KR100258535B1 - 강유전성 액정 디스플레이 장치 - Google Patents

강유전성 액정 디스플레이 장치

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헤리알란페들링햄
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알. 더블유 벡험
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Abstract

본 발명은 2개의 스위칭 상태간의 콘트라스트비가 개선된 표면 또는 전기장이 안정된 강유전성 액정(SSFLC) 장치를 제공한다. 이 장치는 전극(5, 6)이 내부면상에 코팅된 2개의 글라스 벽(2, 3) 사이에 유지된, 스멕틱 c등의 스멕틱 액정 재료, 통상적으로 1 내지 5㎛ 두께의 얇은 층(7)으로 형성된 액정 셀을 포함한다. 벽(2, 3)의 양 측면에는 편광자(8, 9)가 배열된다. 이 장치는 교류 바이어스 전압의 동시 인가 또는 인가 없이 단방향 전압 펄스의 인가에 의해 2개의 쌍안정 상태 사이에서 스위칭된다. 최적의 콘트라스트비(CR)를 얻기 위해서, 편광자의 광축은 교차 또는 직교 위치에서 떨어져서, 즉 예를 들면 +/-20°로 회전되고, 셀은 편광자(8, 9) 사이에서 회전되며, 정밀한 최적 회전은 재료와 교류 바이어스 전압에 좌우된다.

Description

[발명의 명칭]
본 발명은 강유전성 액정 디스플레이 장치(ferroelectric liquid crystal display device), 특히 콘트라스트비(contrast ratio; CR)가 개선된 장치에 관한 것이다.
[종래기술]
여러가지 액정 디스플레이 장치가 잘 알려져 있다. 이들 장치는 통상적으로 2개의 글라스 벽 사이에 유지되는 액정 재료의 얇은 층으로 형성된 액정 셀을 포함한다. 이들 벽은 액정 재료의 분자를 회전시키기 위해 액정층에 전기장(electric field)을 인가하는 투명 전극을 가지고 있다. 많은 디스플레이에서 액정 분자는 2가지 형태의 분자 배열중 하나를 취할 수 있으며, 그중 하나는 전압 오프(OFF) 상태이고 다른 하나는 전압 온(ON) 상태이다. 한 상태의 액정 재료의 영역과 다른 상태의 액정 재료의 영역을 대조(contrasting)함으로써 정보가 표시된다. 하나의 공지된 디스플레이는 한쪽 벽 상의 열(column)전극과 다른 벽상의 행(row) 전극 사이의 교차점에서 생긴 픽셀(pixel) 또는 표시 소자의 매트릭스로 형성된다. 디스플레이는 연속하는 행과 열 전극에 전압을 인가함으로써 다중 방식으로 어드레스된다. 다른 형태의 디스플레이는 직접 구동 방식으로 어드레스되는 셔터(shutter)이다.
액정 재료는 3가지 기본 형태, 즉 각각 다른 분자 배열을 가진 네마틱 (nematic), 콜렉스테릭(cholesteric) 및 스멕틱(smectic)이 있다.
본 발명은 강유전성 스멕틱 액정 재료에 관한 것이다. 이 재료를 사용하는 장치는 강유전성 액정(FLC) 장치가 안정화된 표면을 형성한다. 이들 장치는 쌍안정성 (bistability)을 나타낼 수 있다. 즉 액정 분자, 보다 정확하게는 분자 디렉터(director)는 양(positive) 전압 및 음(negative) 전압 펄스에 의한 스위칭 시 2가지 배열 상태중 하나를 취하고, 전압 제거 후 스위칭된 상태로 유지된다. 이러한 작용은 표면 정렬 특성에 좌우된다. 표면 정렬의 몇몇 형태는 스위칭된 상태가 전압을 제거한 후 유지되는 장치가 되게 하고, 다른 형태의 표면 정렬은 전압 제거시 일정하지 않게 붕괴되는 장치가 되게 한다. 스위칭된 상태는 교류 바이어스(acbias)의 존재에 의해 안정화된다. 성취된 실제 상태는 주어진 교류 바이어스의 진폭에 좌우될 수 있다. 이 교류 바이어스는 다중 장치에서 데이터(열, column) 전압에 의해 제공될 수 있다. 빠른 스위칭 속도와 함께 이러한 특성은 FLC 장치가 많은 수의 픽셀 또는 표시 소자를 갖는 대형 디스플레이용에 적합하게 한다. 이와 같은 강유전성 디스플레이는 예를 들면 문헌 "NA Clark and S T Lagerwall, Applied Physics Letters Vol 36, No 11 pp 889-901, June, 1980; GB-2, 166, 256-A; US-4,367,924; US-4,563,059; patent GB-2,209,610[Bradshaw and Raynes]; R B Meyer et al, J Phys Lett 36, L69, 1975"에 기재되어 있다.
2개의 스위칭된 상태는 2개의 교차된 편광자(polarisers) 사이에 액정 셀을 배열함으로써 볼 수 있게 만들어진다. 편광자중 하나는 스위칭된 방향중 하나와 대략 평행하게 배열된다. 이것은 예를 들면 영국 특허 제2,209,610호에 공지되어 있다.
장치의 판독 용이성 및 장치의 유용성을 개선하기 위해서, 모든 설계자들은 2개의 스위칭 상태 사이의 최대 콘트라스트를 얻고자 노력하고 있다. 본 발명은 기존의 FLC 장치의 이러한 콘트라스트를 개선하기 위한 것이다.
본 발명에 따르면, 강유전성 액정 장치의 2개의 스위칭된 상태 사이의 콘트라스트는 최대 콘트라스트를 얻기 위해 교차된 상태로부터 편광자를 회전시킴으로써 개선된다.
본 발명에 따르면, 2개의 셀 벽 사이에 위치된 강유전서 액정 재료(a ferroelectric liquid crystal material)의 층으로 형성된 액정 셀과, 하나의 벽상의 X-행 전극과 다른 벽상의 y-열 전극으로서 배열되고, 어드레스 가능한 소자의 x, y매트릭스를 형성하는 전극 구조와, 셀 벽에 대해 액정 재료 층을 정렬시키기 위해 처리된 표면과, 상기 셀의 양측부상에 배열된 2개의 평광자와, 전기 신호를 다중 방식으로 상기 전극 구조에 인가하고 교류 바이어스의 양을 상기 액정 재료에 인가하는 구동 회로를 포함하는, 2개의 대조되는 디스플레이 상태로 전기 전환될 수 있는 강유전성 액정 디스플레이 장치에 있어서, 상기 2개의 편광자는 상기 액정재료 층의 스위칭된 정렬 위치에 평행하거나 직교하지 않으며, 90°교차 상태에서 떨어져 회전된 광축에 배열되고, 상기 셀은 편광자 사이에서 회전되며, 상기 셀 및 편광자의 회전은 상기 특정 액정재료 층에 대해 콘트라스트비를 최적화하기 위해 배열되고 교류 바이어스는 상기 장치의 동작 중에 인가되는 강유전성 액정 디스플레이 장치를 제공한다.
2개의 편광자는 교차된 상태로부터 45°까지, 바람직하게는 20°까지 배열될 수 있다. 이 편광자는 뉴트랄(neutral) 또는 다색 편광자이어도 된다.
셀은 2개의 스위칭된 상태가 편광자의 광축 사이에서 대칭이 되도록 회전되어도 된다.
전체 또는 부분 반사기는 디스플레이 반사에 의해 관찰되도록 디스플레이 뒤에 배열되어도 된다.
액정 재료는 예컨대 Sc*또는 SI *와 같은 넌 카이럴(non chiral) 또는 카이럴 스멕틱이어도 된다. 전압 곡선에 대한 펄스폭 시간인 재료의 스위칭 특성은 예컨대 WO-89/05025에 나타낸 것과 같이 최소치를 나타내거나 펄스 대 전압 곡선이 대략 선형인 종래의 재료이어도 된다.
바람직하게는, 전극 구조는 어드레스 가능한 소자의 x, y 매트릭스를 형성하는, 하나의 셀 벽상에 x-행 전극으로서, 다른 셀 벽상에 y-열 전극으로서 배열된다.
x, y 디스플레이 장치는 구동 회로를 통해 인가된 전압 파형에 의해 어드레스된다. 디스플레이 동작 중, 콘트라스트를 더욱 개선하기 위해 임의의 양의 교류 바이어스가 전극에 인가된다. 또한, 교류 바이어스의 주파수는 CR을 개선하기 위해 변경될 수 있다.
[도면의 간단한 설명]
본 발명의 한가지 형태를 단지 예로서 첨부도면으로 참조하여 설명한다.
제1도 및 제2도는 액정 디스플레이 장치의 평면도 및 단면도.
제3도는 세브론 형태(chevron type)의 미소층 정렬을 나타낸 정렬된 액정 재료 층의 사시도.
제4도는 수 개의 가능한 디렉터 중 하나가 세브론 구조로 될 수 있는, 확대 도시한 제3도의 부분 단면도.
제5도는 종래 기술의 장치에서 스위칭된 상태와 편광자 정렬에서 액정 디렉터의 관련 정렬을 도시한 도면.
제6도는 제5도의 편광자 정렬을 위한 디렉터 정렬에 대한 투과의 그래프.
제7도, 제8도 및 제9도는 3개의 다른 재료에 대한 교류 바이어스의 다른 양에서의 편광자 각도에 대한 콘트라스트의 그래프.
[양호한 실시예의 설명]
제1도 및 제2도에 도시한 셀(10은 스페이서 링(4) 및/또는 분포된 스페이서에 의해 1 내지 6㎛이격된 2개의 글라스 벽(2, 3)을 포함한다. 양벽의 내부면상에는 투명한 산화주석의 전극 구조(5, 6)가 형성되어 있다. 이들 전극은 종래의 행 및 열 형상, 7 세그먼트 또는 r-0 디스플레이일 수 있다. 액정재료 층(7)은 벽(2, 3)과 스페이서 링(4) 사이에 포함된다. 편광자(8, 9)는 셀(1)의 전후에 배열된다. 각 편광자의 광축의 정렬은 이하에서 설명한다. 직류 전압원(10)은 리드와이어(14, 15)에 의해 전극 구조(5, 6)에 접속된 구동 회로(12, 13)에 제어 논리 회로(11)를 통해 전력을 공급한다.
이 장치는 투과 또는 반사 모드로 동작할 수 있다. 투과 모드에서, 예컨대 텅스텐 전구(16)로부터 장치를 통과한 빛은 선택적으로 투과 또는 차단되어 원하는 디스플레이를 형성한다. 반사 모드에서, 미러(17)가 제2편광자(9) 뒤에 위치되어 셀(1)과 2개의 편광자를 통해 주위의 빛을 반사시킨다. 미러(17)가 부분적으로 반사하도록 함으로써, 장치는 투과 및 반사 모드 모두에서 동작될 수 있다.
조립 전, 벽(2, 3)은 폴리아미드 또는 폴리이미드와 같은 중합체의 얇은 층상에서 스피닝하고, 건조하고 적당히 경화시키고, 이후 단방향(R1, R2)으로 부드러운 천(예를 들면 레이온)으로 문질러서 표면 처리된다. 이러한 공지된 처리 방법은 액정 분자에 대해 표면 정렬을 제공한다. 분자(네마틱상에서 측정된 것과 같이)는 문지르는 방향(R1, R2)을 따라 그리고 사용된 중합체와 후속 처리에 따라 표면에 대해 0 내지 15°의 각도에서 그 자체 정렬한다(에스 구니야스(S Kuniyasu) 등의 문헌"Japanese J of Applied Phiysics vol 27. No 5, May 1988. pp827-829"참조). 다른 방법으로, 표면 정렬은 셀 벽상으로 비스듬히 증발하는 일산화실리콘의 공지된 방법에 의해 제공되어도 된다.
표면 정렬 처리는 인접하는 액정 재료 분자에 결합력을 제공한다. 셀 벽사이에서 분자는 사용된 재료의 탄성력 특성에 의해 분자가 속박된다. 재료는 많은 가능한 구조의 예인 제3도 및 제4도에 도시한 바와 같이 각각 서로 평행한 매크로 층(20)내에 그 자체를 형성한다. Sc는 디렉터가 층에 대해 어떤 각도로 되어 있는 경사진 형상이므로, 각 분자 디렉터(21)는 원뿔체의 표면을 따라 놓이는 경향이 있는 것으로 예상할 수 있고, 원뿔체 상에서의 위치는 층 두께를 가로질러 변하므로, 각각의 매크로 층(20)의 세브론 모양이 변한다.
층 중심에 인접한 재료를 고려하면, 분자 디렉터(21)는 거의 층의 평면에 놓여있다. 적절한 직류 전압 펄스 신호를 인가하는 것에 의해 원뿔체 표면을 따라 원뿔체의 대향 측면으로 디렉터를 이동시킨다. 이러한 원뿔체 표면상의 2개의 위치(D1, D2)는 액정 디렉터의 2개의 적당한 상태를 나타낸다. 즉 재료는 인가된 전압의 제거시에 이들 위치(D1, D2)중 하나에 머무러 있다.
실용 액정에서, 디렉터는 이들 이상적인 위치로부터 이동되어도 된다. 정보가 디스플레이될 때 재료에 매번 교류 바이어스를 인가하는 것은 통상적인 것이다. 이 교류 바이어스는 디렉터의 이동 효과를 가지며 디스플레이 모습을 개선 시킬 수 있다. 교류 바이어스의 효과는 예를 들면 문헌"Proc 4th IDRC 1984 pp 217 내지 220"에 기재되어 있다. 직류 바이어스를 이용한 디스플레이 어드레싱 방법은 영국 특허출원 제87,26996호와, PCT/GB 88,01004호와 제이 알 휴스(J R Hughes)의 WO 89/05025호와 영국 특허출원 제90.17316.2호와 PCT/GB 91/01263호와, 제이 알 휴스 및 이 피 레이니스(E P Raynes)의 WO 92/02925호에 기재되어 있다. 직류 바이어스의 레벨은 CR 수치를 더욱 향상시키기 위해 편광자 및 셀 회전과 협력하도록 변경되어도 된다.
최대 콘트라스트를 위해, 외견상의 원뿔각을 2배로 하거나 2개의 스위칭된 상태 사이에서 디렉터 사이의 각도가 약 45°가 되도록 하는 것이 바람직하다. 이것을 제5도 및 제6도를 참조하여 설명한다. 제5도에 도시한 바와 같이, 편광자중 하나는 2개의 디렉터 위치(D1)중 하나와 평행하게 정렬되고 x축을 따라 도시되어 있다. 다른 디렉터 위치는 D2로 주어졌다. 제2편광자는 제1편광자에 직각으로 즉 y축을 따라 배열된다. 제6도에 도시한 바와 같이, 디렉터(D2)가 45° 내지 D1에 있을 때 투과율이 최대가 된다. 종래 기술의 디스플레이는 교차된 편광자를 사용한다. 즉 2개의 편광자의 광축은 서로 90°이다.
본 발명은 제7도를 참조하여 설명한 것과 같이, 다른 편광자 배열을 사용한다. 콘트라스트비(CR), 즉 2개의 다른 상태에서 광투과 사이의 비율은 a 축을 따라 그려진 2개의 편광자(8, 9) 사이의 각도 위치에 대하여 y-축상에 그려졌다. 편광자(8, 9)는 60 내지 120°의 다른 각도로 정렬되며 최대 콘트라스트비를 얻기 위해 셀이 회전된다. 최대 CR의 값은 0, 5 및 10볼트의 교류 바이어스에서 다른 편광자 각도에 대해 그려졌다. CR 값은 편광자들의 각도 위치에 따라 상당히 변하는 것을 알 수 있다. 제7도에 있어서는 편광자가 교류 바이어스의 모든 값에 대해 약 85°떨어져 있을 때 최대 CR이 발생한다. 2개의 스위칭된 방향(D1, D2)의 편광자(8, 9)의 광축 사이에서 동일한 각도로 이격되도록 즉 R이 편광자 방향 사이의 각도를 양분하도록 셀(1)이 회전된다.
제7도의 장치는 2㎛두께로 폴리이미드 표면 정렬 처리된 재료 카탈로그 넘버 머크(Merck) 5014-000를 갖는다. 이 측정은 극성이 변하는 단극 펄스로 2개의 광학 상태 사이에서 반복적으로 그리고 25kHz 교류 사각파를 갖는 100 : 1 듀티 싸이클의 셀을 스위칭하여 행해졌다. 이것은 다중 구동 상태하에서 작용 특성을 모의 실험한다. 콘트라스트는 수직 입사에서 백색광과 눈 반응 필터(eye response filter)로 측정했다. 넓은 파장 범위에 걸쳐 개선된 CR을 얻었다.
[표 1]
2㎛ 두께 층의 재료 이 머크(E Merck) ZLI 5014-000, 폴리이미드 표면 정렬
제8도는 제7도와 같은 구동 조건을 이용하여 다른 값의 교류 바이어스에서 다른 재료에 대해 편광자 각도와 함께 콘트라스트비의 변화를 도시했다. 정확한 각도 최대치는 교류 바이어스와 함께 변한다. 보다 작은 양의 교류 바이어스에 있어서 최적의 편광 각도는 약 110°이며 10볼트의 교류 바이어스에 대해서는 약 102°이다.
제9도는 재료 BDH-SCE9에 대해 편광자 각도와 함께 CR 변화를 도시한 것이다. 더욱 상세한 내용은 이하의 표 3에 있다.
[표 2]
2㎛두께 층의 재료 이 머크 BDH 835, 폴리이미드 표면 정렬
[표 3]
폴리이미드 표면 정렬한 1.9㎛두께 층의 재료
이 머크 BDH SCE9, 교류 바이어스 25kHz 사각파
재료 머크 ZLI 5014-000은 -2.9nC/㎠@20℃의 자발 분극(spontaneous polarisation)을 갖는다.
재료 머크 Ltd BDH 835는 약 5nC/㎠@30℃의 자발 분극을 갖는다.
재료 머크 Ltd BDH SCE9는 28nC/㎠@30℃의 자발 분극을 갖는다.
상술한 셀에 대한 D1과 D2사이의 각도는 재료 5014-000가 36°와, 재료 BDH 835가 40.3°이며, 모두 50Hz에서 +/-5 볼트로 측정했다.
다른 적당한 재료는 BDH-SCE8이다.
상술한 예는 강유전성 스멕틱 c 액정 재료이며, 다른 강유전성 액정 재료, 예를 들면 스멕틱 I이 사용될 수 있다.

Claims (6)

  1. 2개의 셀 벽(2, 3) 사이에 위치된 강유전서 액정 재료(a ferroelectric liquid crystal material)의 층(7)으로 형성된 액정 셀(1)과, 하나의 벽상의 X-행 전극(5)과 다른 벽(3)상의 y-열 전극(6)으로서 배열되고, 어드레스 가능한 소자의 x, y매트릭스를 형성하는 전극 구조(5, 6)와, 셀 벽(2, 3)에 대해 액정 재료 층(7)을 정렬시키기 위해 처리된 표면과, 상기 셀의 양측부상에 배열된 2개의 평광자(8, 9)와, 전기 신호를 다중 방식으로 상기 전극 구조(5, 6)에 인가하고 교류 바이어스의 양을 상기 액정 재료 층(7)에 인가하는 구동 회로(12, 13)를 포함하는, 2개의 대조되는 디스플레이 상태로 전기 전환될 수 있는 강유전성 액정 디스플레이 장치에 있어서, 상기 2개의 편광자(8, 9)는 상기 액정재료 층(7)의 스위칭된 정렬 위치(D1, D2)에 평행하거나 직교하지 않으며, 90°교차 상태에서 떨어져 회전된 광축에 배열되고, 상기 셀은 편광자(8, 9) 사이에서 회전되며, 상기 셀 및 편광자(8, 9)의 회전은 상기 특정 액정재료(＆) 층에 대해 콘트라스트비를 최적화하기 위해 배열되고 교류 바이어스는 상기 장치의 동작 중에 인가되는 것을 특징으로 하는 강유전성 액정 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서, 다중 어드레싱 중 인가된 양에 부가하여 교류 바이어스의 가변량을 인가하기 위한 수단(10, 11, 12, 13)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전성 액정 액정 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 편광자(8, 9)의 광축 사이의 각은 45°보다 크고 135°보다 작은 것을 특징으로 하는 강유전성 액정 디스플레이 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 편광자(8, 9)의 광축 사이의 각은 70°보다 크로 110°보다 작은 것을 특징으로 하는 강유전성 액정 디스플레이 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 셀벽(2, 3)표면은 폴리이미드를 문질러서 처리한 것을 특징으로 하는 강유전성 액정 디스플레이 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 액정 재료는 스멕틱 c 재료 (smectic c material)인 것을 특징으로 하는 강유전성 액정 디스플레이 장치.
KR1019940702168A 1991-12-23 1992-12-21 강유전성 액정 디스플레이 장치 KR100258535B1 (ko)

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