KR850000293B1 - 액정표시소차 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

액정표시소자
제1도는 관찰 각도 θ, ψ를 정하기 위해 표시한 액정셀의 도면.
제2도는 종래의 트위스트 네마틱 셀의 흡수성을 나타낸 도면.
제3도는 제2도와 관련하여 언급한 액정 셀의 로우브 다이어그램.
제4도는 본 발명에 의한 액정 셀의 동작전압에 관한 흡수성을 나타낸 도면.
제5도는 본 발명에 따른 액정 셀의 로우브 다이어그램.
본 발명은 색체 간섭이 없으며 콘트라스트(contrast)의 각도 의존성이 아주 작은 액정 표시소자에 관한 것이다.
빛의 투명도, 빛의 산탄, 복굴절, 반사 및 색상등과 같은 광학 특성이 전계의 영향으로 크게 변동하는 네마틱 혹은 네마틱-콜레스테릭(nematic-cholesolestric)액정물질의 특성을 액정표시 소자에 이용하고 있다. 이러한 유형의 표시소자의 기능은 예를들어 동적인 산란현상, 정렬된 위상의 변형또는 트위스트 셀(twisted cell)의 샤프-헬프리히(Schadt-Helfrich)효과에 근거하고 있다.
상술한 종래의 액정표시 조자중에서 트위스트 네마틱 셀을 이용한 것이 최근 크게 각광을 받고 있는데 그 이유는 그 제어전압이 비교적 낮아 소형 밧데리로도 쉽게 동작할 수 있기 때문이다. 더우기 이러한 표시장치는 너무나 많은 트리거용 리이드선 및 입·출력 리이드선이 없이도 도 밀도의 정보를 처리가능케하는 매트릭스(matrix) 표시 소자구성에 가상 적합하다고 입증되었다.
그러나, 실제사용시, 트위스트 네마틱 셀의 경우에는 여전히 상당히 어려운 문제점이 대두되고 있는 바, 특히, 메트릭스 표시 소자 형태인 경우에 그러했다. 특히 관찰각도에 따른 뚜렷한 표시 콘트라스트의 의존성이 발견되고 있다. 이 표시 콘트라스트는 관찰 방향이 최소한 액정층의 평면에 거의 수직인 한 양호하다. 그러나 표시소자를 측면으로부터 비스듬하게 관찰하여 예를들어 관찰각도가 수직축으로 부터 15-20도 이상 벗어나면 표시 콘트라스트는 관찰자 가대면에는 편 광자의 위치에 따라서 결국 표시 상태를 식별할 수 없을 정도로 크게 감소한다. 그밖에 색체의 간섭이 빈번하게 일어나서 흑백표시 소자용 표시소자는 액정 유전체와 면하는 전극 표면층의 불규칙성에 따라서 가시광선의 전 스펙트럼에 걸쳐 색이 나타나게 하는 무지개 빛깔의 색을 보이게 된다.
편광자 간의 액정의 이동에 관계된 마우귄씨(Maugin Bull. Soc. 권34의 1911판 71-117페이지 참조)의 연구에로 부터 액정 셀에서 액정물질의 층두께와 광학이 방성의 적(積)이 실적으로 사용된 빛의 파장보다 클 경우 최소한 간섭 현상의 발생이 예방될 수 있다는 추론이 가능하다. 여기서 액정물질의 이 방성의 특수 굴절율 및보통 굴절율 간의 차이로써 정해진다. 실질적으로, 액정 물질의 층 두께와 공학 이방성의 적의값은 1,400nm미만이 되지 말아야하고, 전자기기 제작자들이 요구하고 있는 이 적의 값은 통상 2,000nm 이상이다.
그러나 액정 유전체의 층 두계를 증가시켜 이 값을 올리는 것은 액정물의 스위칭 시간이 층 두께의 제곱에 비례하여 증가한다는 사실에 의해 제한된다. 따라서 요즘 상용되는 10내지 12μ의 층 두계를 갖는 액정 유전체의 경우에는, 최소한 0.14, 바람직하기로는 0.18이상인 광학 이 방성을 갖는 액정 유전체가 요구된다.
트위스트 네마틱 셀을 사용할때 색체 간섭의 발생으로 인한 어려움은 주로 이런 방법으로 없앨수 있지만 트라스트의 강한각도 의존성은 이것에 의해 거의 개선되지 않는다. 더우기, 층의 두께를 감소시킴으로써 색체 간섭에 따른 교란을 일으킬 여지가 있다는 사실 때문에 텔레비젼 화면과 같은데 사용하기 위한 보다 빠르게 스위칭 시키는 액정 표시 소자의 개발에 제약을 가져온다.
본 발명의 목적은 표시 콘트라스트가 관찰 각도에 대한 의존성이 아주 적으며 또 관찰 가능성이 색체간섭의 발생에 의해 악 영향을 받지않는 액정표시 소자를 제공하는 것이다.
본 발명자는 유전체의 층 두계와 광학적 이방성의 적이 150내지 600nm일때, 특히 200내지 500nm 일때, 트위스트 네마틱 셀을 이용한 액정표시 콘트라스트가 이제까지의 통례를 깨고 넓은 범위에 걸친 관찰 각도에 거의 무관하다는 것, 다시 말하여 이러한 표시 소자가 정보를 재생시킬때 거의 모든 방향에서 항상 용이하게 식별될 수 있다는 것을 알게 되었다.
이제 본 발명을 구체적으로 설명하는데, 먼저 본 발명을 전반적으로 개관하고 후반부에서는 그 특성을 논한다.
본 발명은 상술하였듯이 트위스트 네마틱 셀을 이용한 액정 표시 소자에 관한것인바, 액정 유전체의 층두께와 광학적 이방성의 적이 150내지 600nm의 값을 갖는다는 것이 그 특징이다.
편광자, 전국 베이스판 및 전극(이들의 표면은 이에 인접한 특정 액정 분자의 우세한 지향성이 대부분 한전극으로부터 다른 전극까지 서로에 대하여 90°만큼 휘어지게끔 처리되었음)들로써 본 발명에 따른 액정 표시소자를 구성하는 것은 이런 유형의 표시 소자에 흔히 이용되는 통상의 구조에 해당한다. 여기서 "통상의 구조"란 말은 광범위한 의미로 사용하였는데 공지의 문헌에 나온 트위스터 네마틱 셀의 모든 변종, 특히 독일 연방공화국의 공개공보 제2,748,728(이 특허에서는 부가적으로 자석을 포함함)에 의한 매트틱스 표시 소자 및 표시 소자를 포함하는 의미로 사용하였다. 그러나, 본 발명에 의한 표시 소자와 트위스트 네마틱 셀을 이용한 상용의 표시 소자간의 중요한 차이는 액정층의 두께에 의해 인식되는 바, 종래의 표시 소자의 층 두께는 적어도 8μ 바람직하기로는 10μ 보다 작지 않고, 일반적으로 12내지 20μ의 반면, 본 발명에 따른 표시소자의 층 두께는 기껏해야 10μ, 바람직 하기로는 5-8μ이다.
전극 및 스페이서(Spacer) 수단의 제조 허용 오차에 있어서 이점이 허용되면, 액정층의 두께가 불과 3μ인 본 발명에 따른 표시소자를 제작할 수도 있다. 두께가 현재 산업상 선호되고 있는 5-8μ(특히 6-7μ)의 범위내인 셀처럼, 액정 유전체의 이방성이 이 방성과 층 두께의 적에 비해 충분히 커서 그 적의 범위가 150내지 600nm(바람직하기로는 200내지 500mn)의 값을 가질 경우, 이들 표시소자의 콘트라스트의 각도 의존성이 예상외로 작고 색체 간섭이 없었다.
본 발명의 표시소자에 대한 최적 특성을 관찰할 수가 있었는 바, 상기한 바와 같은 적의 값이 400nm정도, 즉 350 내지 450nm의 범위내에 있었다.
본 발명의 표시소자에는 광학적 이방성이 0.03 내지 0.12(바람직하기로는 0.05내지 0.10)인 액정 유전체가 사용된다. 액정층의 두께가 3μ인 경우와 같이 극히 얇은 셀에 있어서, 색체간섭이 없게 되는 본 발명의 효과는 광학적 이방성이 0.12 이상인 액정 유전체인 경우에도 얻을 수 있다. 그러나 이런 유형의 시스템은 이렇게 얇은 셀을 대규모로 제작하는 데에 따른 산업상의 어려움과는 별로 표시 콘트라스트의 각도 의존성이 액정 유전체의 광학적 이방성이 0.12이하인 시스템에서의 어려움 보다 더 크기 때문에 바람직하지 않다.
광학적 이방성＜n. 0.12미만(특히 0.05 내지 0.10)인 액정 유전체는 종래의 액정을 이용한 재료로 마련할 수가 있다. 이런 유형의 재료는 여러 문헌으로 부터 많이 알려져 있다. 특히 본 발명의 표시소자에 사용되는 유전체는 일반식(I)으로 표시되는 액정 메조상(mesophase)을 형성하는 최소한 1화합물의 최소한 50중량 퍼센트를 함유한다.
R1-(A)-X-(B)_R2(I)
일반식(I)에서 그룹(A) 및 (B)는 액정이 주성분인 물질에서 흔히 발견되는 링(ring) 또는 링계를 나타낸다. 본 발명에 따르면, 이들 그룹중 최한향 1 그룹은 비방향족 이거나 단지 일부분만이 소이족인 환상 구조의 요소, 특히 트랜스-1, 4-치환 방될클로 핵산 링이다. 더우기 이런 목적으로 사용될 수 있는 요소는 1,4-이치환 바이사이클로[2.2.2] 옥탄링, 트랜스-2,5-이치환 1,3-디옥산 링, 2,6-이치환 1,2,3,-테트라하이드로페나프탈렌계 혹은 4-(트랜스-4-알킬 사이클로 헥실)-닐링이다. 같은 구조의 요소가 그룹 (A) 및 (B)의 다른쪽에 나타날 수 있지만, 특히 다른 위치에 1개 혹은 그 이상의 불소원자를 부가적으로 함유하는 1,4-이치환 벤젠, 4,4'-이치환 바이페닐계, 2,6-이치환 피리미딘 링 혹은 3,6-이치환 S-테트라진 링 같은 전자-광학 목적을 위한 액정 물질레 흔히 이용되는 다른 호모 방향족 혹은 헤테로 방향족 구조의 요소가 사용될 수도 있다. 그룹 X는 대개 카르복실 그룹 혹은 단일 결합을 나타내며, 그 밖에 이것은 티오에스테르 그룹, 메틸렌옥시 그룹, 메틸렌티오 그룹 혹은 에틸렌 그룹을 나타낼 수도 있다. 일반식(I)의 화합물에서 말단기, R1, R2는 탄소 원자의 수가 최고 12인 알킬, 아콕시 또는 알카노일옥시 그룹이며, 한쪽 단말기는 시아노, 니트로, 할로겐 또는 크리플루오로메틸그룹일 수 있다.
본 발명에서 이용되고 또 낮은 광학 이방성을 갖는 우수한 액정 유전체 성분은 일반식(II)로 표시되는 사이클로헥실 사이클로헥산, 일반식(III)의 페닐사이클로헥산, 일반식(IV)의 사이클로헥산 카트복실산페닐 에스테르, 일반식(V)의 사이클로헥산 카르복실산 페닐 에스테르, 일반식(VI)의 바이페닐 사이클로헥산, 일반식(VII)의 사이클로헥실벤조산페닐 에스테르, 일반식(IX)의 사이클로헥실벤조산 사이클로헥실 에스테르, 일반식(X)의 벤조산 사이클로헥실 에스테르, 일반식(XI)의 벤조산 바이사이클로헥실 에스테르, 일반식(XII)의 벤조산 사이클로헥실페닐 에스테르, 일반식(XIII)의 사이크로헥산 카르복실산 사이클로헥실페닐 에스테르, 일반식(XIV)의 사이클로헥산 카르복실산 바이사이클로헥실 에스테르,
Figure kpo00001
일반식(XV)의 사이클로헥실 사이클로헤간 카르복실산 사이클로헥실 에스테르, 일반식(XVI)의 페닐바이사이클로 2.2.2옥탄, 일반식(XVII)의 페닐-1,3-디옥산, 일반식(XVIII)의 사이클로헥실-1,3-디옥산, 일반식(XIX)의 사이클로헥실사이클로헥산 카르복실산 페닐 에스테르이다.
일반식(II)내지 (XIX)로 표시되는 화합물에서, 단말기 R1, R2는 일반식(I)에서 설명한 것과 같은 의미를 지니고 있다. 여기서 사이클로헥산 링 혹은 1,3-디옥산링에 붙은 말단기는 대개 탄소원자가 최고 12개, 특히 최고 8개를 갖는 알킬 또는 알카노일옥시 그룹이거나 혹은 어떤 경우에 시아노 그룹이다.
본 발명에 의한 표시 소자용 액정 유전체는 중량으로 따져서 일반식(I), 바람직하기로는 일반식(II)내지 (XIX)의 1 또는 그 이상의 화합물의 최소한 50중량 퍼센트를 함유한다. 일반적으로, 이런 유형의 유전체는 이들 화합물중의 2개 혹은 그 이상을 함유하는 혼합물인바, 이러한 혼합물의 조성은 추가적인 성분을 지니고 있을지라, 광학적 이방성이 0.12를 초과하지 않는 한 넓은 한계내에서 가변될 수 있다. 본 발명에 의한 우수한 액정 표시 소자용의 유전체는 중량으로 따져서 식(II)내지 (XIX)으로 표시되는 화합물중 최소한 1개 화합물의 최소한 60내지 85중량 퍼센트를 함유하며, 유전체는 또한 예외적으로 이들 그룹으로부터 나온 액정이 주성분인 물질로 구성될 수 있다. 그러나, 이런 유형의 유전체는 광학적 이방성이 0.12를 초과할 정도까지 증가하지 않을 경우 보통 사용하는 정도의 염료 혹은 도우핑 물질을 부가적으로 함유할 수 있다.
상술한 본 발명의 특징을 제1도 내지 제5도를 참조하여 설명한다.
제1도 관찰(혹은 가시) 각도 θ 및 ψ를 한정할 목적으로 도시한 다이어그램이다.
제2도는 층의 두께가 9μ이고 광학적 유방성 △η이 (d×△η=1.720nm)인 종래의 트위스트 네메틱셀을 동작전압에 관련하여 2개의 상이한 관찰각도 ψ(0°, 40°)에서 보았을때의 흡수 의존성을 보여주고 있다.
수직방향(θ=0°, ψ=0°)에서 관찰했을 경우 흡수율이 약 3.7V의 동작전압에서 최대치의 90퍼센트에 달하고 동작전압을 올리면 천천히 또한 일정하게 최대 흡수율의 한계치까지 도달하는 반면, 관찰 각도가 θ=40°ψ=0°인 경우에는 흡수율이 약 3.7V에서 최대치의 약 95%까지 도달하는데 약간 증가된 전압에서는 흡수율이 급격히 떨어지며, 정상 동작을 위해 만족스러운 것으로 간주되는 90%의 흡수율은 약 6V에서만 다시 얻을 수 있다. 다른 관찰 각도의 특성(도시하지 않았음)도 흡수율의 처음 최대치가 상이한 동작전압에 놓여있다는 것을 제외하곤 정성적으로 유사한 과정을 보여준다. 종래의 이러한 액정표시 소자에서는, 각도에 무관하게 적어도 90%의 흡수율은 동작전압이 6V일때에만 도달되는데, 이 동작 전압은 전압원으로 밧데리를 쓰는 통상의 표시소자에는 너무 크기 때문에 부가적인 에너지를 필요로하는 값비싼 전압체배회로가 필요하게 된다.
제3도는 종래의 기술에 의한 도일 액정 셀에 대한 로우브 다이어그램(lobe diagram)인데, 이 도면에서 θ=40°의 일정한 관찰 각도에서의 흡수율은 관찰각도 ψ의 흡수로 표시하였다. 동작전압은 임계전압의 두배 즉 약 4.5V로 고정시켰다. 이런 조건하에서, 각도 ψ의 범위가 38°내지 52°일때에만 적어도 90°의 흡수율에 도달했고, ψ가 5°내지 90°일때 즉 약 85°범위에 있을때에만 적어도 60%의 흡수율에 도달했다.
제4도는 본 발명에 의한 액정셀에 있어서 동작전압에 대한 흡수율을 보여 주는데, 여기서 유전체의 층의 두께를 6.5로 하였고 이방성을 △η(d×△η=390nm)로 하였다. 수직방향에서 관찰할 경우, 그 특성은 제도에 따른 종래의 표시소자 특성에 대응하는데, 동작전압이 3.7V일때 마찬가지로 90퍼센트의 흡수율에 도달하였다. 관찰각도 ψ가 40°일 경우, 90퍼센트의 흡수율은 다시 2.7V일때 도달한다. 그러나, 동작전압을 증가시키면, 흡수율은 여전히 조금 오르고, 그후 다시 조금 떨어지지만, 90%미만으로 떨어지지 않는다. 관찰각도를 달리했을때의 특성도 유사한 모습을 보여준다.
본 발명의 액정표시 소자에서는 관찰각도와 거의 무관하게 적어도 90%의 흡수율은 동작전압이 3.7V일때 이미 도달한다.
제5도는 본 발명에 의한 액정셀의 로우브 다이어그램인데, 유전체의 층의 두, 가 9μ이고 광학적 이방성 △η(d×△η=540nm)으로 하였다. 이 다이어그램에서는, 관찰각도를 θ=40, 동작전압을 임계전압의 2배로 고정시켰을 때의 관찰각 ψ와 흡수율과의 함수관계를 도시하였다. 적어도 90%의 흡수율은 관찰각도ψ의 범위가 약 31°내지 58°일때 도달하지만, -90°(270°)내지 ±172°에서는, 즉 262°의 범위에서는 흡수율이 80%이상이다. 이것은 종래구성의 액정 셀의 범위의 3배 이상이다.
다음의 실시예는 본 발명의 표시소자에 사용할 수 있도록한 광학적 이방성이 낮은 액정 유전체에 관한 것이다.
[실시예 1]
25%의 4-(트랜스-4-η-프로필사이클로헥실)-벤조니트릴, 18%의 4-(트랜스-4-η-프로필사이클로헥실)-페네톨, 20%의 트랜스-트랜스-3-η-부틸사이클로헥실-사이클로헥산-4'-카본니트릴, 20%의트랜스-트랜스-4-에틸사이클로헥실-사이클로헥실-4'-카본니트릴, 10%의 트랜스-4-η-펜틸사이클로헥산 카르복실산-4-(트랜스-4-η-프로필사이클로헥실)페닐 에스테로 및 7%의 트랜스-트랜스-4-η-프로필사이클로헥실 사이클로헥실-4'-카르복실산 트랜스-4-η-프로필사이클로헥실 에스테르로 구성된 액정 유전체는 녹는점 -7℃이고 맑음점(clear point)이 +60°, 점성도가 20°에서 26×10-3Pa.S, 유전체의 이방성 △ε가 +6.03이고 광학적 이방성 △μ이 0.08이다. 층 두께가 6.5μ인 트위스트 네메틱 셀에 사용했을때, 20℃에서의 측정 임계전압은1.85V이고, 이 임계전압의 온도 의존성이 9.5mV/℃이므로, 이 유전체는 멀티플렉스(mvltiplex) 동작에서 트리거되는 본 발명의 액정소자에 아주 적합하다.
[실시예 2]
29%의 트랜스-트랜스-4-에틸사이클로헥실-사이클로헥산-4'-카본니트릴, 29%의 트랜스-트랜스-4-μ-부틸사이클로헥실-사이클로헥산-4'-카본니트릴, 28%의 4-(트랜스-4-η-프로필사이클로헥실)-페네톨, 9%의 트랜스-트랜스-9-η-프로필 사이클로헥실-사이클로헥산-4'-카르복실산 트랜스-4-n-프로필 사이클로헥실 에스테르 및 5%의 4-(트랜스-4-n-펜티사이클로헥실)04'-n-프로필사이클로헥실-바이페닐로 구성된 액정유전체는 -6°내지 +63°의 온도 범위내에서 네마틱 메조상(mesophase)을 가지며 그 점성도는 20°에서 28×10-3Pa.S 유전체의 이방성 △ε은 +3.55, 광학적 이방성 △η은 0.07이다. 20℃에서 측정된 임계전압은 2.16V이고 임계전압의 온도 의존성은 13.5mV/℃이다.
이 유전체는 멀티플렉스 동작을 행하는 본 발명의 액정 표시소자에 아주 적합하다.

Claims (1)

  1. 트위스트 네만틱 셀을 이용한 액정 표시소자에 있어서, 액정 유전체의 층 두께와 광학적 이방성의 적이 150내지 600nm의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
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