KR830002189B1 - 쌍안정 액정 트위스트셀 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

쌍안정 액정 트위스트셀

제1도는 본 발명의 모범적인 실시예와 관련된 여러상태의 에너지도.

제2도는 제1도에 도시된 여러상태에서의 액정다이렉터를 나타내는 개요도.

제3도는 본 발명의 액정셋의 특정한 실시예.

본 발명은 쌍안정 액정셀에 관한 것이다.

정렬된 분자의 영향 및 효과는 광선의 특성을 변경시키거나 또는 변조용 장치 및 스윗칭용 장치를 구성하는데 많이 적용되어져 왔다. 액체상태의 분자그룹 또는 정렬된 분자를 구성하는 액정은 이 관점에서 특히 유용한 것으로 알려졌다. 왜냐하면 정렬의 정도 및 성질은 액체의 투과성내의 부수적인 변화를 획득하도록 비교적 쉽게 변화하기 때문이다. 이러한 액정의 편광효과 및 투과성내의 차이는 액정 손목시계의 증가에 의해 명백해지는 바와 같이 통상적으로 사용된 표시장치를 얻도록 양자 모두 사용되어져 왔다. 그러나, 두 안정상태와 관련되고 또한 한 안정상태에서 다른 안정상태로 최소의 에너지소비로서 쉽고 신속하게 전달될 수 있는 액정이 되도록 실행되었다. 이러한 장치에서 두 안정상태중의 한개내에 액정이 유지되는데는 에너지가 거의 필요없었다.

종래의 연구자들은 트위스트되거나 트위스트되지 않은 네마틱(nematic)액정의 비안정상태의 특성을 조사하였다. 그러나, 구매용 쌍안정 액정장치의 길이는 유효한 쌍안정 액정표시 장치를 얻기위한 종래의 기술이 실패했읍을 보여준다.

본 발명은 쌍안정 액정셀이다. 이 셀은 에너지의 인가없이 불명확하게 존재하는 그러나 적절한 스윗칭 에너지의 인가로서 스위치되는 두 안정상태와 관련된다. 액정셀은 두 경계면내에 내장된 콜레스테릭(cholesteric)액정을 포함한다. 액정은 정상적인 헬리시티(helicity)가 아닌 헬리시티로 한 안정상태내에 구속된다. 안정상태에서, 액정은 사실상 벽 및 디스클라이네이션으로부터 사실상 해체된다. 스윗칭은 종래기술의 다중 주파수 어드레싱기법이나 또는 특정한 하강시간 특성으로 적절하게 인가된 필드의 특정한 턴오프를 포함하는 새로 발견된 기법에 의해 유효해진다. 특정한 실시예는 셀의 특정한 영역이 패튼(patten)된 표시장치를 얻도록 분리되는 형태를 포함한다.

본 발명은 액정 트위스트셀의 수학적인 특징내에 쌍안정성을 포함하는 특성을 가진 일군의 해(解)가 존재한다는 인식을 기초로 하고 있다. 본원의 문맥에 있어서. 쌍안정성은 액정이 그것에 인가된 경계조건의 영향하에 따라, 적어도 두개의 다른상태로 존재하는 것이 가능하고, 그 어느 것인가는 또 하나의 상태로 이행되도록 하기 위하여 특정한 단계가 취해질 때까지 영속적으로 존재한다는 사실을 말한다. 이 상태는 예를들면 전계와 같은 외부에너지의 인가없이도 영속적으로 존재할 것이다. 본 기술상 숙련된 자들에 의해 사용과 일치하는 쌍안정성의 이 정의는 본 발명셀의 주요 장점이다. 특히, 에너지는 한 상태에서 다른 상태로 셀의 전달이 요구될 때에만 소비된다. 모든 다른 시간에서, 셀은 에너지의 소비없이 소정의 상태를 유지할 것이다. 안정상태의 수명에 관한 "영속적으로"라는 술어의 사용은 엄밀하다는 것을 의미하지 않고, 오히려 스윗칭시간에 비교하여 긴 주기의 시간을 말하며 그리고 많은 실시예에서는 셀과 그 분품의 화학적 수명과 필적할 수 있는 시간을 말한다. 그러나, 현재 이해되는 바와 같이 수학적인 해석은 외부섭동력이 적용될 때까지 완전한 안정성을 증명한다. 현재 이해도고 있는 바와 같이, 이 외부힘은 상기에 발표된 스윗칭 필드의 형태일때만 생긴다. 안정상태의 한정된 수명을 제어불가능한 힘이기 바람직하지 않는 힘이 있는 증거는 일반적으로 없다.

이것의 가장 원초적인 형태에 있어서, 본 발명은 쌍안전성을 가리키는 수학적인 해석에 의해 잘 설명된다. 이 수학적인 해는 액정 트위스트셀과 관련된 물리적 현상 및 여러 에너지 기여도를 설명하는 둥식에 의해 발생된다. 에너지 기여도는 예를들면 전계, 자계 및 전자장과 같은 필드의 인가에 기인하는 기여도와, 셀벽과 연관되 속박과 같은 외부적으로 인가된 조건의 결과로서 각 부분에 생기는, 트위스트, 기울기 및 탄성 에노지벤드 등에 기인되는 항을 포함한다. 매우 정교한 수치를 사용하여 해결될 수 있는 이등식은 본질적으로 무수한 해를 가지며, 그 대부분은 무관심이고 무관계이다. 그둘중 무수한 수의 해는 본출원인이 발견하였으며, 또한 쌍안정성의 현사을 포함하는 것이다. 이들 해는 예를들면 경사, 트위스트 및 탄성밴드 상수와 같은 에서지 등식내의 변수의 특정치 및 특정한 경계조건에 대해 나타난다.

본 발명의 수학적인 설명은 아마 매우 엄격한 반면, 이것은 취급하기 어려운 성질에서 본 출원인은 주요 특성 및 변수특성에 관하여 발명의 셀을 설명하도록 인도한다. 이 질적인 정의는 이것이 왜(歪)가 없을때 트위스트의 특정치와 관련된 액정을 내장하는 셀에 대해 설정된다. 여기서 액저은 콜레스테릭(cholesteric)으로 설명될 수 있다. 즉, 어떤 속박이 없을 경우, 액정의 최저 에너지상태는 특정한 피치를 가진 나선형이다. 액정은 적절한 피치의 나선을 한정하는 것 같은 디렉터를 그 특정과 관련되어 지니는 것으로 간주된다. 이 출원서의 목적상, 적어도 한 안정상태에서 셀내의 액정은 왜가 없는 상태의 콜레스테릭 피치는 "왜가 없는 피치"로서 참조된다.

본 발명셀의 특징은, 적어도 한 안정상태에서 셀내의 액정은 왜가 없는 피치와 다른 값의 피치에 속박되는 것이다. 이 속박은 배열성 계면활성체(aligning surfactant)셀벽을 적절히 처리하는데, 홈들로서의 식각에 의해 또는, 비대칭 증착피폭을 제공하는데 의해 유효해진다. 셀의 능동영역내의 액정은 사실상 안정상태동안 디스클리네이션(disclination) 및 도메인(domain)벽으로부터 자유롭게 된다.

이 조건들이 셀의 수학적 항에 삽입될때, 액정은 적어도 두 안정상태중의 한 상태가 존재할 수 있는 일군의 해가 존재함을 알 수 있다. 더우기, 이들의 해의 특징 및 본 발명 셀의 특징은, 액정이 한 안정상태에서 다른 상태로 외부에너지 부가로 인가됨에 인해 변환될 수 있는 것과, 이 변환이 디스클리네이션을 통하여 액정의 통과없이 또는 능동영역을 교차하는 디스클리네이션의 통과없이 동상적으로 일어날 수 있는 것이다. 이러한 요건은 스윗칭 에너지의 비교적 저입력으로서 스윗칭을 발생시킬 것이다.

이하 본 발명은 주어진 도면과 설명으로 더욱 명확해질 것이다.

모범적인 실시예의 에너지도가 제1도에 개략적으로 도시된다. 이 도면에서 A,C 및 D로서 세 안정상태가 도시된다. 이들의 상태에 있을때 액정 디렉터에 의하여 간주되는 배열을 제2도에 나타낸다. 에너지 상태 A에서, 디렉터는 트위스트되지 않는다. 이러한 상태의 존속은, 트위스트가 어떤 특정한 경계상태에 의해 허용되지 않고, 도시될 필요가 없는 낮은 에너지, 왜가 없는 상태에서만 나타날 필요가 있는 콜레스테틱과 정상적으로 관련되므로 콜레스테릭으로 참조되는 액정과는 양립하지 않읍을 유의해야 한다. C상태에서, 디렉터는 제2c도에 표시된 배열을 취한다. 제2d도에 개략적으로 도시되고 D로 표시된 제3 안정상태가 또한 도시된다. 제1도 및 제2도의 실시예에서 상태 D는 왜가 없게 된다. 통상적으로 0내지 10⁵Hz 또는 0 내지 10⁴Hz의 주파수 범위에서 또한, 특정한 실시예에서는 셀벽에 대해 수직으로 전계를 인가하면 전계가 충분하게 강할 경우 예를들면 1 내지 100V일 경우 B 상태로 초래될 것이다. B상태는 전계가 부과되는 한 존재할 것이다. 아래에 설명될 바와 같이, 전계의 제거는 A 또는 C의 어느 상태로 되는데, 필드제거의 상세에 따라 안정하거나 또는 온(ON)상태동안의 그 강도에 따라 안정하게 된다.

쌍안정 장치내에서 이것의 구동 또는 비구동 역할과 D상태의 특성을 이해하는것이 중요하다. A 또는 C 상태에서 D상태로 셀을 스위치시키기 위하여, 여러 상태를 분리시키는 높은 전위장벽에 의해 제1도에 개략적으로 도시된 바와 같이, A 및 B 상태간에 스위치되는 에너지보다 더 많은 에너지가 요구된다. 본 경우의 전위장벽은 D상태가 달성될 수 있기전에 통과해야 하는 액적 트위스트를 통하여 디스클리네이션과 관련된다. D상태를 피하기 위하여, D상태의 에너지가 제1도에 점선으로 도시된 바와 같은 A 또는 C상태의 에너지보다 더 높아져야 한다고 여겨졌다. 이러한 에너지 증가는 예를들면 셀표면에서 비교적 큰 경사각 예를들면 45°로 관련되는 부가적인 경사에너지의 유도에 의해 유효해진다(셀의 양쪽벽의 경사는 A 또는 C상태보다는 D상태로 에너지의 경사를 더 유도한다). 그러나, 출원인은 다른 상태에서 D상태를 분리시키는 전위장벽의 높이는 D상태가 도시된 바와 같이 다른 상태보다 낮은 에너지의 경우에서도 크다는 점을 발견하였고, 유효한 스윗칭은 D상태로 도시된 전이시키고 디스클리네이션을 통하여 액정이 통과되도록 충분한 에너지 상승없이 상태 A 및 C간에 부과될 수 있다.

제1도 및 제2도에 검토된 실시예에서, 액정의 왜가 없는 자유피치는 대략 180°, 즉 D상태의 배열이다. 이 변수들은 액정의 성질 및 벽간격에 의해 명백하게 지배된다. 여러가지 교대의 실시예에서 180°이외의 값이 사용될 수도 있다. 예를들면, 경계벽에서 상당한 경사가 액정에 주어질 경우, 가장 바람직한 해는 90°보다 작거나 또는 270°보다 큰 왜가 없는피치를 가지는 것이다. 이러한 형태에 있어서, A 및 C상태는 대략 360°로 분리될 것이다. 그러나 이 상태의 피치가 각각 0°및 360°일 필요는 없다.

제2도에 도시된 배열의 상세함은 액정 트위스트셀에 대한 노출을 더욱 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위하여 도면에서 생략되었다. 이 상세함은 A,C 및 D의 상태의 표면부근의 디렉터가 1 내지 60°의 임의의 위치만큼 셀벽에 관해 경사진 것을 포함한다. 벽돌중의 어느 것에 인접한 디렉터는 그들이 평행인듯한 양상으로 경사진다. A 및 C상태에서, 이경사는 셀의 두께를 통하는동안 필수적으로 균일하다. 그러나, D상태에서, 디렉터의 방향은 어떤 중간면에서는 셀벽에 평행하게 되는 경사로 변화되어도 좋다. 이러한 배열은 제1도의 점선으로 도시된 에너지레벨을 충분히 경사지게 하는데 부가적인 D상태에 대한 경사에 너지를 유도한다.

경사는 두가지 목적을 제공한다. 첫째는 A 또는 C상태에서 B상태로 상승하는 스윗칭 전계가 인가될때 생기는 불명료함을 제거시키는 것이다. 경사는 부가적으로 A 또는 C상태의 에너지 레벨이상으로 D상태의 에너지를 상승시키는 부가의 경사항을 유도한다.

도면을 간단힌 하도록 의도적으로 삽입된 제2도의 또한 비정밀도는, B상태의 배열에 있어서 셀의 중앙디렉터가 정확하게 수직되지 않은 것이다.

A 및 C상태간의 스윗칭은 제2b도에 도시된 바와 같은 중간상태로 전이되는 셀에너지 유도에 의해 행하여진다. 전개의 연속제거는 A상태 또는 C상태도 다시 진행하여 전이를 초래한다. 종래 기술의 스윗칭장치는 소정의 전이가 유효하도록 사용된다. 이러한 스윗칭 장치는 90°트스위트된 네마틱셀(게리쯔마 이하동문의 반도체 논문 17, 1077(1975년))용 게리쯔마에 의해 설명된 2-주파수 스윗칭방법을 포함한다. 이 장치는 액정의 투전적(透電的) 이방성(異方性)의 주파수 의존도에 좌우되며, 또 B상태의 디렉터의 위치로부터 디렉터의 전방 또는 후방 이완을 발생시키도록 액정의 유체동력학적 특성(씨. 제이. 반도론, 제이. 물리응용 46,373B (1957))에 좌우된다.

그러나, 종래 기술의 게리쯔마 2-주파스 장치에 부가하여, 본 출원인은 본 발명 장치에 특히 유용하고 유리한 교체적인 스윗칭 기법을 발견하였다. 이것은 A 또는 C상태중의 한 상태로 이완시키기 위해 스윈칭동안 발생하는 턴오프 주기동안 전계의 다른 변화비를 포함한다(예를들면, A상태를 만들도록 5미크론 셀의 늦은 턴오프에 대한 1/00초 및 C상태를 만들도록 빠른 턴오프에 대한 보다 작은 크기 이 수치들은 셀 두께의 제곱에 대략 비례한다). 더우기, 본 발명의 셀로서 사용하기 위해 본 출원인에 의해 발견된 스윗칭 기법은 요구되는 최종상태에 좌우되는 다른 크기의 전계사용을 포함한다. 넓은 범위에서, 이 장치는 전계의 감소비율에 좌우되는 앞서 언급된 장치내에 포함될지 모른다.

어떤 실시예에 있어서, 전체 셀은 스위치은 또는 오프되어야만 한다. 그러나, 대부분의 표시의 실시예에서, 문자숫자의 캐랙터 또는 기타의 패턴의 정해져야 한다. 외부전계의 연속적인 인가가 요구되는 여러상태를 가지는 종래 기술의 셀에 있어서, 이 캐랙터들은 필수적인 전계 유도전압이 인가되는 투명 도전필름의 적절한 배열에 의하여 쉽게 한정되었다. 그러나, 본 발명의 셀에 있어서, 이러한 전계는 셀이 두 안정상태중의 한개일 때는 필요하지 않다. 스윗칭 전계가 제거될때, 유효하게 스위치되지 않는 인접영역의 배열은 바람직하지 않은 상태로 관통되도록 스위치된 영역으로 전파시킨다. 그러므로, 본 발명의 셀을 사용사는 패턴표시의 조립시 큰 문제점은 표시판내에 요구되는 여러 영역을 분리시키기 위한 적절한 기술의 필요성을 수반하는 것이다. 출원인에 의해 제시된 이러한 기술은 제3도에 도시된다. 이 도면에서 분자 숫자의 표시와 같은 패턴표시부분인 세개의 다르니 영역은 표시영역의 두께와 다른 관련된 셀두께를 가진 경계영역(32)에 의해 분리된다(33)에서 기술된 바와 같이, 모범적인 투명도전 필름과 배열계면 활성제가 투명기판(31)상에 침착된다). 특정한 실시내에서, 경계영역내의 셀두께가 표시판 영역내의 두께보다 작은 곳에서, 제로등급의 트위스트 배열은(제2도 참조) 경계영역내의 최저 에너지 상태일 것이다. 이 실시예에서, 셀은 360°배열이 표시영역(33)내의 최저 에너지 상태를 가지도록 설계될 것이다. 거시서 그와 같은 조건하에서는 어느 영역의 배열도 그 경계를 넘어 전파되지 않는다는 것이 용이하게 이해될 것이다. 교체적인 실시예에서, 표시영역간의 경계영역은 최저 에너지상태내에서 360°트위스트된다. 표시영역은 제3도와 같이 보다 큰 셀두께를 갖는 셀영역내이거나 또는 보다 작은 셀두께를 갖는 셀영일수도 있다. 제3도에서, 각각 영역내의 상태에너지 상태는 이들여러 영역내의 셀두께를 변경시키는데 의해 결정된다. 교체적으로, 이러한 제어는 여러 영역의 경계조건을 변화시키는데 의하거나 또는 예를들면 표시판 및 경계영역내의 다른 디렉터 경사를 얻도록 셀벽을 처리하는데 의해 얻어진다.

제1도 및 제2도의 특정한 실시예와 관련된 상태 및 아울러 교체적인 실시예의 관련된 상태는 편광기 및 관련된 편광분석기의 사용에 의하여 광학적으로 쉽게 구별된다. 360°트위스트상태에서, 광선은 통상적으로 선형적으로 편광되는 것보다 원형으로 편광되게 셀을 존속시킨다. 왜냐하면, 광학이방성 및 파장에 의해 분할된 셀두께와의 적(積)이 15 또는 5보다 작고 그 이하가 바람직하며, 큰트라스트는 이 숫자와 역으로 개량되기 때문이다. 그러나 0°트위스트 상태에서, 적절히 배양된 평면편광선의 편극은 셀에 의해 영향된 평면편광선의 편극은 셀에 의해 영향을 받지 않고 셀을 존속시키는 광선은 최초의 편광기로 인해 선형으로 편광될 것이다.

편광기 및 편광분석기에 대한 필요성은 투입광선 비밀의 편광 및 전파방향에 대하여 상대적인 배향성에 좌우되는 광학흡수성을 가진 색소를 삽입시키는데 의해 최소화되거나 또는 총괄적으로 회피된다. 이러한 색소의 국부적인 배향에 의해 영향을 받을 것이며, 그에 의해 액정의 상태에 좌우되는 색소의 흡수성은 변경되고 여러 액정상태의 광학구분용 장치가 제공된다(디. 엘. 화이트 이하동문의 응용물리학 11,4718(1974년) 및 지. 에이취. 하일메이 이하동문의 응용물리학증서 13, 91(1968)).

여기서 기대된 바와 같이, 본 발명의 셀은 다음의 특성에 따라 유사 쌍안정의 어떤 형태를 포함하는 종래 기술의 셀과는 구별되며, 그 특성들은 다음과 같다.

(1) 액정은 클레시 데릭액정을 구성한다.

(2) 최소한 한 상태내의 액정 트위스트는 액정의 왜가 없는 값이외의 값에 속박된다.

(3) 안정상태에 있어서는, 액정은 클리내이션 및 어드레스된 영역내의 벽은 거의 없다. 즉 액정의 분자 배열이 셀경계면에 평행한 임의의 이차원 능동표면을 가로질러 균일하다.

(4) 셀은, 능동영역 양단의 디스클리네션을 통과하지 않고 사실상 360°에 의해 통상적으로 트위스트되어 달리되는, 적어도 두 안정상태사이에 스위치된다.

주어진 본 발명 셀의 특성은 쌍안정장치로 제안된 종래 기술의 장치와 쉽게 구별된다. 예를들면, 스크롤(scroll)패턴장치가 최근에 발표되었다. 이들 장치는 통상적으로 콜레스테릭 액정 및 게스트(guest)색소를 구비한다. 비흡수성, 비(非)스크롤의 균일상태는 일정한 전계를 인가하여 개시된다. 이 상태로부터, 셀은 다른 주파수의 일정한 전계에 의해 스크롤 패턴 흡수상태로 스위치될 수 있다. 스크롤 패턴상태는 상기와 같이 관측될때 지문(finger pyint)이 나타나는 것과 같이 무수한 디스클리네이션을 함유하는 비배향성의 상태이다. 이 배열의 결과로서, 색소는 비배향성이 되고, 광선의 모든 성분에 대하여 적어도 어느 정도까지는 흡수성으로 된다.

스크롤 패턴셀은 개스트색소 흡수성으로 되도록 사용된 디스클리네이션으로서의 상태인 에이취. 멜치어 이하동문의 상기에 설명된 응용물리학증서 21,392(1972년)셀과 약간 상사형이다. 높게 비배향된 이 상태 즉 "패콜-코닉"으로 참조되는 이 상태는, 액정을 그 동방성 액상에 놓고 이어서 전개를 인가하지 않고 그것을 냉각시켜서 상이한 구조의 콜레스테릭상태로 복귀하는 것에 의하여 달성되게 하였다. 전계와 함께 냉갹하면 본질적으로 균일한 비흡수성의 상태가 얻어졌다. 페콜 코닉상태의 적용은 게스트 색소와 관련된 흡수성보다는 오히려 디스클리네이션 그 자체의 산란(scattering)을 야기한다.

스크롤 패턴과 패플 코닉셀의 양자는 안정상태가 디스클리네이션 또는 벽을 야기시키는 점에서는 본 발명의 셀과는 다르다. 부가하여, 그것은 실제로 쌍안정은 아니다.

포르트(지. 포르트 이하동문의 제이. 디. 물리학 39,213(1978년))의 최근 보고서는 장치의 적용에 그 중요성이 평가되지는 않을지라도 두 안정상태를 가지는 액정 셀배열이 검토된다. 이 두 상태는 스위스트된 네마틱을 수반한다. 이들 두 상태는 비틀림이 없는 상대의식에 경사와 밴드(bend)항을 도입한 경계조건으로부터 부분적으로 발생된다. 부가된 항을 고려에 넣은 해는 증가된 에너지로서 비트위스트된 상태가 되고 또한 액정에 의해 자연히 참조되는 저 에너지트위스트 상태를 발생시킨다. 그러나, 포르트(porte)배열에 있어서, 안정상태는 대칭이고, ±pi에 의해 달라지는 이 상태의 트위스트, 이들 대칭성의 관점에서 두 상태간의 액정을 연속적으로 스위치시킬 장치는 알려져 있지 않다. 포르트연구 발표는 발표된 스윗칭장치를 가지지 않고 콜레스테릭 액정을 수반하지 않는 점에서 본 발명 셀과는 구별된다. 본 발명 셀에 있어서, 콜레스테릭의 트위스트에 의해 유도되는 안정상태간에 고유적인 비대칭이다. 이 비대칭성은 안정상태간의 유효한 스윗칭을 허용한다.

게리쯔마에 의한 발표는 본 발명셀의 작용에 사용되기 위해 고려된 것과 유사한 스윗칭 장치를 상세히 설명하고 있다. 게리쯔마 장치에 있어서, 네마틱 액정은 상부 및 하부표면에서 액정 디렉터간의 X-Y평면에 있어서 90°배향성의 차이에 기인하는 경계를 가지는 셀에 위치된다. 액정 디렉터의 배향성은 Z방향의 어떤 상당한 경사없이 즉, 벽면에 수직으로 되어 이 경계벽에 평행한다. 게리쯔마장치에 있어서, 디스클린네이션을 통하여 통과되지 않고 스위치되는 두개 또는 그 이상의 상태가 있으며, 그중 한개는 안정상태이다. 다른 상태는 전위힐(hill)의 상부에서 본질적으로 배열되고 증가된 에너지이다. 이들 상태는 균일한 저주파계로서 셀벽에 수직으로 분자를 입상(立上)시켜서 수직으로 된 고주파 전계의 인가에 의한 그들이 떨어지는 것에 기인하여 수위치된다. 수직균일 상태로부터 액정의 이완동안 생기는 역류현상을 기술한 게리쯔마 및 반도론의 논리는 보도 높은 주파전계가 이완동안 인가될때 보다 높은 에너지 상태로 액정의 스윗징을 초래한다. 이 고주파 전계는 역류에 의하여 후방으로의 경사가 짧은 기간중, 분자를 "포획(catch)"하고 그리고 그들의 후방으로 낙하를 계속하도록 하게한다. 이완동안 필드가 인가되지 않을 경우와, 저주파 전계가 균일한 수직상태를 유지시키도록 사용될때, 액정은 순방향으로 이완되고 역류현상으로 부터 자연히 재생될 것이다. 게리쯔마 셀과 본 발명셀이 다른 점은 다음과 같다. 게르쯔마셀은 콜레스테릭을 포함하지 않고 디스클리네이션을 통하여 통과하지 않고 스위치되는 실로 두 안정상태를 가지지 않는 점이다.

본 발명 셀에 있어서, 경계상태의 결합은 예를들어 1°또는 5°로부터 60°의 경사와, 특정한 실시예에서 X,Y방향으로의 경계의 속박효과의 평행한 상대배향성과 콜레스테릭의 사용은 두 안정상태를 야기시키고 그중 한 안정상태는 후방회전에 의해 B상태로부토 도달될 수 있고 또 다른 안정상태는 중간면에석 거의 수직방향으로부터 전방회전에 의한 B상태에서 도달될 수 있다. "수직" B상태를 야기시키는 저주파에서 정극성의 유전이방성을 가지는 다수의 이미 알려진 재질의 모범적인 저주파전계가 갑자기 턴오프될때, 역류현상은 극적이고 적절한 전방상태로 이와 및 상당한 전방작용의 원인이 된다. 그러나, 전계가 완만히 턴오표될 경우, 역류현상은 달 극적이며 전방회전은 전방상태로의 이완에 기하여 두드러진다. 그러나 교체적인 실시예는 다중 주파수 어드레스법(addressing) 즉 게리쯔마 스윗칭장치에 유리하게 사용된다. 이러한 실시예에서, 여러변수의 적절한 조정은 더욱 신속한 스윗칭을 허용한다.

본 발명은, 한 안정상태에서 다른 상태로 스위치될 수 있고 안정한 배열을 포함하는 액정셀의 여러가능한 분자배열을 서술하는 적절한 에너지 방정식의 해의 실현에 있다. 이러한 해는 폐쇄된 형태로 쉽게 얻어질 수 없다. 이들 상태에 대하여 출원인이 발견한 것은 오히려 적절한 방정식에 있어서 가능한 무수한 해의 연구결과이다. 본 발명의 셀을 제작하고자 하는 전문가에 따라서 이 방정식을 풀어서 적절한 쌍안정의 해를 구하도록하여 배향을 잡을 수 있다.

예를들면, 액정의 유체역학적 유동특성은 설명된 공지된 레슬리 에릭선 방정식을 푸는데 의해 진행된다(제이. 응용물리학 46,3746(1975년) 디. 더블류 베르만저) 이들 방정식은 무시해도 좋을 내부항은 무시하여 풀었다. 여러 물리적인 상수는 이 방정식의 무수한 해에 공급되어야만 한다. 이들 상수는 세개의 벌크탄성지수와, 두개의 독립된 유전텐서(doelectric tensor)성분과, 분자들간의 여러 가능한 상대운동에 관한 다섰개의 점성도(viscosity)와, 셀두께와, 액정의 광학적 이방성을 기술하는 항(셀의 광학특성을 완전히 설명하기 위하여)과, 경계조건 셀벽의 적절한 처리에 의해, 특정한 실시예에 유효한)과, 안정상태간의 스윗칭이 유효한 인가된 에너지를 구성하는 일시적인 변화전압 및 초기 액정배열를 포함한다. 명백하게 수많은 해석에 의해 적절한 방정식을 해결하도록 제안될때 이들 변수에 할당된 가능치의 수는 무한하다. 실제의 물리계에 더욱 접근된 어떤 가능한 해에 관련되기 위하여, 출원인은 초기조건으로 4,4'-디헥실아족실벤젠(HXAB)과 관련된 세개의 탄성정수를 사용하였다. HXAB용 점성정수는 잘 알려져 있지않고, 메틸벤질리딘부틸아닐린(MBBA)는 알려져 있고 초기조건으로 사용되었다. HXAB에 대한 두개의 텐서성분은 본질적으로 동일한 수치이며, 그 절대치는 방정식의 해에 있어서 비교적 덜 중요한 역할로 구동한다. 스윗칭 전계강도의 제곱과 유전텐서 성분간의 차이의 적(積)은 중대하게 되고, 결과적으로, 해는 이 적에 정상화되며, 다른 재료는 달리 중요한 유전텐서성분을 가지며, 이러한 경우 텐서성분의 절대치는 매우 중요한 것이다. 예를들면, 현재 영국 제약화사로부터 구매가능한 액정셀이 E-7(시아노 바이페놀 혼합물)으로 참조되는 두개의 유전텐서 성분간의 차이는 중요하고(3이상의 인수에 의한 차이로) 이 액정을 상정한 해에서는 2개의 유전텐서성분의 공지값이 사용되었다. 에너지 방정식의 초기의 해는 45°의 경사로서 셀두께를 걸쳐서 왜(歪)가 없는 110°의 트위스트를 취한다. 디렉터는 따라서 셀표면에 수직방향을 따라 취해진 트위스트에 의하여 표시된 바와 같이 서로 회전되고 경계벽에 관해 45°로 경사지도록 취해진다. 대략 10미크론의 셀두께를 사용한다. 나중에 알게되었지만, 간단한 개시조건이 A상태로서 참조되는 1 내지 60°, 5 내지 60°또는 25 내지 45°에 인접한 유한의 경사로서 더욱 밀접하게 될수 있다.

쌍안정 해를 획득하는 전문가가 주장하는 부가적인 지침은 (1) 10°또는 그 이상에 의하여 360°보다 작게될 이 변수를 허용하는 실제 경계조건의 견고성으로부터 이탈될지라도, 360°의 트위스틀 두 안정상태는 통상적으로 다르고 (2) 가정된 경계조건에 의해 액정분자상에 적용된 트위스트 토르크(torgue)는 2개의 안정상태 사이에서 의미상 다르다는 관점을 포함한다.

두 안정상태와 연관된 배열은 임의의 전계에너지 항의 부가로서 공지된 오신-프랭크 방정식(액정 물리학, 옥스포드 대한출판사(1975년) 디젠느스 243페이지)을 푸는 것에 의해 얻어진다. 이 방정식은 세개의 탄성정수, 두개의 독립 유전 텐서성분, 셀두께, 적절한 경계조건 및 임의의 정전압 전기 변위현상을 요구한다.

MBBA, HXAB 및 E-7은 네마틱액정이고, 결과적으로, 예시된 메틸 부톡시아족시 벤젠(MBAB) 또는 콜레스테롤 나나노에이트는 필수적인 콜레스테릭 특성을 얻도록 실제의 실시예에 부가되어야만 한다. 이러한 재료량은 최종 조성물의 헬리시티를 결정한다. 물질의 콜레스테릭 성질에 기인하여, 이 재질의 당연한 헬리시티는 오신-프랭크와 레슬리-에릭선 방정식의 해양자 모두에 어떤 정수로서 취해져야만 한다.

상기 설명된 적절한 무수의 해는 본 발명의 쌍안정 상태용 실험적인 연구형태로 매우 실질적인 의미로 구성된다. 여러 "실험"은 소정의 쌍안정의 해를 위해 조사되도록 컴퓨터에 집적된다. 그러나, 유사한 의미에 있어서 즉 전문가의 연구에 더욱 적합한 기술에 있어서, 이 실험들은 실질재료 및 적절한 셀로서 잘 실행되어졌다.

결과적으로 다음의 실험방향은 본 발명을 연구하기 위해 더욱 전통적인 연구기술을 얻고자 하는 실시자를 위해 제공된다.

셀의 실험적인 제작의 첫단계는 사용될 셀 두께를 걸쳐서 왜가없는 액정의 적당한 헬리시티의 결정을 요구한다. 상기에 검토된 바와 같이 이러한 왜가없는 헬리시티의 넓은 영역이 본 발명의 실시예내에 사용된다. 그러나, 특정한 실시예를 얻기 위한 목적으로, 대략 180°의 왜가없는 헬리시티가 사용되었다. 궁극적으로 작동가능한 셀 두께에 대한 액정의 왜가없는 트위스트 결정은 통상적으로 어떤 실험을 요구한다.

액정 조성물의 자연의 헬리시티는 편평면과 얇은 정곡율(正曲率)의 렌즈 사이에 한정된 얇은 층내에서(드 젠느, 슈프라 제6, 20도) 그랜드진 까노 불연속성의 위치를 관찰하는데 의해 혼합의 여러 성분량의 함수로 결정되었다. 사용된 셀두께는 대략 40미크론이었고 결과적으로 80미크론의 자연피치를 가진 조성물이 선택되었다. 이 재료는 유리의 내면에 산화인듐과 산화주석의 전도성 필름으로 0.32cm로 형성된 쐐기형(wedge) 셀내에 위치되었다. 일산화 규소를 도전 필름상에 평행에서 빗겨난(∼5°) 각으로 증착하여 일산화규소가 수직으로 침착되었으면 대략 2,000옹스트롬의 두께가 되었을 것이다. 이 침착은 Z방향으로의 소정의 경사 및 X,Y방향에 있어서의 배향을 얻는데 필요한 배열장치를 제공한다. 쐐기형 셀의 두께는 30 내지 50미크론에 걸쳐 있다.

이 조성물은 쌍안정 상태 즉 A 또는 C 상태의 한개내의 셀에 위치된다. 이것은 네마틱 등방성선이온도 이상의 온도에서 셀내의 액정조성물을 위치시키는데 의해 실행된다. 액정은 결과적으로 등방성 상태에 있다. 가열원의 제거는 실온까지 액정의 냉각을 초래한다. 이 공정에 따르면, 액정은 B 상태로 분자를 상승시키는 전계의 인가에 연속하여 A상태 또는 C상태중의 어느 한 상태로 스위치될 수 있다. (교체적으로 액정은 냉각동안 콜레스테릭(드 젠느, 슈프라 247페이지)을 트위스트 시키지 않기 위해 임계전계 이상의 자계로 노출된다).

상기 공정에 의해 셀의 액정주입에 연속하여, 액정은 액정조성물에 좌우되는 10 내지 100볼트의 크기로서 60헤르쯔 전계의 인가에 의해 B 상태로 변환된다. 셀은 상술된 바와 같이 A상태에서 C상태로 반복적으로 스위치되고 셀의 영역은 두 상태가 편관기를 검광기와 조합 사용하여 광학적으로 식별될 수 있는 곳에서 탐지되었다. 이러한 광학적 식별이 얻어질 수 있는 영역의 정의는 사용된 셀 경계조건과 수어진 액정조성물에 대한 작동가능한 셀두께를 얻도록 실시자에게 허용한다. 이 균일한 두께의 셀은 이 액정조성물용으로 획득된 경계조건을 위해 그리고 선택된 특정한 스윗칭 기법을 위해 구성된다.

결과적으로 구성된 셀은 예를 들면 적절한 문자숫자 표시를 얻기 위하여 제3의 검토에 기술된 한정된 경계를 가진다.

[실시예 1]

이 실시예에서, 발명의 액정셀은 셀경계로서 유리슬라이드를 사용하여 제작되었다. 유리슬라이드는 스윗칭 전계를 공급하는 장치로서 사용되기 위해 인듐-주석의 산화물로 피복되었다. 이 투명도전성 필름은 요구되는 배열효과를 제공하기 위하여 일산화규소로서 피복된다. 일산화규소는 유리표면으로부터 5°의 각도에서 유리슬라이드상에 증착되었다. 증착장치내에 위치된 구경측정 표면과 2200옹 거스트롱으로 증착된 일산화규소원을 기화시켜 정상배향으로 증착시킬다.

제2셀 표면은 유사한 방법으로 제공되었으나 상당한 차이는 이 제2인듐-주석의 산화물로 피복된 유리가 액정의 호모트로픽배열을 형성하도록 공지된 수성 N-티메틸-N-옥타데실-3-아미노프로필 트리메톡시릴 클로라이드(DMOAP)에 제1담금되었다는 점이며, 이것은 액정에 호메오트로픽(homrotropic)한 배열을 발생하는 것으로 알려졌다. 이 표면상의 구경내에 대략 0.95cm의 스포트(spot)가 제1슬라이드로서 일산화규소의 경사증착에 의해 피복되었다. 이 제2슬라이드의 이 처리는 이 제2슬라이드상의 일산화규소로 증착된 수포트에 의해 대략 한정된 능동영역을 제작된 셀내에 형성시킨다. 호모트로픽 배열을 산출하는 제2슬라이더의 잔여부는 셀의 능동영역에 대한 유효하고 안정한 경계를 제공한다.

두개의 유리슬라이드는 적절한 "말굽" 형태의 배열로 구조 경계를 따라 설치된 에폭시(epoxy)의 박막층에 의해 분리되었다. 슬라이드는 서로 마주보는 인듐-주석 산화물 표면으로 배향되었고 에폭시는 목재블록간에 부착되는 동안 80℃의 오븐에내 구성물을 놓는 것에 의해 경화되었다. 침착되어 배향된 표면은 180°로 배열되었고 즉 표면은, 따라서 일산화규소가 증착된 방향이 180°로 상이하도록 배향되었다.

경화후, 완성된 셀의 두께는 광원으로서 교정 가변파장 모노크로메터(monochrometer)를 사용하여 단색광의 간섭무늬를 관찰하는데 의해 측정되었다. 제2슬라이드상의 일산화규소 스포트에 의해 한정된 영역의 두께는 40 내지 47미크론이다. 쌍안정은 셀의 틈(gap)으로 대략 180°의 왜가 없는 피치를 가진 액정을 위해 발생되는 것이 얘기되었다. 결과적으로, 대략 43미크론의 1/ 2피치를 산출하는 E-7의 3.03% MBAB의 혼합물의 사용되었다.

유리 및 에폭시의 셀은 기계적인 진공펌프를 사용하여 약 1틀(Torr)의 진공중에 두고 약 70℃로 가열하였다. 두개의 유리벽간의 틈은 진공이 해재될때 기압으로 강화된 말굽형의 개구단을 통하여 모세관작용에 의해 액정 혼합물로서 충만되었다. 박막 전극선은 선 및 도전성은 반죽에 의해 두 표면에 접속되었고, 가변변압기가 적절히 접속되었다.

최초로, 관측된 셀은 전압이 턴오프되었을때 A,C 및 D상태와 관련된 범위로 나타내었다. 그러나 전계의 반복적인 인가는 결국 균일한 A 또는 C 상태로 셀을 형성한다. 균일한 상태가 한번 획득되었을 경우, 두개의 안정상태간의 스윗칭은 전계의 턴오프 비율을 변화시키는데 의해 달성되었다. 그후 C상태는 토글(toggle) 스위치를 사용하여 60Hz, 피크대 피크 15V 전압을 턴오프시키는데 의해 획득되었다. A상태는 가변 변압기를 사용하여 대략 제2시간 주기를 지나 서서히 동일 전압을 턴오프시켜 획득되었다.

[실시예 2]

실시예 1과 유사한 셀은 액정 조성물로서 HXAB내에 용해된 1.15% MBAM를 사용하여 본 실시예내에 제작되었다. 이 조성물과 관련된 콜레스테릭 피치는 62미크론이다. 이 셀의 두께는 균일하지 않고 작동은 30미크론의 산정된 두께의 영역내에 발생된다. 보다 작은 두께의 영역은 능동영역을 스윗칭시킨 후에도 A상태로 유지된다. 이것은 패턴표시의 경계를 한정하는 가변셀 두께로 사용을 뚜렷이 나타내 준다.

[실시예 3]

실시예 2의 셀이 고주파 전계를 사용하여 B상태에서 C상태로 스위치되었다. 이 장치를 이해하기 위해서는 HXAB의 MBAB의 혼합은 300KHz 이상의 주파수에서 유전이방성의 가역성을 보여준다.

결과적으로, 이 값 이하의 주파수는 B상태의 배열로 액정 디렉터를 상승시킬 것이다. 이 점으로부터, A상태 또는 C상태가 실시예 1과 같이 전계가 서서히 또는 신속히 턴오프 되는가에 따라 얻어진다.

그러나 본 실시예에서, 저주파 전계는 턴오프 되었고, 1500KHz의 고주파 전계는 즉시 턴은 되었다.

셀의 큰 부분을 지나 B상태에서 C상태로의 전이를 초래하는 이 기술은 급격한 오프 스윗칭에 의해 얻어졌다. 동일한 고주파 전계가 저주파 전계의 턴오프에 연속하여 대략 1/ 4초 지연된후 인가될 경우, 셀은 A상태로 스위치 된다. 이 스윗칭 장치는, 고주파 전계가 A 또는 C상태중의 한 상태를 산출하는 적용시간에 따르는 동안 저주파 전계가 중간 B상태를 얻도록 사용된 게리쯔마에 의해 사용된 것과 유사하다.

[실시예 4]

제3셀은 E-7의 0.596%의 콜레스테롤 노나네이트를 구성하는 혼합물을 사용하여 제작되었다. 셀 두께는 20 내지 30미크론이다. B상태에서 A상태로의 스윗칭은 상기와 같은 60피크 대 피크 12V의 전압을 서서히 턴오프시키는데 의해 획득되었다. 이 셀의 두꺼운 영역은 상기에 검토된 경계현상을 재차 증명하는 C상태로 유지된다.

Claims (1)

1. 한쌍의 안정된 상태(A, C)를 가지며, 안정된 상태들간의 셀을 스위치하도록 스윗칭 에너지를 공급하는 장치와 표면 부근에 액정을 배열시키는 표시영역(33)과 콜레스테릭 액정을 구비하며, 적어도 한 안정상태내에서 액정의 왜가없는 피치의 값과 다른 값으로 구속되게 하는 액정의 피치를 구비하는 액정 셀에 있어서, 셀의 능동영역이 상기 각 안정상태의 디스클리네이션으로부터 자유로우며, 상기 셀의 스윗칭이 능동영역을 교차하여 디스클리네이션을 통과하지 않게한 것을 특징으로 하는 쌍안정 액정 트위스트 셀.

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