KR960011148B1 - 액정 디스플레이 장치의 제조방법, 액정 장치 및 액정 물질 혼합물 - Google Patents

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더 세크리터리 오브 스테이트 포·디펜스 인 허 브리태닉 매쥐스티스 거번먼트 오브 더 유나이티드 킹덤 오브 그레이트 브리튼 앤드 노던 아일랜드
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Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]
액정 디스플레이 장치의 제조방법, 액정 장치 및 액정 물질 혼합물
[도면의 간단한 설명]
본 발명의 한가지 양태를 첨부된 도면을 참조로 하여 단지 예시적으로 기술한다.
제1도 및 제2도는 액정 디스플레이 장치의 설계도 및 단면도이다.
제3도, 제4도 및 제5도는 각각 스멕틱 A, 스멕틱 C 및 스멕틱 C＊물질의 배열된 액정 물질층의 형태도이다.
제6도는 Ps업(Up) 및 Ps다운(Down) 분자 배열 상태를 도시한 Sc*셀의 설계도이다.
제7a도, 제7b도 및 제7c도는 각종 혼합물에 대한 콜레스테릭 피치 대 온도의 그래프이다.
제8도는 하나의 물질 혼합물에 대한 업 상태와 다운 상태 사이의 반원추 각(half cone angle)의 변형을 나타내는 그래프이다.
제9도는 하나의 물질 혼합물에 대한 온도에 따른 Ps변형을 나타내는 그래프이다.
[발명의 상세한 설명]
본 발명은 스멕틱 액정 장치(smectic liquid crystal device)에 관한 것이다.
액정 장치는 통상적으로 두개의 유리판 또는 유리벽 사이에 함유된 박층의 액정물질을 포함한다. 얇고 투명한 전극을 양벽의 내면에 부착시킨다. 액정층, 벽 및 전극의 조합에 대해 액정 셀(cell)이라는 용어를 종종 사용한다. 전기장을 두 전극 사이에 인가하는 경우, 액정 분자는 전기장내에서 온(ON) 상태로 회전한다. 전기장을 제거하면 분자는 오프(OFF) 상태로 거꾸로 회전하며, 이는 셀 조립 전에 벽에 적용된 표면처리와 액정 물질의 유형에 의해 결정된다. 온 상태와 오프 상태의 광 투과성은 상이하다. 어떤 장치는 온상태와 오프 상태를 육안으로 구별하기 위해 하나 또는 두 개의 편광자 및/또는 염료를 필요로 한다.
액정 물질의 유형을 광범위하게 세 가지로 보면 네마틱(nematic), 콜레스테릭(cholesteric) 및 스멕틱(smectic) 등이 있으며, 각각은 상이한 분자 질서(molecular ordering)에 의해 구별된다.
이러한 물질은 고체 상과 등방성 액체 상 사이의 한정된 온도 범위에 걸쳐 액정 상을 나타낼 뿐이다. 액정 상 온도 범위내에서 물질은 하나 이상의 네마틱, 콜레스테릭 또는 스멕틱상 유형을 나타낼 수 있다. 통상적으로, 물질은 이의 작용 온도 범위에 걸쳐서 한가지 유형의 액정 상만을 형성하도록 선택한다.
본 발명은 스멕틱 액정물질을 사용하는 장치에 관한 것이다.
디스플레이(display)는 한쪽 벽 위에는 행(row)을 형성하고 다른 쪽 벽 위에는 열(column)을 형성하는 전극으로 이루어진다. 이들은 집합적으로 대행 디스플레이에 별도로 어드레싱 가능한 원소(addressable element)의 x, y 매트릭스(matrix)를 형성한다. 이러한 디스플레이를 어드레싱(addressing)하는 한가지 방법은 멀티플렉싱(multiplexing), 즉 디스플레이 전체가 어드레싱될 때까지 각각의 행을 차례로 어드레싱하는 것이다. 이는 디스플레이가 필요로 하는 만큼 계속 반복한다. 다른 유형의 디스플레이는 온 상태 및 오프 상태를 사용하여 전기적으로 스위칭 가능한 광 셔터(optical shutter)를 형성한다. 또다른 유형의 디스플레이는 광 저장 장치로 사용된다. 네마틱, 콜레스테릭 및 스멕틱 액정물질이 이러한 장치에 사용된다. 많은 디스플레이가 지니고 있는 문제점은 두가지 상태 사이의 전환에 소요되는 시간, 즉 응답시간이다. 많은 디스플레이에 있어서 응답시간이 빠른 것이 요구된다. 90°비틀린 구조(twisted structure)로 배열된 네마틱 물질의 응답시간은 통상적으로 100msec(milliseconds)이다.
스멕틱 물질을 포함하는 장치는 네마틱 또는 콜레스테릭 물질을 포함하는 장치만큼 광범위하게 사용되지는 않는다. 스멕틱 물질을 기본으로 하는 이용가능한 디스플레이 장치에는 필요한 특성이 없었다. 그러나, 최근에 신속한 스위칭 특성 및 쌍안정성을 갖는 강유전성 스멕틱 장치에 관심이 집중되어 왔다.[참조 : 엔. 에이. 클라크(N. A. Clark) 및 에스. 티. 라거월(S. T. Lagerwall)의 App. Phys. letter 36(11) 1980, pp. 899-901]. 경사진(tilted) 스멕틱 상의 키랄 액정 물질, 예를 들면, SC *, SI *, SF *, SJ *, SG *및 SH *가 강유전성을 나타내는 것으로 공지되어 있다[참조 : 알. 비. 메이어(R. B. Meyer), 엘. 리버트(L. Liebert), 엘. 스트르젤렉키(L. Strzelecki) 및 피. 켈러(P. Keller)의 J. de Physique(Lett), 36, L-69(1975)].
본 발명에 따르는 액정 디스플레이 장치의 제조 방법은 액정물질 층, 그 위에 전극 구조물이 형성되어 있는 벽의 내부표면, 액정 배열(alignment)을 제공하도록 처리된 하나 이상의 벽 표면을 함유하도록 스페이서(spacer) 에 의해 이격된 두 개의 셀 벽을 제공하는 액정물질을 벽 사이에 도입하는 단계를 포함하는 액정 디스플레이 장치를 제조하는 방법에 있어서, 콜레스테릭이 스멕틱으로 전이되는 온도보다 0.1℃ 이상 높은 온도에서 콜레스테릭 피치(pitch)가 p가 층 두께 d의 절반 이상이고, 키랄 스멕틱 상의 자발 분극(spontaneous polarization) Ps치가 0.1nC/㎠ 이상이며, 주위 온도보다 높은 승온에서 콜레스테릭 상을 갖는 경사진 키랄 스멕틱 액정물질을 키랄 스멕틱 상과 등방성 상 사이에 제공하고 ; 혼합물을 콜레스테릭 상으로 가열하고 ; 혼합물을 벽 사이의 공간에 도입하고 밀봉하여 ; 물질을 경사진 키랄 스멕틱 상으로 냉각시키는 단계를 특징으로 한다.
가열 단계는 물질을 공간에 도입시키기 전 또는 후에 수행할 수 있다.
액정물질은 단일 성분 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 액정물질은 콜레스테릭 비틀림 방향이 좌선성(left hand)인 하나 이상의 키랄 성분을 콜레스테릭 비틀림 방향이 우선성(right hand)인 하나 이상의 키랄 성분과 혼합할 수 있다. 이러한 혼합물에서는 어떠한 좌선성 성분도 우선성 성분의 라세미체가 될 수 없다. 이러한 키랄 혼합물은 키랄 스메틱 자체일 수 있거나, 비키랄성 및/또는 라세미체 경사진 스멕틱 액정 호스트 물질(liquid crystal host material)에 첨가물로 사용될 수 있다. 또한, 키랄 성분 또는 성분들의 콜레스테릭 비틀림 방향은 콜레스테릭 피치를 제공하도록 동일할 수 있으며 PS는 위에서 언급한 값이다.
스멕틱 상은 온도에 따라 다음의 키랄 경사진 스멕틱 상 C*, I*, F*, J*, G*, K*및 H*중의 하나 이상이며, 콜레스테릭 상에서 키랄 스멕틱 상으로서 전이되는 사이에 스멕틱 A상을 포함할 수 있다.
층 두께는 15㎛ 이하 또는 그 이상일 수 있으나 통상적으로는 1 내지 12㎛, 예를 들면, 2㎛ 및 6㎛이다.
p/d비는 내부에서 콜레스테릭 상의 스멕틱 상으로의 전이에 콜레스테릭 상이 근접할 경우, 물질을 보호할 만큼 충분히 커야 하며, 3π 비틀림 이상으로, 이상적으로는 피치 p를 4d 이상으로 선택하여, 콜레스테릭 상이 전이에 근접할 경우, π 비틀림 미만 비틀림이 생성될 수 있도록 한다. 이상적으로는, 이러한 p값은 전체 콜레스테릭 상에 걸쳐서 크고, 바람직하게는 스멕틱/콜레스테릭 전이보다 5℃ 이상 크다.
스멕틱 상의 피치는 0.1㎛ 이상이며, 바람직하게는 이보다 훨신 크고, 예를 들면, 층 두께보다 크다.
Ps치는 0.1nC/㎠ 이상이며, 바람직하게는 1nC/㎠ 이상이다. 모든 키랄 성분은 PS치가 클 수 있으며 이는 PS와 동일한 방향일 수 있다. 또한, 네트(net) PS치가 크도록 하나 이상의 성분의 PS치가 반대 방향일 수 있다.
일부 혼합물에서는 냉각 과정을 콜레스테릭 상에서 스멕틱 상으로의 전이를 ±5℃ 이내로 하여 0.05 내지 2℃/min의 비로 수행한다. 냉각 속도는 콜레스테릭 상의 보정(compensation) 양에 좌우된다. 양호하게 보정된 물질의 경우, 셀은, 예를 들면, 20℃/min 이상으로 신속하고 편리하게 냉각시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 액정장치는, 각각이 전극 구조물을 이루고 있으며 하나 이상의 벽 표면이 액정 분자를 배열시키도록 처리된 두 개의 셀 벽 사이에 포함된 경사진 키랄 스멕틱 액정물질 층, 제1선형 편광자 및 제2선형 편광자 또는 액정 물질중의 적당량의 이색 염료(dichronic dye)를 포함하는 액정장치에 있어서, 액정 물질이 통상의 장치 조작 온도에서는 경사진 키랄 스멕틱 상을 함유하고, 주위 온도보다 높은 온도에서는 콜레스테릭 상을 함유하고, 콜레스테릭 상이 스멕틱 상으로 전이되는 온도보다 0.1℃ 이상 높은 온도에서 콜레스테릭 상내의 콜레스테릭 피치가 층 두께 d의 절반 이상이며 자발적 분극(PS)치가 0.1nC/㎠ 이상임을 특징으로 한다.
장치 셀은 평행하게 광 축에 대하여 베열된 두 개의 편광자 사이에 평행하게 배열하거나 상호간의 각도가 0° 안되도록 배열할 수 있다. 또한, 액정 혼합물은 적당량의 이색 염료를 포함할 수 있다. 이러한 경우, 편광자가 하나만 필요하다.
장치는 극성(polarity)이 반대인 두개의 직류 전압을 전극 구조물에 인가하는 수단을 추가로 포함할 수 있으므로, 혼합물 분자는 인가된 전압의 극성에 따라 두개의 상이한 위치중 어느 하나에 존재하도록 하며, 극성이 변화됨에 따라 이러한 두 위치 사이에서 스위칭된다.
셀 벽의 표면처리는 두 개의 벽에 동일하거나 상이한 방향으로 유사한 배열을 제공하거나 상이한 배열을 형태를 제공할 수 있다(예 : homogeneous 및 homoetropic). 또한, 한쪽 벽은 표면이 배열되지 않고 깨끗한 채로 남아 있을 수도 있다.
본 발명에 따르면, 경사진 키랄 스멕틱 장치에 사용되는 액정 물질 혼합물은 통상의 자치 조작 온도에서 경사진 키랄 스멕틱 상을 함유하고 승온에서 콜레스테릭 상을 갖는 물질을 포함하며, 혼합물은 콜레스테릭 상이 스멕틱 상으로 전이되는 온도보다 0.1℃ 이상 높은 온도에서 콜레스테릭 상의 콜레스테릭 피치가 4㎛ 이상이고, 스멕틱 상의 실질적인 자발 분극 PS치가 0.1nC/㎠ 이상임을 특징으로 한다.
장비에 장착된 몇몇의 장치는 상부 조작 온도가 약 100℃ 이상일 수 있지만, 장치 조작 온도는 통상적으로 0℃ 내지 40℃의 범위내이다.
네마틱 액정 물질 중에 키랄 성분을 사용하는 것은 널리 공지되어 있다. 키랄 성분을 첨가하면 네마틱 물질 방향 디렉터(director)에 대하여 비틀림 방향을 부여하고 콜레스테릭 물질을 생성시킨다. 이러한 비틀림 방향은 시계 방향 또는 반시계 방향, 즉 오른쪽 또는 왼쪽으로 회전할 수 있다. 반향 방향으로 비틀린 두 개의 상이란 키랄 물질을 첨가하여 혼합물의 조성 및 온도에 따라 비틀림이 없도록 할 수 있다. 일부 화합물은 오른쪽 회전능과 왼쪽 회전능이 모두 있는 분자를 포함할 수 있으며, 이들은 광학 이성체이고, 광학 이성체가 동량으로 존재할 경우, 통상의 비키랄(non-chiral) 액정 물질과 구별할 수 없는 라세미 혼합물이 형성된다.
[바람직한 실시 양태의 설명]
제1도 및 제2도에 도시되어 있는 셀(1)은 스페이서 링(4) 및/또는 분배된 스페이서에 의해 약 1 내지 6㎛의 간격으로 이격된 두 개의 유리벽(2) 및 (3)을 포함한다. 투명한 산화주석의 전극 구조물(5) 및 (6)은 양쪽 벽의 내부 표면에 형성되어 있다. 이러한 전극은 통상적인 열 및 행 형태(row and column shape)이거나, 7개 부분으로 분할된 디스플레이일 수 있다. 액정물질 층(7)은 벽(2, 3)과 스페이서 링(4) 사이에 함유되어 있다. 편광자(8) 및 (9)는 셀(1)의 앞과 뒤에 배열되어 있다. 각각의 편광자의 광 축의 배향에 대해서는 다음에서 논의한다. 근접시키기 위해, 편광자를 교차시키면서 광축 중의 하나의 액정분자 배열 방향에 대해 거의 평행하거나 수직이다. 직류(10)을 전력을 조절 로직(control logic) (11)을 통해 리드 와이어(lead wire) (14) 및 (15)에 의해 전극 구조물(5) 및 (6)에 연결된 회로(12) 및 (13)에 공급한다.
조립하기 전에 벽(2) 및 (3)을 표면처리하되, 폴리아미드 또는 폴리이미드의 박층 위에 스프닝(sinning)하고 건조시켜, 적합하게 경화된 경우, 부드러운 헝겊(예 : 레이온)을 사용하여 한쪽 방향(R1 또는 R2)으로 버프 연마(buffing)한다. 이와 같이 공지된 처리를 수행함으로써 액정 분자용 표면 배열이 제공된다. 분자는 마찰 방향(R1) 및 (R2)를 따라 표면에 대해 약 2°의 각으로 자체 배열된다. 방향(R1) 및 방향(R2)는 동일 방향이거나 반대 방향일 수 있다. 방향(R1) 및 (R2)가 동일 방향으로 배열되는 경우, 접촉하는 액정 분자는 층 중앙을 향해 경사지며, 층 두께를 가로질러 벌어진 형태를 이룬다. 표면 배열은 셀 벽에서 산화규소를 경사 증발시키는 공지된 방법으로 제공할 수 있다. 마찰용 배열에 있어서는, 배열은 동일 방향 또는 반대 방향으로 평행할 수 있다. 또한, 한쪽 벽이 피복되지 않은 채 남아있거나 폴리아미드 등으로 피복한 뒤 버프 연마하지 않을 수도 있다. 이후에, 다른 마찰된 벽 표면에 의해 배열이 제공된다.
장치는, 투과 또는 반사 방식으로 작동할 수 있다. 전자에서는, 예를 들면, 텅스텐 전구의 빛이 장치를 통과하여 선택적으로 투과되거나 차단되어 목적하는 디스플레이를 형성한다. 반사 방식에서는 거울이 제2편광자(9) 뒤에 위치하여 주위의 빛을 셀(1) 및 두개의 편광자를 통해 반사시킨다. 거울이 부분적으로 반사하게 함으로써 투과 및 반사 방식 둘 다로 장치를 조작할 수 있다.
다색 염료를 물질(7)에 첨가할 수 있다. 이러한 경우, 편광자는 하나만 필요하다.
셀 내의 액정 분자의 이상적이고 약간 단순한 배열을 제3도, 제4도 및 제5도에서 개략적으로 나타내었다. 이러한 배열은 부분적으로는 셀 벽 표면 효과에 따라, 도시한 것과는 실질적으로 상당히 다를 수 있다.
제3도는 스멕틱 A(SA) 물질 층(7)을 나타낸다. 축(x, y 및 z)을 사용하여 방향을 정의한다. 액정 층은 x, y 평면에 놓여 있으며, 층 두께는 z방향이며 마찰 방향(R1, R2)은 각각 상부 벽 및 하부 벽에 대해 +× 및 -×이다. 이러한 배열의 SA물질에서 개개의 분자(21)는, y,z 평면에 평행한 층(20)에서 x방향으로 배열된다.
제4도는 스멕틱 C(SC) 물질 층을 나타낸다. 표면 배열은 제3도에서와 같이 +× 및 -×이다.
제3도에서와 같이 액정 분자(21)는 y, z 평면에 평행한 층(20)으로 형성된다. 그러나, SC분자(21)는 각각의 층에서 경사진 형태를 이룬다. 경사진 분자는 x, y 평면에 x축에 대해 θ각도로 존재한다. 통상적으로, θ는 물질의 조성과 온도에 따라 15 내지 25°이다.
제5도는 스멕틱 C*(SC *) 물질 층(7) 내에서의 스멕틱 피치를 나타낸다. 이 물질은 층(20)n을 형성하며, 각각의 층내의 분자(21n)는 x축에 대해 15 내지 25°의 각도로 놓여져 있고 이러한 15 내지 25°의 각도는 각각의 층(21)에서 변한다. 이 분자는 총체적으로 x축을 따라 비틀림 축이 있는 비틀림 구조물을 형성한다. 이는 제5도에 도시하였는데, 여기서 연속적인 층(21)에서의 분자배열은 각각의 층 사이에서 운뿔의 표면을 따라 45°씩 변화하며 위치하도록 나타낸다.
제5도는 구조는 경사진 키랄 스멕틱 상이라 칭한다. 이러한 물질은 스멕틱 물질에 첨가함으로써 제조할 수 있다. 키랄 첨가제는 시계 방향 또는 반시게 방향으로 비틀릴 수 있으며, 일부 화합물은 양쪽 방향으로 모두 비틀린 분자를 함유할 수 있고, 이러한 경우 물질은 라세미체로 될 수 있다. 경사진 키랄 스멕틱 물질은 자발 분극을 지닐 수 있으며 분자 형태에 따라 두가지 반대방향이 있다. 라세미체 물질에서, 두 개의 자발 분극(PS) 방향은 동일하고 서로 상쇄되어 네트 PS는 존재하지 않는다. 반대 비틀림 방향의 키랄 화합물들의 혼합물에서 PS는 + 또는 -일 수 있다. 네트 PS가 존재하는 경우, 혼합물은 강유전성을 나타낸다.
배열된 SC *층(7)을 제조하는 한가지 방법은 물질을 셀 표면 처리에 의해 배열되는 SA상으로 가열한 다음, SC *상으로 냉각시키는 것이다. 불행하게도, 이와 같이 냉각시켜 물질을 작은 초점 원추형(focal conic) 구조물(분자층이 서로 상이한 각도로 여러 평면에 놓여 있는 상태)로 형성시킬 수 있다.
본 발명은 스멕틱 상에서 콜레스테릭 상을 함유하는 물질을 사용함으로써 이러한 문제점을 극복하며 다음과 같은 적합한 콜레스테릭 피치를 제공한다 :
물질은 온도가 증가함에 따라 다음과 같은 상을 함유하는 것이다 :
고체-스멕틱 X*-스멕틱 A-콜레스테릭-등방성
고체-스멕틱 X*-콜레스테릭-등방성
여기에서, X*는 다음 중의 하나 이상이다 : C*, I*, F*, G*, K*및 H*. 이러한 스멕틱 상 하나 이상을 함유하는 물질에서, 상은 온도에 따라 변한다.
콜레스테릭 피치 p는 층 두께 d를 가로지르는 최대 비틀림이 3π 이하가 되도록 배열된다. 3π 비틀림은 p가 약 2/3d일때 발생하고, 2π 비틀림은 p가 약 d일때, π 비틀림은 p가 약 2d일때 발생하며 p가 4d를 초과하면 비틀림이 0이다. 바람직한 p는 4d를 초과한다.
이러한 콜레스테릭 피치는 스멕틱/콜레스테릭 전이보다 0.1℃ 높은 온도 범위에서 필요하다. 이러한 범위는 바람직하게는 전이점의 5℃ 이상이며, 이상적으로는 전체 콜레스테릭 상에 걸친 범위이다.
위에서 기술한 물질을 획득하는 많은 방법이 있다. 예를 들면, 비틀림 방향이 좌선성인 콜레스테릭인 키랄 성분 하나 이상을 비틀림 방향이 우선성이 콜레스테릭 키랄 성분 하나 이상과 혼합시키며 단, 좌선성 성분 중의 어느 것도 우선성 성분의 라세미체가 아니다. 이러한 혼합물은 필요한 스멕틱상을 함유하는 경우 그 자체로 사용할 수 있다. 또한, 키랄 혼합물은 비키랄성 또는 라세미체 액정 물질, 예를 들면, 스멕틱 C입자에 첨가할 수도 있다. 상이한 키랄 성분의 온도/피치 특성은 상이할 수 있다. 이러한 경우, 생성된 피치가 스멕틱/콜레스테릭 상 전이보다 높은 온도 범위에서 요구되는 값이 것이 필수적이다.
반대 비틀림 방향 키랄 성분을 사용하는 경우, 생성된 혼합물이 필요한 자발 분극(PS)를 갖도록 하는 것이 필수적이다. 따라서, 모든 키랄 성분은, 콜레스테릭 비틀림 방향에 관계없이 동일한 SC *분극 즉, PS증분치를 가질 수 있다. 또한, 키랄 성분 한 이상은, 네트 PS가 충분한 값인 경우, 반대 방향 PS일 수 있다.
이러한 물질을 수반하는 또 다른 방법은 콜레스테릭 비틀림 방향과 SS *분극 방향이 동일하면서 위에서 언급한 콜레스테릭 피치 값을 여전히충족시키는 하나 이상의 키랄 성분을 사용하는 것이다. 이러한 혼합물은 단독으로 사용하거나 비키랄성 또는 라세미체 액정 물질, 예를 들면, SC호스트와의 혼합물로 사용될 수 있다.
콜레스테릭 상 중의 피치가 긴 결과로서, 물질은 셀 벽 처리에 의해 야기된, 균일하게 배열된 SA상으로 냉각된다. 결과는 제3도에서와 같은 배열이다. 추가로 냉각하면, 물질은 대략 표면 배열이 나선형 피치를 펴도록 SC *피치가 충분히 길도록, 즉 SC *피치가 약 d인 혼합물에 대한 제6도에서와 같이 또는 보다 짧은 피치 길이에 대한 제5도에서와 같이 배열된 SC *상을 채택한다. SA상을 함유하지 않는 물질은 콜레스테릭에서 키랄 스멕틱 상으로 냉각된다. 콜레스테릭 피치가 충분히 길도록 제공되는 경우, 셀은 SC *상으로 양호하게 배열된다.
경사진 스멕틱 상내의 피치는 약 1㎛ 이상으로 되도록 배열되며 바람직하게는 이보다 훨씬 크다.
콜레스테릭 상내의 피치의 보정은 제7(a)도 및 제7(c)도에 나타내었다. 제7(a)도는 콜레스테릭에서 스멕틱으로 전이되는 보정하지 않은 물질에 있어서의 온도에 대한 콜레스테릭 피치를 나타낸다. 이러한 전이에서, 피치는 무한대로 된다. 제7(b)도에 나타낸 보정된 물질은 피치가 무한대로 증가하다가 전이 온도보다 몇 도 높은 곳에서 피치가 아래로 감소한다. 제7(c)에서, 피치가 무한대로 되는 보정 온도는 스멕틱에서 콜레스테릭으로 전이되는 온도 바로 아래에서 야기된다. 물질을 적합하게 선택함으로써 이러한 피치 증가가 전이 온도에서 보다 가깝게 접근할 수 있으나, 몇 도 차이는 최종 결과에 영향을 미치지 않는 것으로 보인다.
일부의도펀트(dopant), 예를 들면, CC10, CC12 등은 소량 단독으로 사용되어 제7(c)도에 나타낸 특성을 제공할 수 있다. 이 경우, 물질은 제7(b)도에서와 같이 보정되지 않지만 고유의 피치가 길다.
충분한 크기의 직류 펄스(d. c. pulse)를 전극(5) 및 (6)에 인가할 경우, 분자는 펄스의 분극에 따라 두가지의 상이한 배열 D1및 D1중의 하나로 배열된다. 이를 제6도에 (21) 및 (22)로 나타내었다. 이들 배열은 제로(0) 장 배열에 상응하지 않을 수 있음을 주목해야 한다. 두가지 분자 방향(D1) 및 (D2)는 두가지 상이한 PS방향, 즉 업 방향 및 다운 방향을 나타낸다. 편광자(7) 및 (8)은 이들의 광 축에 수직하게 배열되고 하나의 평광자(7) 또는 (8)의 광 축이 방향(21) 또는 (22)에 평행하게 배열된다. 또한, 평광자(7) 및 (8) 축이 평행도 아니고 수직도 아닌 방향일 수도 있다. 각각의 경우, 상이한 효과가 두가지 스위칭 상태에서 관찰된다.
셀은 직류 펄스가 인가되면 암 상태와 명 상태 사이에서 신속하게 변화하는 것으로 관찰되었다. 방향(21)과 방향(22) 사이의 각은 액정 물질에 좌우된다. 이러한 각은 이상적으로는 약 45°이다. 또한, 염료가 액정 물질속에 혼입되는 경우, 방향(21)과 방향(22) 사이의 이상적인 각은 약 90°이고, 단일 편광자는 두가지 방향(21) 및 (22)를 따라서 이중 하나에 대해 수직으로 배열된다. 제8도는 하나의 물질 혼합물(실시예 6)에서 각 θ[(21)과 (22) 사이의 각의 절반]가 온도에 따라 어떻게 변하는가를 나타낸다. 동일한 물질(실시예 5)에서 온도에 따라 PS의 변화는 제9도에 나타내었다.
셀(1)은 또한 전극(5) 및 (6)이 시트 전극(sheet electrode)인 경우, 셔터(shutter)로서 사용될 수 있다. 빛은 두가지 상이한 스위치 상태의 셀에서 차단되거나 투과된다. 이 셔터는 또한 착색된 편광자와 결합되어 단색 음극선 튜브(C.R.T)앞에 배열된 색상 스위치를 제공한다.
유사한 배열이 GB 제1,491,471호에 기술되어 있다. 이 문헌에서 C.R.T.는 빛을 두가지 상이한 파장으로 방출한다. 색상 스위치는 프레임(frame)을 동시에 두가지 상이한 색상으로 투과시키도록 개폐된다. 이는 두가지의 상이한 색상을 나타내는 C.R.T. 방출 프레임 연속 영상과 동시성을 지닌다. 이때에 프레임 시간은 관찰자의 눈이 두가지의 상이한 색상 영상을 하나의 다중 색상 영상으로 통합할 만큼 충분히 길다.
본 발명은 셀(1)의 한쪽 면에 중성(neutral) 편광자를 사용함으로써 한가지 색상 스위치를 제공하고, 전지의 반대쪽 면에 편광자를 사용하여 두가지 상이한 색상(예 : 적색 및 청색)을 제공한다. 이들 착색된 편광자는 이의 광 축에 수직으로 배열된다. 하나의 착색된 편광자의 축은 충성 편광자의 축과 평행하다. 셀은 GB 제1,491,471호에서와 같이 C.R.T. 프레임 속도로 스위칭된다.
셀은 또한 90° 편광 스위치로 사용될 수도 있다. 이 경우, 편광자는 스위칭 상태(21 및 (22)중의 어느 하나에서 액정 분자에 대해 평행으로 배열된다. 제2편광자는 제1편광자에 대해 교차시킨다. 두 방향(21) 및 (22) 사이의 각은 약 45°이다. 복굴절도 △n을 적합하게 배열시키면(참조 : 공지된 표현으로는 △nd/λ), 빛의 편광면은 90°로 회전한다.
편광 스위치는, 예를 들면, 입체(3-D) 텔레비젼에 유용하다. 이러한 두 가지의 교호시, 좌측 및 우측 시각 프레임이 표시도니다. 관찰자는 편광 안경을 착용하고 TV 화면 앞에 편광 스위치를 프레임 속도와 일치되게 스위칭된다. 이는 GB 제2,062,281B호에 기술되어 있다. 관찰자가 TV 화면상에 좌측 및 우측 시각 프레임과 일치되게 스위칭되는 좌측 및 우측 시각 액정 셔터가 있는 안경을 착용하는 경우, 유사한 효과가 수득된다.
물질의 예 :
키랄 성분
Figure kpo00001
여기에서
Figure kpo00002
편광 방향은 문헌[참조 : S.T. Lagerwall 및 I Dahl, Mal Cryst, Liq. Cryst. 114p. 141(1980)]의 협약에 따른다.
콜레스테릭 비틀림 방향 및 키랄 그룹의 절대 배열 협압은 문헌[참조 : G.W. Gray D. G. McDonnell, Mol Cryst. Liq. Cryst. 34, p.211(1977)]에 기술되어 있다 :
D : 우선성
L : 좌선성
비키랄성 물질
Figure kpo00003
라세미체 물질
Figure kpo00004
Sc 호스트 혼합물(host mixture)
코드 조성물 전이온도 ℃
H1 : -M1+M2+M3(1 : 1 : 1) IS151.7 N 112.7 SA107.3 SC27.8 S
H2 : -M2+M3+M1(1 : 1 : 1)
H3 : -M1+M6+M4(1 : 1 : 1) ISN 60 SC
H4 : -M2+M3+M5(1 : 1 : 1) IS155.8 N 89.7 SC15 고체
주 : IS=등방성, N=네마틱, S=스멕틱, Ch=콜레스테릭.
스멕틱 물질에 아무런 첨자도 나타내지 않는 것을 특정상이 알려지지 않는 것이다.
[실시예 1]
(a) 7.9% R1
(b) 2.2% CC1
(c) 90% M6
이 물지은 온도가 증가함에 따라 다음과 같은 상들을 갖는다.
고체-SC *-SA-콜레스테릭-등방성
물질(a) 및 (b)는 콜레스테릭 비틀림이 반대 방향이지만, SC *편광 방향은 동일하다.
층 두께가 6㎛인 셀을 시험할 경우, 우수한 배향은 냉각에 의해 SA상으로 떨어지고 그후SC *상으로 진행하여 달성된다. 층 두께가 12㎛인 셀을 시험하는 경우, 혼합물은 가열된 콜레스테릭 상에서 파이(pi) 비틀림을 나타낸다. 냉각속도가, 예를 들면 약 0.2℃/min으로 느린 경우, 우수한 배열이 획득되며 장치는 강유전성 효과를 이용하여 신속하게 스위칭될 수 있다. 자발 분극 PS치는 약 1nC/㎠로 측정된다.
다음 실시예 2, 3 및 4는 보상된 키랄 혼합물을 사용한다. 이들 혼합물을 콜레스테릭 비틀림 방향이 반대이지만, S*자발 분극 방향이 동일한 키랄 성분으로 이루어진다.
[실시예 2]
CD 1 : 23% CC1+77% CC3.
이의 상 전이온도는 다음과 같다 :
등방성 114°, 콜레스테릭 93.4°, SA71.5°, SC *50° 고체.
콜레스테릭 피치/온도 곡선은 제7(b)도와 유사하며 보정온도(즉, 피치가 무한대인 곳) ~99℃이다.
2㎛셀에서, π 비틀림 상태는 SA에서 콜레스테릭으로의 상 전이온도보다 1℃까지 높을때 유지될 수 있다 ; 서서히 냉각시키면 스멕틱 상에서 우수한 배열이 성취될 수 있다. 61.5℃에서 혼합물 PS~25nC/㎠ 및 경사각(즉 원추각의 절반)~18.5℃를 나타낸다.
[실시예 3]
CD 3 : 22% CC1+78% CC3.
이의 상 전이온도는 다음과 같다 :
등방성 115°, 콜레스테릭 94.6°, SA72.6°, SC *47° 고체.
콜레스테릭 피치/온도 곡선은 제7(b)도와 유사하며 보정온도(즉, 피치가 무한대인 곳) ~98℃이다.
2㎛셀에서, 비틀림이 0인 상태가 수득될 수 있고 π비틀림은 SA에서 콜레스테릭으로의 상 전이온도보다 6℃까지 높을때 유지될 수 있다.
[실시예 4]
CD 9 : 20% CC8+80% CC3.
이의 상 전이온도는 다음과 같다 :
등방성 120.1°, 콜레스테릭 93.0°, SA78.0°, SC *43° 고체.
콜레스테릭 피치/온도 곡선은 제7(b)도와 유사하며 보정온도(즉, 피치가 무한대인 곳)는 ~102℃이다.
6㎛셀에서, 2π비틀림 상태는 SA에서 콜레스테릭으로의 상 전이온도보다 0.5℃까지 높을때 유지될 수 있다. 실시예 5, 6, 7 및 8은 SC 호스트에서 보정된 키랄 혼합물을 사용한다.
[실시예 5]
CM6 : 43.5% CD3+56.5% H1.
이의 상 전이온도는 다음과 같다 :
등방성 132.8°, 콜레스테릭 106.8°, SA83.9°, SC *14° 고체.
피치/온도 곡선은 제7(b)도와 유사하며 보정 온도(즉, 무한대 피치)는 ~113℃이다. 2㎛ 및 6㎛ 셀에서, 비틀림이 0인 상태는 SA에서 콜레스테릭 상으로의 상 전이온도보다 각각 14℃까지 및 8℃까지 높을 때 수득될 수 있다. 제8도 및 제9도에는 경사각(즉, 원추각의 절반) 및 자발 분극을 CM6에 대한 온도의 함수로 나타내었다.
[실시예 6]
CM8 19.6%(49% CC1+51% CC4)+80.4% H1.
이의 상 전이온도는 다음과 같다 :
등방성 126.1°, 콜레스테릭 84°, SA65°, SC *5° 고체.
피치/온도 곡선은 제7(b)도와 유사하며 보정온도(즉, 무한대 피치)는 ~119.5℃이다. 2㎛ 셀에서, 비틀림이 0인 상태는 SA에서 콜레스테릭으로의 상 전이온도보다 몇 ℃ 정도 높을때 수득된다.
[실시예 7]
CM3 : 40%(20% CC1+80% CC3)+60% H3.
이의 상 전이온도는 다음과 같다 :
등방성 127.5°, 콜레스테릭 92.4°, SA72°, SC *10° 고체.
피치/온도 곡선은 제7(c)도와 유사하다.
6㎛ 셀에서 비틀림이 0인 상태는 SA에서 콜레스테릭으로의 상 전이온도보다 3℃까지 높을때 수득된다.
[실시예 8]
CM11 : 25% CD9+75% H4.
이의 상 전이온도는 다음과 같다 :
등방성 147.1°, 콜레스테릭 101.1°, SA85.1°, SC *13° 고체.
피치/온도 곡선은 제7(b)도와 유사하며 보정온도(즉, 피치가 무한대인 곳)는 ~119℃이다. 2㎛ 셀에서, 비틀림이 0인 상는 SA에서 콜레스테릭으로의 상 전이온도보다 바로 높은 온도에서 수득될 수 있다.
[실시예 9]
CM13 : 90%(90% H4+10% M7)+10%(49% CC1+51% CC4)
이의 상 전이온도는 다음과 같다 :
등방성 135°, 콜레스테릭 52.3°, SC *-15g° 고체.
6㎛ 셀에서, 0°비틀림 상태는 SA에서 콜레스테릭으로의 상 전이온도보다 ~10o까지 높을때 수득된다. 30℃에서 혼합물의 자발 분극은 3.4nC/㎠이고 경사각(즉, 원추각의 절반)은 21°이다.
[실시예 10]
CM15 : 15.9%(31.4% CC9+68.6% CC4)+94.1% H1.
이의 상 전이온도는 다음과 같다 :
등방성 135°, 콜레스테릭 56.1°, SC *20° 고체.
6㎛ 셀에서, 비틀림 상태는 스멕틱 C*에서 콜레스테릭으로의 상 전이온도보다 몇 ℃높을때 수득된다. SC *상으로 임계 냉각시킨 후에는 배열이 불량하지만 ~20VpK 10㎐ 정방파(square wave)를 제공함으로써 스멕틱 C*상내의 비틀림이 0이 되도록 배열시킬 수 있다. 콜레스테릭 상으로 되기 직전까지 다시 가열한 후 적합한 부호의 직류장으로 냉각시켜 목적하는 배열을 제공한다.
50℃ 및 30℃에서 혼합물의 자발 분극은 각각 2nC/㎠ 및 6.2nC/㎠이다.
실시예 11 및 12는 SC호스트내 단일 콜레스테릭 비틀림 방향 키랄 성분을 사용한다.
[실시예 11]
LPC 2 : 1% CC10+99% H1
이 혼합물의 상 전이온도는 다음과 같다 :
등방성 151°, 콜레스테릭 113.5°, SA104.5°, SC *28° 고체.
콜레스테릭 피치/온도 곡선은 제7(c)도와 유사하다.
2㎛ 셀에서, 비틀림이 0인 상태는 SA에서 콜레스테릭으로의 상 전이온도보다 ~0.5℃ 높을때 수득된다.
혼합물의 자발 분극은 80℃ 및 40℃에서 각각 1.7nC/㎠ 및 4.2nC/㎠이다.
[실시예 12]
LPC3 : 1% CC10+99% H4
이 혼합물의 상 전이온도는 다음과 같다 :
등방성 158°, 콜레스테릭 91°, SA89°, SC *18° 고체, 8° 고체.
콜레스테릭 피치/온도 곡선은 제7(c)도와 유사하다.
2㎛ 셀에서, 비틀림이 9인 상태는 SA에서 콜레스테릭으로의 상 전이온도보다 ~4℃ 높을때 수득된다.
[실시예 13]
LPC6 : 0.5% CC10+99.5%(95% H4+5% M7)
이의 상 전이온도는 다음과 같다 :
등방성 152°, 콜레스테릭 76.8°, SC *＜0° 고체.
6㎛ 셀에서, 비틀림이 0인 상태는 스멕틱 SC *에서 콜레스테릭으로의 상 전이온도보다 0.2℃ 까지 높을때 수득될 수 있다.
[실시예 14]
UCM30 : 92.5%(85% H4+15% M7)+7.5% CC12.
이의 상 전이온도는 다음과 같다 :
등방성 155.8°, 콜레스테릭 60.5°, SC *15° 고체.
콜레스테릭 피치/온도 곡선은 제7(c)도와 유사하다. PS는 50.5℃에서 4.4nC/㎠이고, 25℃에서 8.4nC/㎠이다. 두께가 6.2㎛인 셀에서, 비틀림이 0인 상태는 스멕틱 SC *에서 콜레스테릭으로의 상 전이온도보다 ~7℃ 높을때 수득할 수 있다.
[실시예 15]
CM20 : 85% H1+15% CD18
이 혼합물의 상 전이온도는 다음과 같다 :
등방성 133.7°, 콜레스테릭 92.8°, SA63.2°, SC *.
2㎛인 두께 셀에서, 비틀림이 0인 상태는 SA로부터 콜레스테릭으로의 상 전이온도보다 바로 높은 온도에서 수득할 수 있다. 25℃에서 PS는 18nC/㎠이다.
CD18=34%CCI+66%CC11
[실시예 16]
LPM3 : 72.5% H1+25% M7+2.5% CC13
이의 상 전이온도는 다음과 같다 :
등방성 118°, 콜레스테릭 56.3°, SC *＜0 고체.
PS는 20℃에서 10nC/㎠이고 46℃에서 5nC/㎠이다.
이는 2㎛인 셀에서, 콜레스테릭 상에서 비틀림이 0인 상태를 나타낸다.

Claims (28)

  1. 액정 물질 층, 전극 구조물이 형성되어 있는 벽의 내부 표면, 액정 배열(alignment)을 제공하도록 처리된 하나 이상의 벽 표면을 함유하도록 스페이서(spacer)에 의해 이격된 두개의 셀 벽을 제공하는 액정물질을 벽 사이에 도입하는 단계를 포함하는 액정 디스플레이 장치의 제조방법에 있어서, 콜레스테릭에서 스멕틱으로의 전이온도보다 0.1℃ 이상 높은 온도에서 콜레스테릭 피치(pitch) p가 두께 d의 절반 이상이고 키랄 스멕틱 상의 자발 분극(spontaneous polarization : Ps)치가 0.1nC/㎠ 이상이며 주위온도보다 높은 온도에서 콜레스테릭 상을 갖는 경사진 키랄 스멕틱 액정물질을 키랄 스멕틱 상과 등방성 상 사이에 제공하고 ; 혼합물을 콜레스테릭 상으로 가열하고 ; 혼합물을 벽 사이의 공간에 도입하고 밀봉하며 ; 물질을 경사진 키랄 스멕틱 상으로 냉각시킴을 특징으로 하는 액정 디스플레이 장치의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 단일 방향 전압 펄스(pulse)을 인가하면서 스멕틱/콜레스테릭 전이온도 이상으로 재가열하고 천천히 냉각시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 물질을 콜레스테릭/스멕틱 상 전이온도의 ±5℃ 이내로 분당 20℃미만의 속도로 냉각시키는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 물질을 콜레스테릭/스멕틱 상 전이온도의 ±5℃ 이내로 분당 2℃미만의 속도로 냉각시키는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 양쪽 벽이 배열처리되고 셀이 같은 방향으로 평행인 배열 방향으로 배열된 방법.
  6. 제1항에 있어서, 양쪽 벽이 표면 정렬 처리되고 셀이 반대 방향으로 평행인 배열 방향으로 배열된 방법.
  7. 제1항에 있어서, 배열이 단일 방향 마찰(rubbing)에 의해 제공되는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 배열이 산화규소의 경사 증발(oblique evaporation)에 의해 제공되는 방법.
  9. 각각 전극 구조물을 지니며 하나 이상의 벽표면이 액정 분자를 배열시키도록 처리된 두개의 셀 벽 사이에 함유된 경사진 키랄 스멕틱 액정 물질 층, 제1선형 편광(polarizer) 및 제2편광자 또는 액정 물질중의 적당량의 이색 염료(dichronic dye)를 포함하는 액정 장치에 있어서, 액정 물질이 통상의 장치 조작온도에서의 경사 키랄 스멕틱 상을 지니고 주위온도보다 높은 온도에서 콜레스테릭 상을 지니며, 콜레스테릭 상으로부터 스멕틱 상으로의 전이온도보다 0.1℃이상 높은 온도에서 콜레스테릭 상에서의 콜레스테릭 피치가 층 두께 d의 절반 이상이고 자발적 분극(PS)치가 0.1nC/㎠이상임을 특징으로 하는 액정장치.
  10. 제9항에 있어서, 셀 벽이 액정 분자를 동일한 방향으로 배열시키기 위해 표면 처리되고 층 두께를 가로지르는 비스듬히 모난(splayed) 배열의 장치.
  11. 제9항에 있어서, 전극이 매트릭스 형(martrix format)으로 배열된 스트립 전극(strip electrode)으로 형성된 장치.
  12. 제9항에 있어서, 전극이 세그먼트 형(segment format)으로 배열된 스트립 전극으로서 형성된 장치.
  13. 제9항에 있어서, 전극이 시트 전극(sheet electrode)으로서 형성된 장치.
  14. 제9항에 있어서, 액정 층 두께가 15㎛ 이하인 장치.
  15. 제9항에 있어서, 콜레스테릭 피치가 p가 전이온도보다 5℃이상 높은 온도에서 d/2 이상인 장치
  16. 제9항에 있어서, 제1편광자가 주성(neutral) 편광자이고 제2편광자가 이의 광 축과 수직이 되도록 배열된 두 개의 상이하게 착색된 편광자에 의해 대체된 장치.
  17. 제9항에 있어서, 제1편광자가 스위칭 상태(swiched state) 중의 어느 하나에서 액정 분자 배열에 대해 이의 광 축이 평행하도록 배열되고, 제2편광자가 제1편광자에 대해 이의 광 축이 교차되도록 배열된 장치.
  18. 제9항에 있어서, 콜레스테릭/스멕틱 전이온도의 0.1℃이 내에서의 콜레스테릭 피치가 액정 층 두께의 4배 이상인 장치.
  19. 제9항에 있어서, 액정 물질은 이의 상이한 두가지 상태로 스위칭하기 위해 반대 방향 극성의 가지 직류 볼트를 전극 구조에 인가시키는 수단을 추가로 포함하는 장치.
  20. 통상의 장치 조작 온도에서 경사진 키랄 스멕틱 상을 갖고 승온에서 콜레스테릭 상을 갖는 물질을 포함하며, 콜레스테릭 상으로부터 스멕틱 상으로의 전이온도보다 0.1℃이상 높은 온도에서 콜레스테릭 상 내에서의 콜레스테릭 피치가 4μm 이상이고 스멕틱 상 내에서의 실질적인 자발 분극(Ps)치가 0.1nC/cm2이상임을 특징으로 하는, 제1항에 따르는 방법에 사용되는 액정 물질 혼합물.
  21. 제20항에 있어서, 물질이 온도에 따라 다음과 같은 상을 갖는 액정 물질 혼합물 : 등방성 상
    Figure kpo00005
    콜레스테릭 상
    Figure kpo00006
    스멕틱 A 상
    Figure kpo00007
    키락 스멕틱 상
    Figure kpo00008
    고체 상.
  22. 제20항에 있어서, 물질이 온도에 따라 다음과 같은 상을 갖는 액정 물질 혼합물 : 등방성 상
    Figure kpo00009
    콜레스테릭 상
    Figure kpo00010
    키락 스멕틱 상
    Figure kpo00011
    고체 상.
  23. 제20항에 있어서, 콜레스테릭 상 내에서의 피치가 콜레스테릭/스멕틱 상 전이온도보다 5 ℃이하로 높은 온도 범위에 걸쳐서 4μm이상인 액정 물질 혼합물.
  24. 제20항에 있어서, 경사진 키랄 스멕틱 상의 스멕틱 피치가 2μm 이상인 액정 물질 혼합물.
  25. 제29항에 있어서, 자발 분극치가 1.0nC/cm2이상인 액정 물질 혼합물.
  26. 제20항에 있어서, 콜레스테릭/스멕틱 상 전이 온도가 40℃이상인 액정 물질 혼합물.
  27. 제20항에 있어서, 콜레스테릭/스멕틱 상 전이 온도가 100℃ 이상인 액정 물질 혼합물.
  28. 제20항에 있어서, 이색 염료를 추가로 함유하는 액정 물질 혼합물.
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