WO2016148430A1 - 액정 캡슐 표시 필름 및 이를 구비하는 표시 장치 - Google Patents

액정 캡슐 표시 필름 및 이를 구비하는 표시 장치 Download PDF

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WO2016148430A1
WO2016148430A1 PCT/KR2016/002330 KR2016002330W WO2016148430A1 WO 2016148430 A1 WO2016148430 A1 WO 2016148430A1 KR 2016002330 W KR2016002330 W KR 2016002330W WO 2016148430 A1 WO2016148430 A1 WO 2016148430A1
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liquid crystal
polymer matrix
display film
capsule
crystal capsule
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PCT/KR2016/002330
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황현하
강승곤
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이미지랩(주)
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    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
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    • G02F1/1343—Electrodes

Definitions

  • the present invention relates to a display film, and more particularly, to a display film made of a nano-sized liquid crystal capsule and a display device configured using the same.
  • LCD liquid crystal display device
  • a liquid crystal display device injects a liquid crystal between two substrates of upper and lower substrates, and adjusts the amount of light transmission by adjusting the intensity of an electric field applied thereto.
  • the injected liquid crystal molecules have a thin structure and thus have orientation in the molecular arrangement. Due to these characteristics, the liquid crystal molecules have anisotropy.
  • the liquid crystal molecules In the case of liquid crystals, it has two important properties, optical anisotropy and dielectric anisotropy.
  • the liquid crystal molecules are controlled by controlling the intensity of the electric field artificially applied from the outside.
  • the amount of light transmitted is controlled by controlling the arrangement direction.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a conventional transverse electric field type liquid crystal display device disclosed in US Patent No. 7787090.
  • a polarizer generally shown is not illustrated.
  • a liquid crystal layer (A) is formed between an upper plate 1 having a color filter 2 and a lower plate 7 having a pixel electrode 6 formed thereon. 4) is injected, and in order to control the alignment state of the liquid crystal 4, the alignment films 3 and 5 are formed on the upper and lower plates, respectively.
  • the liquid crystal layer when no voltage is applied to the electrode, the liquid crystal layer maintains the initial horizontal alignment state by the alignment layer and passes as it is without affecting light incident from the outside. Will be implemented.
  • the conventional transverse electric field type liquid crystal display device is manufactured through a complicated liquid crystal process of injecting liquid crystal between two substrates after bonding two substrates by using substrates of upper and lower substrates. I have problems
  • Patent Document United States Patent No. 7787090 (registered on August 31, 2010), Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-183937 (published on September 09, 1999), and Korean Patent Publication No. 10-2011-0095634 (2011.08.25. open)
  • the present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is to greatly simplify the display panel manufacturing process through a transverse electric field display device of a novel concept based on a liquid crystal capsule, the pixel electrode
  • the liquid crystal display device can be made with one of the backplane substrates formed therein, and in particular, a liquid crystal capsule display film having a property suitable for implementing a flexible display and a display device having the same.
  • Another object of the present invention is to present a configuration difference that is clearly distinguished from a display device based on a microcapsule, such as a display device of a conventional electrophoretic display method or a microcapsule type display device.
  • the present invention provides a liquid crystal capsule display film having inherent optical properties and a display device having the same.
  • Liquid crystal capsule display film for achieving the above object, a plurality of liquid crystal capsule made of a core material containing a liquid crystal and a shell material to form an outer wall of the core material; And a polymer matrix having the plurality of liquid crystal capsules disposed therein.
  • the plurality of liquid crystal capsules are formed in an average diameter size of 1/4 or less of the maximum wavelength of visible light, and are arranged to be dispersed in the polymer matrix at a filling rate within a range of 30% to 70%, and the liquid crystal of the core material.
  • the polymer matrix is characterized in that it is configured to satisfy the following Conditional Expression 1.
  • liquid crystal capsule display film and the display device having the same having the same according to the present invention, various manufacturing processes such as alignment film printing, rubbing, bonding, liquid crystal injection, and end seal are omitted in comparison with the conventional liquid crystal display device. This can simplify the overall liquid crystal panel manufacturing process.
  • the upper and lower substrates are used in manufacturing a conventional liquid crystal display device, a bonding process for precisely aligning and bonding them is required.
  • a bonding process for precisely aligning and bonding them is required.
  • only one backplane substrate having pixel electrodes is formed.
  • the liquid crystal display device can be manufactured, which greatly simplifies the process and can reduce the overall panel thickness.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a conventional transverse electric field type liquid crystal display device.
  • Figure 2 (a) is a photomicrograph of the surface of the conventional electrophoretic display device.
  • Figure 2 (b) is a photomicrograph of the surface of the conventional micro liquid crystal capsule display device.
  • FIG. 3 is a schematic view showing a cross-sectional structure of a liquid crystal capsule display film according to the present invention.
  • FIG. 4 is an enlarged view of a region 'B' of FIG. 3.
  • Figure 6 (a) is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the surface of the liquid crystal capsule display film according to the present invention.
  • FIG. 6 (b) is analytical data showing a particle size distribution of the liquid crystal capsule of FIG. 6 (a).
  • FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a cross-sectional structure of a display device including a liquid crystal capsule display film according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view of region 'A' of FIG. 8;
  • substrate 20 transverse electric field electrode layer
  • first polarizing plate 50 second polarizing plate
  • on or above means to be located above or below the target portion, and does not necessarily mean to be located above the gravity direction.
  • a portion such as an area, a plate, etc. is said “on or on top of” another part, it is not only in contact with or spaced apart from another part, but also in the middle of another part. It also includes cases where there is.
  • one component when one component is referred to as “connected” or “connected” with another component, the one component may be directly connected or directly connected to the other component, but in particular It is to be understood that, unless there is an opposite substrate, it may be connected or connected via another component in the middle.
  • the liquid crystal capsule display film 30 of the present invention is similar in that it is configured based on a micro-sized capsule, such as a conventional electrophoretic display device or a microcapsule display device, but clearly distinguished from these It is characterized by implementing unique optical characteristics through the configuration difference.
  • a micro-sized capsule such as a conventional electrophoretic display device or a microcapsule display device
  • FIG. 3 is a schematic view showing a cross-sectional structure of a liquid crystal capsule display film according to the present invention
  • Figure 4 is an enlarged view 'B' region of FIG.
  • the liquid crystal capsule display film 30 of the present invention includes a plurality of liquid crystal capsules 32 and a polymer matrix 31.
  • the liquid crystal capsule 32 is composed of a core material including the liquid crystal 34 and a shell material 33 surrounding the core material to form an outer wall, the liquid crystal capsule 32 is inside the polymer matrix 31 It is fixed in a structure distributed in.
  • the liquid crystal capsule display film 30 may further include a release paper 60 for protecting an outer surface thereof from an external environment (foreign material, dust, scratch, etc.).
  • the release paper 60 may be detachably attached to at least one surface of the polymer matrix 31.
  • Such a liquid crystal capsule display film 30 is particularly configured to form the liquid crystal capsule 32 in an average diameter size of 1/4 or less (preferably, 200 nm or less) of the maximum visible light wavelength, and such liquid crystal capsules ( 32) through the combination of the configuration 2 is arranged to be dispersed at a filling rate within the range of 30% to 70% inside the polymer matrix 31, and the configuration 3 to satisfy the 'conditional expression 1' to be described later between the liquid crystal in the capsule and the polymer matrix, It is possible to implement a display device which satisfies the performance typically required for a liquid crystal display device and drives in a completely different manner from the conventional liquid crystal display device.
  • the average particle size of the liquid crystal capsule 32 is configured to 200 nm or less, the distance between the capsules, that is, if the filling rate of the liquid crystal capsule 32 is densely configured with the conventional electrophoresis method or micro liquid crystal capsule method, the scattering degree Increasingly, the initial state (voltage OFF) shows an opaque state, so that the present invention does not function as a display film to be implemented.
  • the driving characteristics of the liquid crystal capsule display film do not satisfy the minimum performance value required for the conventional liquid crystal display device.
  • the performance value required for a normal liquid crystal display device typically includes a driving voltage, transmittance, and a contrast ratio.
  • FIG. 5 is a comparative experimental example of nanoemulsion and macroemulsion, in which the sample contained in the left vial bottle of FIG. 5 is a nano emulsion consisting of a liquid crystal capsule having an average diameter size of 50 nm.
  • the sample contained was a macro emulsion (Macro Emulsion) consisting of a liquid crystal capsule having an average diameter of 1.0 ⁇ m.
  • the inventors of the present invention through a comparative experiment as shown in Figure 5, it can be confirmed that the light is scattered or passed through the medium as it is, depending on the size of the particles contained in a medium or pass through without any effect there was.
  • the liquid crystal capsule 32 when the liquid crystal capsule 32 is formed in a nano size smaller than the wavelength of visible light, it can be seen that a part of the visible light incident on the sample is completely transmitted. Specifically, when the average particle size of the liquid crystal capsules 32 constituting the sample is formed to an average diameter size of 1/4 or less of the maximum wavelength of visible light, it was confirmed that most incident light is transmitted as it is.
  • the liquid crystal capsule 32 constituting the liquid crystal capsule display film 30 of the present invention is characterized in that it is formed to have an average diameter size of 1/4 or less of the maximum wavelength of visible light.
  • the average diameter size of 1/4 or less of the maximum wavelength of visible light preferably means an average diameter size of 200 nm or less, and more preferably, almost no incident light is generated when scattering is less than 100 nm in diameter size. It was found that this was transmitted as it is.
  • FIG. 2 (a) is a photomicrograph of the surface of a conventional electrophoretic display device
  • FIG. 2 (b) is a photomicrograph of the surface of a conventional micro liquid crystal capsule display device.
  • Figure 2 (a) is a photograph taken from the E-Ink electrophoresis technology data
  • Figure 2 (b) is a micro liquid crystal by Kent Display's PIPS (Polymerization Induced Phase Separation) manufacturing method
  • Kent Display's PIPS Polymerization Induced Phase Separation
  • the micro liquid crystal capsule As can be seen in Figure 2 (a), in the case of an electrophoretic display device is generally composed of a densely dense structure with almost no gaps between the capsules, as shown in Figure 2 (b), the micro liquid crystal capsule The display element also has a structure in which a plurality of capsules are densely packed.
  • the filling structure is due to the driving principle of the display device of the electrophoresis and micro liquid crystal capsule type.
  • the display device using the micro-sized capsule is generally advantageous to the driving characteristics because it is advantageous that the capsule and the capsule are densely distributed. The higher the density (filling rate) of the capsule, the better the display characteristics.
  • an electrophoretic display device is configured to have a capsule filling rate of 80 to 95%, and a micro liquid crystal capsule display device has a capsule filling rate of 70 to 90%.
  • FIG. 6 (a) is a scanning electron microscope (SEM) image of the surface of the liquid crystal capsule display film according to the present invention, and those dispersed in the form of a plurality of holes correspond to the liquid crystal capsule 32 of the present invention.
  • do. 6 (b) is analysis data showing the particle size distribution of the liquid crystal capsule of FIG. 6 (a).
  • the reason why the liquid crystal capsules 32 appear in the shape of a hole is that the liquid crystal capsule display film 30 in its original state is filled with liquid crystal inside each liquid crystal capsule. Although convexly protruded in the liquid crystal capsules protruding from the surface in the process of coating with platinum (Pt) for the SEM analysis, the liquid crystal inside the capsule leaked out.
  • the reason why the holes (ie, the size (diameter)) of the liquid crystal capsule 32 are not constant and variously appears is that the sizes of the liquid crystal capsules of the present invention basically have some size particle size distribution. Because.
  • the average particle size of the plurality of liquid crystal capsules 32 dispersed in the liquid crystal capsule display film 30 is about 120 nm, and some small size
  • the liquid crystal capsule is about 80 nm, and some larger sized liquid crystal capsules have a particle size distribution composed of about 300 nm.
  • liquid crystal capsules 32 provided in the liquid crystal capsule display film 30 of the present invention are not attached to each other or dense, and most of them are dispersed at a certain interval from each other. It is characterized by consisting of a structure.
  • the applicant of the present invention through a number of experiments, when the liquid crystal capsule 32 is arranged to be dispersed in the polymer matrix 31 having a filling rate within the range of 30 to 70%, that is, the optical properties, that is, the transparent initial state
  • the liquid crystal capsule 32 is arranged to be dispersed in the polymer matrix 31 having a filling rate within the range of 30 to 70%, that is, the optical properties, that is, the transparent initial state
  • the term 'filling rate' used in the present invention is a fraction of the space occupied by the plurality of liquid crystal capsules 32 inside the polymer matrix 31, which is composed of a plurality of liquid crystal capsules 32 and the polymer matrix 31.
  • liquid crystal capsules 32 are limited to 70% of the maximum volume density that can be distributed as closely as possible without sticking to each other is as follows.
  • a structure in which the volume density or atomic packing factor (APF) of the atoms constituting it is maximum is the face centered cubic (FCC).
  • FCC face centered cubic
  • HCP Hexagonal Close-Packed
  • the maximum filling rate at this time is 74%, which refers to the volume density or filling rate when atoms of the same size per unit volume of the solid crystal are densely packed or filled.
  • 74% refers to the volume density or filling rate when atoms of the same size per unit volume of the solid crystal are densely packed or filled.
  • each liquid crystal capsule 32 is not adjacent to each other. It needs to be separated by some distance.
  • the limit was found to be up to 70%.
  • the inventor of the present invention has experimentally confirmed the following with respect to the factors for determining the driving characteristics of the display film 30, that is, the average particle size of the liquid crystal capsule (configuration 1) and the filling rate (configuration 2) of the liquid crystal capsule. It was.
  • the average particle size of the liquid crystal capsule 32 is divided into 100nm and 200nm, the filling rate is changed to 30% in the lower side, up to 70% in the high side as a whole a total of four kinds of liquid crystal
  • the capsule display film 30 was produced and the driving characteristics were compared.
  • ITO Indium Tin Oxide
  • the pitch consisted of the electrode layer of the transverse electric field system formed in 9 micrometers.
  • the smaller the average particle size of the liquid crystal capsule 32 the more the driving characteristics, particularly the contrast ratio, of the liquid crystal capsule display film 30 is significantly improved.
  • the smaller the average particle size of the liquid crystal capsule 32 is, the better the driving characteristics of the liquid crystal capsule display film 30, in particular, the contrast ratio.
  • the maximum average particle size of the liquid crystal capsule 32 is set to 200 nm is that when the average particle size of the liquid crystal capsule 32 is increased to 200 nm or more according to the results of the change in the average particle size, the filling rate of the liquid crystal capsule 32 is independent of the change. It was confirmed that the scattering degree was greatly increased and the driving characteristics of the liquid crystal capsule display film 30 to be implemented by the present invention were significantly decreased. Therefore, the liquid crystal capsule 32 of the present invention was limited to have an average diameter size of 200 nm or less.
  • the average particle size and filling rate of the liquid crystal capsule 32 of the present invention are closely related to driving characteristics. That is, when the average particle size of the liquid crystal capsule 32 is about 100 nm, when the capsule density is as low as 30%, the contrast ratio is good, but it can be seen that the driving voltage is relatively increased.
  • the contrast ratio characteristic is slightly decreased, but the driving voltage is lowered, thereby improving overall driving characteristics.
  • the driving voltage does not increase significantly even when the filling rate is as low as about 30%.
  • the driving voltage increase effect as the filling rate is lowered is compensated by the increase in capsule size.
  • the surface area of the shell material 33 surrounding the liquid crystal molecules inside the capsule decreases, thereby fixing liquid crystal molecules existing inside each liquid crystal capsule 32.
  • the force to be made that is, the anchoring energy (anchoring energy) is reduced to bring the effect of reducing the driving voltage.
  • the driving voltage decreases a lot, but the scattering degree increases a lot, and the contrast ratio drops sharply.
  • the inventor of the present invention considers the driving characteristics of the liquid crystal capsule display film 30, and thus, the average diameter of the liquid crystal capsule 32 suitable for this configuration is 200 nm or less, and the filling rate is 30 to 70%. It comprised within the range.
  • the average particle size of the nano liquid crystal capsule 32 is configured to 100 ⁇ 200nm, the filling rate is best composed of 40 to 60% range.
  • the liquid crystal capsule 32 forms a liquid crystal capsule display film 30 in which a plurality of liquid crystal capsules are dispersed and disposed in the polymer matrix 31 by mixing a core material with a liquid binder and coating and curing the upper portion of the substrate. .
  • the core material includes a liquid crystal 34 as a main material, and may be initially formed in the form of a liquid crystal droplet.
  • the liquid crystal 51 of the core material is at least one selected from liquid crystals commonly used in liquid crystal display devices such as nematic, smectic, cholesteric, and chiral smectic. It can be configured as one.
  • the inventors of the present invention confirmed through various experiments, the liquid crystal having a positive dielectric anisotropy ( ⁇ ) of the nematic liquid crystal, the driving of the liquid crystal capsule display film 30 of the present invention It was found to be most advantageous for the properties.
  • the 'Kerr effect' refers to the optical anisotropy in proportion to the square of the electric field intensity (E) when voltage is initially applied to a medium that is optically transparent and has isotropic properties. It was first discovered by John Kerr (Scotland physicist) in 1875.
  • the liquid crystal capsule display film 30 of the present invention is particularly advantageous in view of driving voltage, so that the larger the 'ker effect' is, the larger the 'ker effect' is, in addition to the refractive index anisotropy ( ⁇ n) of the liquid crystal 34.
  • Larger dielectric anisotropy ( ⁇ ) values are advantageous.
  • the range of the refractive index anisotropy value of the liquid crystal 34 constituting the core material is preferably 0.2 or more, and the range of the dielectric anisotropy value is preferably 5.0 or more.
  • the liquid crystal of the core material is composed of a liquid crystal having refractive index anisotropy of less than 0.2, scattering is greatly increased, and thus, incident light is not transmitted in the initial state and is scattered, so that the driving scheme of the present invention is realized. It can't be implemented.
  • the driving method to be implemented by the present invention is a display of the transmission mode to the white state when the display film 30 is not applied to the voltage based on the state in which the polarizing plate is excluded, and the display of the blocking mode to the black state when voltage is applied. Means possible properties.
  • the core material should be composed of a liquid crystal having a refractive index anisotropy of 0.2 or more and a dielectric anisotropy value of 5.0 or more.
  • the inventors of the present invention found that the driving characteristics of the liquid crystal capsule display film 30 are closely related to “d ⁇ ( ⁇ n) ind ” through a plurality of experiments.
  • the matrix has to be configured to satisfy the following 'Condition 1' to realize the display film 30 satisfying all the performance values (ie, driving voltage, transmittance, and contrast ratio) required for the conventional liquid crystal display.
  • 'K' is a 'Kerr Constant', which is a kind of proportionality constant determined by the physical properties of the material forming the display film 30 and the structure of the electrode, and 'E' is the intensity of the electric field applied from the outside.
  • ' ⁇ ' represents the wavelength of light incident on the medium.
  • Conditional Expression 1 the range of the value of [d ⁇ ( ⁇ n) ind ] shown in Conditional Expression 1 is derived based on light having a wavelength of 550 nm of incident light.
  • the inventor of the present invention conducted the following experiment in relation to a factor for determining driving characteristics of the display film 30, that is, a necessary condition (configuration 3) between the liquid crystal in the capsule and the polymer matrix.
  • Figure 7 is a measurement data showing the VT Curve characteristics for each coating thickness of the liquid crystal capsule display film according to the present invention, specifically, the average particle size of the liquid crystal capsule 32 is formed to 120nm, the filling rate is set to about 50%
  • the VT Curve Voltage-Transmittance Curve was measured while increasing the thickness of the liquid crystal capsule display film 30 from 2.7 ⁇ m to 3.8 ⁇ m.
  • the V-T curve increases and then decreases. This indicates that the thickness of the liquid crystal capsule display film 30 affects the driving characteristics of the display device.
  • the average particle size and filling rate of the nano liquid crystal capsule 32 are determined, it is proved that an appropriate coating thickness exists. It can be called data.
  • This phenomenon can be said to be a unique feature of the liquid crystal capsule display film 30 of the present invention, which tends to be different from the conventional IPS-LCD or PSBP-LCD (Polymer-Stabilized Blue Phase LCD) driven by a transverse electric field electrode structure. .
  • the 'X' axis represents a driving voltage and represents an AC voltage magnitude of a root mean square (RMS) drive
  • the 'Y' axis represents a driving efficiency
  • the mode efficiency of the liquid crystal capsule display film 30 is shown. (Mode efficiency).
  • the coating thickness of the liquid crystal capsule display film 30 is formed to be thinner than 2.0 ⁇ m or thicker than 4.0 ⁇ m, in both cases, the mode efficiency is inferior, which is preferable in view of driving characteristics of the liquid crystal capsule display film 30. It can not be said.
  • the inventors of the present invention constitute a liquid crystal capsule display film (ie, the polymer matrix 31) in the above-described thickness range, but the '( ⁇ n) ind ', i.e., induced by the electric field due to voltage application for the thickness.
  • the combination of the birefringence value is designed in the range satisfying Condition 1, it was experimentally confirmed that the liquid crystal capsule display film 30 can exhibit the best driving characteristics.
  • the liquid crystal capsule display film 30 in manufacturing the liquid crystal capsule display film 30, even if the thickness range satisfies 2.0 to 4.0 ⁇ m, when the combination of '( ⁇ n) ind ' values for the thickness does not satisfy the conditional expression 1, the corresponding liquid crystal capsule
  • the display characteristics of the display film 30 are poor in driving characteristics including mode efficiency, and are unsuitable for the performance value required for a normal liquid crystal display device.
  • the shell material 33 of the liquid crystal capsule is initially configured to function as an outer wall surrounding the outer surface of the core material in the form of a spherical droplet and fixing the core material.
  • the core material including the liquid crystal 34 is trapped inside the polymer shell 33.
  • the shell material 33 may be largely formed of a water soluble polymer or a water insoluble polymer.
  • the water-soluble polymer is polyvinyl alcohol (PVA), Starch, Carboxyl methyl cellulose (CMC), methyl cellulose (ethyl cellulose), ethyl cellulose It may be formed of at least one selected from Loth (Ethyl cellulose), polyvinylpyrrolidone (Polyvinyl pyrrolidone), gelatin (Gelatin), alginate (Alginate), casein (Casein) and gum Arabia (Gum Arabia).
  • PVA polyvinyl alcohol
  • CMC Carboxyl methyl cellulose
  • ethyl cellulose methyl cellulose
  • ethyl cellulose ethyl cellulose
  • the fat-soluble polymer is polymethylmethacrylate (PMMA), polyurea, polyurethane, urea formaldehyde (UF), melamine formaldehyde (Melamine formaldehyde, MF ), And may be formed of at least one selected from amino resins such as melamine urea formaldehyde (MUF).
  • the shell material 33 may be formed in a double shell structure. This is a method to make different kinds of polymer materials into inner shell and outer shell. In the manufacturing process, the inner shell is first formed and then the outer shell is sequentially formed. It is made by way of forming. Compared with the conventional single shell liquid crystal capsule manufacturing methods, the liquid crystal molecules have an anchoring energy (Anchoring energy) control ability and excellent solvent resistance.
  • the inner shell material is a soft water-soluble polymer such as gelatin, gum gum, arabic gum, polyvinyl alcohol, etc.
  • the outer shell Shell materials include amino resins, oil-soluble polymers, polyamide-epichlorohydrin resins, and formaldehyde resins, which can be used alone or as a mixed solution. have.
  • the polymer matrix 31 of the present invention refers to a binder that restrains the plurality of liquid crystal capsules 32 to be dispersed and fixed therein.
  • the polymer matrix 31 can be largely formed using a water soluble polymer binder or a water dispersible binder.
  • the water-soluble polymer binder is polyvinyl alcohol (PVA), Starch, Methoxy cellulose, Hydroxyethylcellulose, Carboxyl methyl Carboxyl methyl cellulose (CMC), methyl cellulose, ethyl cellulose, polyacrylate soda, acryl amide / acrylate copolymer copolymer, acrylamide / acrylate / methacrylic acid terpolymer, polyacrylamide, alginate soda, polyvinylpyrrolidone, It may be formed of at least one selected from gelatin, alginate, casein and gum Arabia.
  • PVA polyvinyl alcohol
  • CMC Carboxyl methyl Carboxyl methyl cellulose
  • ethyl cellulose polyacrylate soda, acryl amide / acrylate copolymer copolymer, acrylamide / acrylate / methacrylic acid terpolymer, polyacrylamide, alginate soda, polyvinylpyrrolidone, It may be
  • the water-dispersing binder is an alkyd resin, polyamide epichlorohydrin resin, polyurethane resin, urea formaldehyde resin, melamine Formaldehyde resin, melamine urea formaldehyde resin, acrylic copolymer latex, styrene / butadiene copolymer latex, styrene Styrene / butadiene / acryl copolymer latex, vinyl acetate resin emulsion, vinyl acetate / acrylate copolymer emulsion, styrene / acrylic copolymer emulsion Styrene / acrylate copolymer emulsion and acrylate resin emulsion (Acryla) te resin emulsion).
  • the liquid crystal capsule 32 may be manufactured using a phase separation method, a co-polymerization method, an interfacial polymerization method, or a solvent evaporation method.
  • the liquid crystal capsule display film 30 of the present invention realizes a new optical characteristic by a combination of components (configuration 1, configuration 2 and configuration 3) clearly distinguished from the conventional capsule-based display element, By using the liquid crystal capsule display film 30 having such optical characteristics, it is possible to implement a display device with a completely new concept.
  • FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a cross-sectional structure of a display device including a liquid crystal capsule display film according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • a display device including a liquid crystal capsule display film 30 may include a first polarizing plate 40, a substrate 10, a transverse electric field electrode layer 20, and a liquid crystal capsule display.
  • the film 30 and the 2nd polarizing plate 50 are laminated
  • the first polarizing plate 40 and the second polarizing plate 50 are shown to be spaced apart from the substrate 10 and the liquid crystal capsule display film 30, respectively.
  • the polarizers are formed to be in close contact with each other.
  • the substrate 10 is a thin plate made of a transparent material, and specifically, may be configured as a glass substrate made of glass material, as well as a thin plastic substrate having elastic flexibility.
  • plastic substrate when employed, it should be composed of a substrate having excellent light transmittance and no birefringence effect.
  • Plastic substrates meeting the above objectives include Tri Acetyl Cellulose (TAC), Polyimide (PI), Polyethersulfone (PES), Polyethylene Terephthalate (PET), and Polyethylene Naphthalate (PEN).
  • TAC Tri Acetyl Cellulose
  • PI Polyimide
  • PES Polyethersulfone
  • PET Polyethylene Terephthalate
  • PEN Polyethylene Naphthalate
  • PAR polyarylate
  • the first polarizing plate 40 is a component for polarizing light incident on the liquid crystal capsule display film 30 through a backlight (not shown) disposed under the substrate 10, and preferably, It is laminated on the lower surface.
  • the second polarizing plate 50 is a component that serves to block the light incident on the liquid crystal capsule display film 30 when it is transmitted as it is without being polarized due to the birefringence effect of the liquid crystal capsule display film 30. Is laminated on the upper surface of the liquid crystal capsule display film 30.
  • the first polarizing plate 40 is formed such that its polarization axis is orthogonal to the polarization axis of the second polarizing plate 50. Therefore, if the polarization axis of the first polarizing plate 40 is 0 ° (or 90 °), the second polarizing plate 50 is provided as a polarizing plate having a polarization axis of 90 ° (or 0 °).
  • a method of imparting antistatic property to the second polarizing plate 50 a method of imparting antistatic property using an antistatic adhesive (Korean Patent Publication Nos. 2006-0018495, 2004-0030919, and Japanese Patent Publication 2006-111856 and 2006-104434), there are a method of adding a conductive material such as water-dispersible conductive metal powder or carbon particles to the coating liquid, and a method of adding a low molecular weight surfactant material to the pressure-sensitive adhesive,
  • a method of forming an antistatic coating layer comprising carbon nanotubes in which carbon impurities have been purified by heat treatment on at least one side of the polarizing plate, and an antistatic coating layer and an antistatic adhesive layer laminated on at least one side of the polarizing plate in order Forming method Korea Patent Publication No. 2009-0027930
  • the transverse electric field electrode layer 20 refers to an electrode structure in which a transverse electric field is applied to respond to liquid crystals and display gray scales.
  • the pixel electrode pattern and the common electrode pattern are formed in the same layer on the same substrate 10 to form a transverse electric field, or the pixel electrode to form a transverse electric field.
  • a pattern and a common electrode pattern are formed on the same substrate 10, but the FFS having the pixel electrode 23 and the common electrode 21 disposed on different layers and having an insulating film 22 therebetween as shown in FIG. Fringe-Field Switching) mode.
  • the transverse electric field electrode layer 20 may be made of a transparent material that may transmit light.
  • a transparent material that may transmit light.
  • ITO indium tin oxide
  • IZO indium zinc oxide
  • FTO Zinc Oxide
  • PDOT Pidot
  • PSS PSS
  • graphene silver nanowires
  • AgNW silver nanowires
  • CNT carbon nanotubes
  • the liquid crystal capsule display film 30 is provided in the form of being stacked on the electrode layer 20, and the display device expresses gradation by realizing the effect of passing the light incident through the first polarizing plate 40 as it is or changing the polarization. Corresponds to the core component that allows it.
  • the liquid crystal capsule display film 30 is formed by mixing the liquid crystal capsule 32 with the binder 31 to prepare a coating solution, and then coating and curing the liquid crystal capsule 32 on the substrate 10 on which the pixel electrode is formed. Therefore, the liquid crystal capsule display film 30 has a structure in which the liquid crystal capsule 32 is dispersed in the polymer matrix 31.
  • the liquid crystal capsule display film 30 may be provided in the form of a film bonded on the electrode layer 20. Due to this characteristic, it is possible to manufacture a transverse electric field type liquid crystal display device using only one substrate 10. do. This is in contrast to the conventional transverse electric field type liquid crystal display device in which a pair of substrates opposed to each other is required. In addition, since the liquid crystal capsule display film 30 does not have a problem of being spaced or changed due to external pressure or impact due to the above characteristics, it is very advantageous for a flexible display using a plastic substrate made of a flexible material.
  • FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view of region 'A' of FIG. 8, wherein the electrode layer 20 of the display device of FIG. 9 has a structure of an electrode having a field-type switching (FFS) type, and is applied with an electric field. It shows how it works in state.
  • FFS field-type switching
  • the display device including the liquid crystal capsule display film 30 according to the present invention transmits the light incident through the first polarizing plate 40 as it is. Operate to display status.
  • the light transmitted through the first polarizing plate 40 having the polarization axis of 0 ° is incident on the second polarizing plate 50 having the polarization axis of 90 ° as it is, and the incident light is secondly provided with the polarization axis being orthogonal.
  • the display device is blocked by the polarizer 50 to display a black state.
  • the polarization axis of the light incident through the first polarizing plate 40 is rotated by 90 °, thereby operating to display a white state.
  • the liquid crystal molecules 34 surrounded by the shell material 33 by the transverse electric field are arranged horizontally in parallel with the electric field direction.
  • the birefringence effect by the orientation of is made.
  • the polarization of the light incident through the first polarizing plate 40 is changed by the birefringence effect of the liquid crystal capsule display film 30.
  • the degree of birefringence ( ⁇ n ⁇ d) of the liquid crystal capsule display film 30 is
  • the polarization axis of the incident light is rotated by 90 ° so as to pass through the second polarizing plate 50 which is orthogonal to the first polarizing plate 40 and display the white state as it is. do.

Abstract

본 발명은 종래 전기영동 방식의 표시 소자나 마이크로캡슐 방식의 표시 소자와 같이 미소 사이즈의 캡슐을 기반으로 하는 표시 소자와 명확히 구분되는 구성상 특징을 통해 표시 성능이 구현되는 표시 필름 및 이를 구비하는 표시 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 액정 캡슐 표시 필름은, 액정을 포함하는 코어 물질과 상기 코어 물질의 외벽을 형성하는 쉘 물질로 이루어진 다수의 액정 캡슐; 및 상기 다수의 액정 캡슐이 내부에 배치되어 있는 고분자 매트릭스를 포함하여 구성된다. 그리고, 상기 다수의 액정 캡슐은 가시광선 최대 파장의 1/4 이하의 평균 직경 사이즈로 형성되고, 상기 고분자 매트릭스 내부에 30 % ~ 70 % 범위 내의 충진율로 분산되게 배치되며, 상기 코어 물질의 액정과 상기 고분자 매트릭스는 다음의 조건식 1을 만족하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. [조건식 1] d×(Δn)ind = 120 ~ 150 nm

Description

액정 캡슐 표시 필름 및 이를 구비하는 표시 장치
본 발명은 표시 필름에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 나노 사이즈의 액정 캡슐로 이루어진 표시 필름 및 이를 이용하여 구성되는 표시 장치에 관한 것이다.
다양한 산업분야에서 디스플레이 표시소자에 대한 요구는 꾸준히 증가되어 왔으며, 최근 들어 정보통신 기술의 급속한 발달에 따라 디스플레이 표시소자에 대한 다양한 요구에 부응하여 그 기술개발이 활발히 진행되고 있다.
특히, 최근에는 기존의 CRT를 대체하는 디스플레이로서 화질이 우수하면서도 경량, 박형 및 저소비전력 등의 다양한 장점을 갖는 액정표시소자(LCD)가 소형 화면의 휴대용 모바일 디스플레이부터, 중형 화면의 노트북 컴퓨터, 모니터, 및 대형 화면의 텔레비전에 이르기까지 다양한 응용 제품으로 제품화 되고 있다.
일반적으로 액정표시소자는 상·하판 두 장의 기판 사이에 액정을 주입하고, 여기에 가해지는 전기장의 세기를 조절하여 광 투과량을 조절하게 된다. 이때 주입되는 액정분자는 구조가 가늘고 길기 때문에 분자배열에 방향성을 가지게 되는데, 이러한 특징으로 인해 액정분자는 이방성(Anisotropy)의 성질을 가지게 된다. 액정의 경우 크게 광학적 이방성(Optical Anisotropy)과 유전율 이방성(Dielectric Anisotropy)의 두 가지 중요한 성질을 가지게 되는데, 이러한 액정분자의 독특한 성질을 활용하여 외부에서 인위적으로 가해주는 전기장의 세기를 조절함으로써 액정분자의 배열 방향을 제어하여 광 투과량을 조절하게 되는 것이다.
특히, 최근에는 액정 물질이 갖는 굴절률 이방성의 특징으로 인해 액정 패널을 보는 각도에 따라 색의 변화 및 대비비의 변화가 커져서, 시야각이 좁고 계조 반전이 일어나는 문제점을 해결하기 위하여, 광시야각을 갖는 액정표시장치의 개발이 요구되었으며, 이에 대한 대안으로 횡전계(IPS) 방식의 액정표시장치가 제안되었다.
도 1은 미국등록특허 제7787090호에 개시된 종래 횡전계 방식 액정표시장치의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이다. 참고로, 도 1에서는 일반적으로 도시하는 편광판은 도시되어 있지 않았다.
종래의 횡전계 방식 액정표시장치는 도 1에 도시된 바와 같이 컬러필터(2)가 형성된 상판(1)과, 화소전극(6;Pixel Array)이 형성되어 있는 하판(7) 사이에 액정층(4)이 주입되고, 상기 액정(4)의 배향상태를 조절하기 위해 상·하판에 각각 배향막(3,5)이 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다.
이러한 종래 횡전계 방식 액정표시소자는 전극에 전압이 인가되지 않은 경우, 액정층은 배향막에 의한 초기 수평배향 상태를 그대로 유지하며 외부로부터 입사하는 빛에 영향을 주지 않고 그대로 통과시킴으로 블랙(Black) 상태를 구현하게 된다.
반면에, 전극에 전압이 인가되면, 횡전계 방식의 액정표시소자에는 화소 전극과 평행한 방향으로 전기장이 형성되어 이로 인해 액정의 배열이 변하게 되어 빛을 투과시킴으로써 화이트(White) 상태를 구현하게 된다.
그런데, 종래 횡전계 방식 액정표시소자는 기본적으로 상·하판 각각의 기판을 사용하여 두 개의 기판을 합착한 후에, 두 기판 사이에 액정을 주입하는 복잡한 액정공정을 거쳐서 제작되기 때문에 다음과 같은 여러 가지 문제점들을 가지고 있다.
첫째는 상·하판 각각의 기판을 사용함으로 인해 공정이 복잡해지는 문제점이 있다. 이처럼, 상·하판 기판을 별도로 제작한 후에 나중에 두 기판을 합착할 경우에는 얼라인먼트(Alignment) 공정이 추가로 필요한 단점이 있었다.
둘째는 액정을 배향시키기 위해 배향막 인쇄 및 러빙 공정이 필요한데 이러한 액정배향 공정으로 인해 수율이 저하되는 문제점이 있었다.
셋째는 상·하판의 기판을 합착하여 액정을 주입한 후에 일정한 간격(Gap)을 항상 유지시켜 주어야 하는 문제점이 있다. 이로 인해, 외부의 압력이나 충격에 의해 상·하판의 간격이 달라지게 되면 디스플레이 화질이 변하게 되는 문제점이 있다. 특히 기판이 휘어지거나 접을 수 있는 유연한 재질의 플렉서블 디스플레이의 경우는 이러한 상·하판의 일정한 간격 유지문제가 더욱더 심각해지는 단점이 있었다.
넷째는 이와 같은 전반적인 액정공정을 진행하기 위해서는 클린룸 환경 및 대규모의 시설투자가 필요하기 때문에 초기 투자비용이 과다하게 들어가는 문제점이 있었다.
[선행기술문헌] 미국등록특허 제7787090호 (2010.08.31. 등록), 일본공개특허 특개평 11-183937 (1999.07.09.공개), 한국공개특허 제10-2011-0095634호 (2011.08.25.공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 액정 캡슐을 기반으로 구성된 전혀 새로운 개념의 횡전계 방식 표시 장치를 통해 디스플레이 패널 제조공정을 대폭 단순화시킬 수 있고, 화소전극이 형성되어 있는 백플레인 기판 하나로 액정 표시 장치를 만들 수 있으며, 특히 플렉서블 디스플레이를 구현함에 매우 적합한 특성을 갖는 액정 캡슐 표시 필름 및 이를 구비하는 표시 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래 전기영동 방식의 표시 소자나 마이크로캡슐 방식의 표시 소자와 같이 미소 사이즈의 캡슐을 기반으로 하는 표시 소자와 명확히 구분되는 구성상 차이점을 제시하고, 이러한 차이점으로 인해 발현되는 고유한 광학 특성을 갖는 액정 캡슐 표시 필름 및 이를 구비하는 표시 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액정 캡슐 표시 필름은, 액정을 포함하는 코어 물질과 상기 코어 물질의 외벽을 형성하는 쉘 물질로 이루어진 다수의 액정 캡슐; 및 상기 다수의 액정 캡슐이 내부에 배치되어 있는 고분자 매트릭스를 포함하여 구성된다.
그리고, 상기 다수의 액정 캡슐은 가시광선 최대 파장의 1/4 이하의 평균 직경 사이즈로 형성되고, 상기 고분자 매트릭스 내부에 30 % ~ 70 % 범위 내의 충진율로 분산되게 배치되며, 상기 코어 물질의 액정과 상기 고분자 매트릭스는 다음의 조건식 1을 만족하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
[조건식 1]
d×(Δn)ind = 120 ~ 150 nm
(여기서, d: 고분자 매트릭스의 두께, (Δn)ind = λ×K×E2, λ= 550nm 기준,
K: 커 상수(Kerr Constant), E: 전기장 세기)
본 발명에 따른 액정 캡슐 표시 필름 및 이를 구비하는 표시 장치에 의하면, 기존의 액정표시소자 대비 배향막 인쇄, 러빙(Rubbing), 합착, 액정주입 및 엔드실(End Seal) 등의 여러 제조 공정을 생략할 수 있어 전체적인 액정패널 제조공정을 단순화할 수 있다.
또한, 종래의 액정표시장치 제조 시에는 상·하판 기판을 각각 사용하기 때문에 이를 정밀하게 얼라인(Align)하여 합착하는 합착 공정이 필요하지만, 본 발명에 의하면 화소전극이 형성되어 있는 백플레인 기판 하나만으로 액정표시소자를 만들 수 있어 공정을 대폭 단순화할 수 있고, 전체적인 패널의 두께를 얇게 할 수 있다.
또한, 유연한 기판을 적용했을 경우, 외부 압력에 의한 액정배향 상태 변화가 없기 때문에 휘거나 접었을 경우에도 화상이 변하지 않고 유지될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래 횡전계 방식 액정표시소자의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도.
도 2의 (a)는 종래 전기영동 방식의 표시 소자의 표면을 촬영한 현미경 사진.
도 2의 (b)는 종래 마이크로 액정캡슐 방식의 표시 소자의 표면을 촬영한 현미경 사진.
도 3은 본 발명에 따른 액정 캡슐 표시 필름의 단면 구조를 도시한 개략도.
도 4는 도 3의 'B' 영역 확대도.
도 5는 나노 이멀젼과 매크로 이멀젼의 비교 실험예.
도 6(a)는 본 발명에 따른 액정 캡슐 표시 필름의 표면을 분석한 주사전자현미경 (SEM) 사진.
도 6(b)는 도 6(a)의 액정 캡슐의 입도 분포를 나타낸 분석 데이터.
도 7은 본 발명에 따른 액정 캡슐 표시 필름의 코팅 두께별 V-T Curve 특성을 나타낸 측정 데이터.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 캡슐 표시 필름을 구비하는 표시 장치의 단면 구조를 도시한 개략도.
도 9는 도 8의 'A' 영역의 확대 단면도.
[부호의 설명]
10: 기판 20: 횡전계 방식 전극층
21: 공통전극 22: 절연막
23: 화소전극 30: 액정 캡슐 표시 필름
31: 고분자 매트릭스 32: 액정 캡슐
33: 쉘 물질 34: 액정
40: 제1 편광판 50: 제2 편광판
본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서, "~ 상에 또는 ~ 상부에" 라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 또한, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에 또는 상부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 상에 또는 상부에" 접촉하여 있거나 간격을 두고 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
참고로, 본 발명의 액정 캡슐 표시 필름(30)은 종래 전기영동 방식의 표시 소자나 마이크로캡슐 방식의 표시 소자와 같이 미소 사이즈의 캡슐을 기반으로 구성되는 점은 유사하나, 이들과는 확연하게 구분되는 구성상 차이점을 통해 고유한 광학적 특성을 구현하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 이하에서는 본 발명에 따른 액정 캡슐 표시 필름(30)의 차별화된 광학적 특성 및 이를 구현하기 위한 구성상 특징을 명확히 설명하기 위해 전기영동 방식의 표시 소자 및 마이크로캡슐 액정캡슐 방식의 표시 소자와 대비하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 액정 캡슐 표시 필름의 단면 구조를 도시한 개략도이고, 도 4는 도 3의 'B' 영역 확대도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 액정 캡슐 표시 필름(30)은 다수의 액정 캡슐(32)과 고분자 매트릭스(31)를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 액정 캡슐(32)은 액정(34)을 포함한 코어 물질과, 상기 코어 물질을 감싸며 외벽을 형성하는 쉘 물질(33)로 구성되며, 이러한 액정 캡슐(32)은 고분자 매트릭스(31) 내부에 분산된 구조로 고정된다.
그리고 액정 캡슐 표시 필름(30)은 그 외면을 외부 환경(이물, 먼지, 스크래치 등)으로부터 보호하기 위한 이형지(60)를 더 포함할 수 있다. 상기 경우 이형지(60)는 고분자 매트릭스(31)의 적어도 일면 상에 탈거 가능하게 부착될 수 있다.
이와 같은 액정 캡슐 표시 필름(30)은 특히 액정 캡슐(32)을 가시광선 최대 파장의 1/4 이하(바람직하게는, 200nm 이하)의 평균 직경 사이즈로 형성하는 구성①과, 이러한 액정 캡슐들(32)이 고분자 매트릭스(31) 내부에 30 % ~ 70 % 범위 내의 충진율로 분산되게 배치되는 구성②과, 캡슐 내 액정과 고분자 매트릭스 간에 후술할 '조건식 1'을 만족하는 구성③의 조합을 통해, 액정표시장치에 통상적으로 요구되는 성능을 만족하면서 종래 액정 표시 장치와 전혀 다른 방식으로 구동하는 표시 장치를 구현할 수 있게 된다.
환언하면, 만약 액정 캡슐(32)의 평균 입도를 200nm 이하로 구성하였는데, 캡슐 간의 거리 즉, 액정 캡슐(32)의 충진율을 종래 전기영동 방식 또는 마이크로 액정캡슐 방식과 조밀하게 구성한다면, 산란도가 증가하여 초기 상태(전압 OFF)가 불투명한 상태를 나타내게 되어 본 발명이 구현하고자 하는 표시 필름으로서 기능하지 못하게 된다.
만약, 액정 캡슐(32)의 평균 입도를 평균 입도를 200nm 이하로 구성하고, 액정 캡슐(32)이 30 ~ 70 % 범위 내의 충진율로 분산 배치되게 구성하였더라도, 캡슐 내 액정(32)과 고분자 매트릭스(31)가 본 발명의 '조건식 1'을 만족하지 못하게 구성하였다면, 해당 액정 캡슐 표시 필름의 구동 특성은 통상의 액정 표시 장치에 요구되는 최소한의 성능치를 만족하지 못하게 된다. 여기서, 통상의 액정 표시 장치에 요구되는 성능치란 대표적으로 구동 전압, 투과율, 대조비를 포함한다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성①, 구성② 및 구성③ 각각에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
(1) 액정 캡슐의 평균 입도(구성①)
도 5는 나노 이멀젼과 매크로 이멀젼의 비교 실험예로서, 도 5의 좌측 바이알 병에 담겨있는 시료는 평균 직경 사이즈 50㎚의 액정 캡슐로 이루어진 나노 이멀젼(Nano Emulsion)이고, 우측 바이알 병에 담겨있는 시료는 평균 직경 사이즈 1.0㎛의 액정 캡슐 이루어진 매크로 이멀젼(Macro Emulsion)이다.
도 5의 비교 실험 예에서 명확히 나타나듯이, 좌측의 나노 이멀젼 시료는 투명하게 보이는 반면, 우측의 매크로 이멀젼 시료는 백색으로 불투명하게 보이는 것을 알 수 있다.
본 발명의 발명자는 도 5와 같은 비교 실험을 통해, 어떤 매질 속에 포함되어 있는 입자의 크기에 따라 그 매질을 통과할 때 빛은 산란되기도 하고 또는 아무런 영향도 받지 않고 그대로 통과하기도 한다는 사실을 확인할 수 있었다.
특히, 액정 캡슐(32)을 가시광선의 파장보다 작은 나노 사이즈로 형성하게 되면 해당 시료로 입사되는 가시광선의 일부가 온전히 투과됨을 알 수 있었다. 구체적으로, 시료를 구성하는 액정 캡슐(32)들의 평균 입도가 가시광선 최대 파장의 1/4 이하의 평균 직경 사이즈로 형성될 때 대부분의 입사광이 그대로 투과됨을 확인하였다.
따라서, 본 발명의 액정 캡슐 표시 필름(30)을 구성하는 액정 캡슐(32)은 가시광선 최대 파장의 1/4 이하의 평균 직경 사이즈를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다. 여기서, 가시광선 최대 파장의 1/4 이하의 평균 직경 사이즈는 바람직하게는 200nm 이하의 평균 직경 사이즈를 의미하고, 보다 바람직하게는 100nm 이하의 직경 사이즈로 형성하였을 때 산란이 거의 일어나지 않아 거의 모든 입사광이 그대로 투과됨을 알 수 있었다.
(2) 액정 캡슐의 충진율(구성②)
도 2(a)는 종래 전기영동 방식의 표시 소자의 표면을 촬영한 현미경 사진이고, 도 2(b)는 종래 마이크로 액정캡슐 방식의 표시 소자의 표면을 촬영한 현미경 사진이다. 참고로, 도 2(a)는 E-Ink사의 전기영동 방식 기술 자료에서 발췌한 사진이고, 도 2(b)는 켄트디스플레(Kent Display)사의 PIPS(Polymerization Induced Phase Separation) 제조방식에 의한 마이크로 액정캡슐 표시 소자에 대한 기술 자료에서 발췌한 사진이다.
도 2(a)에서 알 수 있듯이, 전기영동 방식의 표시 소자의 경우 캡슐 상호 간에 빈틈이 거의 없이 촘촘하게 밀집된 구조로 구성되는 것이 일반적이고, 도 2(b)에서 알 수 있듯이, 마이크로 액정캡슐 방식의 표시 소자 역시 다수의 캡슐들이 조밀하게 밀집되어 있는 구조를 이루고 있다.
이러한 충진 구조는 전기영동 및 마이크로 액정캡슐 방식의 표시 소자의 구동 원리에 기인하는데, 구체적으로 마이크로 사이즈의 캡슐을 이용하는 표시 소자는 캡슐과 캡슐이 최대한 밀집되어 분포하는 것이 구동 특성에 유리하기 때문에 일반적으로 캡슐의 조밀도(충진율)이 높으면 높을수록 표시 특성이 좋아지게 된다.
이와 같은 이유로, 전기영동 방식의 표시 소자의 경우 80 ~ 95% 범위의 캡슐 충진율을 갖도록 구성되고, 마이크로 액정캡슐 방식의 표시 소자의 경우 70 ~ 90% 범위의 캡슐 충진율을 갖는 것으로 분석되고 있다.
도 6(a)는 본 발명에 따른 액정 캡슐 표시 필름의 표면을 분석한 주사전자현미경(SEM) 사진으로서, 다수의 구멍(Hole) 형태로 분산되어 있는 것들이 본 발명의 액정 캡슐(32)에 해당한다. 그리고, 도 6(b)는 도 6(a)의 액정 캡슐의 입도 분포를 나타낸 분석 데이터이다.
참고로, 도 6(a)에서 액정 캡슐들(32)이 구멍(Hole) 형태로 보이는 이유는 원래 초기 상태의 액정 캡슐 표시 필름(30)의 경우 각각의 액정 캡슐 내부에 액정이 가득 차있어서 표면에 볼록하게 돌출되어 있었으나, SEM 분석을 위해 백금(Pt)으로 코팅하는 과정에서 표면에 돌출되어 있던 액정 캡슐들이 터져서 캡슐 내부의 액정이 밖으로 새어 나왔기 때문이다.
그리고, 도 6(a)에서, 구멍 즉, 액정 캡슐(32)의 사이즈(직경)가 일정하지 않고 다양하게 나타나는 이유는 기본적으로 본 발명의 액정 캡슐들의 사이즈가 어느 정도의 사이즈 입도 분포를 가지고 있기 때문이다.
즉, 도 6(b)의 액정 캡슐 입도 분포 데이터에서 알 수 있듯이, 액정 캡슐 표시 필름(30)에 분산되어 있는 다수의 액정 캡슐(32)의 평균입도는 약 120 ㎚ 정도이고, 일부 작은 사이즈의 액정 캡슐은 80 ㎚ 정도이며, 일부 큰 사이즈의 액정 캡슐은 300 nm 정도로 구성되는 입도 분포를 갖는다.
또한, 도 6(a)에서 알 수 있듯이, 본 발명의 액정 캡슐 표시 필름(30) 내에 구비되는 액정 캡슐들(32)은 서로 붙어있거나 밀집되어 있지 않고 대부분이 상호 어느 정도의 간격을 두고 분산되어 있는 구조로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이는, 도 2에서 설명 및 도시한 종래의 전기영동방식이나 마이크로 액정캡슐방식의 디스플레이 소자와는 확연히 구분되는 특징으로서 본 발명의 액정 캡슐 표시 필름(30) 기반의 액정 표시 장치가 갖는 동작 원리에서 기인한 것이다.
구체적으로, 본 발명 출원인은 다수 회의 실험을 통해, 액정 캡슐(32)이 고분자 매트릭스(31) 내부에 30 ~ 70 % 범위 내의 충진율을 갖으며 분산되게 배치할 경우 전술한 광학적 특성 즉, 투명한 초기 상태를 구현할 수 있음을 확인할 수 있었다.
참고로, 본 발명에서 사용하는 용어 '충진율'이란 고분자 매트릭스(31) 내부에서 다수의 액정 캡슐(32)이 차지하는 공간의 분율로서, 이는 다수의 액정 캡슐(32)과 고분자 매트릭스(31)로 구성되는 액정 캡슐 표시 필름(30)에 대한 체적 밀도(부피%) 즉, 액정 캡슐 표시 필름(30)의 30~70 부피%로 나타낼 수 있다.
액정 캡슐들(32)이 서로 붙어있지 않으면서 최대한 밀집되게 분포할 수 있는 체적 밀도(Volume density)의 최대치를 70%로 한정한 이유는 다음과 같다. 일반적인 고체상태 결정(Crystal) 구조를 갖는 물질의 경우, 이를 구성하고 있는 원자의 체적밀도(Volume density) 또는 충진율(APF : Atomic Packing Factor)이 최대가 되는 구조는 면심입방 구조(FCC : Face Centered Cubic) 또는 육방조밀구조(HCP : Hexagonal Close-Packed) 등이다.
이때의 최대 충진율은 74%로서 이는 고체결정의 단위부피당 동일한 크기의 원자들이 최대로 밀집되어 있을 때 또는 충진되었을 때의 체적밀도 또는 충진율을 말하는 것이다. 다만, 이 경우는 원자의 크기가 모두 동일하다고 가정해서 계산한 결과이기 때문에 만약에 결정을 구성하고 있는 원자의 크기가 어느 정도의 사이즈 편차 즉 입도분포(Size distribution)를 가지고 있다면 최대 체적밀도 또는 최대 충진율은 74%보다 더 증가하게 된다.
이러한 결정구조의 충진율에 대한 이론적 배경을 바탕으로 본 발명의 고분자 매트릭스(30) 내부의 액정 캡슐(32)의 충진율을 고려했을 때, 전술한 바와 같이 각 액정 캡슐(32)은 서로 인접하여 붙어있지 않고 어느 정도 간격을 두고 떨어져 있어야 한다는 조건이 필요하다. 이러한 조건을 충족하면서 일정한 입도분포를 갖는 액정 캡슐들이 서로 인접하여 붙어있지 않고 어느 정도의 간격을 두고 떨어져 있으면서 최대로 충진될 수 있는 밀도를 계산했을 때, 최대 70%까지가 한계인 것으로 나타났다.
본 발명의 발명자는 전술한 바와 같이 표시 필름(30)의 구동 특성을 결정하는 인자 즉, 액정 캡슐의 평균 입도(구성①) 및 액정 캡슐의 충진율(구성②)과 관련하여 다음과 같이 실험적으로 확인하였다.
다음의 표 1의 실험예는 액정 캡슐(32)의 평균 입도는 100nm와 200nm로 구분하고, 충진율은 낮은 쪽은 30%, 높은 쪽은 최대 70%까지 변화시켜 전체적으로는 총 4 가지의 종류의 액정 캡슐 표시 필름(30)을 제작하여 구동 특성을 비교하였다.
그리고, 표 1의 실험예에서 전계 형성을 위해 사용한 전극 재료로는 투명전극인 ITO(Indium Tin Oxide)를 사용하였으며 전극 설계 사양은 선폭(w) 3㎛, 전극 간의 간격은 6㎛, 전체적인 전극의 피치(Pitch)는 9㎛로 형성된 횡전계 방식의 전극층으로 구성하였다.
구분 평균입도 충진율 투과율(%) 구동전압 대조비 (@30V) 비고
0V 30V 50V
시료#1 100nm 30% 0.005 10.0 17.0 50V 2,000 구동전압상승
시료#2 100nm 70% 0.02 15.0 21.0 40V 750
시료#3 200nm 30% 0.03 13.0 20.0 40V 430
시료#4 200nm 70% 0.2 20.0 23.0 30V 100 Contrast 저하
Contrast 저하표 1의 실험 결과에서 알 수 있듯이, 액정 캡슐(32)의 평균 입도가 작을수록 액정 캡슐 표시 필름(30)의 구동특성 특히 대조비가 확연히 개선되는 것을 알 수 있다. 이처럼, 액정 캡슐 표시 필름(30)의 구동특성 특히, 대조비 측면에서는 액정 캡슐(32)의 평균 입도를 작게 할수록 좋아지는 것을 알 수 있다.
그리고 액정 캡슐(32)의 최대 평균입도를 200nm로 설정한 이유는 평균입도 변화에 따른 실험결과 액정 캡슐(32)의 평균입도가 200nm 이상으로 커지게 되면 액정 캡슐(32)의 충진율 변화와 무관하게 산란도가 크게 증가하여 본 발명이 구현하고자 하는 액정 캡슐 표시 필름(30)의 구동특성이 현저히 떨어지는 것을 확인하였다. 따라서, 본 발명의 액정 캡슐(32)은 200nm 이하의 평균 직경 사이즈를 갖도록 한정하였다.
결국, 본 발명의 액정 캡슐 표시 필름(30)은 액정 캡슐(32)의 평균입도와 충진율이 구동특성과 밀접하게 관련되어 있는 것을 알 수 있다. 즉, 액정 캡슐(32)의 평균입도가 100nm 정도의 경우에 캡슐밀도가 30% 정도로 낮게 되면 대조비 특성은 좋지만 상대적으로 구동전압이 상승하는 것을 알 수 있다.
그리고, 액정 캡슐(32)의 평균입도가 100nm 정도이면서 충진율이 70%로 높게되면 대조비 특성은 약간 떨어지지만 구동전압이 낮아져서 전반적인 구동특성 측면에서는 좋아지는 것을 알 수 있다.
그리고, 액정 캡슐(32)의 평균입도가 200nm 정도로 증가한 경우에는 충진율이 30% 정도로 낮아도 구동전압이 크게 증가하지 않는 것을 알 수 있다. 그 이유는 충진율이 낮아진 만큼의 구동전압 상승효과를 캡슐 사이즈 증가로 보상시킨 효과 때문이다. 다시 말해, 액정 캡슐(32)의 사이즈가 증가하게 되면 캡슐 내부의 액정분자를 둘러싸는 쉘 물질(33)의 표면적이 감소하고, 이로 인해 각각의 액정 캡슐(32) 내부에 존재하는 액정분자를 고정시킬려는 힘, 즉 앵커링 에너지(Anchoring energy)가 줄어들게 되어 구동전압이 감소하는 효과를 가져오는 것이다.
반면, 액정 캡슐(32)의 평균입도가 200nm 정도이면서 충진율이 70%로 높아지게 되면 구동전압은 많이 감소하지만 산란도가 많이 증가하게 되어 대조비가 급격히 떨어지게 된다.
이와 같은 실험결과를 토대로, 본 발명의 발명자는 액정 캡슐 표시 필름(30)의 구동특성을 고려하여 이에 적절합 액정 캡슐(32)의 평균 직경 사이즈는 200nm 이하로 구성하고, 충진율은 30 ~ 70% 범위 내로 구성하였다.
더욱 바람직하게는, 나노 액정캡슐(32)의 평균입도는 100 ~ 200nm로 구성하고, 충진율은 40 ~ 60% 범위 내로 구성하는 것이 최선이다.
(3) 캡슐 내 액정과 고분자 매트릭스 간의 필요 조건(구성③)
액정 캡슐(32)은 코어 물질을 액상의 바인더와 혼합하여 기판 상부에 코팅 및 경화시킴으로써, 고분자 매트릭스(31) 내부에 다수의 액정 캡슐이 분산 배치되어 있는 액정 캡슐 표시 필름(30)을 형성하게 된다.
코어 물질은 액정(34)을 주요 물질로 포함하는 구성으로서, 초기에 액정 드롭렛(Droplet) 형태로 형성될 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 코어 물질을 구성하는 액정 물질(34)은 물성 측면에서는 굴절률 이방성(Δn )이 클수록, 유전율 이방성(Δε)도 크면 클수록 본 발명의 표시 필름(30)의 구동 특성에 유리하다.
코어 물질의 액정(51)은 네마틱(Nematic), 스멕틱(Smectic), 콜레스터릭 (Cholesteric) 및 카이랄 스멕틱(Chiral Smectic)과 같이 액정표시소자에 통상적으로 사용되는 액정 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 구성할 수 있다.
그런데, 본 발명의 발명자가 다양한 실험을 통해서 확인해본 결과, 네마틱 액정 그 중에서도 양(Positive)의 유전율 이방성(Dielectric Anisotropy, Δε) 성질을 갖는 액정이 본 발명의 액정 캡슐 표시 필름(30)의 구동 특성에는 가장 유리하다는 것을 발견하였다.
그 이유는 양의 유전율 이방성을 갖는 네마틱 액정을 액정 캡슐(32)에 적용했을 때 전계 인가(Field-on) 시 '커 효과'(Kerr effect)를 가장 크게 유도할 수 있었기 때문이다.
여기서, '커 효과'(Kerr effect)란 초기에 광학적으로 투명하면서 등방성 (Isotropic) 성질을 가지는 매체에 전압을 인가하였을 때, 전기장 세기(Electric field, E)의 제곱에 비례해서 광학적 이방성(Aniostropic)을 나타내는 현상을 일컫는 것으로서 1875년 John Kerr(스코틀랜드 물리학자)에 의해 처음 발견되었다.
본 발명의 액정 캡슐 표시 필름(30)은 특히 구동전압 측면에서 전술한 '커 효과'가 크면 클수록 유리하기 때문에, 이러한 '커 효과'를 크게 하는 데는 액정(34)의 굴절률 이방성(Δn)과 더불어 유전율 이방성(Δε) 수치도 크면 클수록 유리하다. 구체적으로, 코어 물질을 구성하는 액정(34)의 굴절률 이방성 값의 범위는 0.2 이상의 것이 바람직하고, 유전율 이방성 값의 범위는 5.0 이상인 것이 바람직하다.
그리고, 전술한 '커 효과' 외에, 코어 물질의 액정의 굴절률 이방성 값을 0.2 이상으로 구성하는 또 다른 이유는 다음과 같다. 만약, 코어 물질의 액정을 0.2 미만의 굴절률 이방성을 갖는 액정으로 구성하게 되면 산란도(scattering)가 크게 증가하고, 이에 따라 초기 상태에서 입사광이 투과되지 못하고 산란되어 본 발명이 구현하고자 하는 구동 방식을 구현할 수 없게 된다.
여기서, 본 발명이 구현하고자 하는 구동 방식이란, 편광판 등을 배제한 상태를 기준으로 표시 필름(30)이 전압 비인가시 투과 모드 내지 화이트 상태의 표시가 가능하고, 전압 인가시 차단 모드 내지 블랙 상태의 표시가 가능한 특성을 의미한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 액정 캡슐 필름의 구동 특성을 보장하기 위해서는 코어 물질은 0.2 이상의 굴절률 이방성과 5.0 이상의 유전율 이방성 값을 갖는 액정으로 구성하여야 한다.
이와 더불어, 본 발명의 발명자는 다수 회의 실험을 통해, 액정 캡슐 표시 필름(30)의 구동 특성은 "d×(Δn)ind"와 밀접하게 관련되어 있음을 발견하였고, 이에 따라 캡슐 내 액정과 고분자 매트릭스는 다음 '조건식 1'을 만족하도록 구성하여야 통상의 액정 표시 장치에 요구되는 성능치(즉, 구동전압, 투과율, 대조비)를 모두 만족하는 표시 필름(30)을 구현할 수 있음을 알 수 있었다.
[조건식 1]
d×(Δn)ind = 120 ~ 150 nm (λ= 550nm 기준)
여기서, '(Δn)ind'는 전압 인가에 따른 전기장에 의해 유도되는 복굴절값으로 [(Δn)ind = λ×K×E2]로 정의되고, 'd'는 액정 캡슐 표시 필름(30)(즉, 고분자 매트릭스)의 두께를 의미한다.
그리고, 'K'는 '커 상수'(Kerr Constant)로서 표시 필름(30)을 형성하는 재료의 물성 및 전극의 구조에 의해서 결정되는 일종의 비례상수이고, 'E'는 외부에서 인가해주는 전기장의 세기를 나타내며, 'λ'는 매질에 입사되는 빛의 파장을 나타낸다.
참고로, 조건식 1에 제시되는 [d×(Δn)ind] 값의 범위는 입사광의 550nm 파장(λ)의 빛을 기준으로 하여 도출된 것이다.
본 발명의 발명자는 전술한 바와 같이 표시 필름(30)의 구동 특성을 결정하는 인자 즉, 캡슐 내 액정과 고분자 매트릭스 간의 필요 조건(구성③)과 관련하여 다음과 같이 실험을 실시하였다.
도 7은 본 발명에 따른 액정 캡슐 표시 필름의 코팅 두께별 V-T Curve 특성을 나타낸 측정 데이터로서, 구체적으로는 액정 캡슐(32)의 평균입도를 120nm로 형성하고, 충진율은 약 50%로 맞춘 상태에서 액정 캡슐 표시 필름(30)의 두께를 2.7㎛에서 3.8㎛까지 증가시키면서 V-T Curve(Voltage-Transmittance Curve)를 측정한 것이다.
도 7에 나타나듯이, 액정 캡슐 표시 필름(30)(즉, 고분자 매트릭스)의 두께가 클수록 V-T Curve가 증가했다가 다시 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 액정 캡슐 표시 필름(30)의 두께가 표시 소자의 구동특성에 영향을 준다는 것을 나타내는 것이며 나노 액정캡슐(32)의 평균입도와 충진율이 정해졌을 때, 그에 맞는 적절한 코팅두께가 존재함을 증명하는 자료라 할 수 있다.
이러한 현상은 횡전계 방식 전극 구조로 구동되는 기존의 IPS-LCD나 PSBP-LCD (Polymer-Stabilized Blue Phase LCD)와는 다른 경향을 보이는 본 발명의 액정 캡슐 표시 필름(30)만의 독특한 특징이라 할 수 있다.
참고로, 도 7에서 'X'축은 구동전압을 나타내는 것으로 rms (root mean square) 구동의 교류전압(AC Voltage) 크기를 나타내는 것이며 'Y'축은 구동효율로서 액정 캡슐 표시 필름(30)의 모드 효율(Mode efficiency)을 나타내는 것이다.
환언하면, 액정 캡슐 표시 필름(30)의 코팅 두께를 2.0㎛보다 얇거나 또는 4.0㎛보다 두껍게 형성하게 되면, 두 경우 모두 모드 효율이 떨어지기 때문에 액정 캡슐 표시 필름(30)의 구동특성 측면에서 바람직하지 않다고 할 수 있다.
더불어, 본 발명의 발명자는 액정 캡슐 표시 필름(즉, 고분자 매트릭스(31))을 전술한 두께 범위로 구성하되, 이러한 두께에 대한 '(Δn)ind' 즉, 전압 인가에 따른 전기장에 의해 유도되는 복굴절값의 조합이 조건식 1을 만족하는 범위에서 설계될 때, 액정 캡슐 표시 필름(30)이 가장 우수한 구동특성을 낼 수 있음을 실험적으로 확인하였다.
즉, 액정 캡슐 표시 필름(30)을 제작함에 있어서, 그 두께 범위가 2.0 ~ 4.0㎛를 만족하더라도 해당 두께에 대한 '(Δn)ind' 값의 조합이 조건식 1을 만족하지 못하게 되면, 해당 액정 캡슐 표시 필름(30)은 모드 효율을 포함한 구동 특성이 저하되어 통상의 액정 표시 장치에 요구되는 성능치에 부적합하게 된다.
이하에서는, 액정 캡슐과 고분자 매트릭스를 형성기 위한 바람직한 재질에 대해 상세히 설명하도록 한다.
액정 캡슐의 쉘 물질(33)은 초기에 구형의 드롭렛(Droplet) 형태로 이루어진 코어 물질의 외면을 둘러싸고 코어 물질을 고정시키는 외벽으로 기능하는 구성이다. 액정(34)을 포함하여 구성되는 코어 물질은 이러한 고분자 쉘(33) 내부에 갇힌 상태로 존재하게 된다.
이러한 쉘 물질(33)은 크게 수용성(Water soluble) 고분자 또는 지용성(Water insoluble) 고분자로 형성할 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 수용성 고분자는 폴리비닐아코올 (Polyvinyl alcohol, PVA), 스타치(Starch), 카복실메틸셀룰로우스(Carboxyl methyl cellulose, CMC), 메틸셀룰로우스(Methyl cellulose), 에틸셀룰로우 스(Ethyl cellulose), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinyl pyrrolidone), 젤라틴 (Gelatin), 알기네이트(Alginate), 카제인(Casein) 및 검아라비아(Gum Arabia) 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성할 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 지용성 고분자는 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacryate, PMMA), 폴리우레아(Polyurea), 폴리우레탄 (Polyurethane), 우레아 포름알데하이드(Urea formaldehyde, UF), 멜라민 포름알데히드(Melamine formaldehyde, MF), 멜라민 우레아 포름알데하이드(Melamine urea formaldehyde, MUF)와 같은 아미노(Amino) 레진 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성할 수 있다.
바람직한 실시 예에 따르면, 쉘 물질(33)은 이중 쉘(double shell) 구조로 형성될 수 있다. 이는 종류가 서로 다른 고분자 재료를 내부 쉘(Inner shell)과 외부 쉘(Outer shell)로 구성되도록 하는 방법으로서 제조과정에서 내부 쉘(shell)을 먼저 형성 한 후에 그 다음 순차적으로 외부 쉘(shell)을 형성하는 방식으로 이루어진다. 이는 기존의 단일 쉘(single shell) 방식의 액정캡슐 제조방법들에 비해 액정분자의 앵커링 에너지(Anchoring energy) 조절 용의성 및 우수한 내용매성 특성을 가진다. 일반적으로 내부 쉘(inner shell) 물질로는 소프트한 성질을 갖는 수용성 폴리머, 예를 들어, 젤라틴(gelatin), 아라비아 검(arabic gum), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol) 등을 사용하고 외부 쉘(outer shell) 물질로는 지용성(oil-soluble) 폴리머인 아미노(amino) 레진, 폴리아미드 에피클로하이드린(polyamide-epichlorohydrin) 레진, 포름알데하이드(formaldehyde) 레진 등이 사용되며 이의 단독 또는 혼합용액으로 사용될 수 있다.
본 발명의 고분자 매트릭스(31)는 내부에 다수의 액정 캡슐(32)이 분산 고정될 수 있도록 구속하는 바인더를 의미한다.
고분자 매트릭스(31)는 크게 수용성(Water soluble) 고분자 바인더 또는 수분산(Water dispersible) 바인더를 사용하여 형성할 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 수용성 고분자 바인더는 폴리비닐아코올 (Polyvinyl alcohol, PVA), 스타치(Starch), 메톡시 셀룰로우스(Methoxy cellulose), 하이드록시 에틸셀룰로우스(Hydroxy ethylcellulose), 카복실 메틸셀룰로우스(Carboxyl methyl cellulose, CMC), 메틸셀룰로우스(Methyl cellulose), 에틸셀룰로우스(Ethyl cellulose), 폴리아크릴레이트 소다(Polyacrylate soda), 아크릴아미드/아크릴레이트 코폴리머(Acryl amide/acrylate copolymer), 아크릴아미드/아크릴레이트/메타크릴산 터폴리머(Acryl amide/acrylate/methacrylic acid terpolymer), 폴리아크릴아미드(Polyacrylamide), 알기네이트 소다(Alginate soda), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinyl pyrrolidone), 젤라틴(Gelatin), 알기네이트 (Alginate), 카제인(Casein) 및 검아라비아(Gum Arabia) 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성할 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 수분산 바인더는 알키드 레진(Alkyd resin), 폴리아미드 에피클로로하이드린 레진(Polyamide epichlorohydrin resin), 폴리우레탄 레진(Polyurethane resin), 우레아 포름알데하이드 레진(Urea-formaldehyde resin), 멜라민 포름알데하이드 레진(Melamine-formaldehyde resin), 멜라민 우레아 포름알데하이드 레진(Melamine-urea-formaldehyde resin), 아크릴레이트 코폴리머 라텍스(Acrylate copolymer latex), 스티렌/부타디엔 코폴리머 라텍스 (Styrene/butadiene copolymer latex), 티렌/부타디엔/아크릴 코폴리머 라텍스 (Styrene/butadiene/acryl copolymer latex), 비닐아세테이트 레진 이멀젼(Vinyl acetate resin emulsion), 비닐아세테이트/아크릴레이트 코폴리머 이멀젼(Vinyl acetate/acrylate copolymer emulsion), 스티렌/아크릴레이트 코폴리머 이멀젼 (Styrene/acrylate copolymer emulsion) 및 아크릴레이트 레진 이멀젼(Acrylate resin emulsion) 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성할 수 있다.
한편, 이와 같은 액정 캡슐(32)은 상분리법 (Coacervation), 동시중합법 (In-situ Polymerization), 계면중합법 (Interfacial Polymerization) 또는 용매증발법 (Solvent Evaporation) 등을 이용하여 제조 가능하다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 액정 캡슐 표시 필름(30)은 종래 캡슐 기반의 표시 소자와 명확히 구분되는 구성들(구성①, 구성② 및 구성③)의 조합에 의해 새로운 광학적 특성을 구현하게 되고, 이러한 광학적 특성을 갖는 액정 캡슐 표시 필름(30)을 이용하여 전혀 새로운 개념의 디스플레이 장치를 구현할 수 있게 된다.
이하에서는, 본 발명의 액정 캡슐 표시 필름의 광학적 특성을 이용한 횡전계 방식 표시 장치에 대해 설명하도록 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 캡슐 표시 필름을 구비하는 표시 장치의 단면 구조를 도시한 개략도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 캡슐 표시 필름(30)을 구비하는 표시 장치는 제1 편광판(40), 기판(10), 횡전계 방식 전극층(20), 액정 캡슐 표시 필름(30) 및 제2 편광판(50)이 차례로 적층 형성된 구조를 이루고 있다. 도면상에서는 제1 편광판(40)과 제2 편광판(50)이 각각 기판(10)과 액정 캡슐 표시 필름(30)과 이격되어 설치되는 것으로 도시되어 있으나, 간격없이 상호 밀착되도록 구비되는 것이 바람직하다. 후술하는 도면에서도 유사하게 편광판은 밀착되도록 형성되는 것으로 이해되어져야 한다.
기판(10)은 투명한 재질로 이루어진 얇은 판체로서, 구체적으로 글래스(Glass) 소재의 유리기판은 물론, 탄성변형 가능한 유연성을 지닌 얇은 플라스틱 기판으로 구성할 수 있다.
한편, 플라스틱 기판을 채용할 경우 광투과도가 우수하고 복굴절 효과가 없는 기판으로 구성해야 한다. 상기 목적에 부합하는 플라스틱 기판의 소재로는 트리아세틸셀룰로우스(Tri Acetyl Cellulose, TAC), 폴리이미드(PI), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 및 폴리아릴레이트(PAR) 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정하지는 않는다.
제1 편광판(40)은 기판(10) 하부에 배치된 백라이트(미도시) 등을 통해 액정 캡슐 표시 필름(30)으로 입사되는 광을 편광시키기 위한 구성부로서, 바람직하게는 기판(10)의 하면에 적층 형성된다.
제2 편광판(50)은 액정 캡슐 표시 필름(30)에 입사된 광이 액정 캡슐 표시 필름(30)의 복굴절 효과에 의한 편광됨 없이 그대로 투과할 경우 이를 차단하는 역할을 하는 구성부로서, 바람직하게는 액정 캡슐 표시 필름(30)의 상면에 적층 형성된다.
제1 편광판(40)은 그 편광축이 제2 편광판(50)의 편광축과 직교상태를 이루도록 형성된다. 따라서, 제1 편광판(40)의 편광축이 0°(또는 90°) 라면, 제2 편광판(50)은 90°(또는 0°)의 편광축을 갖는 편광판으로 구비된다.
한편, 제2 편광판(50)은 대전방지성이 부여된 편광판으로 구성하는 것이 좋다. 이는, 외부 정전기에 의해 액정 캡슐 표시 필름(30)이 영향을 받는 것을 최소화하기 위함이다.
제2 편광판(50)에 대전방지성을 부여하는 방법으로는, 대전방지성 점착제를 사용하여 대전방지성을 부여하는 방법(한국공개특허 제2006-0018495호, 제2004-0030919호, 일본공개특허 제2006-111856호, 제2006-104434호)으로, 코팅액에 수분산성인 도전성 금속 분말이나 탄소 입자와 같은 전도성 물질을 첨가하는 방법과, 점착제에 저분자량의 계면활성제 물질을 첨가하는 방법이 있으며, 그 외에 편광판의 적어도 한 면에 열처리에 의해 탄소 불순물이 정제된 탄소나노튜브를 포함하는 대전방지 코팅층을 형성하는 방법, 편광판의 하나 이상의 면에 순서대로 적층된 대전방지 코팅층과 대전방지성 점착제층을 형성하는 방법(한국공개특허 제2009-0027930호) 등을 이용할 수 있다.
횡전계 방식 전극층(20)은 횡전계를 인가하여 액정을 응답시켜 계조 표시를 하는 전극 구조를 지칭한다.
바람직하게는 횡전계를 형성하기 위해 화소전극 패턴과 공통전극 패턴을 동일 기판(10) 상에 동일층으로 형성한 IPS(In-Plane Switching) 모드로 구성하거나, 또는 횡전계를 형성하기 위해 화소전극 패턴과 공통전극 패턴을 동일 기판(10) 상에 형성하되, 도 8과 같이 화소전극(23)과 공통전극(21)을 서로 다른 층에 배치하고 그 사이에 절연막(22)을 개재시킨 FFS(Fringe-Field Switching) 모드로 구성할 수 있다.
그리고, 횡전계 방식 전극층(20)은 광을 투과시킬 수 있는 투명한 물질로 구성될 수 있다. 예컨대, 인듐 주석 산화물 (ITO), 인듐 아연 산화물 (IZO), 아연 산화물 (Zinc Oxide), 주석 산화물 (Tin Oxide), 불소가 도핑된 주석 산화물 (Fluorine-doped Zinc Oxide, FTO), 피도트 (PEDOT:PSS), 그래핀 (Graphene), 실버나노와이어(AgNW) 및 카본나노튜브(CNT)로 이루어진 투명 도전성 물질 군에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
액정 캡슐 표시 필름(30)은 전극층(20) 위에 적층된 형태로 구비되어, 제1 편광판(40)을 거쳐 입사된 광을 그대로 통과시키거나 또는 편광을 변화시키는 작용을 실현함으로써 표시 장치가 계조 표현을 할 수 있도록 하는 핵심 구성부에 해당한다.
이러한 액정 캡슐 표시 필름(30)은 액정 캡슐(32)을 바인더(31)와 혼합하여 코팅용액을 제조한 후, 이를 화소전극이 형성되어 있는 기판(10) 상부에 코팅하고 경화시킴으로써 형성된다. 따라서, 액정 캡슐 표시 필름(30)은 액정 캡슐(32)이 고분자 메트릭스(31) 내에 분산되어 있는 구조를 이루고 있다.
특히, 액정 캡슐 표시 필름(30)은 전극층(20) 위에 접합된 일종의 필름 형태로 마련될 수 있게 되는데, 이러한 특성에 의해 한 개의 기판(10)만으로 횡전계 방식의 액정표시장치를 제조할 수 있게 된다. 이는 상호 대향하는 한 쌍의 기판이 필요하였던 종래 횡전계 방식 액정표시장치와 대비되는 점이라 할 수 있다. 또한, 액정 캡슐 표시 필름(30)은 상기 특성에 의해, 외부의 압력이나 충격에 의해 간격이 틀어지거나 변하는 문제도 없기 때문에 유연 재질의 플라스틱 기판을 적용한 플레서블 디스플레이에 매우 유리한 강점이 있다.
도 9는 도 8의 'A' 영역의 확대 단면도로서, 도 9 실시예의 표시 장치의 전극층(20)은 FFS(Fringe-Field Switching) 방식의 전극 구조로 구성하였고, 전계가 인가된 온(On) 상태에서의 동작 원리를 보여준다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 액정 캡슐 표시 필름(30)을 구비하는 표시 장치는 전극층(20)에 전계가 인가되지 않은 경우, 제1 편광판(40)을 통해 입사한 광을 그대로 투과시킴으로써 블랙 상태를 표시하도록 동작한다.
이에 따라, 0°의 편광축을 갖는 제1 편광판(40)을 투과한 광은 그대로 90°의 편광축을 갖는 제2 편광판(50)에 입사되고, 결국 해당 입사광은 편광축이 직교상태로 구비된 제2 편광판(50)에 의해 차단되어 표시 소자는 블랙(Black) 상태를 표시하게 되는 것이다.
전극층(20)에 전계가 인가된 경우, 제1 편광판(40)을 통해 입사한 광의 편광축이 90°만큼 회전되도록 함으로써 화이트 상태를 표시하도록 동작한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 온(0n) 상태에서는 화소전극(-)과 공통전극(+)의 구조로 인하여 프린지 필드(Fringe-Field)가 만들어져 액정 캡슐 표시 필름(30)에 횡전계가 형성되게 된다.
이처럼 전계가 인가되는 온(On) 상태에서는 오프(Off) 상태와 달리, 횡전계에 의해 쉘 물질(33)에 의해 둘러싸여 있는 액정분자(34)들이 전계 방향과 평행하게 수평으로 배열하기 때문에 액정분자의 배향에 의한 복굴절 효과가 만들어지게 된다.
즉, 제1 편광판(40)을 통해 입사한 빛이 액정 캡슐 표시 필름(30)의 복굴절 효과에 의해 편광이 변하게 되는데, 이 때, 액정 캡슐 표시 필름(30)의 복굴절 정도(Δn·d)가 입사광의 λ/2 조건을 만족하게 되면 입사광의 편광축이 90°만큼 회전하게 되어 제1 편광판(40)과 직교상태를 이루고 있는 제2 편광판(50)에 흡수되지 않고 그대로 통과하여 화이트 상태를 표시하게 된다.
상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.

Claims (16)

  1. 액정을 포함하는 코어 물질과, 상기 코어 물질의 외벽을 형성하는 쉘 물질로 이루어진 다수의 액정 캡슐; 및 상기 다수의 액정 캡슐이 내부에 배치되어 있는 고분자 매트릭스를 포함하고,
    상기 다수의 액정 캡슐은,
    가시광선 최대 파장의 1/4 이하의 평균 직경 사이즈로 형성되고, 상기 고분자 매트릭스 내부에 30 % ~ 70 % 범위 내의 충진율로 분산되게 배치되며,
    상기 코어 물질의 액정과 상기 고분자 매트릭스는 다음의 조건식 1을 만족하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 액정 캡슐 표시 필름.
    [조건식 1]
    d×(Δn)ind = 120 ~ 150 nm
    (여기서, d: 고분자 매트릭스의 두께, (Δn)ind = λ×K×E2, λ= 550nm 기준,
    K: 커 상수(Kerr Constant), E: 전기장 세기)
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 고분자 매트릭스는 2.0㎛ 내지 4.0㎛ 범위 내의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 액정 캡슐 표시 필름.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 코어 물질의 액정은 굴절률 이방성 값이 0.2 이상인 것을 특징으로 하는 액정 캡슐 표시 필름.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 코어 물질의 액정은 유전율 이방성 값이 5.0 이상인 것을 특징으로 하는 액정 캡슐 표시 필름.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 코어 물질은 양의 유전율 이방성을 갖는 네마틱 액정을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 캡슐 표시 필름.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 쉘 물질은 폴리비닐아코올 (Polyvinyl alcohol, PVA), 스타치 (Starch), 카복실메틸셀룰로우스(Carboxyl methyl cellulose, CMC), 메틸셀룰로우스(Methyl cellulose), 에틸셀룰로우 스(Ethyl cellulose), 폴리비닐피롤리돈 (Polyvinyl pyrrolidone), 젤라틴 (Gelatin), 알기네이트(Alginate), 카제인 (Casein) 및 검아라비아(Gum Arabia) 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 수용성 고분자로 형성되는 것을 특징으로 하는 액정 캡슐 표시 필름.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 쉘 물질은 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacryate, PMMA), 폴리우레아(Polyurea), 폴리우레탄 (Polyurethane), 우레아 포름알데하이드 (Urea formaldehyde, UF), 멜라민 포름알데히드(Melamine formaldehyde, MF), 멜라민 우레아 포름알데하이드(Melamine urea formaldehyde, MUF) 및 아미노(Amino) 레진 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 지용성 고분자로 형성되는 것을 특징으로 하는 액정 캡슐 표시 필름.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 쉘 물질은 내부 쉘과 외부 쉘로 이루어진 이중 쉘 구조로 형성되고,
    상기 내부 쉘과 외부 쉘은 서로 다른 종류의 고분자로 형성되는 것을 특징으로 하는 액정 캡슐 표시 필름.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 내부 쉘은 수용성 고분자로 형성되고, 상기 외부 쉘은 지용성 고분자로 형성되는 것을 특징으로 하는 액정 캡슐 표시 필름.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 고분자 매트릭스는 폴리비닐아코올 (Polyvinyl alcohol, PVA), 스타치(Starch), 메톡시 셀룰로우스(Methoxy cellulose), 하이드록시 에틸셀룰로우스(Hydroxy ethylcellulose), 카복실 메틸셀룰로우스(Carboxyl methyl cellulose, CMC), 메틸셀룰로우스(Methyl cellulose), 에틸셀룰로우스(Ethyl cellulose), 폴리아크릴레이트 소다(Polyacrylate soda), 아크릴아미드/아크릴레이트 코폴리머 (Acryl amide/acrylate copolymer), 아크릴아미드/아크릴레이트/메타크릴산 터폴리머(Acryl amide/acrylate/methacrylic acid terpolymer), 폴리아크릴아미드 (Polyacrylamide), 알기네이트 소다(Alginate soda), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinyl pyrrolidone), 젤라틴(Gelatin), 알기네이트 (Alginate), 카제인(Casein) 및 검아라비아(Gum Arabia) 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 수용성 바인더로 형성되는 것을 특징으로 하는 액정 캡슐 표시 필름.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 고분자 매트릭스는 알키드 레진(Alkyd resin), 폴리아미드 에피클로로하이드린 레진(Polyamide epichlorohydrin resin), 폴리우레탄 레진(Polyurethane resin), 우레아 포름알데하이드 레진(Urea-formaldehyde resin), 멜라민 포름알데하이드 레진(Melamine-formaldehyde resin), 멜라민 우레아 포름알데하이드 레진(Melamine-urea-formaldehyde resin), 아크릴레이트 코폴리머 라텍스(Acrylate copolymer latex), 스티렌/부타디엔 코폴리머 라텍스 (Styrene/butadiene copolymer latex), 티렌/부타디엔/아크릴 코폴리머 라텍스 (Styrene/butadiene /acryl copolymer latex), 비닐아세테이트 레진 이멀젼(Vinyl acetate resin emulsion), 비닐아세테이트/아크릴레이트 코폴리머 이멀젼(Vinyl acetate/acrylate copolymer emulsion), 스티렌/아크릴레이트 코폴리머 이멀젼 (Styrene/acrylate copolymer emulsion) 및 아크릴레이트 레진 이멀젼(Acrylate resin emulsion) 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 수분산 바인더로 형성되는 것을 특징으로 하는 액정 캡슐 표시 필름.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 고분자 매트릭스의 적어도 일면 상에 탈거 가능하게 부착되는 이형지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 캡슐 표시 필름.
  13. 기판; 상기 기판의 상면 상에 형성된 횡전계 방식의 전극층; 상기 기판의 상부에 배치되는 액정 캡슐 표시 필름; 상기 기판의 하부에 배치되는 제1 편광판; 및 상기 액정 캡슐 표시 필름의 상부에 배치되는 제2 편광판을 포함하고,
    상기 액정 캡슐 표시 필름은,
    액정을 포함하는 코어 물질과, 상기 코어 물질의 외벽을 형성하는 쉘 물질로 이루어진 다수의 액정 캡슐; 및 상기 다수의 액정 캡슐이 내부에 배치되어 있는 고분자 매트릭스를 포함하고,
    상기 다수의 액정 캡슐은,
    가시광선 최대 파장의 1/4 이하의 평균 직경 사이즈로 형성되고, 상기 고분자 매트릭스 내부에 30 % ~ 70 % 범위 내의 충진율로 분산되게 배치되며,
    상기 코어 물질의 액정과 상기 고분자 매트릭스는 다음의 조건식 1을 만족하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
    [조건식 1]
    d×(Δn)ind = 120 ~ 150 nm
    (여기서, d: 고분자 매트릭스의 두께, (Δn)ind = λ×K×E2, λ= 550nm 기준,
    K: 커 상수(Kerr Constant), E: 전기장 세기)
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제1 편광판의 편광축은 상기 제2 편광판의 편광축과 상호 직교상태에 있는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 횡전계 방식의 전극층은 IPS(In-Plane Switching) 구조 또는 FFS (Fringe-Field Switching) 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
  16. 제13 항에 있어서,
    상기 액정 캡슐 표시 필름은,
    상기 전극층에 전계가 인가되지 않은 경우, 상기 제1 편광판을 통해 입사한 광을 그대로 투과시킴으로써 블랙 상태를 표시하고,
    상기 전극층에 전계가 인가된 경우, 상기 제1 편광판을 통해 입사한 광의 편광축이 90°만큼 회전되도록 함으로써 화이트 상태를 표시하도록 구동하는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
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