KR890005338B1 - 광학장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

광학장치

제1도는 강유전성액정의 인가전계에 대한 상태를 나타낸 도면.

제2도 및 제20도는 본원 발명을 적용할 수 있는 액정소자의 실시예를 나타낸 단면도.

제3도는 강유전성액정분자의 나선축방향과 모광판의 편광축방향과의 관계를 나타낸 도면.

제4도 및 제16도는 강유전성액정의 광투과특성도.

제5도는 본원 발명을 적용할 수 있는 강유전성액정의 펄스전압에 대한 광투과상태의 응답을 나타낸 특성도.

제7도 및 제10도 및 제11도 및 제12도 및 제13도 및 제19도 및 제21도 및 제24도는 각기 본원 발명 광학장치의 실시예의 구동파형도.

제8도는 제7도에 나타낸 구동파형을 실현하는 회로도.

제9도는 제8도의 회로의 각 신호의 타이밍 설명도.

제14도 및 제22도는 본원 발명 광학장치의 실시예의 구성을 나타낸 모식도.

제15도는 제14도의 실시예에서 사용하는 펄스전압의 설명도.

제17도는 제14도의 실시예의 초퍼의 특성도.

제18도는 제14도의 실시예의 구동원리 설명도.

제23도는 제22도의 실시예에서 사용하는 펄스전압의 설명도.

제25도는 본원발명 광학장치의 실시예에서 계조표시를 할때의 구동파형도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 강유전성액정분자 2 : 나선축

3 : 기판 4 : 표시전극

5 : 배항제어막 6 : 강유전성액정층

8 : 교류전원 91, 92 : 편광판

10 : 액정소자 19 : 광원

20 : 초퍼 21 : 투광부

23, 27 : 구동장치 24 : 펄스발신기

29 : 전자스위치 I : 광강도

VLCC : 인가전압

본원발명은 광학장치에 관한 것이며, 특히 표시장치나 광스위치로서 적합하고 응답성에 뛰어난 광학장치에 관한 것이다.

응답성에 뛰어난 광학장치로서 강유전성액정소자와 같은 광기능재를 사용한 장치가 근래 주목되고 있다. 그러나, 이와 같은 광학장치를 교류 구동시킨다는 보고는 아직 없다. 그 이유는 이 종류의 광기능재에 특유한 투과광(또는 반사광)강도변화에 있으며, 광기능재에 인가하는 외장(外場)의 극성의 반전에 수반하여 광학소자에서 나오는 광의 강도도 강약역전하기 때문이다. 그래서 교류구동(더욱 정확하게 표현하면 직류성분을 0 으로 하는 교류구동)을 하면 전압인가시의 투과광(반사광)강도는 정극측에서 강하게(또는 약하게)되며, 부국측에서는 그 반대로 약하게(또는 강하게)되어 결국 평균화되어 버린다. 즉 전압인가시의 투과광(반사광)강도와 전압무인가시의 투과광(반사광)강도(정극측과 부극측의 중간이므로 중간의 광강도임)를 거의 구별할 수 없게 되어 버린다.

예를 들면 일본국 특개소 56-107216호 공보는 강유전성액정을 사용한 광학장치를 개시하고 있지만, 이와 같은 강유전성액정소자를 직류로 구동하는 것은 바람직스럽지 못하다. 왜냐하면 직류구동에 의해 액정층중에 이온이 흘러 전기화학적반응이 생기는 것에 의해 액정이 변질하며, 또 이유는 명백하지 않지만 액정분자를 배열시키는 배향제어막이 손상되기 때문이다.

이상의 이유에 의해 이와 같은 광학소자로부터의 방사광의 강도가 인가하는 외장의 극성의 반전에 수반해서 비대칭으로 변화하는 특성을 갖는 광기능재를 사용한 실용적인 광학장치가 요망되고 있었다.

본원발명의 목적은 광학소자에서 나오는 빛의 강도(방사광강도)가 광기능재에 인가하는 외장의 극성의 반전에 수반해서 강약역전하는 특성을 갖는데도 불구하고, 교류구동에 의해 고콘트라스트가 얻어지는 광학장치를 제공하는데 있다.

본원발명의 특징은 대향면에 전극을 갖는 한쌍의 기판간에 특수한 광기능재를 협지해서 이루어진 광학소자를 교류구동시키는 점에 있다.

본원발명 광학소자는 대향면에 전극을 갖는 한쌍의 기판간에 특수한 광기능재를 협지한 구조이다. 광기능재는 전극 기판간에 직접적으로 협지되지 않더라도 예를들어 본바탕막, 절연막, 배향제어막, 프로톤공여체등에 의해 간접적으로 협지해도 상관없다. 기판의 최소한 한쪽은 바람직하게는 투명한 것이지만, 광을 투과할 수 있는 정도의 것이라면 특별히 한정되지 않는다. 본원발명은 반사형일지라도, 투과형일지라도 상관없다. 광학소자는 후기 실시예처럼 복층식구조(즉 전극기판이 3층 이상 중층된 구조)이더라도 좋다. 또 기판주변의 시일기구는 기판끼리를 직접적으로 접합해도 또는 유기계접착제나 유리프리트 등의 접착제에 의해 간접적으로 접합해도 좋다. 기판 자체의 재질은 유리, 플라스틱등 적절히 선택가능하다. 또한 기판 자체에 편광판기능을 갖게하거나, 기판에 편광자를 부설하거나 하는 일도본원 발명의 적용범위이다.

본원발명에 있어서의 광기능재는 종래의 네마틱형액정과는 전혀 이질의 것이다. 즉 이 광기능재는 인가하는 외장의 극성의 반전에 수반해서 광학 소자에서 나오는 투과광(반사광)강도의 강약이 역전해 버리는 특성을 갖는다. 이와 같은 특성을 갖는 광기능재로서 일렉트로크로믹재나 강유전성액정을 들 수 있다. 강유전성액정은 속칭 카이럴스메크틱액정이라고 불리우며, 액정분야에 있어서 가장 새로운 재료이다. 광기능재는 그것 단독이 아니더라도 예를들어 다색성색소나 광학활성물질등을 함유시키는 것도 본원 발명적용의 범위이다.

본원발명에 있어서의 제1수단이란 교류를 소자에 인가하는 수단이다. 단 이 "교류"는 다음처럼 정의된다. 즉, 광학소자에서 나오는 광의 강도를 정하는 펄스전압을 소정주기로 광기능재에 인가하는 동시에, 이 소정주기내의 전압평균치가 0으로 되도록(즉 직류성분이 0으로 되도록) 상기 펄스전압과는 역극성의 전압신호를 광기능재에 인가하는 2종의 전압(즉 상기 펄스전압과 전압신호)의 교번전류이다. 바꾸어 말하면 이 전압신호는 상기 펄스전압과는 역극성이며 또한 절대치가 같은 직류성분을 갖는 전압신호이다.

예를들면 이 전압신호는 펄스전압(임시도 제1의 펄스전압이라고 부른다)과는 펄스폭 및 파고치의 절대치가 같고 또한 역극성인 제2의 펄스전압이다(이하 본원발명의 제1방식이라고 부른다). 또 예를들면 이 전압신호(또는 제2의 펄스전압)는 제1의 펄스전압에 비해 파고치가 충분히 높고(또는 충분히 낮고), 펄스폭(전압인가시간)은 그 반대로 충분히 짧다(또는 길다)(이하 본원 발명의 제2방식이라고 부른다). 또한 예를들어 상기 전압신호의 파고치는 강유전성액정의 역치전압보다도 작다.

본원 발명의 제1방식, 제2방식등 단지 교류구동에서는 콘트라스트가 얻어지지 않으므로(그 이유는 제1방식에 대해 상기 [발명의 배경]의 항에서 기술한 대로임.) 명암상태(계조된 중간상태도 포함)를 결정하는 광강도를 절환하는 수단을 구비시키는 일이 중요하며, 제2수단은 그 기능을 갖는다.

예를 들면 제2수단은 광학소자를 통과하는 광의 통로상에 배치되어 광을 단속시키는 기능을 갖는 초퍼이다. 이 광의 단속과 펄스전압의 인가를 동기시키는 것은 유효하다. 광강도의 절환이란 명암 양상태의 절환에 한정되지 않고, 이른바 계조표시도 포함한다. 예를들면 초퍼는 제1도의 펄스전압의 인가와 광의 통과를 동기시켜 투과광(반사광)을 명상태로 하며, 한편 제1도의 펄스전압의 인가와 광로차단을 동기시켜 투과광(반사광)을 암상태로하여 명암양상태의 절환기능을 갖는 태양이 있다. 또 예를들어 초퍼는 제1의 펄스전압의 인가시기와 광의 통과시기를 일부중복시켜서 동기시킴으로써 광학소자에서 나오는 투과광(반사광)의 계조기능을 갖는 태양도 있다. 초퍼는 이와 같은 기능을 가지면 족하므로, 예를 들어 다색성 강유전성액정소자일지라도 좋으며, 투광부를 갖는 회전상태이더라도 좋다. 이와 같은 초퍼는 특히 본원 발명의 제1방식에 유효하다. 그리고 초퍼위치는 소사의 광원측으로 한정되지 않는다.

한편, 본원발명의 제2방식에 있어서는 초퍼는 반드시 필요하지는 않으며, 제2수단으로서는 예를들어 펄스전압의 극성을 반전시키는 수단이나 또는 편광판의 편광축방향을 절환하는 수단이 유효하다. 또한 펄스전압의 파고치를 바꾸어 계조표시가 가능하도록 할 수도 있다.

다음에 본원 발명을 실시예와 그 도면에 의거하여 설명한다. 다음의 각 실시예에서 사용하는 광기능재는 제1표에 나타낸 강유전성액정에서 선정된 것이다.

[제1표]

(n은 정수)

이들 강유전성액정분자의 인가전계에 대한 상태를 제1도에 나타낸다. 제1(b)도에 나타낸 것처럼 전계E를 인가하지 않을 경우, 강유전성 액정분자(1)는 나선축(2)에 대해 θ(예를 들면 DOBAMBC에서는 20∼25도이다)의 각도를 가지고 나선상으로 배향한다.

이처럼 배향한 강유전성액정분자 (1)에 역치전계 Vc이상의 전계 V를 인가하면, 제1(a)도에 나타낸 것처럼 강유전성액정분자(1) 은 전계 V의 방향과 수직인 평면상에 나선축(2)에 대해 θ의 각도를 가지고 배향한다. 또, 제1(a)도의 전계 V의 극성을 반전시키면, 제1(c)도에 나타낸 것처럼 강유전성액정분자(1)는 전계 V의 방향과 수직인 평면상에 나선축(2)에 대해θ의 각도를 가지고 배향한다.

이 현상은 매우 고속이라는 것이 특징이며, 충분한 크기의 전계를 인가하면 μs 오오더의 펄스폭을 갖는 전압펄스에 응다하는 것이 알려져 있고 희소수가 많아지는 대형디스프레이, 광셔터, 편광기 등으로의 적용이 기대되지만, 종래, 인가전압과 광투과상태와의 관계가 명백하게 되지 않아 강유전성액정을 구체적으로 어떤 전압을 인가하여 구동하면 좋은지 명백하게 알려져 있지 않았다.

제2도에 나타낸 것처럼, 유리, 플라스틱 등의 한쌍의 기판(3)의 대향면에 두께 500∼1000Å의 In₂O₃, SnO₂및 이들의 혼합물 등으로 이루어진 표시전극(4)을 설치하고, 다시 두께 100∼1000Å의 유기수지(예를들면 풀리이미드이소인드로 키나졸린디온막), SiO₂등의 배향제어막(5)을 필요에 응해 설치하며, 기판(3)의 갭(약 10 μm)사이에 강유전성액정층(6)을 73∼93℃에서 협지한다. 본 실시에 있어서 강유전성액정은 p-데실록시벤지리딘-P'-아미노-2-메틸부틸디너메이트(통칭 DOBAMBC) 이다. 그리고, (7)은 강유전성액정층(10) 을 봉입하기 위한 봉지제이며, (8)은 교류전원이다. 이때 강유전성액정분자의 나선축(2)이 각 기판(3)에 대충 평행으로 되도록 배향제어막(5) 을 형성한다. 또한 각 기판(3)의 각 표시전극(4)이 설치되어 있지 않는 면에 편광판(91),(92)를 인접시킨다. 이렇게해서 액정소자(10)가 형성된다.

이때, 제3도에 나타낸 것처럼 편향판(91)의 편광축방향(911)과 편향판(92)의 편향축방향(921)을 대충 직교시키고, 다시 한쪽의 편광판의 편광축방향을 강 유전성액정의 역회전계 │VC│ 이상의 전계를 인가했을때의 강유전성액정분자(1)의 배향방향과 대충 일치시킨다. 제3도에서는 편광판 (91)의 편광축방향 (911)을, 지면의 앞쪽에서 지면을 관통하는 방향으로 전계를 인가했을때의 나선축(2)의 방향과 일치시키고 있다. 그리고, 이후 이 방향의 전계를 마이너스의 부호를 붙여 -V라고 나타내며, 다시 제2도에 나타낸 구조의 액정소자를 예로들어 설명하지만, 본원 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를들면 제2도에 있어서, 편광판(92)대신에 반사팜을 기판(3)에 인접시켜 강유전성액정층(6)에 2색색조를 혼입한 것을 사용했을 경우에도 적용할 수 있다. 이 경우, 나선축(2)에 대한 강유전성액정분자(1)의 각도 θ는 45도가 가장 적절하다.

제3(a)도는 -V의 전계를 인가했을 경우를 나타내고 있으며, 이때 지면 앞쪽에서 입사한 광(자연광)은 윗쪽편광판(91)에 의해 편광축방향(911)에 편광되며, 강유전성액정분자(1)의 장축방향에만 진동성분을 갖는 직선편광으로되어, 장축방향의 굴절율 n / /에 따라 직선편광인 채 강유전성액정층 (6)을 통과한다.

그후, 아래쪽편광판(92)에 입사하지만, 이 편광판(92)의 편광축방향(921)과 편광판(131)의 편광축방향(31)은 수직이므로 광은 차단되고, 표시소자에서는 어둡게 보인다.

그리고, 제3(b)도는 +V를 인가했을 경우를 나타내고 있으며, 이때 강유전성액정분자(1)의 장축은 상하의 편광판(91),(92)의 편광축방향 (911),(921)의 어느것과도 일치하지 않는 방향을 향하고 있다. 이 경우, 윗쪽 편광판(91)에 의해 직선편광으로된 광중 강유전성액정분자(1)의 장축방향의 성분은 장축방향의 굴절률 n / /, 단축방향의 성분은 단축방향의 굴절률 n 에 따라 강유전성액정층(6)을 투과하므로, 강유전성액정층(6)을 나온 광은 타원편광으로 된다. 따라서, 아래쪽 편광판(92)을 투과하는 광성분을 갖기 때문에 표시소자에서는 밝게 보인다.

이와 같이해서 +V, -V 의 인가에 의해 명암의 절환을 할 수 있으며, 표시소자, 광셔터, 편광소자로서 기능할 수 있다. 그리고 전계가 인가되어 있지 않을 경우는 양자의 대충 중간의 밝기로 되어 있다. 또 본 현상을 여기서는 강유전성액정의 전기광학효과라고 부르기로 한다.

이 전기광학효과를 자세히 조사한 결과, 제4도에 나타낸 바와같은 특성을 갖는다는 것이 명백해졌다.

즉, 강유전성액정에 가해지는 인가전압 V_LC을 0에서 상승시키면 광강도(투과형소자이면 투과광강도, 반사형소자라면 반사광강도, 이하 동일함.) I는 증가해가며, 역치전압 +V_C를 넘으면 광강도 I는 일정치로 된다. 마찬가지로 인가전압 V_LC를 마이너스의 방향으로 증가하면, 광강도 I는 감소되며, 역치전압 -V_C를 넘으면 포화한다. 인가전압이 X일 경우는 광강도는 I_X로 되며, 인가전압이 Y일 경우는 광강도가 I_Y로 된다. 교류인가에서는 인가전압은 X와 Y의 사이를 왕복하게 되므로 소자에서 나오는 광강도는 I_X와 I_Y가 평균화되어 I_Z로 된다. I_Z는 인가전압이 0일 경우의 광강도와 같다. 따라서 아무런 수단도 강구하지 않으면 전압인가시와 전압무인가시 에서는 광강도(밝기)를 구별할 수 없으며 콘크라스트를 취할 수 없다.

다음에 펄스전압 V_P에 대한 응답을 조사하기 위해, 제5(a)도에 나타낸 바와 같은 역치전압 V_C보다 큰 파고치를 갖는 플러스의 전압펄스 V_P인가에 따라 급격히 광강도 I가 증가하며, 상승시간 t₁이 짧지만, 펄스전압 V_P인가후의 복귀시간t₂은 도시한 것처럼 길다는 것을 알았다.

예를들면 본원 발명 등이 파고치가 역치전압(5∼10V)보다 큰 펄스 전압 V_P(펄스폭 t₀=500μn)를 강유전성액정에 인가했던바, t₁=120μs, t₂=8ms임을 확인했다.

또 마이너스의 펄스전압 -V_P에 대한 응답도 제5(b)도에 나타낸 것처럼 펄스전압인가에 의한 응답에 비해 전압제거시의 응답은 느리며, 복귀시간이 길다는 것을 알았다.

또 제6도에 나타낸 바와 같은 펄스전압열을 인가할때, 제6(a)도와 같은 플러스의 펄스전압열, 제6(b)도와 같은 마이너스의 펄스전압열에 의해, 평균적인 밝기에 커다란 차이가 생겨, 명압의 두값의 광투과상태의 설정이 가능하다.

이와 같은 방법에 의해 양호한 표시를 얻는데는 표시의 프리커를 없애기 위해 강유전성액정에 인가하는 펄스전압의 반복주기를 최소한 30ms 이하로 하지 않으면 안된다,

그러나, 이와 같은 구동방법에서는 표시부가 밝은 표시시간과 어두운 표시시간이 같지 않는한, 강유전성액정에 인가되는 전압 V_LC에 직류성분이 존재한다.

극단적인 예로서는 항상 밝은 표시상태의 세그멘트에서는 항상 플러스의 직류성분이 인가되며, 항상 어두운 표시상태의 세그멘트는 항상 마이너스의 직류성분이 인가되어 있게 된다.

액정소자에서는 구동중에 직류성분이 인가되면 전기화학반응에 의해 소자의 열화가 촉진되어 수명저하를 초래하는 일이 잘 알려져 있으며, 제6도에 나타낸 방법은 열화의 점에서 중대한 결점을 가지고 있다.

제7도는 본원 발명의 제1실시예를 나타낸 구동파형이며, 제6도에 나타낸 펄스전압 V_P직전에, 역극성, 같은 펄스폭, 파고치를 갖는 펄스전압 -V_P을 인가한다.

제7(a)도는 입사광이 투과하는 상태 즉 표시소자에서는 밝은 표시를 할 경우의 강유전성액정에 인가하는 전압 V_LC과, 제2도에 나타낸 액정소자의 광투과상태(광강도 I)와의 관계를 나타내는 도면이며, 제7(b)도는 입사광이 차단되는 상태 즉 표시소자에서는 어두운 표시를 할 경우의 인가전압 V_LC과 광강도 I 와의 관계를 나타낸 도면이다.

제7(a)도에 있어서, t₀에서 파고치 -V_P(5∼20V), 펄스폭 T₁(500μs∼100μs)의 마이너스의 펄스전압이 인가되면, 일단 어두워지지만, 시각 t₁에서 파고치 V_P, 펄스폭 T₁의 플러스의 펄스전압이 인가되면 급격히 밝아지며, 시각 t₂에서 인가전압이 0으로 되면 밝기가 서서히 저하한다. 이 동작을 프리커가 생기지 않는 소정 주기 T(1ms∼30ms)로 반복함으로써, 평균적인 밝기를 충분히 크게 할 수 있다.

이때, 광투과상태를 정하는 펄스전압 V_P과는 역극성이며 또한 절대치가 같은 펄스전압을 소정주기내 T에 강유전성액정에 인가하므로, 강유전성액정에 인가되는 전압의 평균치는 0으로 되어 직류성분이 전혀 존재하지 않으며, 상술한 전기화학반응에 기인하는 강유전성액정의 열화는 생기지 않는다.

또한 본 실시예에 있어서는 광투과상태를 정하는 펄스전압 V_P을 인가하기 직전에, 펄스폭 및 파고치의 절대치가 같으며, 또한 역극성의 펄스전압 -V_P을 인가하므로, 제7(b)도에 나타낸 것처럼 펄스전압의 극성을 반전시키는 것만으로 입사광이 차단되는 상태가 얻어진다.

제8도는 제7도에 나타낸 바와 같은 구동파형을 실현하는 구체적인 회로의 일례이다.

제8도에 있어서, (11)은 배타적오어게이트, (12)는 인버어터, (13),(14)는 앤드 게이트, Q₁, Q₂, Q₃, Q₄는 스위칭용트랜지스터, R₁, R₂, R₃는 저항, (15), (16), (17)은 입력단자, (18)은 출력단자이며, A, B, C는 관찰용으로 펄스를 측정하는 개소이다. (10)은 출력단자에 접속되는 액정소자이다.

제8도의 회로의 각 신호의 타이밍은 제2표에 나타낸 바와 같으며, 각각의 신호 파형을 제9도에 나타낸다.

〔15〕는 입력단자 (15)에서 들어오는 펄스폭을 정하는 신호, 〔16]은 입력단자(16)에서 들어오는 펄스전압을 내는 타이밍을 정하는 신호, 〔17〕은 입력단자(17)에서 들어가 출력전압 〔18〕의 위상을 정하는 신호이며, 〔17〕을 제어함으로써 광투과상태 즉 명암의 절환을 정할 수 있다. 제9도의 〔18〕의 α에 이르기까지는 명상태, α를 지나면 암상태로 된다.

[제2표 ]

제10도는 본원발명의 제2도의 실시예를 나타낸 구동파형이며, 제10(a)도가 밝은 표시를 할 경우, 제10(b)도가 어두운 표시를 할 경우를 각기 나타낸다.

제7도의 제1도의 실시예와 다른 것은 강유전성액정에 인가되는 전압의 직류성분을 0 으로 하기 위해 새로 설치한 역방향펄스전압의 펄스고 V_PI를 역치전압 V_C보다 작게하고, 그만큼 펄스폭을 넓힌 것이다. 이때, 식(1)에 나타낸 것처럼 직류 성분을 0 으로 하기 위해서는 플러스펄스와 마이너스펄스의 직류성분 S₁, S₂와는 서로 극성이 반대이며 절대치를 같게 한다.

S₁=- S₂………(1)

본 실시예에 있어서도 강유전성액정에 인가되는 전압의 평균치는 0 으로 되며, 직류성분이 전혀 존재하지 않으므로, 강유전성액정의 열화가 생기지 않고, 또한 소망의 광투과상태를 고속으로 얻을 수 있다.

그리고 본 실시예에 있어서는 직류성분을 0으로 하기위한 펄스전압의 파고치가 강유전성액정의 역치전압 V_C보다 작으므로, 제1실시예에 비해 콘트라스트비가 커진다.

제11도는 본원 발명의 제3도의 실시예를 나타낸 구동파형이며. 제11(a)도가 밝은 표시를 할 경우, 제11(b)도가 어두운 표시를 할 경우를 각기 나타낸다.

제11도에 있어서도 액정소자의 광투과상태를 정하는 펄스전압의 직류성분 S₁과 다른 전압신호의 직류성분(S₂+S₃+S₄)과의 관계는 식(2)에 나타낸 것처럼 서로 극성이 반대이며, 절대치는 같아져 있다.

S₁=-(S₂+S₃+S₄)………(2)

제12도는 본원 발명의 제4도의 실시예를 나타낸 구동파형이며, 제12(a)도가 밝은 표시를 할 경우, 제12(b)도가 어두운 표시를 할 경우를 각기 나타낸다.

제12도에 있어서도 액정소자의 광투과상태를 정하는 펄스전압의 직류성분 S₁과, 다른 전압신호의 직류성분 (S₂+S₃+S₄+S₅+S₆)와의 관계는 식(3)에 나타낸 것처럼 서로 극성이 반대이며 절대치는 같아져 있다.

본 실시예에 있어서도 상술한 실시예와 같은 효과가 얻어지며, 또한 광투과상태를 정하는 펄스전압이 인가되는 기간 t₀에 직류성분을 0으로 하기 위한 펄스전압이 인가되는 기간 t_C보다 충분히 길므로 콘트라스트비가 커진다.

이상 기술한 본원 발명의 제1도∼제5도의 실시예에 있어서는 제3도에 나타낸 것처럼 편광판(91)의 편광축방향(911)을 전계 -V를 인가했을 때의 강유전성액정분자의 나선축(2)의 방향과 일치시켰지만, 전계 V를 인가시켰을때의 강유전성액정분자의 나선축(2)의 방향과 일치시켜도 좋으며 이 경우, 제1도∼제5도의 실시예에 있어서 밝은 표시와 어두운 표시가 반대로 된다.

또한 제1도∼제5도의 실시예에 있어서는 액정소자의 광투과상태를 정하는 펄스전압이 인가되기 직전 및 직후에 직류성분을 0 으로 하는 전압신호를 인가했지만, 이것에 한정되지 않으며, 광투과상태를 정하는 펄스전압이 인가되는 주기내라면, 언제라도 좋다.

제14도는 본원 발명의 제1방식의 대표적인 실시예 (제6도의 실시예)를 나타낸다.

액정소자(10)의 구성은 제2도와 같다. 배향제어막(5)은 폴리이미드-이소-인드로키나졸린디온막이며, 전극(4)은 산화인듐투명전극이다. 또 기판(3)은 유리제이며, 배향제어막(5)을 형성후 일정방향으로 래빙해 놓았다. 그리고 2매의 기판(3)이 래빙방향을 반평행방향으로 하도록 직경 6μm의 유리화이버를 스페이서로 하는 봉지제(7)를 통하여 조합되어 있다. 강유전성액정재료는 DOBANBC이며, 액정소자중에 진공봉입되어 있다. 봉입후, 일단 등방성(等方性)액체온도까지 가열후 액정상으로되기까지 서냉하고 (1℃ 1mm의 속도로 냉각), 균일하게 배열한 소자를 얻었다. 이 액정소자(10)에 편광판(91),(92)를 붙인다. 본 실시예에서는 편광판으로서 폴라로이드 HN-38을 사용했다.

액정의 나선축을 기판면에 평행인 어떤 우선방위에 가지런하게 하는 수단으로서는 강자장중에서 등방성액체의 상태로부터 액정상으로 상이하기전까지 서냉하는 방법, 기계적인 전단(剪斷)을 부여하는 방법도 가능하지만, 실용적이 아니다. 유기 또는 무기의 박막을 형성하고, 일정한 방향으로 천 등으로 래빙하는 방법은 실용적이며, 네마틱액정을 균일하게 배열하는 수단으로서 널리 사용되고 있다. 단, 강유전성을 나타내는 액정화합물의 경우 일반적으로 네마틱액정의 경우보다 균일한 배열이 얻어지기 어려우며, 네마틱액정의 경우에 유효한 모든 막을 적용할 수 있는 것은 아니다. 그러나 현시점에서도 폴리이미드계의 유기막에 균일배향이 얻어지는 것이 발견되었다. 래빙에 의한 경우에는 2매의 기관의 래빙방향이 반평행방향으로 되도록 한다.

액정소자(10)와 광원(19)과의 사이에는 초퍼(20)를 설치한다. 본 실시예에 있어서는 초퍼(20)로서 투광부(21)를 등간격으로 8개 갖는 회전원판을 사용하였다. 초퍼(20)의 구동은 펄스모우터(22)에 의해 행한다. (23)은 펄스모우터(22)의 구동장치이며, (24)는 펄스발진기이다. 펄스 발전기(24)에서 발진된 클록펄스 C_P1는 구동장치(23)와 플립플롭회로(25)에 들어간다. (26)은 제어장치이며, 클록펄스 C_P3를 발진하고, 플립플롭회로(25)에서 나오는 클록펄스 C_P2와 제어장치(20)에서 나오는 클록펄스C_P3와는 배타적오어게이트(11)에 들어간다. 배타적오어게이트(11)에서 나온 클록펄스 C_P4는 액정소자용구동장치(27)에 들어가, 클록펄스 C_P5로서 액정소자 (10)에 이른다. C_P1, C_P2, C_P5의 관게는 제15도와 같으며, 도면중(a)는 C_P1을, (b)는 초퍼를 통과하는 광을, (C)는 C_P2를 각기 나타낸다. 또 (d)는 C_P5에 의한 온(광투과) 상태를,(e)는 C_P5에 의한 오프(광차폐)상태를 나타낸다. 또한 C_P2-C_P5와 투과광과의 관계를 다음 제 3 표에 나타낸다. 이처럼해서 초퍼(20)는 광원(19)으로부터의 광을 단속시켜 액정소자(10)에 입사시킨다.

[제3표]

상기 구성의 광학장치에 인가전압으로서 제16(a)도와 같은 교류구형파를 인가했을때, 이 액정소자(10)에 입사한 강도가 일정한 광은 제16(b)도 처럼 변조된다.

한편, 제14도에 있어서의 초퍼(20)는 일정한 강도의 광을 제17도처럼 단속시키는 작용을 갖는다. 여기서 제14도처럼 초퍼(20)와 액정소자(10)를 배치하여, 광원(19)에서 일정한 강도 I₀의 광이 초퍼(20), 액정소자(10)를 투과하여 어떻게 변조되는지를 제18도에 나타낸다. (1)은 온상태 즉 투과상태를 나타내며, (2)는 오프상태 즉 차폐상태를 나타낸다. 또 (a)는 초퍼를 투과한 광의 강도를 나타내며, (b)는 액정소자에 인가하는 전압파형을 나타내고, (c)는 최종적으로 얻어지는 광의 강도를 나타낸다.

(1)에 나타낸 것처럼 마침 광이 초퍼(8)를 통과할때에 플러스의 전계(여기서는 액정소자를 투과하는 광량이 커지는 쪽을 플러스로 취하기로 했다)를, 차폐했을 때에 마이너스의 전계를 인가하도록하면, 최종적으로 투과하는 광강도 I는 (C)좌도처럼 된다. 이것과는 반대로(2)에 나타낸 것처럼 전계의 부호를 반전시키면 최종적인 광강도 I는 (C) 우도처럼 된다. 양자를 비교하면 명백히 명암의 콘트라스트가 붙어 있으며, 광스위로서의 기능을 갖고 있다는 것을 알 수 있다. 즉, 제14도의 구성으로 함으로써, 제18(b)도에 나타낸 바와 같은 교류에 의해 강유전성을 갖는 액정을 사용한 액정소자(10)를 구동하며, 광을 스위치할 수 있도록 되었다.

상기 액정이 강유전성을 나타내는 75℃에서 투과하는 광의 파형을 관측했다. 관측한 특성곡선을 제19도에 나타냈다. 이때의 온· 오프의 콘트라스트로서 4.8 : 1이 얻어졌다.

제20도는 본원 발명의 제7의 실시예이며, 상기 제6의 실시예와 다른 점은 (1)액정층중에 2색성색소를 함유시킨 점, (2)편광판을 소자의 한쪽에만 설치한 점에 있다. 2색성색소는 1; 4-디 아미노-2-(p - m -부탈페녹시카르보닐)안트라퀴논이며, 액정(BOBANBC)에는 3중량 혼합시켰다. 편광판의 편차축은 래빙방향에서 약 20°어긋나게 했다. 다른 구성, 제법은 제6의 실시예에 준한다.

제6의 실시예에 준해서 75℃에서의 투과광측정을 했더니, 제21도에 나타낸 투과광의 파형을 얻었다. 이 경우의 콘트라스트비는 26 : 1이었다.

2색성을 갖게 하기 위해서는 통상 상기와 같은 화합물에 소량의(수% 정도) 2색성색소를 첨가하는 수법을 사용한다. 2색성색소는 액정디스프레 이용으로서 수많은 물질이 합성되어 있다. 아조계, 아조메틴계, 안트라퀴논계, 퀴노프탈레인계 등의 2색성색소가 있으며, 1종 또는 2종 이상 혼합해서 사용한다.

제22도는 본원 발명의 제8도의 실시예를 나타낸다.

본 실시예에서는 제2도 또는 제20도의 액정소자(10)를 2개 작성하고, 래빙방향의 평행하게 되도록 겹쳤다. 본 실시예는 프린터용의 광스위치로서 유효하도록 클록펄스 C_P2를 사용하여 명암상태를 절환하도록 하고 있다. (28)은 제어용의 신호발생기이며, (29)는 전자스위치이다. 한편, 전자스위치(29)에는 입력측에 2개의 단자 a, b가 설치되어있으며, 모두 펄스발신기(24)와 접속되어 있다. 펄스발신기(24)는 클록펄스 C_P1를 발생한다. 클럭펄스 C_P1는 직접 단자 a에 들어가도록 되어있지만, 단자 b에는 반전회로의 인버어터(25)를 통해서 들어가도록 되어 있다. 따라서 반전회로의 인버어터(25)를 거쳐 단자 b에 들어가는 클록펄스는

이다. C_P1와 C_P2와의 관계는 제23도와 같다. 제23도에 있어서 (a)는 C_P1을 (b)는

을 나타낸다.

2개의 액정소자(10)를 구동시켜, 온상태, 오프상태 각각의 투과한 광의 파형을 제6도의 실시예와 같은 조건으로 측정한 결과를 제23도에 나타낸다. 온 상태와 오프상태는 C_P2에 의해 전자스위치(29)의 접속을 절환함으로써 실현된다. 제4표는 스위치의 절환에 의한 투과광상태를 정리한 것이다.

[제4표]

전자스위치(29)가 a 에 접속하고 있을 경우에는 2개의 액정소자(10)에 전계 C_P1가 인가되며, 이때 투과한 광의 파형은 제24도 좌도(온상태)처럼 된다.

한편, 스위치(29)의 접속이 b 일 경우에는 한쪽의 액정소자(10)에는 전계 C_P1가 나머지 한쪽의 액정소자(10)에는 전계 C_P1이 인가되며, 이대에는 제24도 우도(오프상태)와 같은 투과광으로 된다. 제24도는 전계 C_P1으로서 100Hz, 15V의 교류구형파를 사용했을때의 투과광을 나타낸 것이며, 이때 콘트라스트비 2.5 : 1이 얻어졌다. 그리고 2개의 액정소자(10)를 사용할 경우에는 원리에서 알 수 있듯이 4매의 편광판은 반드시 필요하지는 않으며, 3매로 충분하다.

본 실시예처럼 액정소자를 2중으로 한 구조에 의하여 액정소자 자체가 매우 엷은 것이므로 원판을 회전시키는 타입의 초퍼를 사용할 경우에 비해 소형이고 엷은 형의 광스위치가 얻어진다. 그리고, 광스위치의 경우는 표시소자에 비해, 특히 프리커의 방지를 고려할 필요성은 적다.

제25도는 제6도∼제8도의 실시예를 계조표시에 이용한 응용예(제9의 실시예)의 설명도이다. 도면중 (i)∼(v)는 각기 초퍼구동의 패터언을 나타내고 있으며, (i)은 초퍼의 투과광의 타이밍과 플러스전하 V₀의 타이밍을 일치시켰을 경우를, (v)는 초퍼의 투광의 타이밍과 마이너스전하 -V₀의 타이밍을 일치시켰을 경우를 나타낸다. 그리고 (ii)∼(iv)는 i와 v의 중간에 단계적으로 위치하여 각기 초퍼의 투광의 타이밍과 플러스전하 V₀의 타이밍을 일부 중복시킨 경우를 나타낸다. (a)는 인가전압을 나타내며, (b)는 투광의 타이밍을 나타내고, (b)중, 실선부가 광로차단을 단선부가 투광시기를 나타낸다. 또 각(C)는 초퍼를 나온 광의 강도를 나타낸다. 도면에서 명백한 것처럼 패터언이 (i)에서 (v)로 옮겨짐에 따라 명암상태가 단계적으로 어두운 방향으로 향한다. 이와같이 본원 발명에 의하면 계조표시도 가능하다.

이상 살명한 본원 발명에 의하면, 광학소자에서 나오는 광의 강도가 광기능재에 인가하는 외장의 극성의 반전에 수반하여 강약 역전하는 특성을 갖는데도 불구하고, 교류운동에 의해 고콘트라스트가 얻어진다고 하는 효과가 있다.

Claims (12)

1. 대향면에 전극을 갖는 한쌍의 기판간에 광기능재를 협지하여 이루어진 광학소자를 구비하여, 이 광학소자로부터의 방사광의 강도가 인가하는 외장의 극성의 반전에 수반해서 비대칭으로 변화하는 특성을 갖는 광기능재를 구비한 광학장치에 있어서, 상기 방사광의 강도를 정하는 1극성의 펄스전압 및 역극성의 펄스전압을 소정주기에서 이 소정주기내의 전압평균치가 0으로 되도록 광기능재에 인가하는 제1수단과, 한쪽의 극성의 펄스전압이 인가되었을 때의 상기 방사광강도와 다른쪽의 펄스전압이 인가되었을 때의 상기 방사광강도를 선택 또는 변경하는 제2수단을 구비한 것을 특징으로 하는 광학장치.
2. 상기 제2수단은 상기 광학소자를 통과하는 광의 통로상에 배치되어 광을 단속시키는 기능을 갖는 장치이며, 또한 이 광의 단속과 상기 펄스전압의 인가를 통기시키는 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 1 기재의 광학장치.
3. 상기 제1수단은 상기 소정주기내에 있어서의 상기 펄스전압의 인가시간을 상기 전압신호의 인가시간보다도 충분히 짧게하고 또한 이 펄스전압의 파고치의 절대치를 이 전압신호의 파고치의 절연치보다도 충분히 크게하는 수단임을 특징으로 하는 특허청구의 범위 1기재의 광학장치.
4. 상기 광기능재가 강유전성액정임을 특징으로 하는 특허청구의 범위의 1,2 또는 기재의 광학장치.
5. 상기 광학소자는 광투과형소자임을 특징으로 하는 특허 청구의 범위의 1, 2, 3 또는 4 기재의 광학장치.
6. 대향면에 전극을 갖는 한쌍의 기판간에 광기능재를 협지하여 이루어진 광학소자를 구비하여, 이 광학소자로부터의 방사광의 강도가인가하는 외장의 극성의 발전에 수반해서 비대칭으로 변화하는 특성을 갖는 광기능재를 구비한 광학장치에 있어서, 상기 방사광의 강도를 정하는 1극성의 펄스전압 및 역극성의 펄스전압을 소정주기에서 이 소정주기내의 전압평균치가 0으로 되도록 상기 광기능재에 인가하는 제1수단과, 상기 광학소자를 통과하는 광의 통로상에 배치되어 광을 단속시키는 기능을 가지며 또한 이 광의 단속과 상기 1극성의 펄스전압의 인가가 동기하도록 한 초퍼를 구비한 것을 특징으로 하는 광학장치.
7. 상기 초퍼는 상기 1극성의 펄스전압의 인가와 광의 통과를 동기시켜 투과광을 명상태로 하며, 한편 상기 1극성의 펄스전압의 인가와 광로차단을 동기시켜 투과광을 암상태로 하여 명암 양상태의 전환기능을 갖는것을 특징으로하는 특허청구의 범위 6기재의 광학장치.
8. 상기 초퍼는 상기 1극성의 펄스전압의 인가시기와 광의 통과시기를 일부 중복시켜서 동기시킴으로서 상기 광학소자에서 나오는 투과광의 계조기능을 갖는 것을 특징으로하는 특허청구의 범위 6 기재의 광학장치.
9. 상기 초퍼는 다색성 강유전성액정소자임을 특징으로 하는 특허청구의 범위 6, 7 또는 8 기재의 광학장치.
10. 상기 초퍼는 투광부를 갖는 회전체임을 특징으로 하는 특허청구의 범위 6, 7 또는 8 기재의 광학장치.
11. 상기 광기능재가 강유전성액정을 특징으로 하는 특허청구의 범위 6, 7, 8, 9 또는 10기재의 광학장치.
12. 상기 강유전성액정은 그 나선축의 방향이 상기 각 기판면에 대충평행인 어떤 우선방위에 가지런히 배열되어 잇는 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 11기재의 광학장치.

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