KR20210028301A - 액정 소자 - Google Patents

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KR20210028301A
KR20210028301A KR1020190108571A KR20190108571A KR20210028301A KR 20210028301 A KR20210028301 A KR 20210028301A KR 1020190108571 A KR1020190108571 A KR 1020190108571A KR 20190108571 A KR20190108571 A KR 20190108571A KR 20210028301 A KR20210028301 A KR 20210028301A
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이원재
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한국전자통신연구원
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Abstract

액정 소자가 제공된다. 본 발명의 실시예들에 따른 액정 소자는 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 제공되는 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 제공되고, 액정 부분 및 소수성 부분을 포함하는 액정층; 및 상기 액정층 상의 제2 전극을 포함하되, 상기 소수성 부분은 상기 액정 부분과 상분리되고, 상기 액정 부분은 고분자 물질들, 제1 염료, 및 상기 고분자 물질들에 분산된 액정 분자들을 포함하고, 상기 소수성 부분은 상기 제1 전극과 이격되고, 상기 소수성 부분은 소수성 물질들 및 제2 염료를 포함하고, 상기 제1 염료는 상기 고분자 물질들에 용해되고, 상기 제2 염료는 소수성 부분에 용해되고, 상기 고분자 물질들은 광 경화성 고분자 물질들을 포함할 수 있다.

Description

액정 소자{Liquid crystal device}
본 발명은 액정 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액정 소자의 액정층에 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 컬러필터 또는 편광판 없이 컬러이미지를 구현할 수 있는 액정 소자를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는 광손실을 최소화하는 액정 소자를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
액정 소자가 제공된다. 본 발명의 실시예들에 따른 액정 소자는 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 제공되는 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 제공되고, 액정 부분 및 소수성 부분을 포함하는 액정층; 및 상기 액정층 상의 제2 전극을 포함하되, 상기 소수성 부분은 상기 액정 부분과 상분리되고, 상기 액정 부분은 고분자 물질들, 제1 염료, 및 상기 고분자 물질들에 분산된 액정 분자들을 포함하고, 상기 소수성 부분은 상기 제1 전극과 이격되고, 상기 소수성 부분은 소수성 물질들 및 제2 염료를 포함하고, 상기 제1 염료는 상기 고분자 물질들에 용해되고, 상기 제2 염료는 소수성 부분에 용해되고, 상기 고분자 물질들은 광 경화성 고분자 물질들을 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 광 경화성 고분자 물질은 자외선에 의해 경화될 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 자외선의 파장은 250nm 이상 400nm이하일 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 기판은 복수의 픽셀 영역들을 갖고, 상기 픽셀 영역들 각각은 제1 영역 및 제2 영역을 갖고, 수직적으로 상기 제1 영역은 상기 제1 전극과 중첩되고, 평면적 관점에서 상기 제2 영역은 상기 제1 영역을 둘러쌀 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 제1 전극에 제1 전압이 인가되고, 상기 제2 전극에 상기 제1 전압과 다른 제2 전압이 인가되고, 상기 액정 분자들이 서로 수직으로 정렬되고, 상기 고분자 물질들의 굴절률은 상기 액정 분자들의 굴절률과 일치할 수 있다.
실시예들에 따르면, 수직적으로 상기 소수성 부분은 상기 제2 영역과 중첩되고, 평면적 관점에서 상기 소수성 부분은 상기 제1 영역과 이격될 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 액정층은 투명하고, 상기 액정층으로 입사된 빛은 상기 액정층을 투과할 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 소수성 부분은 상기 제2 영역과 수직적으로 중첩되고, 상기 액정 분자들이 무질서하게 배열될 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 액정 분자들이 평면적 관점에서 상기 제1 영역과 중첩되고, 상기 고분자 물질들의 굴절률은 상기 액정 분자들의 굴절률과 다를 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 제1 염료는 제1 색을 띠고, 상기 제2 염료는 상기 제1 색과 다른 제2 색을 띠고, 상기 액정층을 투과한 빛은 제1 색 및 제2 색의 혼합색을 띨 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 제1 색을 띠는 빛은 제1 파장을 갖고, 상기 제2 색을 띠는 빛은 제2 파장을 갖고, 상기 제1 파장의 빛의 세기(intensity)는 상기 제2 파장의 빛의 세기(intensity)보다 클 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 소수성 부분의 유전율은 상기 액정 부분의 유전율보다 낮고, 상기 소수성 부분의 유전율은 1 이상 3 이하일 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 액정층의 두께는 2.5um이상 60um이하일 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 소수성 부분의 굴절률은 상기 액정 부분의 굴절률과 다르고, 상기 소수성 부분의 상기 굴절률은 1.25 이상 1.45이하일 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 제2 염료는 상기 소수성 부분의 0.001 wt% 이상 50 wt% 이하로 포함될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 액정 소자는 액정층에 액정 부분과 소수성 부분을 포함할 수 있다. 액정 부분 및 소수성 부분에는 제1 염료 및 제2 염료가 포함될 수 있다. 액정 부분과 소수성 부분이 상분리되면, 색재들도 함께 상분리 되어 컬러이미지를 구현할 수 있다. 이에 따라, 별도의 컬러필터 또는 편광판 없이 컬러이미지를 구현하여 액정 소자의 제조가 보다 간소화될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 소자의 제조방법을 설명하기 위한 평면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'선을 따라 자른 단면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 액정 소자를 도시한 평면도이다.
도 4는 도 3의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 자른 단면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 액정 소자의 동작 방법을 설명하기 위한 평면도이다.
도 6은 도 5의 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 자른 단면이다.
도 7은 일 실시예에 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 소자의 제조방법을 설명하기 위한 평면도이다. 도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'선을 따라 자른 단면이다. 도 3은 일 실시예에 따른 액정 소자를 도시한 평면도이다. 도 4는 도 3의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 자른 단면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 액정 소자(1)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 1과 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. 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)의 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. 제1 기판(100)은 투명할 수 있다. 제1 기판(100)은 유기물 또는 무기물을 포함할 수 있다. 제1 기판(100)은 예를 들어, 플라스틱, 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 2와 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 전도성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(110)은 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 실버나노와이어(AgNW), 알루미늄(Al), 탄소나노튜브, 그래핀(grapheme), 폴리 폴리스티렌 술포 네이트(PEDOT:PSS), 폴리아닐린(polyaniline), 및/또는 폴리티오펜(polythiophene)을 포함할 수 있다. 제1 전극(110)은 단일막 또는 다층막으로 형성될 수 있다.
제1 계면제어층(120)이 제1 전극(110) 상에 배치될 수 있다. 제1 계면제어층(120)은 제1 전극(110) 및 제1 전극(110)에 의해 노출된 제1 기판(100)의 제2 영역(R2)을 덮을 수 있다. 제2 계면제어층(220)이 제1 계면제어층(120)과 수직적으로 이격 배치될 수 있다. 제1 계면제어층(120) 및 제2 계면제어층(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)를 포함할 수 있다. 제2 계면제어층(220)은 제1 계면제어층(120)과 동일 또는 상이한 물질을 포함할 수 있다. 제1 계면제어층(120) 및 제2 계면제어층(220)은 물에 대한 접촉각이 80도 이하일 수 있다. 제1 계면제어층(120) 및 제2 계면제어층(220)은 생략될 수 있다.
제2 전극(210)이 액정층(300) 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), 인듐 아연 산화물(IZO), 실버나노와이어(AgNW), 알루미늄(Al), 탄소나노튜브, 그래핀(grapheme), 폴리 폴리스티렌 술포 네이트(PEDOT:PSS), 폴리아닐린(polyaniline), 및/또는 폴리티오펜(polythiophene)을 포함할 수 있다. 제2 전극(210)은 단일막 또는 다층막으로 형성될 수 있다.
제2 기판(200)이 제2 전극(210) 상에 배치될 수 있다. 제2 기판(200)은 유기물 또는 무기물을 포함할 수 있다. 제2 기판(200)은 자외선 차단층(미도시) 또는 적외선 반사층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 자외선 차단층은 고분자, 무기물, 및/또는 세라믹을 포함할 수 있다. 상기 자외선 차단층의 자외선 차단율은 50% 이상 99.9%이하일 수 있다.
액정층(300)이 제1 기판(100) 및 제2 기판(200) 사이에 주입될 수 있다. 보다 구체적으로, 액정층(300)은 제1 계면제어층(120) 및 제2 계면제어층(220) 사이에 주입될 수 있다. 액정층(300)의 두께(T)는 2.5um 이상 60um이하일 수 있다. 액정층(300)은 서로 상분리된 액정 부분(310) 및 소수성 부분(320)을 포함할 수 있다. 액정층(300)은 제1 기판(100)의 픽셀 영역들(Px) 상에 배치될 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. 보다 구체적으로, 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. 액정층(300)은 별도의 외력(예를 들어, 전기장)이 없는 상태일 수 있다. 제1 및 제2 계면제어층들(120, 220)과 소수성 부분(320) 사이의 상호 작용의 세기(intensity)는 제1 및 제2 계면제어층들(120, 220)과 액정 부분(310) 사이의 상호작용의 세기(intensity)와 다를 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 계면제어층들(120, 220)과 액정 부분(310) 사이의 친화력은 제1 및 제2 계면제어층들(120, 220)과 소수성 부분(320’) 사이의 친화력보다 더 클 수 있다. 이에 따라, 소수성 부분(320’)은 제1 계면제어층(120) 및 제2 계면제어층(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 계면제어층(120) 사이 또는 소수성 부분(320’)과 제2 계면제어층(220) 사이에 제공될 수 있다. 액정 부분들(310)은 제1 계면제어층(120) 또는 제2 계면제어층(220)과 물리적으로 접촉할 수 있다. 이하, 단수의 액정 부분들(310)에 관하여 기술한다.
액정 부분(310)은 액정 분자들(311), 고분자 물질들(312), 및 제1 염료(315)를 포함할 수 있다. 액정 분자들(311)은 양의 유전율 또는 음의 유전율을 가질 수 있다. 액정 분자들(311)은 고분자 물질들(312)의 중량에 대해 0.5배 이상 9배 이하의 중량을 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. 액정층(300)은 자외선 광개시제들을 더 포함할 수 있다. 자외선 광개시제들은 고분자 물질들(312)의 경화율을 향상시킬 수 있다. 광개시제들은 고분자 물질들(312)의 중량에 대해 0.01배 이상 0.2배 이하의 중량을 가질 수 있다.
고분자 물질들(312)은 자외선에 경화되는 고분자의 전구체 형태일 수 있다. 보다 구체적으로, 고분자 물질들(312)은 무정형(Amorphous) 또는 세미결정성(semi-crystalline)의 모노머 또는 올리고머일 수 있다. 바람직하게는, 300이상 100,000이하의 분자량을 갖는 우레탄 아크릴레이트 올리고머(urethane acrylate oligomer), 헥산다이올 다이아크릴레이트(1,6-hexandiol diacrylate, HAD), 2-하이드록시에틸 메스아크릴레이트(2-hydroxyethyl methacrylate, 2-HEMA), 2-엘틸헥실 아크릴레이트(2-ethylheeth acrylate), 하이드록시에틸 아크릴레이트(hydroxyethyl acrylate, HEA), 메틸메스아크릴레이트(Methyl methacrylate, MMA), 메스아크릴레이트(Methacrylate, MA), 아이소보닐 아크릴레이트(Isobornyl acrylate, IOBA), 2(2-에톡시에톡시) 에틸 아크릴레이트(2(2-ethoxyethoxy) ethyl acrylate, EOEOEA), 트리에티로프로판 트라이아크릴레이트 (Triethylopropane triacrylate, TMPTA), 트리메틸로프로판 다이아릴 이서(Trimethylolpropane dially ether, TMPDE), 트라이프로필렌 글라이콜 다이아크릴레이트 (Tri(propylene glycol) Diacrylate, TPGDA), 펜타리스리톨 트라이아크릴레이트 (Penthaerithritol Triacrylate, PETA), 에틸렌 글라이콜 다이메서아크릴레이트 (Ethylene glycol dimethacrylate, EGDA), 트리에티로프로판 트라메스아크릴레이트 (Triethylopropane trimethacrylate, TMPTMA), 2-펜녹시에틸 아크릴레이트(2-phenoxyethyl acrylate, 2-PEA), 트라이메티롤프로판 에톡시레이트 트라이아크릴레이트 (Trimethylolpropane Ethoxylate Triacrylate, TMPEOTA), 테트라하이드로퍼퓨릴 아크릴레이트(tetrahydrofurfuryl acrylate, THFA), 및/또는 우레탄 다이아크릴레이트 (urethane diacrylate)를 포함할 수 있다.
고분자 물질들(312)은 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 첨가제는 예를 들어, 계면활성제, 소포제, UV안정제, 및/또는 점도 조절제를 포함할 수 있다. 상기 첨가제는 고분자 물질들(312)의 중량에 대해 0.001배 이상 1배 이하의 중량을 가질 수 있다. 고분자 물질들(312)에 자외선이 조사될 수 있다. 고분자 물질들(312)은 자외선에 의해 경화될 수 있다. 상기 자외선의 파장은 250nm 이상 400nm이하일 수 있다.
제1 염료(315)는 액정 부분(310)에 용해될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 염료(315)는 액정 부분(310) 내에 고분자 물질들(312)에 선택적으로 용해될 수 있다. 제1 염료(315)는 고분자 물질들(312)의 중량에 대해 0.001% 이상 5% 이하의 중량을 가질 수 있다. 제1 염료(315)는 파란색(Blue)을 띨 수 있다. 일 예로, 제1 염료(315)는 아래의 <화학식 1>로 표시될 수 있다.
<화학식 1>
Figure pat00001
(상기 <화학식 1>에서 상기 R1, R2, R3, 및 R4는 각각 독립적으로, -NH2, -NHRa (상기 Ra는 탄소수 1 내지 4의 알킬기이다.), -H, -OH, 탄소수 1 내지 10의 선형 또는 가지형 알킬기, 탄소수 3 내지 10의 선형 또는 가지형 알케닐기 및 하기 <화학식 2>에서 선택되는 방향족기 중 하나일 수 있다.)
<화학식 2>
Figure pat00002
다른 예로, 제1 염료(315)는 아래의 <화학식 3>으로 표시될 수 있다.
<화학식 3>
Figure pat00003
(상기 <화학식 3>에서 상기 R5는 -SO3Na, 및 -SO3H 중에서 선택된 하나일 수 있다. 상기 R6은 -NH2, -NHCH3, 및 -NHC6H5 중에서 선택된 하나일 수 있다.)
제1 염료(315)는 붉은색(Red)을 띨 수 있다. 일 예로 제1 염료(315)는 아래의 <화학식 4>로 표시될 수 있다.
<화학식 4>
Figure pat00004
(상기 <화학식 4>에서, R7은 Cr, Mo, W, Mn, V, Nb, 및 Ta 중 선택된 하나일 수 있다. 상기 <화학식 4>에서 R8, R9, R10, 및 R11은 각각 독립적으로 -NO2, -NH3, -NHRb(Rb는 탄소수 1 내지 4의 알킬기이다.), 및 하기 <화학식 5>에서 선택되는 방향족기 중 하나일 수 있다. 상기 <화학식 4>에서 R12는 -SO3Na, 및 -SO3H 중 하나일 수 있다.)
<화학식 5>
Figure pat00005
다른 예로 제1 염료(315)는 아래의 <화학식 6>으로 표시될 수 있다.
<화학식 6>
Figure pat00006
(상기 <화학식 6>에서 R13은 -COOH, 및 -COONa 중 하나일 수 있다. 상기 <화학식 6>에서 R14, 및 R15는 각각 수소, 메틸기, 에틸기, 탄소수 3 내지 10의 선형 또는 가지형 알킬기, 탄소수 3 내지 10의 선형 또는 가지형 알케닐기, -NH2, -NHRc (상기 Rc는 탄소수 1 내지 4의 알킬기이다.) 및 하기 <화학식 7>에서 선택되는 방향족기 중 하나일 수 있다. 상기 <화학식 6>에서 R16은 -H, -OH, -SO3H, 및 -COOH 중 하나일 수 있다.)
<화학식 7>
Figure pat00007
제1 염료(315)는 초록색(Green)을 띨 수 있다. 일 예로, 제1 염료(315)는 아래의 <화학식 8>로 표시될 수 있다.
<화학식 8>
Figure pat00008
상기 <화학식 8>에서 상기 R17 및 R18은 각각 독립적으로 하기 <화학식 9>에서 선택되는 하나일 수 있다.
<화학식 9>
Figure pat00009
소수성 부분(320)은 소수성 물질들(322) 및 제2 염료(325)를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 소수성은 물에 대한 접촉각이 90도보다 큰 것을 의미한다. 소수성 물질들(322)은 예를 들어, 불소를 함유하는 폴리머를 포함할 수 있다. 소수성 물질들(322)은 예를 들어, tetrafluoroethylene, trifluoroethylene, difluoroethylene, 2,2-bisfluoromethyl-4,5-difluoro-1,3-dixole, 및 chlorotrifluoroethylene 중에서 선택된 적어도 하나의 모노머로부터 중합된 폴리머를 포함할 수 있다. 소수성 물질들(322)은 액정 분자들(311)보다 비극성을 나타낼 수 있다. 소수성 물질들(322)은 액정 분자들(311)보다 낮은 유전율을 가질 수 있다. 소수성 물질들(322)은 예를 들어, 1 내지 3의 유전율을 가질 수 있다. 액정 분자들(311)은 예를 들어, 5 내지 40의 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 물질들(322)의 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.
제2 염료(325)는 소수성 부분(320)에 선택적으로 용해될 수 있다. 제2 염료(325)는 제1 염료(315)와 유사하되, 소수성 작용기를 포함하는 구조일 수 있다. 제2 염료(325)는 비이온성 물질일 수 있다. 예를 들어, 제2 염료(325)는 안트라퀴논 또는 아조 벤젠 구조를 가질 수 있다. 제2 염료(325)의 직경은 0.1um 이상 2um이하일 수 있다. 제2 염료(325)는 소수성 부분(320)에 대해 0.00001배 이상 0.1배 이하의 중량을 가질 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 전극(110) 및 제2 전극(210)에 전압이 인가될 수 있다. 이에 따라, 액정층(300) 내에 전기장이 형성될 수 있다. 소수성 부분(320)은 픽셀 영역들(Px)의 제1 영역들(R1)과 중첩되지 않을 수 있다. 소수성 부분(320)은 픽셀 영역들(Px)의 제2 영역들(R2)과 중첩될 수 있다. 소수성 부분(320)은 픽셀 영역들(Px)을 구획하는 격벽들로 기능할 수 있다. 즉, 픽셀 영역들(Px)의 제2 영역들(R2)은 각각의 픽셀 영역들(Px)을 정의하는 분리 영역들로 기능할 수 있다. 소수성 물질들(322)은 서로 다른 픽셀 영역들(Px)의 액정 분자들(311) 사이의 크로스 토크(cross talk)의 발생이 방지/감소될 수 있다. 이에 따라, 액정 소자(1)의 해상도가 향상될 수 있다. 전압차에 의해 소수성 부분(320)이 픽셀 영역들(Px)의 제1 영역들(R1)의 액정 분자들(311)을 구획하므로, 액정층(300) 내에 별도의 격벽이 제공되지 않을 수 있다. 이에 따라, 액정층(300)이 소형화될 수 있다. 격벽 형성 공정이 생략되어, 액정 소자(1)의 제조가 보다 간소화될 수 있다. 제1 기판(100)의 픽셀 영역들(Px)이 피세 피치를 갖더라도, 소수성 부분(320)은 픽셀 영역들(Px)을 양호하게 구획할 수 있다. 액정 소자(1)의 픽셀 영역들(Px)의 너비(B)가 감소하여, 액정 소자(1)의 해상도가 더욱 향상될 수 있다.
액정층(300) 내에 전기장이 형성되면, 액정 분자들(311)이 정렬할 수 있다. 이때, 정렬된 액정 분자들(311)은 전기장이 강하게 작용하는 위치, 즉, 제1 전극(110)과 제2 전극(210) 사이에 배치될 수 있다. 정렬된 액정 분자들(311)은 제1 전극(110)과 수직적으로 중첩되는 부분 상에 배치될 수 있다. 상기 정렬된 액정 분자들(311)은 인접한 다른 액정 분자들(311)과 강한 상호작용을 할 수 있다. 이에 따라, 인접한 액정 분자들(311)이 제1 전극(110)과 수직적으로 중첩되는 부분 상에 모여들고, 정렬될 수 있다. 고분자 물질들(312)은 액정 분자들(311)과 높은 혼화성을 갖고, 제1 염료들(315)은 상기 고분자 물질들(312)에 선택적으로 용해될 수 있다. 이에 따라, 고분자 물질들(312) 및 제1 염료들(315)이 평면적 관점에서 제1 기판(100)의 픽셀 영역들(Px)의 제1 영역들(R1)과 중첩될 수 있다. 소수성 부분(320)은 낮은 유전율(예를 들어, 1 내지 3의 유전율)을 가질 수 있다. 소수성 부분(320)은 상기 액정 분자들(311)에 의해 제1 전극(110)과 중첩되지 않는 부분(예를 들어, 제2 영역(R2))으로 밀려날 수 있다. 이에 따라, 제2 염료(325)는 제2 영역(R2)과 수직으로 중첩될 수 있다.
액정층(300)에 자외선이 조사될 수 있다. 액정층(300) 내의 고분자 물질들(312)이 자외선에 의해 경화될 수 있다. 이에 따라, 소수성 부분(320)이 수직적으로 제2 영역과 중첩된 채로 고정될 수 있다. 상기와 같은 제조과정을 통해 액정 소자(1)가 제조될 수 있다.
이하, 액정 소자(1)의 동작에 관하여 설명한다.
도 5는 일 실시예에 따른 액정 소자의 동작 방법을 설명하기 위한 평면도이다. 도 6은 도 5의 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 자른 단면이다.
도 5 및 도 6에서 액정 소자(1)는 제1 전극(110) 및 제2 전극(210) 사이에 전압차가 형성되지 않는 상태일 수 있다. 일 예로, 제1 전극(110) 및 제2 전극(210)에 전압이 인가되지 않을 수 있다. 다른 예로, 제1 전압 및 제2 전압이 제1 전극(110) 및 제2 전극(210)에 각각 인가되고, 제2 전압은 제1 전압과 동일할 수 있다. 소수성 부분(320)은 액정층(300)의 픽셀 영역들(Px)의 제2 영역들(R2)과 중첩될 수 있다. 수직적 관점에서 제1 염료(315)는 제1 영역과 중첩될 수 있다. 제2 염료(325)는 제2 영역과 중첩될 수 있다. 제1 염료(315)는 제1 색을 띨 수 있고, 제2 염료(325)는 제2 색을 띨 수 있다. 제1 색과 제2 색은 다른 색일 수 있다.
액정 부분(310)의 액정 분자들(311)은 정렬되지 않고, 무질서하게 배열될 수 있다. 액정 부분(310)에 입사된 빛은 액정 분자들(311) 및 복수의 제1 염료들(315)에 의해 액정 부분(310) 내에서 산란될 수 있다. 산란되어 액정 부분(310)을 투과한 빛은 제1 색을 띨 수 있다. 액정 분자들(311)이 무질서하게 배열된 경우, 액정 분자들(311)이 정렬된 경우에 비해 입사된 빛이 액정 부분(310) 내에서 더욱 산란될 수 있다. 이에 따라, 액정 부분(310) 내에서의 광경로가 보다 길어질 수 있다.
소수성 부분(320)에 입사된 빛은 복수의 제2 염료들(325)에 의해 소수성 부분(320) 내에서 산란될 수 있다. 산란되어 소수성 부분(320)을 투과한 빛은 제2 색을 띨 수 있다. 소수성 물질들(322)은 투명하므로, 소수성 부분(320)으로 입사된 빛의 대부분은 산란되지 않고, 소수성 부분(320)을 투과할 수 있다. 소수성 부분(320) 내에서의 광경로는 비교적 짧을 수 있다. 이때, 액정 소자가 발산하는 빛은 액정 부분(310)을 투과한 제1 색의 빛과 소수성 부분(320)을 투과한 제2 색의 빛을 포함할 수 있다. 액정 소자가 발산하는 빛은 제1 색과 제2 색의 혼합색을 띨 수 있다. 제1 색을 띠는 빛은 제1 파장을 가질 수 있다. 제2 색을 띠는 빛은 제2 파장을 가질 수 있다. 제1 파장과 제2 파장은 다를 수 있다. 상기 액정 소자가 발산하는 빛 중 제1 파장의 빛의 세기(intensity)는 제2 파장의 빛의 세기(intensity)보다 셀 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 전극(110) 및 제2 전극(210) 사이에 전압차가 발생할 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(110)에 제3 전압이 인가되고, 제2 전극(210)에 제4 전압이 인가될 수 있다. 제4 전압은 제3 전압과 다를 수 있다. 상기 전압차에 의해 액정 분자들(311)은 방향성을 갖고, 규칙적으로 정렬될 수 있다. 도 4와 같이 액정 분자들(311)은 제1 기판(100)의 상면에 수직한 방향으로 정렬될 수 있다. 액정 분자들(311)의 정렬 방향은 이에 제한되지 않고 다양하게 변형될 수 있다. 액정 분자들(311)이 정렬되는 경우, 액정 분자들(311)이 무질서하게 배열된 경우에 비해 입사된 빛이 액정 부분(310) 내에서 덜 산란될 수 있다. 이에 따라, 액정 부분(310) 내에서의 광경로가 보다 짧아질 수 있다.
소수성 물질들(322) 및 제2 염료들(325)의 배열은 전기장에 의해 직접적으로 영향을 받지 않을 수 있다. 소수성 부분(320)을 투과한 빛의 색은 제1 전극(110) 및 제2 전극(210) 사이에 전압차가 발생하지 않은 경우와 실질적으로 동일할 수 있다. 이때, 액정 소자가 발산하는 빛은 액정 부분(310)을 투과한 제1 색의 빛과 소수성 부분(320)을 투과한 제2 색의 빛을 포함할 수 있다. 액정 소자가 발산하는 빛은 제1 색과 제2 색의 혼합색을 띨 수 있다. 제1 색을 띠는 빛은 제1 파장을 가질 수 있다. 제2 색을 띠는 빛은 제2 파장을 가질 수 있다. 제1 파장과 제2 파장은 다를 수 있다. 상기 액정 소자가 발산하는 빛 중 제1 파장의 빛의 세기(intensity)와 제2 파장의 빛의 세기(intensity)가 실질적으로 동일할 수 있다.
실시예에 따른 액정 소자는, 제1 전극(110) 및 제2 전극(210)에 서로 다른 전압을 인가하여 액정 분자들(311)을 정렬시키거나 정렬시키지 않을 수 있다. 이에 따라, 액정 부분(310)을 투과하는 빛의 색 및 세기(intensity)가 변화할 수 있다. 액정 소자가 발산하는 빛은 액정 부분(310)을 투과한 빛의 색과 소수성 부분(320)을 투과한 빛의 색이 혼합된 색을 띠므로, 제1 염료들(315) 및 제2 염료들(325)의 물질을 달리하거나, 농도를 달리하여 이색 컬러를 갖는 액정 소자를 구현할 수 있다. 상기 액정 소자는 별도의 컬러 필터, 편광판, 또는 백라이터를 필요로 하지 않을 수 있다. 이에 따라, 광손실을 최소화하여 고투명 디스플레이를 구현할 수 있다.
도 5를 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 1 내지 도 6의 액정 소자(1)를 포함할 수 있다. 이 경우, 액정 소자(10)의 동작 방법은 앞서 도 1 내지 도 6의 액정 소자(1)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 (15)

  1. 제1 기판;
    상기 제1 기판 상에 제공되는 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 제공되고, 액정 부분 및 소수성 부분을 포함하는 액정층; 및
    상기 액정층 상의 제2 전극을 포함하되,
    상기 소수성 부분은 상기 액정 부분과 상분리되고,
    상기 액정 부분은 고분자 물질들, 제1 염료, 및 상기 고분자 물질들에 분산된 액정 분자들을 포함하고,
    상기 소수성 부분은 상기 제1 전극과 이격되고,
    상기 소수성 부분은 소수성 물질들 및 제2 염료를 포함하고,
    상기 제1 염료는 상기 고분자 물질들에 용해되고,
    상기 제2 염료는 소수성 부분에 용해되고,
    상기 고분자 물질들은 광 경화성 고분자 물질들을 포함하는 액정 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광 경화성 고분자 물질은 자외선에 의해 경화되는 액정 소자.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 자외선의 파장은 250nm 이상 400nm이하인 액정 소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 기판은 복수의 픽셀 영역들을 갖고,
    상기 픽셀 영역들 각각은 제1 영역 및 제2 영역을 갖고,
    수직적으로 상기 제1 영역은 상기 제1 전극과 중첩되고,
    평면적 관점에서 상기 제2 영역은 상기 제1 영역을 둘러싸는 액정 소자.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 전극에 제1 전압이 인가되고,
    상기 제2 전극에 상기 제1 전압과 다른 제2 전압이 인가되고,
    상기 액정 분자들이 서로 수직으로 정렬되고,
    상기 고분자 물질들의 굴절률은 상기 액정 분자들의 굴절률과 일치하는 액정 소자.
  6. 제5 항에 있어서,
    수직적으로 상기 소수성 부분은 상기 제2 영역과 중첩되고
    평면적 관점에서 상기 소수성 부분은 상기 제1 영역과 이격되는 액정 소자.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 액정층은 투명하고,
    상기 액정층으로 입사된 빛은 상기 액정층을 투과하는 액정 소자.
  8. 제4 항에 있어서,
    상기 소수성 부분은 상기 제2 영역과 수직적으로 중첩되고,
    상기 액정 분자들이 무질서하게 배열되는 액정 소자.
  9. 제4 항에 있어서,
    상기 액정 분자들이 평면적 관점에서 상기 제1 영역과 중첩되고,
    상기 고분자 물질들의 굴절률은 상기 액정 분자들의 굴절률과 다른 액정 소자.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 염료는 제1 색을 띠고,
    상기 제2 염료는 상기 제1 색과 다른 제2 색을 띠고,
    상기 액정층을 투과한 빛은 제1 색 및 제2 색의 혼합색을 띠는 액정 소자.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 색을 띠는 빛은 제1 파장을 갖고,
    상기 제2 색을 띠는 빛은 제2 파장을 갖고,
    상기 제1 파장의 빛의 세기(intensity)는 상기 제2 파장의 빛의 세기(intensity)보다 큰 액정 소자.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 소수성 부분의 유전율은 상기 액정 부분의 유전율보다 낮고,
    상기 소수성 부분의 유전율은 1 이상 3 이하인 액정 소자.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 액정층의 두께는 2.5um이상 60um이하인 액정 소자.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 소수성 부분의 굴절률은 상기 액정 부분의 굴절률과 다르고,
    상기 소수성 부분의 상기 굴절률은 1.25 이상 1.45이하인 액정 소자.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 염료는 상기 소수성 부분의 0.001 wt% 이상 50 wt% 이하로 포함되는 액정 소자.
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