극에 전압을 인가하면, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 상기 액정 분자들이 수직 배향하고, 상기 소수성 부분은 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극 옆으로 이동하며, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에는 상기 액정 부분만 위치하고, 상기 제 1 전극과 상기 소수성 부분 또는 상기 제 2 전극과 상기 소수성 부분 사이에 상기 액정 부분이 개재될 수 있다.
상기 액정 부분 또는 상기 소수성 부분은 염료를 더 포함할 수 있다.
상기 염료는 방향족 고리 또는 축합 고리를 가질 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 액정 부분은 염료를 더 포함할 수 있으며, 상기 염료는 노란색을 가지며, 하기 화학식 1의 구조를 가질 수 있다.
<화학식 1>
상기 화학식 1에서, 상기 R1은 디알킬아미노기{-N(CnH2n+1), n은 1 이상의 정수}이고, 상기 R2는 수소, 메틸기, 에틸기, 탄소수 3 이상의 선형 또는 가지형 알킬기, 탄소수 3개 이상의 알케닐기, 또는 방향족기일 수 있다.
다른 예에 있어서, 상기 액정 부분은 염료를 더 포함하며, 상기 염료는 자홍색(magenta)을 가지며, 하기 화학식 2의 구조를 가질 수 있다.
<화학식 2>
상기 화학식 2에서, 상기 R3은 하기 화학식 3에서 선택되는 하나일 수 있다.
<화학식 3>
상기 화학식 3에서, 상기 R4와 상기 R5는 각각 독립적으로 수소, 메틸기, 에틸기, 탄소수 3개 이상의 선형 또는 가지형 알킬기, 탄소수 3 이상의 알케닐기, 또는 방향족기일 수 있다.
또 다른 예에 있어서, 상기 액정 부분은 염료를 더 포함하며, 상기 염료는 청록색(cyan)을 가지며, 하기 화학식 4의 구조를 가질 수 있다.
<화학식 4>
상기 화학식 4에서 상기 R6와 상기 R7은 각각 독립적으로 산소(O), 황(S), 셀레늄(Se), 메틸렌기, -NH-, 에스터기 중에서 하나이며, 상기 R8와 상기 R9은 각각 독립적으로 수소, 메틸(CH3), 에틸(C2H5), 프로필기(C3H7), 부틸기(C4H9), 펜틸(C5H11), 탄소수 6 이상의 선형 또는 가지형 알킬기, 탄소수 3 이상의 선형 또는 가지형 알케닐기 또는 방향족기일 수 있다.
상기 염료는 상기 액정 분자들의 총 중량의 0.001wt%~5wt%로 포함될 수 있다.
상기 액정층 내에서 상기 액정 부분 대 상기 소수성 부분의 질량 비는 90:10~50:50일 수 있다.
상기 제 1 전극은 동일 평면 상에서 서로 이격된 제 1 화소 전극, 제 2 화소 전극 및 제 3 화소 전극을 포함할 수 있으며, 상기 액정 소자는: 상기 제 1 화소 전극과 상기 제 2 화소 전극 사이에서 상기 액정층을 관통하여 상기 액정층의 상기 액정 부분을 제 1 화소 액정 부분과 제 2 화소 액정 부분으로 분리하는 제 1 격벽; 및 상기 제 2 화소 전극과 상기 제 3 화소 전극 사이에서 상기 액정층을 관통하여 상기 액정층의 상기 액정 부분을 상기 제 2 화소 액정 부분과 제 3 화소 액정 부분으로 분리하는 제 2 격벽을 더 포함할 수 있다.
상기 액정 소자는: 상기 제 1 화소 액정 부분 내에 포함되는 제 1 염료; 상기 제 2 화소 액정 부분 내에 포함되는 제 2 염료; 및 상기 제 3 화소 액정 부분 내에 포함되는 제 3 염료를 더 포함할 수 있으며, 상기 제 1 내지 제 3 염료들은 서로 다를 수 있다.
상기 제 1 내지 제 3 화소 액정 부분들은 각각 서로 다른 농도의 광학 활성제를 더 포함할 수 있다.
상기 액정 부분은 광학 활성제를 더 포함할 수 있으며 상기 광학 활성제는 하기 화학식 5를 가질 수 있다.
<화학식 5>
상기 화학식 5에서, 상기 R10은 수소, 메틸기 또는 에틸기이고, 상기 R11은 헥실(C6H13)기, OCO, 방향족기 또는 지환족기이고, 상기 R12는 수소, 메틸기, 에틸기 또는 아르곤이고, 상기 R13은 산소, CONH, COO, CN, 또는 OCO이고, 상기 R14는 X-B-A- 구조를 가지고, 상기 A와 상기 B는 각각 독립적으로 치환 가능한 방향족기 또는 지환족기이고, 상기 X는 탄소수 2~7인 선형 또는 가지형 또는 고리형 지방족 화합물일 수 있다.
상기 광학 활성제는 상기 액정 분자들의 총 중량의 0.1wt.%~50wt.%로 포함될 수 있다.
상기 방향족기는 페닐기, 나프틸기, 안트릴기, 펜안트릴기, 및 복소 방향환의 잔류기를 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나이거나 또는 이의 일부가 메틸기, 에틸기, 노르말-프로필기, 불소, 염소, 브롬, CF3 및 CCl3을 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나로 치환될 수 있다.
상기 소수성 부분은 상기 액정 부분보다 낮은 유전율을 가질 수 있다.
상기 액정 분자의 굴절률 이방성은 0.1~0.3일 수 있다.
상기 액정 분자의 유전율 이방성은 5~40일 수 있다.
상기 소수성 물질의 굴절률은 1.25~1.45일 수 있다.
본 발명에 따르면, 액정 소자의 동작 과정에서 액정층의 소수성 부분은 픽셀 영역들을 구획하는 격벽들로 기능할 수 있다. 서로 다른 픽셀 영역들의 액정 분자들 사이의 간섭이 감소/방지될 수 있다. 픽셀 영역들이 미세 피치를 갖더라도, 소수성 부분이 픽셀 영역들 사이의 크로스 토크의 발생이 방지/감소시킬 수 있다. 이에 따라, 액정 소자의 해상도가 향상될 수 있다.
소수성 부분이 액정 부분들을 구획하므로, 액정층 내에 별도의 격벽이 제공되지 않을 수 있다. 이에 따라, 액정층이 소형화될 수 있다. 격벽 형성 공정이 생략되어, 액정 소자의 제조가 보다 간소화될 수 있다.
또한 본 발명의 실시예들에 따르면 액정층 또는 소수성 층이 염료를 포함하여 별도의 칼라필터를 필요로 하지 않을 수 있다.
또한 본 발명의 실시예들에 따른 액정 소자는 소수성 부분에 의해 액정 부분이 차지하는 부피가 작아져 액정 부분의 두께가 낮아질 수 있고 구동 전압을 낮출 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 소자를 도시한 평면도이다.
도 1b는 도 1a의 Ⅰ-Ⅱ선을 따라 자른 단면이다.
도 2a는 도 1a의 액정 소자의 동작 방법을 설명하기 위한 평면도이다.
도 2b는 도 2a의 Ⅰ-Ⅱ선을 따라 자른 단면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 액정 소자의 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 액정 소자의 단면도이다.
도 6은 도 5의 액정 소자의 동작 방법을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 액정 소자의 단면도이다.
도 8은 도 7의 액정 소자(17)의 동작 방법을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 액정 소자의 단면도이다.
도 10은 도 9의 액정 소자의 동작 방법을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 액정 소자의 단면도이다.
도 12는 도 11의 액정 소자의 동작 방법을 나타낸다.
도 13은 실시예들에 따른 표시 장치를 도시한 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 Ⅰ-Ⅱ선을 따라 자른 단면이다.
도 2a는 도 1a의 액정 소자의 동작 방법을 설명하기 위한 평면도이다.
도 2b는 도 2a의 Ⅰ-Ⅱ선을 따라 자른 단면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 액정 소자의 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 액정 소자의 단면도이다.
도 6은 도 5의 액정 소자의 동작 방법을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 액정 소자의 단면도이다.
도 8은 도 7의 액정 소자(17)의 동작 방법을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 액정 소자의 단면도이다.
도 10은 도 9의 액정 소자의 동작 방법을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 액정 소자의 단면도이다.
도 12는 도 11의 액정 소자의 동작 방법을 나타낸다.
도 13은 실시예들에 따른 표시 장치를 도시한 단면도이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 그러나 본 발명은, 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 당해 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자는 본 발명의 개념이 어떤 적합한 환경에서 수행될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 어떤 막(또는 층)이 다른 막(또는 층) 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막(또는 층) 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막(또는 층)이 개재될 수도 있다.
본 명세서의 다양한 실시 예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들(또는 층들) 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막(또는 층)을 다른 영역 또는 막(또는 층)과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에의 제1막질로 언급된 막질이 다른 실시 예에서는 제2막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다
본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하, 본 발명의 개념에 따른 액정 소자 및 그 동작 방법을 설명한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 소자를 도시한 평면도이다. 도 1b는 도 1a의 Ⅰ-Ⅱ선을 따라 자른 단면이다. 도 2a는 도 1a의 액정 소자의 동작 방법을 설명하기 위한 평면도이다. 도 2b는 도 2a의 Ⅰ-Ⅱ선을 따라 자른 단면이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 액정 소자(13)는 적층된 제1 기판(100), 제1 전극(110), 액정층(300), 제2 전극(210), 및 제2 기판(200)을 포함할 수 있다. 제1 기판(100)은 도 1a와 같이 평면적 관점에서 복수의 픽셀 영역들(Px)을 가질 수 있다. 픽셀 영역들(Px) 각각은 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)을 포함할 수 있다. 각각의 픽셀 영역들(Px)에서 제2 영역(R2)은 제1 영역(R1)을 둘러쌀 수 있다. 제1 기판(100)은 투명할 수 있다. 제1 기판(100)은 유기물 또는 무기물을 포함할 수 있다. 제1 기판(100)은 예를 들어, 플리스틱, 폴리머, 또는 유리를 포함할 수 있다.
제1 전극(110)이 제1 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 제1 전극(110)은 도 1a와 같이 사각형의 형상을 가질 수 있다. 다른 예로, 제1 전극(110)의 평면적 형상은 원형, 타원형, 또는 육각형과 같이 다양하게 변형될 수 있다. 제1 전극(110)은 평면적 관점에서 제1 기판(100)의 제1 영역(R1)과 중첩되며, 제1 기판(100)의 제1 영역(R1)을 덮을 수 있다. 제1 전극(110)은 평면적 관점에서 제1 기판(100)의 제2 영역(R2)과 중첩되지 않을 수 있다. 도 1b와 같이 제1 전극(110)은 제1 기판(100)의 제2 영역(R2)을 노출시킬 수 있다. 제1 전극(110)은 투명할 수 있다. 제1 전극(110)은 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 인듐 아연 산화물(IZO)와 같은 투명 전도성 산화물을 포함할 수 있다.
제1 배향막(120)이 제1 전극(110) 상에 배치될 수 있다. 제1 배향막(120)은 제1 전극(110) 및 제1 전극(110)에 의해 노출된 제1 기판(100)의 제2 영역(R2)을 덮을 수 있다. 제1 배향막(120) 및 제2 배향막(220)은 유기 배향 물질 또는 무기 배향 물질을 포함할 수 있다. 유기 배향 물질은 폴리이미드 또는 폴리비닐알코올과 같은 폴리머를 포함할 수 있다. 무기 배향 물질은 실리콘옥사이드(SiO), 실리콘나이트라이드(SiN), 실리콘옥시나이트라이드(SION), 또는 알루미늄옥사이드(AlO)을 포함할 수 있다. 제2 배향막(220)은 제1 배향막(120)과 동일 또는 상이한 물질을 포함할 수 있다.
제2 배향막(220)이 제1 배향막(120)과 수직적으로 이격 배치될 수 있다. 제2 배향막(220)은 소수성 배향 물질을 포함할 수 있다.
제2 전극(210)이 제2 배향막(220) 상에 제공될 수 있다. 제2 전극(210)은 제1 기판(100)의 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)과 평면적 관점에서 중첩될 수 있다. 제2 전극(210)은 공통 전극으로 기능할 수 있다. 제2 전극(210)은 투명할 수 있다. 제2 전극(210)은 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 인듐 아연 산화물(IZO)와 같은 투명 전도성 산화물을 포함할 수 있다.
제2 기판(200)이 제2 전극(210) 상에 배치될 수 있다. 제2 기판(200)은 유기물 또는 무기물을 포함할 수 있다.
액정층(300)은 제1 기판(100)의 픽셀 영역들(Px) 상에 배치될 수 있다. 액정층(300)이 제1 전극(110) 및 제2 전극(210) 사이에 제공될 수 있다. 액정층(300)은 제1 기판(100)의 픽셀 영역들(Px) 각각의 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)과 평면적 관점에서 중첩될 수 있다. 별도의 격벽이 액정층(300) 내에 제공되지 않을 수 있다. 이에 따라, 픽셀 영역들(Px) 영역들(Px)의 너비(B)가 감소할 수 있다. 픽셀 영역들(Px)의 너비(B)는 제1 기판(100) 및 제2 기판(200) 사이의 간격(A)과 같거나 더 작을 수 있다. 픽셀 영역들(Px) 너비(B)는 픽셀 영역들(Px)의 피치와 실질적으로 동일한 값을 가질 수 있다. 여기에서, 제1 전극(110)은 복수의 제1 전극들(110)을 포함하고, 픽셀 영역들(Px)의 피치는 인접한 두 제1 전극들(110)의 사이의 피치를 의미할 수 있다. 이하, 설명의 간소화를 위해 단수의 제1 전극(110)에 관하여 기술한다.
액정층(300)은 서로 상분리된 액정 부분(310) 및 소수성 부분(320)을 포함할 수 있다. 액정 부분(310) 및 소수성 부분(320)은 각 픽셀 영역들(Px)의 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)과 평면적 관점에서 중첩될 수 있다. 액정 부분(310)은 액정 분자들(311)을 포함할 수 있다. 액정 분자들(311)은 양의 유전율 또는 음의 유전율을 가질 수 있다. 상기 액정 분자들(311)은 네마틱 액정일 수 있다. 상기 네마틱 액정은 비페닐(biphenyl)계, 페닐 시클로 헥실(phenyl cyclo hexyl)계, 타페닐(terphenyl)계, 트란(tran)계, 피리미딘(pyrimidine)계, 및 스틸벤(stilbene) 중 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 상기 액정의 상전이 온도(TNI)는 높은 것이 바람직하나 사용 범위를 고려해 60~150 oC 범위를 나타내는 것이 바람직하다. 또한 전기장에 의한 네마틱 액정의 굴절율 이방성은 바람직하게는 0.1~0.3, 유전율 이방성은 5~40을 가진다.
소수성 부분(320)은 소수성 물질들을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 소수성은 물에 대한 접촉각이 100도보다 큰 것을 의미한다. 상기 소수성 물질은 300~5000의 분자량을 가질 수 있다. 소수성 물질들은 예를 들어, 불소를 함유하는 폴리머나 불소를 포함하는 액체일 수 있다. 소수성 물질들은 예를 들어, 테트라플루오로에틸렌(tetrafluoroethylene), 트리플루오로에틸렌(trifluoroethylene), 디플루오로에틸렌(difluoroethylene), 2,2-bisfluoromethyl-4,5-difluoro-1,3-dixole, 및 클로로트리플루오로에틸렌(chlorotrifluoroethylene) 중에서 선택된 적어도 하나의 모노머로부터 중합된 폴리머를 포함할 수 있다. 소수성 물질들은 액정 분자들(311)보다 비극성을 나타낼 수 있다. 액정 분자들(311)보다 낮은 유전율을 가질 수 있다. 소수성 물질들은 액정 분자들(311)의 1/100 내지 1/2의 유전율을 가질 수 있다. 소수성 물질들은 예를 들어, 1 내지 10의 유전율을 가질 수 있다. 본 명세서에서, 액정 부분(310)의 굴절률 및 유전율은 각각 액정 분자들(311)의 굴절률 및 유전율과 실질적으로 동일할 수 있다. 소수성 부분(320)의 굴절률은 액정 부분(310)의 굴절률과 다를 수 있다. 소수성 부분(320)의 굴절룰은 액정 부분(310)의 굴절률보다 작을 수 있다. 예를 들어, 소수성 부분(320)의 굴절률은 1.25 내지 1.45이고, 액정 부분(310)의 굴절률은 1.45 내지 1.55일 수 있다. 본 명세서에서, 소수성 부분(320)의 굴절률 및 유전율은 각각 소수성 물질들의 굴절률 및 유전율과 실질적으로 동일할 수 있다. 소수성 부분(320)은 무정형(amorphous)일 수 있다. 소수성 부분(320)은 투명할 수 있다. 소수성 부분(320)은 액체 상태일 수 있다.
상기 제1 전극(110) 및 제2 전극(210)에 전압이 인가되지 않을 때, 액정층(300)은 별도의 외력(예를 들어, 전기장)이 없는 상태일 수 있다. 제1 및 제2 배향막들(120, 220)과 액정 부분(310) 사이의 친화력은 제1 및 제2 배향막들(120, 220)과 소수성 부분(320) 사이의 친화력보다 더 클 수 있다. 소수성 부분(320)은 제1 배향막(120) 및 제2 배향막(220)과 이격될 수 있다. 액정 부분(310)은 복수의 액정 부분들(310)을 포함할 수 있다. 액정 부분들(310)은 소수성 부분(320)과 제1 배향막(120) 사이 또는 소수성 부분(320)과 제2 배향막(220) 사이에 제공될 수 있다. 액정 부분들(310)은 제1 배향막(120) 또는 제2 배향막(220)과 물리적으로 접촉할 수 있다. 별도의 외력(예를 들어, 전기장)이 액정층(300)에 가해지지 않더라도, 도 1a 및 1b와 같이 제1 배향막(120)에 인접한 액정 분자들(311)은 제1 배향막(120)에 의해 정렬될 수 있다. 제2 배향막(220)에 인접한 액정 분자들(311)은 제2 배향막(220)에 의해 정렬될 수 있다. 제1 및 제2 배향막들(120, 220)로부터 일정 거리 이상 이격된 액정 분자들(311), 예를 들어, 소수성 부분(320)과 인접한 액정 분자들(311)은 정렬되지 않고, 무질서하게 배열될 수 있다. 이하, 단수의 액정 부분들(310)에 관하여 기술한다.
이하, 액정 소자(13)의 동작 방법에 대하여 설명한다.
도 1a 및 도 1b에서, 액정 소자(13)는 제1 전극(110) 및 제2 전극(210) 사이에 전압차가 형성되지 않은 상태일 수 있다. 액정 부분(310) 및 소수성 부분(320)의 배치는 앞서 설명한 바와 동일할 수 있다. 소수성 부분(320)은 액정층(300)의 픽셀 영역들(Px)의 제1 영역들(R1) 및 제2 영역들(R2)과 중첩될 수 있다. 액정 분자들(311)이 제1 및 제2 배향막들(120, 220)로부터 일정 거리 이상 이격되면, 상기 액정 분자들(311)은 랜덤하게 배열될 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 액정 소자(13)의 제1 전극(110) 및 제2 전극(210) 사이에 전압차가 발생할 수 있다. 예를 들어, 제3 전압 및 제4 전압이 제1 전극(110) 및 제2 전극(210)에 각각 인가될 수 있다. 제4 전압은 제3 전압과 다를 수 있다. 상기 전압차에 의해 액정 분자들(311)은 방향성을 갖고, 규칙적으로 정렬될 수 있다. 상기 정렬된 액정 분자들(311)은 제1 전극(110)과 수직적으로 중첩되는 부분 상에 배치되고, 액정 부분(310)은 평면적 관점에서 픽셀 영역들(Px)의 제1 영역들(R1)과 중첩될 수 있다. 소수성 부분(320)은 상기 액정 분자들(311)에 의해 픽셀 영역들(Px)의 제2 영역들(R2) 상으로 밀려날 수 있다. 소수성 부분(320)은 제1 기판(100)의 제2 영역들(R2)과 중첩될 수 있다. 소수성 부분(320)은 평면적 관점에서 픽셀 영역들(Px)의 제1 영역들(R1)과 이격될 수 있다. 소수성 부분(320)에 의해 각각의 픽셀 영역들(Px)의 액정 분자들(311) 사이의 크로스 토크의 발생이 방지/감소될 수 있다. 이에 따라, 액정 소자(13)의 해상도가 향상될 수 있다.
소수성 물질들은 제1 배향막(120) 및 제2 배향막(220)에 대해 낮은 친화도를 가지므로, 도 2b와 같이 액정 부분(310)의 일부가 제1 배향막(120)과 소수성 부분(320) 사이 및 소수성 부분(320)과 제2 배향막(220) 사이로 연장될 수 있다. 픽셀 영역들(Px)의 제2 영역들(R2) 상의 액정 분자들(311)의 정렬 방향은 제1 및 제2 배향막들(120, 220)에 의해 결정될 수 있다. 픽셀 영역들(Px)의 제2 영역들(R2) 상의 액정 분자들(311)은 제1 영역들(R1) 상의 액정 분자들(311)과 다른 방향으로 정렬될 수 있다. 소수성 부분(320)의 형상은 도시된 바에 제한되지 않고 다양하게 변형될 수 있다.
상기 액정 소자(13)의 동작 과정에서 액정층(300)의 소수성 부분(320)은 픽셀 영역들(Px)을 구획하는 격벽들로 기능할 수 있다. 상기 소수성 부분(320)은 상기 액정 분자들(311)보다 낮은(예를 들면 액정 분자들의 유전율의 1/10) 유전율을 가져 상기 액정 소자(13)의 동작 과정에서 전기장의 영향을 받지 않는다. 상기 소수성 부분(320)은 격벽 역할을 하여 상기 액정 분자들(311)의 수직 배향이 잘 이루어지게 할 수 있다. 이로써 서로 다른 픽셀 영역들(Px)의 액정 분자들(311) 사이의 간섭이 감소/방지될 수 있다. 또한 픽셀 영역들(Px)이 미세 피치를 갖더라도, 소수성 부분(320)이 픽셀 영역들(Px) 사이의 크로스 토크의 발생이 방지/감소시킬 수 있다. 이에 따라, 액정 소자의 해상도가 향상될 수 있다.
소수성 부분(320)이 액정 부분들(310)을 구획하므로, 액정층(300) 내에 별도의 격벽이 제공되지 않을 수 있다. 이에 따라, 액정층(300)이 소형화될 수 있다. 또한 격벽 형성 공정이 생략되어, 액정 소자의 제조가 보다 간소화될 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 액정 소자의 단면도들이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 액정 소자들(14, 15)은 각각 적층된 제1 기판(100), 제1 전극(110), 제1 배향막(120), 액정층(300), 제2 배향막(220), 제2 전극(210), 및 제2 기판(200)을 포함할 수 있다. 제1 기판(100), 제1 전극(110), 제2 전극(210), 및 제2 기판(200)은 앞서 도 1a 및 도 1b에서 설명한 바와 실질적으로 동일할 수 있다. 제1 배향막(120), 액정층(300), 및 제2 배향막(220)은 앞서 도 1a 및 도 1b에서 설명한 바와 실질적으로 동일할 수 있다.
액정층(300)의 액정 부분(310)은 액정 분자들(311)에 더하여 도 3과 같이 제1 색재(410)를 더 포함할 수 있다. 또는 액정층(300)의 소수성 부분(320)은 도 4와 같이 제 2 색재(412)를 더 포함할 수 있다. 상기 제 1 색재(410) 또는 상기 제 2 색재(412)는 액정 또는 소수성 물질에만 선택적인 용해성을 가지는 색재로써 염료나 안료일 수 있으며 보다 바람직하게는 염료일 수 있다. 상기 액정 부분(310)에 포함되는 상기 제 1 색재(410)가 염료일 경우, 바람직하게는 방향족 고리 또는 축합 고리를 가진다. 이로 인해 방향족 분자 구조를 가지는 액정 분자들(311)과의 분자간 상호 작용을 증가시켜 상기 염료의 액정 내에서 용해성을 증가시킬 수 있다. 또한 액정 분자와 상기 제 1 색재(410)의 분자 간 상호 작용이 증가하고 액정 내에서 상기 제 1 색재(410)의 분산 안정성도 증가한다. 상기 제 1 색재(410) 또는 상기 제 2 색재(412)는 노랑색(yellow), 청록색(cyan), 자홍색(magenta) 또는 적색(red), 청색(blue), 녹색(green) 중 하나의 색을 가질 수 있다.
상기 제 1 색재(410)가 노란색 염료일 경우, 예를 들면, 두개의 방향족 고리가 아조기에 의해 서로 연결된 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 제 1 색재(410)가 노란색 염료인 경우 예를 들면 하기 화학식 1의 구조를 가질 수 있다.
<화학식 1>
상기 화학식 1에서, 상기 R1은 디알킬아미노기{-N(CnH2n+1), n은 1 이상의 정수}이고, 상기 R2는 수소, 메틸기, 에틸기, 탄소수 3 이상의 선형 또는 가지형 알킬기, 탄소수 3개 이상의 알케닐기, 또는 방향족기일 수 있다.
예를 들면 상기 제 1 색재(410)는 아조벤젠(azobenzene)일 수 있다.
또는 상기 제 1 색재(410)는 자홍색(magenta) 염료일 수 있으며 하기 화학식 2의 구조를 가질 수 있다.
<화학식 2>
상기 화학식 2에서, 상기 R3은 하기 화학식 3에서 선택되는 하나일 수 있다.
<화학식 3>
상기 화학식 3에서, 상기 R4와 상기 R5는 각각 독립적으로 수소, 메틸기, 에틸기, 탄소수 3개 이상의 선형 또는 가지형 알킬기, 탄소수 3 이상의 알케닐기, 또는 방향족기일 수 있다.
예를 들면 상기 제 1 색재(410)는 Sudan III일 수 있다.
또는 상기 제 1 색재(410)는 청록색(cyan) 염료일 수 있으며 하기 화학식 4의 구조를 가질 수 있다.
<화학식 4>
상기 화학식 4에서 상기 R6와 상기 R7은 각각 독립적으로 산소(O), 황(S), 셀레늄(Se), 메틸렌기, -NH-, 에스터기 중에서 하나이며, 상기 R8와 상기 R9은 각각 독립적으로 수소, 메틸(CH3), 에틸(C2H5), 프로필기(C3H7), 부틸기(C4H9), 펜틸(C5H11), 탄소수 6 이상의 선형 또는 가지형 알킬기, 탄소수 3 이상의 선형 또는 가지형 알케닐기 또는 방향족기일 수 있다. 상기 제 1 색재(410)의 상기 액정 분자들(311)의 총 중량의 0.001wt%~5wt%로 포함될 수 있다.
상기 액정층(300) 내에서 상기 액정 부분(310) 대 상기 소수성 부분(320)의 질량 비는 95:5~30:70이고 90:10~50:50일 수 있다.
도 3과 도 4의 액정 소자들(14, 15)은 제1 전극(110) 및 제2 전극(210) 사이에 전압차가 제공되지 않은 상태일 수 있다. 제1 전극(110) 및 제2 전극(210) 사이에 전압차를 가하여, 상기 소수성 부분(320)이 제 2 영역들(R2)로 밀려나면서 격벽 역할을 하게 될 수 있다. 이에 의해 상기 액정 부분(310) 또는 상기 소수성 부분(320)의 색상 농도가 변할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 액정 소자의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 액정 소자(16)에서 제1 기판(100)은 도 1a과 유사하게 평면적 관점에서 복수의 픽셀 영역들(Pxa, Pxb, Pxc)을 가질 수 있다. 상기 픽셀 영역들(Pxa, Pxb, Pxc)은 제 1 픽셀 영역(Pxa), 제 2 픽셀 영역(Pxb) 및 제 3 픽셀 영역(Pxc)을 포함할 수 있다. 상기 픽셀 영역들(Pxa, Pxb, Pxc) 각각은 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)을 포함할 수 있다. 각각의 상기 픽셀 영역들(Pxa, Pxb, Pxc)에서 제2 영역(R2)은 제1 영역(R1)을 둘러쌀 수 있다. 제 1 화소 전극(110a)은 상기 제 1 픽셀 영역(Pxa)에서 상기 제 1 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 제 2 화소 전극(110b)은 상기 제 2 픽셀 영역(Pxb)에서 상기 제 1 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 제 3 화소 전극(110c)은 상기 제 3 픽셀 영역(Pxc)에서 상기 제 1 기판(100) 상에 배치될 수 있다.
제1 배향막(120)은 상기 제 1 내지 제 3 화소 전극들(110a, 110b, 110c) 상에 배치될 수 있다. 상기 제1 배향막(120)은 상기 제 1 내지 제 3 화소 전극들(110a, 110b, 110c) 사이에서 노출된 상기 제 1 기판(100)의 상기 제 2 영역(R2)을 덮을 수 있다. 제2 배향막(220)이 제1 배향막(120)과 수직적으로 이격 배치될 수 있다. 공통 전극(210a)이 제2 배향막(220) 상에 제공될 수 있다. 공통 전극(210a)은 제1 기판(100)의 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)과 평면적 관점에서 중첩될 수 있다. 상기 공통 전극(210a)은 투명할 수 있다. 상기 공통 전극(210a)은 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 인듐 아연 산화물(IZO)와 같은 투명 전도성 산화물을 포함할 수 있다.
제2 기판(200)이 상기 공통 전극(210a)은 상에 배치될 수 있다. 제2 기판(200)은 유기물 또는 무기물을 포함할 수 있다. 상기 공통 전극(210a)은 상기 제 1 내지 제 3 화소 전극들(110a, 110b, 110c)과 중첩될 수 있다. 액정층(300)은 상기 제 1 배향막(120)과 상기 제 2 배향막(220) 사이에 개재된다. 상기 제 1 픽셀 영역(Pxa)과 상기 제 2 픽셀 영역(Pxb) 사이에서 제 1 격벽(340a)이 상기 액정층(300)을 관통하여 상기 액정층(300)의 상기 액정 부분을 제 1 화소 액정 부분(310a)과 제 2 화소 액정 부분(310b)으로 분리시킬 수 있다. 상기 제 2 픽셀 영역(Pxb)과 상기 제 3 픽셀 영역(Pxc) 사이에서 제 2 격벽(340b)이 상기 액정층(300)을 관통하여 상기 액정층(300)의 상기 액정 부분을 제 2 화소 액정 부분(310b)과 제 3 화소 액정 부분(310c)으로 분리시킬 수 있다. 상기 액정층(300)은 상기 화소 액정 부분들(310a, 310b, 310c)과 상분리되는 소수성 부분들(320)을 포함한다. 상기 소수성 부분들(320)도 상기 제 1 격벽(340a)과 상기 제 2 격벽(340b)에 의해 서로 이격될 수 있다. 상기 제 1 격벽(340a)과 상기 제 2 격벽(340b)은 고분자 물질로 형성될 수 있다.
상기 공통 전극(210a)과 상기 제 1 내지 제 3 화소 전극들(110a, 110b, 110c)에 전압이 인가되지 않았을 때, 상기 제 1 화소 액정 부분(310a)의 일부는 상기 제 1 배향막(120)과 접하며, 상기 제 1 화소 액정 부분(310a)의 나머지는 상기 제 2 배향막(220)과 접하며, 소수성 부분(320)이 이들 사이에 개재될 수 있다. 마찬가지로 소수성 부분(320)은 상기 제 2 화소 액정 부분(310b)과 상기 제 3 화소 액정 부분(310c)을 각각 둘로 나눌 수 있다.
상기 제 1 화소 액정 부분(310a)은 액정 분자들(311)과 더불어 제 1 염료(410a)를 더 포함할 수 있다. 상기 제 2 화소 액정 부분(310b)은 액정 분자들(311)과 더불어 제 2 염료(410b)를 더 포함할 수 있다. 상기 제 3 화소 액정 부분(310c)은 액정 분자들(311)과 더불어 제 3 염료(410c)를 더 포함할 수 있다. 상기 제 1 내지 제 3 염료들(410a, 410b, 410c)는 서로 다를 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 내지 제 3 염료들(410a, 410b, 410c) 중 어느 하나는 화학식 1의 구조를 가지는 노란색 염료일 수 있다. 상기 제 1 내지 제 3 염료들(410a, 410b, 410c) 중 다른 하나는 화학식 2의 구조를 가지는 자홍색 염료일 수 있다. 그리고 상기 제 1 내지 제 3 염료들(410a, 410b, 410c) 중 나머지 하나는 화학식 4의 구조를 가지는 청록색 염료일 수 있다. 그 외의 구성은 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있기에 설명을 생략한다.
도 6은 도 5의 액정 소자의 동작 방법을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 상기 공통 전극(210a)과 상기 제 1 내지 제 3 화소 전극들(110a, 110b, 110c)에 전압을 인가하면, 상기 공통 전극(210a)과 상기 제 1 내지 제 3 화소 전극들(110a, 110b, 110c) 사이에서 액정 분자들(311)이 수직으로 배열하게 되고, 상기 소수성 부분(320)은 상기 격벽(340a, 340b)쪽으로 이동하게 된다. 상기 소수성 부분(320)에 의해 상기 액정층(300) 내에서 각각의 화소 액정 부분들(310a, 310b, 310c)이 차지하는 부피가 줄어들게 되어 구동 전압을 낮출 수 있다. 상기 소수성 부분(320)이 제 2 영역들(R2)로 밀려나면서 상기 제 1 내지 제 3 화소 액정 부분들(310a, 310b, 310c)의 색상 농도가 변할 수 있다. 본 예에 따른 액정 소자(16)는 상기 제 1 내지 제 3 화소 액정 부분들(310a, 310b, 310c)이 각각 서로 다른 색의 색재를 포함함으로써 칼라 필터 어레이를 생략할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 액정 소자의 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 예에 따른 액정 소자(17)에서는 제 1 픽셀 영역(Pxa)에 복수개의 서로 이격된 제 1 화소 전극들(110a)이 배치될 수 있다. 제 2 픽셀 영역(Pxb)에는 복수개의 서로 이격된 제 2 화소 전극들(110b)이 배치될 수 있다. 제 3 픽셀 영역(Pxc)에는 복수개의 서로 이격된 제 3 화소 전극들(110c)이 배치될 수 있다. 그 외의 구성은 도 5를 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 8은 도 7의 액정 소자(17)의 동작 방법을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 상기 공통 전극(210a)과 상기 제 1 내지 제 3 화소 전극들(110a, 110b, 110c)에 전압을 인가하면, 상기 공통 전극(210a)과 상기 제 1 내지 제 3 화소 전극들(110a, 110b, 110c) 사이에서 액정 분자들(311)이 수직으로 배열하게 되고, 상기 소수성 부분(320)은 제 2 영역(R2)으로 밀려나게 된다. 이로써 상기 소수성 부분(320)의 일부는 격벽(340a, 340b)에 인접하고 상기 소수성 부분(320)의 다른 일부는 상기 제 1 화소 전극들(110a) 사이, 상기 제 2 화소 전극들(110b) 사이 그리고 상기 제 3 화소 전극들(110c) 사이에 위치할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 액정 소자의 단면도이다.
도 9를 참조하면, 본 예에 따른 액정 소자(18)는 도 1b와 같은 액정 소자(13)에서 액정 부분(310s)이 광학 활성제(510)를 더 포함할 수 있다. 액정 부분(310s)에 포함된 액정 분자들(312)은 콜레스테릭 액정일 수 있다. 도 1b의 네마틱 타입의 액정 분자들(311)은 상기 광학 활성제(510)의 첨가에 의해 일정 주기의 나선 구조를 가지게 되어 콜레스테릭 타입이 될 수 있다. 도 9의 액정 소자(18)는 콜레스테릭 액정 디스플레이일 수 있다. 상기 액정의 상전이 온도(TNI)는 높은 것이 바람직하나 사용 범위를 고려해 60~150 oC 범위를 나타내는 것이 바람직하다. 액정층(300s)은 상기 액정 부분(310s)에 더하여 소수성 부분(320)을 포함한다. 상기 소수성 부분(320)은 도 1a를 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다. 소수성 물질들은 액정 분자들(312)의 1/20 내지 1/5의 유전율 이방성을 가질 수 있다. 소수성 물질들은 300~5000의 분자량을 가질 수 있다. 소수성 부분(320)의 굴절률은 1.25 내지 1.45일 수 있다. 본 예에서 상기 액정층(300s)은 콜레스테릭 액정층(300s)으로 명명될 수 있다. 상기 액정 소자(18)에서 상기 액정 부분(310s) 대 상기 소수성 부분(320)의 질량비는 99:1~10:90일 수 있으며 바람직하게는 90:10~50:50일 수 있다.
상기 광학 활성제(510)은 상기 액정 부분(310s)에서 상기 액정 분자들(312)과 혼합되나 상기 소수성 부분(320)과는 용해되지 않는다. 상기 광학 활성제(510)는 바람직하게는 하기 화학식 5를 가진다.
<화학식 5>
상기 화학식 5에서, 상기 R10은 수소, 메틸기 또는 에틸기이고, 상기 R11은 헥실(C6H13)기, OCO, 방향족기 또는 지환족기이고, 상기 R12는 수소, 메틸기, 에틸기 또는 아르곤이고, 상기 R13은 산소, CONH, COO, CN, 또는 OCO이고, 상기 R14는 X-B-A- 구조를 가지고, 상기 A와 상기 B는 각각 독립적으로 치환 가능한 방향족기 또는 지환족기이고, 상기 X는 탄소수 2~7인 선형 또는 가지형 또는 고리형 지방족 화합물이다. 상기 광학 활성제(510)는 상기 액정 분자들(312)의 총 중량의 0.1wt.%~50wt.%로 포함될 수 있다.
다른 구성은 도 1a를 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 10은 도 9의 액정 소자의 동작 방법을 나타낸다.
도 10을 참조하면, 상기 제 1 전극들(110)과 상기 제 2 전극(210)에 전압을 인가하면, 상기 액정층(300s)에 전기장이 형성되며, 상대적으로 큰 유전율 갖는 콜레스테릭 액정 분자(312)가 재배향하면서 상기 소수성 부분(320)이 제 2 영역(R2)으로 밀려난다. 이때 소수성 부분(320)이 밀려나지만 배향막(120, 220)과의 계면에는 나선 구조를 가진 그대로 콜레스테릭 액정 분자들(312)이 남아 있어서 전기장이 인가되지 않는 영역에서는 특정 파장의 선택적인 반사 칼라가 계속적으로 보이게 되고, 전기장이 인가되는 상기 공통 전극(210a)과 상기 제 1 내지 제 3 화소 전극들(110a, 110b, 110c) 사이에서는 콜레스테릭 액정 분자들(312)이 플래너상태, 포칼 코닉 상태에서 호메오트로픽 상태로 변화하게 되어 투명한 상태로 변화한다.
콜레스테릭 액정의 나선 구조는 액정 분자들(312) 간의 강한 결합력으로 인해서 전기장으로 나선 구조의 정렬 방향을 바꾸거나, 호메오트로픽 상태로 변화시키기에는 지극히 높은 구동전압을 요구한다. 그러나 본 발명에서는 상기 액정층(300s) 내에서 상기 소수성 부분(320)에 의해 상기 액정 부분(310s)이 차지하는 부피가 줄어들 수 있다. 또한 제 1 전극(110)과 제 2 전극(210)에 전압이 인가되지 않을 때 상기 소수성 부분(320)이 상기 액정 부분(310s) 사이에 개재되어 상기 액정 부분(310s)을 둘로 나누어 상기 액정 부분(310s)의 두께가 얇아진 상태에서 전기장이 인가되고, 액정 부분(310s)의 계면 한쪽이 상기 소수성 부분(320)과 접하고 있어서 작은 전기장으로도 콜레스테릭 액정 분자들(312)을 호메오트로픽 상태로 변화하는 것이 가능하다. 이에 의해 상기 액정 소자(18)의 구동 전압을 낮출 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들에 따른 콜레스테릭 액정 디스플레이는 기존 액정 소자의 기판 간격(cell gap)의 변화 및 소재, 공정의 변경 없이 낮은 구동 전압에서 동작될 수 있다. 이로써 콜레스테릭 액정 디스플레이르를 능동 구동하거나, 플라스틱 기판상에서 저온 구동을 하는 것도 가능하게 된다. 또한 상기 소수성 부분(320)을 구성하는 불소계 액상 물질은 액정에 비해서 지극히 낮은 저유전율 갖고 있어 전기장에 의한 물리적 변화가 없고, 저렴하면서 고 투명하여 콜레스테릭 액정 디스플레이의 가격과 신뢰성에 영향을 미치지 않는다. 또한 소수성 부분은 저유전 특성으로 인해 전기장 인가시 액정 분자들 간의 간섭을 최소화할 수 있어 액정 피치를 극단적으로 줄인 (픽셀 피치 2㎛이하) 초고해상도 콜레스테릭 액정 디스플레이 구현이 가능하다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 액정 소자의 단면도이다.
도 11을 참조하면, 본 액정 소자(19)에서 제1 기판(100)은 도 1a과 유사하게 평면적 관점에서 복수의 픽셀 영역들(Pxa, Pxb, Pxc)을 가질 수 있다. 상기 픽셀 영역들(Pxa, Pxb, Pxc)은 제 1 픽셀 영역(Pxa), 제 2 픽셀 영역(Pxb) 및 제 3 픽셀 영역(Pxc)을 포함할 수 있다. 상기 픽셀 영역들(Pxa, Pxb, Pxc) 각각은 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)을 포함할 수 있다. 각각의 상기 픽셀 영역들(Pxa, Pxb, Pxc)에서 제2 영역(R2)은 제1 영역(R1)을 둘러쌀 수 있다. 제 1 화소 전극(110a)은 상기 제 1 픽셀 영역(Pxa)에서 상기 제 1 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 제 2 화소 전극(110b)은 상기 제 2 픽셀 영역(Pxb)에서 상기 제 1 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 제 3 화소 전극(110c)은 상기 제 3 픽셀 영역(Pxc)에서 상기 제 1 기판(100) 상에 배치될 수 있다.
제1 배향막(120)은 상기 제 1 내지 제 3 화소 전극들(110a, 110b, 110c) 상에 배치될 수 있다. 상기 제1 배향막(120)은 상기 제 1 내지 제 3 화소 전극들(110a, 110b, 110c) 사이에서 노출된 상기 제 1 기판(100)의 상기 제 2 영역(R2)을 덮을 수 있다. 제2 배향막(220)이 제1 배향막(120)과 수직적으로 이격 배치될 수 있다. 공통 전극(210a)이 제2 배향막(220) 상에 제공될 수 있다. 공통 전극(210a)은 제1 기판(100)의 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)과 평면적 관점에서 중첩될 수 있다. 상기 공통 전극(210a)은 투명할 수 있다. 상기 공통 전극(210a)은 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 인듐 아연 산화물(IZO)와 같은 투명 전도성 산화물을 포함할 수 있다.
제2 기판(200)이 상기 공통 전극(210a)은 상에 배치될 수 있다. 제2 기판(200)은 유기물 또는 무기물을 포함할 수 있다. 상기 공통 전극(210a)은 상기 제 1 내지 제 3 화소 전극들(110a, 110b, 110c)과 중첩될 수 있다. 액정층(300)은 상기 제 1 배향막(120)과 상기 제 2 배향막(220) 사이에 개재된다. 상기 제 1 픽셀 영역(Pxa)과 상기 제 2 픽셀 영역(Pxb) 사이에서 제 1 격벽(340a)이 상기 액정층(300s)을 관통하여 상기 액정층(300)을 제 1 화소 액정 부분(310sa)과 제 2 화소 액정 부분(310sb)으로 분리시킬 수 있다. 상기 제 2 픽셀 영역(Pxb)과 상기 제 3 픽셀 영역(Pxc) 사이에서 제 2 격벽(340b)이 상기 액정층(300)을 관통하여 상기 액정층(300s)을 제 2 화소 액정 부분(310sb)과 제 3 화소 액정 부분(310sc)으로 분리시킬 수 있다. 상기 액정층(300)은 상기 화소 액정 부분들(310sa, 310sb, 310sc)과 상분리되는 소수성 부분들(320)을 포함한다. 상기 제 1 격벽(340a)과 상기 제 2 격벽(340b)은 고분자로 형성될 수 있다.
상기 화소 액정 부분들(310sa, 310sb, 310sc)은 각각 액정 분자들(312)과 광학 활성제(510)을 포함할 수 있다. 상기 액정 분자들(312)은 상기 광학 활성제(510)의 첨가에 의해 콜레스테릭 타입이 될 수 있다. 상기 광학 활성제(510)에 대한 설명은 도 9를 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다. 상기 화소 액정 부분들(310sa, 310sb, 310sc)에서 각각 상기 광학 활성제(510)의 농도는 서로 다를 수 있다. 예를 들면, 적색, 청색 및 녹색을 가지는 픽셀 영역들에서 적색 픽셀 영역에서의 상기 광학 활성제(510)의 농도가 가장 낮고, 청색 픽셀 영역에서 상기 광학 활성제(510)의 농도가 가장 높을 수 있다. 녹색 픽셀 영역에서 상기 광학 활성제(510)의 농도는 상기 적색 픽셀 영역에서 보다 높고 상기 청색 픽셀 영역보다 낮을 수 있다. 상기 제 1 내지 제 3 픽셀 영역들(Pxa, Pxb, Pxc) 중 어느 하나는 적색 픽셀 영역이고, 다른 하나는 청색 픽셀 영역이고 나머지 하나는 녹색 픽셀 영역일 수 있다.
도 12는 도 11의 액정 소자의 동작 방법을 나타낸다.
도 12를 참조하면, 상기 공통 전극(210a)과 상기 제 1 내지 제 3 화소 전극들(110a, 110b, 110c)에 전압을 인가하면, 상기 제 1 내지 제 3 화소 전극들(110a, 110b, 110c)과 상기 공통 전극(210a)에 전압을 인가하면, 상기 액정층(300s)에 전기장이 형성되며, 상대적으로 큰 유전율 갖는 콜레스테릭 액정 분자(312)가 재배향하면서 상기 소수성 부분(320)이 제 2 영역(R2)으로 밀려나며 상기 격벽들(340a, 340b)에 인접하게 된다. 이때 광학 활성제(510)의 농도에 따라 액정 분자들(312)의 배향 특성이 조절될 수 있다. 상기 액정 소자(19)는 도 9를 참조하여 설명한 바와 같이 저전압 구동 특성을 나타내며 광손실을 유발하는 컬러필터나 편광판 없이도 고투명 디스플레이 구현이 가능하여 광손실을 줄일 수 있으며 다양한 분야에 응용이 가능하다.
도 13은 실시예들에 따른 표시 장치를 도시한 단면도이다. 이하, 앞서 설명한 바와 중복되는 내용은 생략한다.
도 13을 참조하면, 표시 장치(1000)는 발광 소자(20) 및 액정 소자(10)를 포함할 수 있다. 발광 소자(20)는 액정 소자(10)로 빛을 방출할 수 있다.
액정 소자(10)가 발광 소자(20) 상에 제공될 수 있다. 액정 소자(10)는 도 1a 및 도 1b의 액정 소자(13)를 포함할 수 있다. 이 경우, 액정 소자(10)의 동작 방법은 앞서 도 2a 내지 도 2b의 액정 소자(13)의 동작에서 설명한 바와 실질적으로 동일할 수 있다. 표시 장치(1000)는 홀로그램 디스플레이 장치로 기능할 수 있다. 발광 소자(20)는 백라이트 유닛을 포함할 수 있다. 액정 소자(10)는 광 변조기(Light Modulator)로 기능할 수 있다. 표시 장치(1000)는 홀로그램 디스플레이 장치에 제한되지 않고, 다양한 분야에 적용될 수 있다.
이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (20)
- 서로 대향되는 제1 기판과 제 2 기판;
상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에서 상기 제 1 기판에 인접한 제 1 전극;
상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에서 상기 제 2 기판에 인접한 제 2 전극;
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에서 상기 제 1 전극에 인접한 제 1 배향막;
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에서 상기 제 2 전극에 인접한 제 2 배향막; 및
상기 제 1 배향막과 상기 제 2 배향막 사이에 개재되는 액정층을 포함하되,
상기 액정층은 액정 분자들을 포함하는 액정 부분과 소수성 물질을 포함하는 소수성 부분을 포함하고,
상기 액정 부분과 상기 소수성 부분은 서로 상분리되고,
상기 소수성 물질은 불소를 포함하는 액정 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 소수성 물질은 300~5000의 분자량을 가지는 액정 소자. - 제 1 항에 있어서
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극에 전압을 인가하기 전에,
상기 액정 부분은 상기 제 1 배향막에 인접한 제 1 액정 부분과 상기 제 2 배향막에 인접한 제 2 액정 부분을 포함하고,
상기 소수성 부분은 상기 제 1 액정 부분과 상기 제 2 액정 부분 사이에 개재되는 액정 소자. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극에 전압을 인가하면,
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 상기 액정 분자들이 수직 배향하고
상기 소수성 부분은 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극 옆으로 이동하며,
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에는 상기 액정 부분만 위치하고,
상기 제 1 전극과 상기 소수성 부분 또는 상기 제 2 전극과 상기 소수성 부분 사이에 상기 액정 부분이 개재되는 액정 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 액정 부분 또는 상기 소수성 부분에 포함되는 염료를 더 포함하는 액정 소자. - 제 5 항에 있어서,
상기 염료는 방향족 고리 또는 축합 고리를 가지는 액정 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 액정 부분은 염료를 더 포함하며,
상기 염료는 노란색을 가지며, 하기 화학식 1의 구조를 가지되,
<화학식 1>
상기 화학식 1에서, 상기 R1은 디알킬아미노기{-N(CnH2n+1), n은 1 이상의 정수}이고, 상기 R2는 수소, 메틸기, 에틸기, 탄소수 3 이상의 선형 또는 가지형 알킬기, 탄소수 3개 이상의 알케닐기, 또는 방향족기인 액정 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 액정 부분은 염료를 더 포함하며,
상기 염료는 자홍색(magenta)을 가지며, 하기 화학식 2의 구조를 가지되,
<화학식 2>
상기 화학식 2에서, 상기 R3은 하기 화학식 3에서 선택되는 하나이고,
<화학식 3>
상기 화학식 3에서, 상기 R4와 상기 R5는 각각 독립적으로 수소, 메틸기, 에틸기, 탄소수 3개 이상의 선형 또는 가지형 알킬기, 탄소수 3 이상의 알케닐기, 또는 방향족기인 액정 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 액정 부분은 염료를 더 포함하며,
상기 염료는 청록색(cyan)을 가지며, 하기 화학식 4의 구조를 가지되,
<화학식 4>
상기 화학식 4에서 상기 R6와 상기 R7은 각각 독립적으로 산소(O), 황(S), 셀레늄(Se), 메틸렌기, -NH-, 에스터기 중에서 하나이며, 상기 R8와 상기 R9은 각각 독립적으로 수소, 메틸(CH3), 에틸(C2H5), 프로필기(C3H7), 부틸기(C4H9), 펜틸(C5H11), 탄소수 6 이상의 선형 또는 가지형 알킬기, 탄소수 3 이상의 선형 또는 가지형 알케닐기 또는 방향족기인 액정 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 액정 부분은 염료를 더 포함하며,
상기 염료는 상기 액정 분자들의 총 중량의 0.001wt%~5wt%로 포함되는 액정 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 동일 평면 상에서 서로 이격된 제 1 화소 전극, 제 2 화소 전극 및 제 3 화소 전극을 포함하며,
상기 액정 소자는:
상기 제 1 화소 전극과 상기 제 2 화소 전극 사이에서 상기 액정층을 관통하여 상기 액정층의 상기 액정 부분을 제 1 화소 액정 부분과 제 2 화소 액정 부분으로 분리하는 제 1 격벽; 및
상기 제 2 화소 전극과 상기 제 3 화소 전극 사이에서 상기 액정층을 관통하여 상기 액정층의 상기 액정 부분을 상기 제 2 화소 액정 부분과 제 3 화소 액정 부분으로 분리하는 제 2 격벽을 더 포함하는 액정 소자. - 제 11 항에 있어서,
상기 액정 소자는:
상기 제 1 화소 액정 부분 내에 포함되는 제 1 염료;
상기 제 2 화소 액정 부분 내에 포함되는 제 2 염료; 및
상기 제 3 화소 액정 부분 내에 포함되는 제 3 염료를 더 포함하되,
상기 제 1 내지 제 3 염료들은 서로 다른 액정 소자. - 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 내지 제 3 화소 액정 부분들은 각각 서로 다른 농도의 광학 활성제를 더 포함하는 액정 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 액정 부분은 광학 활성제를 더 포함하며,
상기 광학 활성제는 하기 화학식 5를 가지되,
<화학식 5>
상기 화학식 5에서, 상기 R10은 수소, 메틸기 또는 에틸기이고,
상기 R11은 헥실(C6H13)기, OCO, 방향족기 또는 지환족기이고,
상기 R12는 수소, 메틸기, 에틸기 또는 아르곤이고,
상기 R13은 산소, CONH, COO, CN, 또는 OCO이고,
상기 R14는 X-B-A- 구조를 가지고, 상기 A와 상기 B는 각각 독립적으로 치환 가능한 방향족기 또는 지환족기이고, 상기 X는 탄소수 2~7인 선형 또는 가지형 또는 고리형 지방족 화합물인 액정 소자. - 제 14 항에 있어서,
상기 광학 활성제는 상기 액정 분자들의 총 중량의 0.1wt.%~50wt.%로 포함되는 액정 소자. - 제 14 항에 있어서,
상기 방향족기는 페닐기, 나프틸기, 안트릴기, 펜안트릴기, 및 복소 방향환의 잔류기를 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나이거나 또는 이의 일부가 메틸기, 에틸기, 노르말-프로필기, 불소, 염소, 브롬, CF3 및 CCl3을 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나로 치환된 액정 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 소수성 부분은 상기 액정 부분보다 낮은 유전율을 갖는 액정 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 액정 분자의 굴절률 이방성은 0.1~0.3인 액정 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 액정 분자의 유전율 이방성은 5~40인 액정 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 소수성 물질의 굴절률은 1.25~1.45인 액정 소자.
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2018
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