KR100786555B1 - 액정 셀용 전극 패턴 - Google Patents

Abstract

액정이 장 동작 조건에서 같은 부호(D)와 방향을 갖는 방위각 배향을 나타내는 액정 도메인의 수, 크기 및 위치를 효율적으로 제어하기 위해서 전극들(3, 5)이 비도전성 갭들로 패턴화된 액정. 셀 갭 t의 약 2.5배 보다 작은 폭을 갖는 한편 상기 액정 도메인내에 배치된 소규모의 비도전성 갭이나 도메인 경계를 따라서 주로 배치된 갭들의 조합에 의해서 상기 전극들(3, 5)를 패턴화함에 의해서 액정 도메인을 본질적으로 매우 양호하게 제어할 수 있는 한편 셀의 응답성도 얻을 수 있다.

Description

액정 셀용 전극 패턴{ELECTRODE PATTERNS FOR LIQUID CRYSTAL CELLS}

네마틱(nematic), 스멕틱 씨(smectic C), 키랄 네마틱 씨(chiral nematic C) 및 다른 액정 장치들은 통상적으로 표시장치와 다른 전기-광학 응용들에 사용된다. 많은 표시장치 응용에 있어서, 휘도, 그레이 스케일(grey scale), 및 각도의 함수로서의 그레이 스케일등은 중요한 특성을 이룬다. 양호한 휘도, 그레이 스케일 및 각도의 함수로서의 그레이 스케일 특성을 잠재적으로 나타내는 장래성있는 장치로는, 미합중국 특허 제5,466,358호에 기술된 바와 같이 수직 내지는 호메오트로픽(수직 배향, homeotropic)하게 정열된 콜레스테릭(cholesteric) 장치 및 미합중국 특허 제5,477,358호에 기술된 바와 같은 면내 스위칭 셀들이 있다. 양호한 스위칭율과 시야각의 함수로서의 그레이 스케일 거동을 달성하기 위해서, 이러한 장치들은 액정 방향자(director)의 신속한 멀티도메인 제어를 필요로 한다.

액정 정열의 멀티도메인 제어를 위해 면내 전기장을 사용하는 것은 예를 들어 미합중국 특허 제5,309,264호에 기술되어 있다. 더욱 더 세련된 기법은 예를 들어 미합중국 제5,309,264호에 기술되어 있다. 액정이 수직 배향하게 정열될 때, 상기한 어떤 장치도 적정하며 충분한 신속 도메인 제어를 보여주지 않는다. 이러한 패턴들중 일부는 상하 전극들이 서로에 대해 비교적 정확하게 위치되는 것을 필요로 하며, 이것은 달성하기 어려운 한편 통상 제조량의 분명한 감소를 가져온다. 면 내 전기장을 필요로 하는 다른 방법은 미합중국 특허 제5,745,207호에서 볼 수 있는 바와 같이 액정 장치의 적어도 한면에 있는 두개의 전극들을 수반하고 있다. 이것은 큰 전기장을 발생시키는 반면에, 실시상의 어려움이 있는 한편 그러한 장치의 제조와 관련하여 다수의 단계를 필요로 한다.

본 발명은 표시 장치나 다른 전기-광학 장치에 있어서, 액정의 정열에 대한 매우 양호한 제어를 가능하게 해준다. 상기한 액정 정열의 제어는 적정하게 패턴화된 전극의 사용에 의해서 달성된다. 특히, 소규모(small scale)의 패턴들이 본 발명에 따라 선정된 치수와 형태를 가진 비도전성 갭에 의해서 전극 내에 형성된다. 이러한 소규모의 패턴들이 액정의 단일 도메인에 주로 또는 전적으로 포함되며, 상기 패턴들은 종종 상기 전극 대부분의 면적을 덮기도 한다. 결과적으로, 본 발명은 액정 방향자들의 양호한 제어를 가능하게 해주며, 이것은 액정 도메인의 수, 크기 및 위치에 대한 빠른 스위칭과 바람직한 제어로 귀착된다. 더욱이, 본 발명의 이점들은 통상 비교적 간단하며 값싼 제조기술에 의해 달성될 수 있다.

따라서, 본 발명의 한 양태에 따르면, 거리 t 만큼 이격된 제 1 및 제 2 기판 그리고 그 사이에 배치된 액정 물질을 포함하는 액정 셀이 제공된다. 제 1 및 제 2 전극은 제 1 및 제 2 기판에 각각 배치되며 동력원(power supply)에 연결된다. 제 1 및 제 2 전극 중 적어도 하나의 전극은 기판의 평면에 평행한 평면에서 치수들에 의해 규정된 적어도 하나의 픽셀을 가지며 그 내에 적어도 하나의 비-도전성 갭을 더 포함하는데, 비-도전성 갭은 거리 t의 약 2.5배를 초과하지 않는 전극의 평면에 적어도 하나의 치수를 가진 소규모 갭이다. 제 1 또는 제 2 전극 중 다른 하나의 전극과 협력하는 전기장 인가 상태(field-on condition)일 때에, 픽셀은, 액정 분자들이 주로 동일 부호와 방향을 지닌 방위각 배향을 갖는 기판의 평면에 평행한 평면에서 치수를 갖는 적어도 하나의 액정 도메인을 형성하기에 효과적인 전기장을 포함하며, 소규모 갭의 적어도 일부분은 도메인의 경계로부터 거리 t의 적어도 약 1배인 도메인 내에 배치되며, 바람직하게는 거리 t의 적어도 2배인 도메인 내에 배치된다. 바람직하게는, 액정 셀은 하나의 픽셀 내에 복수의 소규모 갭을 포함한다.

일 실시예에 따르면, 전기장-인가 상태일 때에, 액정 물질은 픽셀 내에서 복수의 도메인을 나타내며, 각 도메인은 적어도 하나의 소규모 갭에 인접하거나, 또는 다른 실시예에서, 각 도메인은 복수의 소규모 갭에 인접하다. 본 발명의 다른 실시예에서, 제 1 및 제 2 전극 모두는 적어도 하나의 소규모 갭, 또는 다른 실시예에서, 복수의 소규모 갭을 포함하는 적어도 하나의 픽셀을 포함한다.

제 1 및 제 2 전극이 적어도 하나의 전극을 포함하는 다른 실시예에 있어서, 전기장 인가 상태에서, 액정 물질은 각 픽셀 내에서 복수의 도메인을 나타내며, 각 도메인은 적어도 하나의 소규모 갭 또는 복수의 소규모 갭에 인접하다. 본 발명의 수많은 실시예에 있어서, 제 1 및 제 2 기판상의 픽셀들은 대체로 인접하며 동일 면적(coextensive) 이다. 다른 실시예에 있어서, 도메인 경계의 적어도 일부분이 대체로 선형이며, 경계는 비-도전성 갭의 적어도 하나 또는 비-도전성 갭의 적어도 일부와 인접 및 동일 선상에 있거나, 또는 픽셀의 가장자리(edge)에서 대향 기판상의 전극의 가장자리의 위치에 있어서의 차이로 실질적으로 인접 및 동일 선상에 있으며, 그리고 복수의 소규모 갭은 일정 각도로 배치되거나, 또는 일정 각도로 연재한다. 수많은 실시예에서, 소규모 갭들은 대체로 직사각형이며 서로 평행하다. 다른 실시예에서, 모든 도메인 경계는 대체로 선형이며 비-도전성 갭 또는 비-도전성 갭의 일부와, 또는 픽셀의 가장자리에서 대향 기판상의 전극의 가장자리 위치에 있어서의 차이로 대체로 인접 및 동일 선상에 배치되며, 복수의 소규모 갭은 일정 각도로 배치되거나 또는 일정 각도로 연재한다. 바람직하게는, 소규모 갭들은 대체로 직사각형이며 평행하다.

일부 바람직한 실시예에서, 제 1 및 제 2 기판 모두는 적어도 하나의 상기된 픽셀을 포함하므로 픽셀이 대체로 인접하며 동일 면적(coextensive) 이다. 다른 실시예들에서, 각 픽셀이 복수의 소규모 갭을 포함할 때, 소규모 갭들은 대체로 직사각형이며 서로 평행하고, 대향 기판 상의 대체로 평행한 갭들은 셀을 통과시 자연적인 피치의 결과로서 액정의 배향각이 회전하는 각도보다 적은 약 10 ° 내지 약 30°의 각도로 서로 회전한다. 바람직하게는, 액정 물질은 부 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 또는 키랄 네마틱 액정으로부터 선택되며, 적어도 하나의 기판은 액정을 정렬시키도록 처리된다.

발명의 또 다른 양태에 있어서, 적어도 하나의 픽셀 내에서 면적의 적어도 약 60%는 전극의 도전성 부분의 가장자리로부터 거리 t의 약 1.5배이며, 바람직하게는 거리 t의 0.7배 내에 있다. 수많은 바람직한 실시예에서, 픽셀의 면적 중 적어도 약 80%, 그리고 더 바람직하게는 90%가 그렇게 설계된다. 일 실시예에서, 전기장-인가 상태에서, 액정 물질이 픽셀 내에서 복수의 도메인을 나타낼 때, 각 도메인은 인접한 복수의 소규모 갭이며, 적어도 하나의 픽셀 내에서 면적의 적어도 약 60%는 전극의 도전성 부분의 가장자리로부터 거리 t의 약 1.5배 내에 있다. 바람직하게는, 소규모 갭들은 Pg, Cm 또는 Pl로 이루어진 그룹으로부터 선택된 2차원 공간 그룹에 따라 변환하는 각 액정 도메인 내에서 패턴을 형성한다.

액정 셀을 제공하기 위한 발명의 다른 측면에 따르면, 픽셀은 전극의 평면에서 길이와 폭을 갖는 복수의 소규모 비-도전성 갭을 포함하는데, 그 폭은 거리 t의 약 2.5배를 초과하지 않으며 적어도 하나의 픽셀 내에서 면적의 적어도 약 60%가 전극의 도전성 부분의 가장자리로부터 거리 t의 약 1.5배 내에 있으므로, 제 1 또는 제 2 전극 중 다른 어느 하나의 전극과의 협력하는 전기장-인가 상태에서, 픽셀은 이 픽셀 내에 인접한 액정 방향자의 방향을 제어하기에 효과적인 전기장을 포함한다.

바람직하게는, 픽셀 내 면적의 적어도 약 90%는 전극의 도전성 부분의 가장자리로부터 거리 t의 약 1.5배 내에 있다. 바람직한 실시예에서, 갭들은 폭 보다 더 긴 길이를 가지며 서로 평행하다. 더 바람직하게는, 갭들은 대체로 직사각형이며 서로 평행하다. 다른 실시예들에서, 적어도 1개 픽셀 내 면적의 적어도 약 60%, 바람직하게는 적어도 약 80%, 더 바람직하게는 적어도 약 90%가 전극의 도전성 부분의 가장자리로부터 거리 t의 약 0.7배 내에 있다. 일부 실시예들에서, 픽셀은 도메인 경계의 적어도 일부분과 대체로 인접하며 동일 선상인 적어도 하나의 비-도전성 갭 또는 비-도전성 갭의 부분을 포함하며, 복수의 소규모 갭은 일정 각도로 배치되거나 또는 일정 각도로 연재한다. 일부 실시예들에서, 소규모 갭들은 대체로 직사각형이며 서로 평행하다.

본 발명의 수많은 실시예에서, 제 1 및 제 2 기판 모두는 적어도 하나의 픽셀을 포함하며 픽셀들이 대체로 인접하며 동일 면적(coextensive) 이다. 일부 실시예에서, 대향 기판상의 대체로 평행한 갭들은 셀을 통과시 자연적인 피치의 결과로서 액정의 방위각 배향이 회전하는 각도 보다 적은 약 10° 내지 약 30°의 각도로 서로 회전한다.

발명의 다른 양태에 따르면, 액정 셀에는 거리 t만큼 이격된 제 1 및 제 2 기판; 기판 사이에 배치된 액정 물질; 제 1 및 제 2 기판에 각각 배치되는 제 1 및 제 2 전극;을 포함하며, 제 1 및 제 2 전극 중 적어도 하나의 전극이 기판의 평면에 평행한 평면에 치수(dimension)에 의해 한정된 적어도 하나의 픽셀을 포함하며, 그 내에 복수의 비-도전성 갭을 더 포함하는데, 전극의 평면 내에 치수를 구비하기 위해서, 그리고 갭이 픽셀 내에서 패턴을 형성함으로써 제 1 또는 제 2 전극 중 다른 하나의 전극과 협력하여 전기장 인가 상태(field-on condition)에 있을 때에 전극이 액정 도메인 내에 전위에 대한 복수의 공간 하모닉(harmonics)을 야기하도록 배열되기 위해서 비-도전성 갭을 제공한다. 하모닉은 적어도 하나의 3개 쌍 일조(triplet)의 하모닉을 포함한다. 더욱이, 공간 하모닉은 액정 도메인의 가장 큰 치수보다 적은 주기를 갖는다. 복수의 공간 하모닉 중 적어도 하나의 3개 쌍 일조는 함께 더하여질 때 제로(0)가 되는 웨이브벡터를 가지며 더욱이 ⅰ) 3개 쌍 일조의 하모닉 중 하나와, 그리고 함께 작용하는 나머지 2개의 하모닉이 벡터(D)의 크기, 벡터(D)의 방향 또는 크기와 방향 모두에 있어서의 공간적 변화를 초래하여 D가 하나의 부호를 가질 때 이러한 변화가 동일 부호를 가지며 D가 다른 부호를 가질 때 서로 다른 부호를 가지거나; 또는 ⅱ) 기판들 중 하나에서 평가된 3개 쌍 일조의 하모닉 중 적어도 하나의 복소 진폭(complex amplitude)이 함께 곱하여질 때 허수부(imaginary part)를 가지거나; 또는 ⅲ) 상기 기판들 중 하나에서 평가된 하모닉의 3개 쌍 일조 중 1개 이상의 복소 진폭은 상기 웨이브벡터의 크기 범위를 가지는데, 상기 크기는 함께 곱(multiply)하여지며 또한 다른 2개 웨이브벡터의 도트 프러덕트(dot product)의 1배인 웨이브벡터의 퍼뮤테이션(permutation)에 대한 합에 의해 곱하여지고 상기 웨이브벡터의 범위에 대해 합 또는 적분 될 때 허수부를 지닌 합 또는 적분을 야기하므로, 전극들은 기판의 평면에 평행한 평면에 치수를 갖는 1개 이상의 액정 도메인을 형성하며 그 내에 액정 분자가 동일 부호 및 방향을 지닌 방위각 배향을 갖는다.

발명의 일 양태에서, 각 기판은 적어도 하나의 상기 픽셀을 포함한다. 바람직하게는, 픽셀은 대체로 인접하며 동일 면적이다. 본 발명의 다른 양태에 있어서, 하나의 기판은 복수의 그러한 픽셀을 포함한다. 또 다른 양태에서 양측 기판은 복수의 그러한 픽셀을 포함하며, 각 픽셀은 대향 기판 위의 대응하는 픽셀과 대체로 인접하며 동일 면적이다. 일부 실시예에서, 필셀 면적의 적어도 60%는 전극의 도전성 부분의 에지로부터 거리 t의 약 1.5배 내에 있다. 다른 실시예에서, 각 기판은 전극의 도전성 부분의 에지로부터 거리 t의 약 0.7배 내에 면적의 적어도 80%를 구비하는 적어도 하나의 픽셀을 포함한다. 바람직하게는, 각 액정 도메인 내에서 소규모 갭의 패턴은 Pg, Cm 또는 Pl로 구성된 그룹으로부터 선택된 이차원 공간 그룹에 따라 변환한다. 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 적어도 하나의 액정 도메인 내에서, 하나의 기판 위의 소규모 갭의 패턴은 기판 법선에 수직인 셀의 중심을 통과하는 축 둘레에서 180°정도 패턴을 회전시킴으로써 다른 기판 위의 패턴으로부터 얻어진다. 일부 실시예에서, 회전축은 셀을 통과시 액정의 방위각 배향이 회전하는 각도의 절반보다 작은 약 5°와 각도의 절반보다 큰 약 15°사이에서 갭의 장방향에 수직인 방향으로 각을 이룬다. 바람직하게는, 적어도 하나의 픽셀을 포함하는 기판은 액정의 정렬을 증진시키도록 더 처리된다. 일부 실시예에서, 기판 양측은 액정의 정렬을 증진시키도록 처리된다. 액정 물질은 부 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 또는 키랄 네마틱 액정으로부터 선택되며, 한개 또는 양측 기판은 액정이 수직 배향(homeotropic) 정렬을 증진시키도록 처리된다.

발명의 다른 양태는 방법을 제공하기 위한 것이다. 더 상세하게는, 거리 t 만큼 이격된 제 1 기판 및 제 2 기판과 그 사이에 배치되는 액정 물질, 그리고 제 1 및 제 2 기판에 각각 배치되며 동력원(power supply)에 연결되는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하는 액정 셀에 있어서, 본 발명은 액정의 방위각 배향의 부호와 방향을 제어하기 위한 방법을 제공한다. 본 방법은 전극에 평면에서 치수를 갖지며 그리고 다른 하나의 전극과 협력하는 전기장 인가 상태에서 액정 도메인 내에서 전위에 대해 복수의 공간 하모닉을 야기하기에 효율적인 전극의 패턴을 형성하도록 배열되는 전극 중 적어도 하나에 비-도전성 갭을 배치하는 단계를 포함하며, 하모닉은 적어도 하나의 3개 쌍 일조의 하모닉을 포함하고, 공간 하모닉은 액정 도메인의 가장 큰 치수보다 적은 주기를 가지며, 복수의 공간 하모닉 중 적어도 하나의 적어도 하나의 3개 쌍 일조는 함께 더하여 질 때 제로(0)가 되는 웨이브벡터를 가지며 더욱이 ⅰ) 3개 쌍 일조의 하모닉 중 하나와, 그리고 함께 작용하는 나머지 2개의 하모닉이 벡터(D)의 크기, 벡터(D)의 방향 또는 크기와 방향 모두에 있어서의 공간적 변화를 초래하여 D가 하나의 부호를 가질 때 이러한 변화가 동일 부호를 가지며 D가 다른 부호를 가질 때 서로 다른 부호를 가지거나; 또는 ⅱ) 기판들 중 하나에서 평가된 3개 쌍 일조의 하모닉 중 적어도 하나의 복소 진폭(complex amplitude)이 함께 곱하여질 때 허수부(imaginary part)를 가지거나; 또는 ⅲ) 상기 기판들 중 하나에서 평가된 하모닉의 3개 쌍 일조 중 1개 이상의 복소 진폭은 상기 웨이브벡터의 크기 범위를 가지는데, 상기 크기는 함께 곱(multiply)하여지며 또한 다른 2개 웨이브벡터의 도트 프러덕트(dot product)의 1배인 웨이브벡터의 퍼뮤테이션(permutation)에 대한 합에 의해 곱하여지고 상기 웨이브벡터의 범위에 대해 합 또는 적분 될 때 허수부를 지닌 합 또는 적분을 야기한다.

일 실시예에서, 본 발명의 방법은 복수의 도메인을 형성하기 위해서 비-도전성 갭을 배치하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 방법은 기판의 평면에 평행한 평면에 치수를 갖는 적어도 하나의 픽셀을 형성하기 위해서 비-도전성 갭을 배치하는 단계를 포함하며, 그 내에서 픽셀 면적의 적어도 60%, 바람직하게는 적어도 약 80%, 그리고 더 바람직하게는 적어도 약 90%가 전극의 도전성 부분의 가장자리로부터 거리 t의 약 1.5배 내에, 그리고 바람직하게는 거리 t의 0.7배 내에 있다. 본 발명의 일부 양태에서, 비-도전성 갭이 배치되는데 도메인 경계의 적어도 일부분이 대체로 선형이며, 그 경계는 적어도 하나의 비-도전성 갭 또는 비-도전성 갭의 일부와 인접하고 동일 선상(colinear)이거나, 또는 픽셀의 가장자리에서 대향 기판상의 전극의 가장자리 위치에서의 차이로 인접 및 동일 선상에 있으며, 그에 대해 일정 각도로 배치되는 복수의 소규모 갭을 더 포함한다. 바람직하게, 본 방법은 Pg, Cm 또는 Pl로 구성된 그룹으로부터 선택된 2차원 공간 그룹에 따라 변환하는 패턴으로 비-도전성 갭을 배치하는 단계를 포함한다. 발명의 일 양태에서, 방법은 거리 t의 약 2.5배를 초과하지 않는 전극의 평면에서 적어도 하나의 치수를 갖는 소규모 갭을 생성하기 위해서, 그리고 소규모 갭의 적어도 일부분이 도메인 내에서 도메인의 경계로부터 거리 t의 적어도 약 1배 내에 있도록 비-도전성 갭의 적어도 일부를 제공하는 단계를 포함한다. 바람직하게, 갭은 복수의 액정 도메인을 형성하도록 배치된다.

상기한 원칙들이 다수의 액정 디스플레이 또는 다른 전기-광학 어플리케이션에 유용할 수 있음이 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명백하다. 본문에 기술된 전극 패턴은 액정 방향자가 전기장 인가 상태에서 2개 이상의 가능한 배향을 갖는 다수의 셀과 함께 사용될 수 있다. 이들은 하기에 상세히 설명된 수직 배향으로 정렬된 액정 셀, 통과시 90°의 각도를 트위스트하는 평탄한 정렬을 지닌 트위스트된 네마틱 셀, 수직 배향으로 정렬된 표면 근처에서 액정 방향자의 배향이 본 발명의 패턴화된 전극에 의해 제어되는 부 유전 이방성을 지닌 하이브리드 셀을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 그러한 전극은 스메틱 C, 키랄 스메틱 C, 또는 후속 층에서 방향자의 틸트가 스메틱 C에서 구현되는 것보다 더 복잡한 스메틱 C_γ와 같은 기타 틸트된 키랄 또는 아키랄 스메틱으로 충전된 셀에 유용하다. 발명의 패턴화된 전극은 스메틱 액정 물질층의 법선이 전극 또는 기판의 법선에 평행산 셀에서 특히 유용하다. 그들은 배향이 하나의 상태에서 또 다른 상태로 완화되므로 네마틱 또는 기타 방향자의 배향을 동적으로 결정시 또한 유용하다.

본 발명의 한가지 바람직한 응용예는 수직 배향 정렬을 갖는 액정 셀에서 방향자의 정렬을 제어하는 것이다. 그러한 액정 셀의 일 예에서 셀의 양측이 수직 배향 정렬을 촉진시키도록 처리되었으며 아키랄 네마틱 액정을 사용하다. 또 다른 예는 상기된 것처럼 소위 "하이브리드(hybrid)" 셀이라 하며, 하나의 전극은 균일하게 문질러지거나 또는 패턴화되거나, 또는 그렇지 않다면 평탄한 정렬을 촉진시키도록 처리되며, 그리고 다른 전극은 수직 배향 정렬을 촉진시키도록 처리되어 본 발명에 따라 패턴화된다. 그러한 장치가 활성(active) 매트릭스를 채택할 때, 본 발명은 활성 매트릭스를 포함하는 기판을 문지를 필요를 제거해 준다. 문질러지지 않은 기판의 발명에 따른 적절한 패턴화는 액정 셀에서 도메인 개수의 바람직한 증가를 야기한다.

특히 바람직한 응용예에 있어서, 본 발명은 본문에 참조로 채용된 미합중국 특허 제5,477,358호에 기재된 것과 같은 네마틱 또는 코레스테릭 액정 셀에서 방향자를 제어하기 위해 사용된다. 이 셀은 액정의 방향자가 z-축, 즉 전극 표면에 법선 방향으로 평행하도록 2개 전극 사이에서 수직 배향으로 정렬된 키랄 네마틱 액정으로 구성된다. 액정은 충분히 큰 전압이 인가될 때 셀 내에서 액정 방향자가 틸트하도록 부 유전 이방성을 갖는다. 적절한 상쇄자(compensator)들을 지니므로, 이는 매우 어두운 "블랙" 상태 및 다른 바람직한 보기 거동을 허용한다. 그러한 장치에 본 발명을 적용하면 xy 평면에서 틸트 방향을 제어할 수 있으며, 큰 시야각과 그레이 스케일을 가진 고성능 멀티 도메인 장치가 비교적 간단하게 제조된다.

아울러, 본 발명은 네마틱 트위스트 셀에서 멀티 도메인 패턴들을 형성할 수 있게 해준다. 그러한 셀은 표면의 평면에서 정렬을 제공하기 위한 방식으로 문질러지는 2개의 표면으로 구성된다. 표면 문지르기로써 패턴화되어 방향자가 하나의 표면에서 다른 표면으로 시계 방향으로 또는 반시계방향으로 약 90°이동하는 회전을 한다. 그러한 셀에 있어서, 액정 내에 사전 틸트(pre-tilt)를 제공하기 위한 키랄 도펀트의 첨가 또는 표면 처리는 이러한 회전의 2가지 가능한 방향 간에 우선권을 부여하기 위해 사용되어왔다. 복잡한 제조 단계를 필요로 하는 패턴화된 사전 틸트가 없다면, 이러한 기술은 회전이 셀의 일부분에서 일 방향이고 셀의 다른 부분에서 대향 방향이도록 허용하지 않는다. 대조적으로, 본 발명의 패턴화된 전극은 부가적인 공정 단계 없이 셀 전체에 걸쳐 트위스트 방향의 제어를 가능하게 한다.

최종적으로, 평탄하거나 또는 거의 평탄한 정렬을 위해 처리된 전극에 본 발명을 사용하는 것이 또한 가능하다. 고정 강도가 작다면, 본 발명은 상당히 더 복잡한 제조 조건들 없이 면내 스위칭 전극처럼 동일한 결과를 얻도록 전기장이 인가될 때 네마틱 방향자의 재배향을 허용한다.

본 발명의 이러한 장점과 다른 장점들 및 보다 충분한 이해는 바람직한 실시예들에 대한 이하의 상세한 설명과 첨부 도면들로부터 달성될 것이다.

도 1은 두 전극 사이에서의 액정 방향자의 배향을 전형적으로 도시한 도면이다.

도 2는 액정 셀내의 결함이나 회위 내부 또는 주위에서의 다양한 액정 방향자들을 전형적으로 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명에 따라 작은 규모의 비-도전성 갭으로 패턴화된 전극들 사이에서의 액정 방향자의 배향을 전형적으로 도시한 도면이다.

도 4a 내지 4e는 본 발명에 따른 두 개의 전극 패터닝을 전형적으로 도시한 도면이다.

도 5a 내지 5d는 본 발명에 따른 다른 전극 패터닝을 전형적으로 도시한 도면이다.

도 6은 본 발명에 따른 전극 패턴을 설계함에 있어 유용한 공간 그룹의 개념을 도시하는 도면이다.

도 7은 본 발명에 따라 D의 방향과 부호를 제어하기 위해 사용될 수 있는 전극 패턴들을 도시하는 도면이다.

도 8은 본 발명에 따라 D의 방향과 부호를 제어하기 위해 사용될 수 있는 추가적인 전극 패턴들을 도시하는 도면이다.

비록 간단하게 하기 위해서 전극의 발명적인 소규모 패턴의 장점들이 부 유전 이방성(negative dielectric anisotropy)을 갖는 수직으로 정열된 네마틱 액정과 주로 관련되어 도시되어 있지만, 본 발명이 정(positive) 유전 이방성을 가진 스멕틱 씨와 키랄이나 아키랄 네마틱 같은 다른 액정 물질에 적용하는 것도 개시된 상태로 볼 때 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 명백할 것이다.

일반적으로, 본 발명은, 전위가 인가될 수 있는 도전성 영역을 가진 두 개의 기판들 사이에 끼워져있는 거의 균일한 두께를 가진 액정층으로 이루어진 액정 셀에 관한 것이다. 해당 기술분야에서 공지된 바와 같이, 상기 기판들 사이의 전위차가 선택적으로 다른 픽셀들 내에서 제어될 수 있도록 상기 기판은 통상 픽셀이나 다른 광학적 개구들로 나누어질 것이다. 몇몇 장치에서는 필요시 다수의 다른 전위를 각 픽셀에 가하는 것이 유리하다. 본 발명과 연관되어 사용하기에 적합한 능동 매트릭스, 수동 매트릭스 및 그 유사한 것을 포함하는 동력 공급 및 구동 전자공학은 해당 분야의 통상의 지식을 가진 자들에게는 알려져 있다. 액정의 적절한 정열을 증진시키기 위해 상기 기판들은 통상적인 방식으로 처리된다. 장치의 광학적 액티브 영역의 통상적 면적은 0.01 내지 100 센티미터 정도이며 통상적으로 층 두께 또는 셀 갭 t 보다 크며, 이는 통상적으로 1 내지 40 ㎛ 이고 예를 들어 유리 스페이서나 유사한 것에 의해 유지된다. 이러한 것들은 해당 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자들에게 쉽게 이해될 수 있다.

많은 장치에 있어서, 상기 픽셀들은 기판 평면에서 모든 방향으로 상기 셀 갭 t 보다 훨씬 더 큰 선형 크기를 갖는다. 전형적인 장치는 300 ㎛ 곱하기 100 ㎛의 픽셀들과 5㎛의 셀 갭을 갖지만, 일부 응용들은 그러한 셀 갭을 갖는 약 1 mm 곱하기 5 mm의 픽셀들을 가질 수 있다. 더욱이, 광 셔터나 초대형 디스플레이 장치와 같은 단일 픽셀 장치들은 일 측에 수 센티미터인 픽셀을 갖는다. 본 발명의 바람직한 응용에서, 기판 평면에서의 픽셀 치수는 매우 커서, 예를 들어 상기 셀 갭 t 보다 적어도 약 다섯 배 더 크다. 예시적인 개시에 의해 분명해지는 바와 같이, 본 발명은 대향 기판에 배치된 단일 전극들 사이의 갭에 관한 것이다. 전위차가 다른 치수보다 더 작은 두께를 갖는 셀을 가로질러 인가될 때, 상기 전극 평면에서 셀의 평균 전기장은 매우 작은 것으로 예상된다. 면내에 평균 자기장이 있는 한, 그것은 상기 픽셀의 경계로 부터 나온 것으로 정당하게 평가될 수 있다. 따라서, 평균 전기장은 한 기판에서 다른 기판으로 향한다. 상기 픽셀 내의 변화하는 전위와 상기 픽셀의 경계에서 기인하지 않은 공간적으로 변화하는 결과적인 전기장은 이후부터 주로 주기(하모닉(harmonics)) 함수로서 논의될 것이다.

도 1은, 미합중국 특허 제5,477,358호에 개시된 바와 같은 키랄 또는 아키랄의 수직 배향 정열의 액정 셀 내의 전극 효과를 도시하고 있다. 도 1은, 상기 특허에서 논의된 바와 같이 액정의 수직 배향 정열을 촉진하기 위해서 처리된 두 전극(3 및 5) 사이의 액정(1)을 도시하는 전형적인 도면이다. 프레드릭 전이를 유도하기에 충분한 전기장을 가해준 다음에 발생된 네마틱 방향자(director), 즉 액정 분자(1)의 장축의 대략적인 평균 배향이 도시된다. 벡터(D)는 상기 전극(3 및 5)의 평면에 평행한 평면(9) 위에 상기 셀의 중심에서 액정 방향자의 투영(projection)으로 도시되어 있다. 그러한 셀에서 전기장이 증대됨에 따라, 상기 방향자는 법선의 수직(homeotropic) 배향으로부터 도 1에 도시된 기울어진 배향으로 비틀린다. 도시된 바와 같이, 완전한 등방성 시스템에서는, 상기 두 전극 사이의 중간쯤에 있는 방향자(7)가 기울어는 한편, 이 기울어짐은 도 1의 참조번호 9로 개략적으로 도시된 바와 같이 xy 평면의 어느 방향이 될 수 있다. 다시 말해서, 극각(PA), 즉, 상기 방향자가 상기 전극 표면의 평면에 수직한 선(즉, z축)과 형성하는 각은 고정적이지만, 방위각(AA), 즉, 상기 평면(9) 위에 상기 방향자의 투영이 전극에서 임의로 선택된 선, 예를 들어, y축과 형성하는 각은 임의적이다. 만일 상기 방향자의 방위각이 예를 들어 본 발명의 전극 패턴의 사용에 의해서 제어되지 않는다면, 그것은 전기장 인가 상태에서 임의적일 것이다.

상기 벡터(D)의 임의 배향은 많은 응용에서 바람직하지 않으며, 따라서 상기 벡터(D)는, 배향과 크기가 거의 일정한 하나 이상의 도메인에서 거의 동일하게 제어되는 것이 매우 유용한다. 상기 기판들의 처리되지 않은 셀에 있어서, 상기 벡터(D)의 도메인 형성을 촉진하기 위해서 상기 셀이 전기장 비인가(field-off) 상태로부터 스위치 온 될 때 느린 역학관계가 생긴다. 액정에서의 임의의 동적 변동에 따라서 또는 상기 셀의 불균일성에 따라서, 상기 벡터는 다양한 위치에서 다양한 배향을 갖는다. 액정은 모든 이웃하는 분자들이 동일 방향으로 정렬될 때 더 낮은 자유 에너지를 가지므로, 이는 고 자유에너지 상태이며 일반적으로 시간의 경과에 따라 더 균일한 구조로 완화 또는 흩어진다. 그러나, 이것은 시간이 걸리며, 상기 벡터(D)의 다양한 배향에 의해 형성된 패턴이 t의 10-20 배 정도 이격된 구조를 포함하고 있을 때에 통상 효과적으로 정지한다. 그것은 종종 결함 또는 회위라 불리우며, 여기에서는 회위라 일컫는다. 그러한 회위의 중심에서 상기 벡터(D)의 크기는 제로이다. 상기 기판의 법선을 따라서 벡터 구조를 도시한 도 2a에서 볼수 있는 바와 같이, 상기 벡터(D)는 상기 회위를 중심으로 일주함에 따라서 360° 회전한다. 이와 같이, 어떠한 정렬 메카니즘도 없는 경우에는, 상기 벡터(D)는 상기 셀을 통해 천천히 이동하면서 변화하지만, 거의 일정한 명확한 도메인을 형성하지 않는다.

정렬 메카니즘의 존재는 전술한 거동을 상당히 변화시킨다. 특히, 본문에서 도메인 벽이라 불리우는 결함 내지 회위 구조에 의해 둘러싸인 명백한 도메인이 존재할 수 있게 된다. 도메인 경계의 일부를 형성할 수 있는 두 개의 구별되는 다른 형태의 도메인 벽들이 존재한다. 도 2b에 도시된 첫 번째 타입의 도메인 벽은, 상기 회위 내에서 벡터(D)의 방위각 배향이 통상 180°보다 작으며 어느 경우에도 180°가 아닌 각도로 변화한다는 것이다. 여기에서, 상기 벡터(D)의 배향이 회전하며, 상기 벡터(D)의 길이가 감소하는 동안 그것은 결코 0이 되지 않는다. 도 2c에 도시된 바와 같은 두 번째 타입의 도메인 벽은 상기 벡터(D)가 180° 만큼 변화하되 회위 내에서 회전하지는 않는다는 것이다. 대신에, 상기 벡터(D)는 그 길이를 바꾸며 상기 도메인 벽의 중심에서 0이 된다. 정렬 메카니즘이 존재할 때에도 회위가 여전히 가능하지만, 상기 회위의 본질은 분명히 변화된다. 상기 회위는 통상적으로 세 개 이상의 도메인 벽의 합류점이나 도 2d에 도시된 바와 같이 첫 번째 타입의 도메인 벽의 중심에 있게 된다. 어느 하나의 도메인 벽에 대한 이완은 이하에 상세하게 논의될 많은 수의 요인들에 의존한다.

도메인 벽, 특히 첫 번째 종류의 것들의 폭은 상기 정렬 메카니즘의 폭에 의존하며, 상기 폭은 상기 정렬 메카니즘의 증대되는 강도에 따라 작아진다. 아울러, 상기 정렬 강도가 감소됨에 따라 두 번째 종류의 도메인 벽들은 통상 첫 번째 종류의 도메인 벽들이 된다. 그러나, 상기 벡터(D)가 회전하기를 멈추거나 그 길이가 변화를 멈추는 뚜렷한 경계가 없다. 아울러, 본 발명의 정렬 메카니즘은, 통상 상기 벡터의 배향이 거의 유사한 도메인 없이도 상기 벡터(D)의 방향과 길이에서 변화를 야기한다. 따라서, 본문에 사용된 바와 같이, 도메인 경계는, 상기 벡터(D)의 길이가 도메인 내에서 가지는 평균 길이의 50% 이하로 떨어지거나 상기 벡터(D)의 방위각이 상기 도메인 내의 상기 벡터의 평균 방향으로부터 30°를 초과하는 위치이다. 이와 같이, 도메인의 내부에서 도메인의 외부로 움직일 때, 전술한 매개 변수 중의 하나가 충족될 시 도메인의 경계에 도달하게 된다. 상기 픽셀이나 다른 광학적 개구의 경계에서 이 도메인 경계가 도메인 벽의 일 측을 통과하거나, 회위를 포함하거나 또는 그 둘 다 일 수 있다.

상기 방향자의 방위각 배향이 또한 부호를 가질 수 있다는 사실이 중요하며, 여기서, 도 1의 xy 평면(9) 상에서 방향자의 투영으로 부여된 벡터(D)에는 상기 벡터가 상기 xy 평면(9)에서 지시하는 상대적인 방향에 부합하는 부호가 주어진다. 도 1에 도시된 바와 같이, 만일 상기 방위각이 제어되지 않는다면, 상기 벡터(D)는 상기 xy 평면(9)에서 각 점과 관련될 수 있다. 방위각 배향을 구분하기 위해서 상기 xy 평면(9)에서 임의의 선을 선택함으로써 부호가 상기 방향자의 벡터화된 투영에 할당되며, 상기 벡터(D)는 반대 부호를 갖는다. D의 방향과 부호를 둘 다 제어하기 위한 방위각 배향의 제어는, 각외 시야와 도메인 경계의 개수와 위치를 제어하는 것이 필요한 몇몇 응용에 있어서 매우 중요하다. 도시된 바와 같이, 전극 내 비-도전성 갭의 소규모 패터닝은 전기장 인가 상태에서 액정의 방향이나 방향 및 부호를 제어하기 위해 사용될 수 있다.

본문에 사용된 바와 같이, 단순한 소규모 패터닝은 D의 방향을 제어하지만 그 부호는 제어하지 않는 소규모 갭 패턴이나 갭의 소규모 부분을 지칭하는 반면에, 복합적 소규모 패턴닝은 D의 방향과 부호를 제어하는 소규모 갭 패턴이나 갭의 소규모 부분을 지칭한다. 소규모 비-도전성 갭 또는 갭의 부분은 전극의 평면에서 적어도 하나의 치수를 갖는 것이며, 이는 셀 갭인 거리 t의 약 2.5배, 바람직하게는 약 2.0배를 초과하지 않는다. 더욱 바람직하게는, 소규모 비도전성 갭은 적어도 그 일부분이 어느 액정 도메인의 경계 내에서 거리 t의 적어도 약 1.0배, 바람직하게는 약 2.0배가 되도록 배치된 전술한 치수를 갖는 갭으로서 정의된다. 이점은 아래에서 상세하게 논의된다. 마찬가지로, 용어 갭은 전극 표면의 비-도전성 부분을 지칭한다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 갭들은 전극이 에칭과 같은 방법에 의해 제거됨과 아울러 상기 패턴이 예를 들어 공지된 사진석판술에 의해 형성된 기판의 부위를 나타낸다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전극 내의 비-도전성 갭의 단순한 소규모 패터닝의 효과가 도시되어 있다. 도 3은 그 사이에 배치되는 부 유전 이방성을 갖는 수직 배향으로 배열된 아키랄 네마틱 액정을 위한 간단한 줄무늬 전극을 도시하고 있다. 상기 전극은 3A와 5A로 도시되어 있으며, 또한 전극에 있는 갭은 3B와 5B로 도시되어 있다. 도 3은 전기장 인가 상태에서 도시된 소규모 줄무늬 패턴으로 가능한 두 개의 방향자 구조들을 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 상기 벡터(D)는, 벡터(D)의 두 개의 가능한 부호가 D와 -D로 도시되어 비-도전성 갭의 가장자리에 평행하게 정렬된다. 따라서, 도시된 바와 같이, 도시된 줄무늬 패턴이 줄무늬와 평행하도록 D의 방향을 제어하는 동안, D의 부호는 제어되지 않으며 또한 이 경우에 y축에 대해 정 또는 부 방향에 있을 수 있다. 따라서, 도시된 바와 같이, 도 3에 도시된 전극 패턴은 방향을 제어하지만 D의 부호를 제어하지 않는다.

특히, 부 유전 이방성은, 상기 네마틱 방향자가 가능한 한 전기장에 수직에 가깝게 있을 때 자유 에너지가 낮아진다는 것을 의미한다. 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 바와 같이, 전기력선(electric field line)은 한 전극에서 시작해서 다른 전극에서 종료하며, 또한 모든 곳에서 전극에 수직이다. 따라서, 상기 전기력선은 상기 전극 내의 갭(3B 및 5B) 쪽으로 비스듬히 지향하고 있다. 예를 들어, 전극(3)내의 2.0t 보다 큰 폭을 가진 대규모 갭의 경우, 상기 전기장은 상기 갭과 수직한 벡터(D)에 기울기를 부여하며 또한 비-도전성 갭을 지향하여 상기 전극에서 이격될 것으로 기대된다. 이것은 셀 갭(t)의 두 배와 동일하거나 더 큰 폭을 가지며 몇 t가 서로 떨어진 비-도전성 갭들에 대해 입증된다. 그러나, 네마틱 액정에서, 순서 파라미터의 방향의 변화는 탄성 에너지를 필요로 한다. 본 발명에 따른 소규모 갭에 대해, 탄성 에너지는 경사의 방향에 대해 중요하며 셀내에서 거의 일정할 것으로 기대되는 한편, 이 경우 도 3에 도시된 바와 같이 상기 방향자는 상기 갭과 평행할 때 모든 곳에서 전기장에 거의 수직하다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 도 3은 소규모 패터닝을 도시한다. 상기 패터닝에 있어서, 통상 줄무늬에 평행한 D의 방향을 제어하기 위해서 비-도전성 갭 또는 줄무늬(3B 및 5B)의 폭은 상기 셀 갭 또는 두께(t)의 0.5와 2.5배 사이, 바람직하게는 0.5와 2.0배 사이이다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 상기 소규모 비-도전성 갭은 상기 거리(t)의 약 2.5배를 넘지 않는, 바람직하게는 약 2.0배인 적어도 하나의 치수를 상기 전극의 평면에 갖는다. 주어진 픽셀내에서 단순히 D의 방향을 제어하고자 할 때, 픽셀내 면적의 적어도 약 60%, 바람직하게는 약 75%, 보다 바람직하게는 약 90%가 상기 전극의 도전성 부분의 가장자리로부터 거리(t)의 약 1.5배, 바람직하게는 약 0.7배 내에 존재하도록 상기 소규모 갭들이 픽셀내에 배열된다. 아울러, 주어진 픽셀이나 그 일부분내에서 D의 부호와 방향을 제어하고자 할 때, 하나 이상의 소규모 갭이 전기장 인가 상태에서 액정 도메인의 경계 내에서 거리(t)의 약 1.0배, 보다 바람직하게는 약 2.0배의 거리에 배열된 적어도 하나의 부분을 갖는다.

본문에서 사용된 바와 같이, 소규모 갭은 대규모 패터닝과 구별될 수 있다. 대규모 패턴들은, 그들을 형성하는 갭의 물리적 치수 때문에 또는 그 거리, 이를 테면 유사한 갭으로부터의 거리 또는 도메인 경계와 관련한 위치와 배향 때문에, 비록 서로 근접해 있어도 전술한 소규모 갭 또는 그 부분들과 구분될 수 있다. 대규모 패턴을 형성하는 갭 또는 갭의 부분들은 전기장 인가 상태에서 통상 도메인 벽에 인접하거나 도메인 벽을 따라서 배치된다. 이는 갭의 큰 폭, 그 가장자리에서의 전극의 효과, 소규모 패턴의 효과 또는 몇몇 효과의 조합 때문이다. 따라서, 도 4b에 도시된 바와 같은 상호 연결된 인접한 갭의 패턴을 단일 갭으로 특징지을 수 있음에도, 그 부분들은 전기장 인가 상태에서 형성된 액정 도메인에 관해서 그 위치와 배향에 근거해서 서로 구별할 수 있다. 아울러, 픽셀의 가장자리에서 전극의 패턴은 통상 대규모 패턴의 부분으로 간주되어야 한다. 일반적으로, 하나 또는 두 기판상의 전극은 상기 픽셀의 가장자리에서 종료하거나 갭을 갖으며, 상기 전극의 가장자리의 위치는 각 기판에서 같을 필요가 없다. 가장자리 위치에 있어서의 그러한 차이는 픽셀 내의 넓은 갭과 동일한 효과를 갖으며, 전극 내의 갭의 일부분 및 대규모 구조의 일부분으로 간주 된다.

아울러, 전극 내의 갭 또는 갭의 부분들에 의해 형성되는 대규모 패턴들은 필수 불가결한 것은 아니지만 t의 약 4배보다 큰 전극 평면 내의 적어도 하나의 치수(dimension), 예를 들어, 길이를 갖는다. 종종, 전극 구조물에서 대규모 패턴을 형성하는 갭은 소규모 갭의 폭 보다 큰, 즉, 약 2-2.5t 보다 큰 갭폭을 가질 것이다. 예를 들어, 미합중국 특허 제5,309,264호에 개시된 갭들은, 통상 2t이며 모두 그 폭에 관계없이 대규모 패턴의 부분인 폭들을 가지고 있다. 소규모 패턴들과 협력해서 작용하는 대규모 패턴들은 소규모 패턴들과 협력해서 작용하지 않는 대규모 패턴들 보다 작은 폭을 가질 수 있다. 도메인 내의 D의 방향과 부호를 결정하는데 유효한 갭의 소규모 부분의 최대 폭이나 측방 치수는 도메인 벽의 위치를 결정하는 갭의 대규모 부분의 최대 폭 보다 클 수 있다. 소규모 갭 또는 갭의 부분들은 액정 도메인에서 유사한 패턴으로 전극의 표면 대부분을 덮는다. 소규모 패턴이 변화하더라도, 갭은 일정한 방향으로 진행되는 상당히 균일한 패턴을 가질 것이다. 대조적으로, 대규모 패턴과 관련된 갭 또는 갭의 부분의 장방향은 서로에 대해 그리고 인접한 소규모 갭 또는 갭의 부분들과 분명히 다른 방향으로, 예를 들어, 이웃한 소규모 갭의 평균 장방향으로부터 20° 이상 다르다. 종국적으로, 대규모 패턴을 형성하는 갭들 또는 갭의 부분들은 상기 벡터(D)를 제어하기 위해서 통상 비교적 멀리 떨어진, 예를 들어 5t 이상 떨어져 배열된 유사한 갭들과 협력해서 기능한다. 예를 들어, 그러한 갭들 또는 갭의 부분들로부터 5t 이상 이격된 전극의 두 부분이 명백히 D와 상이한 방향과 부호들을 선호하도록 설계됨과 아울러 대규모 갭들 또는 그 대규모 부분들이 D의 방위각 방향에 거의 수직한 상기 벡터(D)의 방향들 사이에서 각의 등분선의 20° 이내의 장방향을 가진다면, 상기 갭은 상기 액정 도메인들 사이의 도메인 벽에 인접하게 될 것이다. 따라서, 전술한 바와 같이, 소규모 갭들이나 패턴들을 구성하는 상기 갭들 또는 그 부분들 및 대규모 갭들 또는 패턴들을 구성하는 갭들 또는 그 부분들 간의 주된 구별은 전기장 인가 상태에서 소규모 갭들이 대개 액정 도메인내에 존재하는 반면에, 상기 갭의 대규모 부분들이 인접 도메인 경계를 따라 존재한다는 것이다. 따라서, 여기에서 사용되는 바와 같이, 용어 "소규모 갭(small scale gap)"은 비인접 갭이나 큰 인접 갭의 일부분을 지칭하며, 위에서 기술된 파라미터를 가진다.

여하튼, 도 3에 도시된 패턴에서, 프레드릭 전이를 유도하기에 충분한 인가된 전기장은 큰 구역의 방향자가 도시된 바와 같이 두 개의 가능한 방향(D와 -D)에 거의 평행하게 정렬되도록 한다. 그 이유는 상기 방향자가 상기 전극 평면에 있는 전기장 요소에 수직이기 때문이며, 또한 상기 방향자가 상기 셀 내에서 거의 변하지 않는다고 가정하면 이것은 가장 낮은 에너지 구성이다. 그러한 두 개의 가능한 방향자 정렬의 각각은 거의 같은 광학적 성질을 가지기 때문에, 이러한 방식의 패터닝은 많은 응용에 적합하다. 그러한 응용들은 일본국 특허 제57-63378호에 개시된 바와 같은 스위치가능(switchable) 이색성 흡수 표시장치, 스위치가능 이색성 편광기 또는 픽셀이 충분히 크거나 각도의 함수인 그레이 스케일이 중요하지 않아서 방향자의 임의의 부호가 표시장치의 성능에 크게 부정적으로 영향을 주지 않는 표시장치의 향상된 성능을 포함한다.

픽셀이나 셀 기판의 다른 광학 요소들을 나타내기 위해서 도 3을 외삽하면, 상기 갭들은 상기 셀 갭(t)의 약 3배보다 작은 공간 주기 P를 가지는 한편 픽셀 내 전극의 약 1/2이 유실되거나 비-도전성인 반복 패턴을 가진다. 소규모 전극 패터닝의 효과의 대부분이 상기 전극과 매우 인접한 도메인에 한정되지 않는 것이 바람직하다. 액정 상의 전극 패터닝의 주된 효과는 전위를 조절하는 것이며, 그 결과 액정의 배향에 영향을 미치는 조정된 전기장을 만들어낸다. 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 바와 같이, 전기장에서 조절의 크기는 지수적으로 감소되며, p/(2π)로 주어진 거리에 걸쳐서 급격하게 변동한다(이때, p는 전기장이 반복되는 주기이다). 이것은 상기 소규모 전극 패터닝이 패턴 내에서의 변화없이 변환될 수 있는 거리에 대응한다. 네마틱 액정 상의 전기장 효과는 주로 전기장의 이차방정식이다. 따라서, 단지 전기장의 곱(product)들이 상기 패턴의 유효성을 결정함에 있어서 주된 관심사가 된다.

공지된 바와 같이, 어느 두 개의 공간적으로 변화하는 전기장의 곱(product)에 비례하는 액정에 대한 효과는 두 개의 해당 지수함수의 곱으로 감소한다. 따라서, 평면 내에서 공간적으로 변화하는 전기장들에 비례하는 효과에 대해서, 만일 p₁과 p₂가 관련된 두 전기장의 주기이며 t가 셀 갭 이라면, 합 t2π/p₁+t2π/p₂이 단일체(unity)에 비해서 너무 크지 않는 것이 바람직하다. 아울러, 셀 내에서 감소되지 않는 균일한 전기장이 있다. 따라서, 이 균일한 전기장과 단일의 공간적으로 변화하는 장의 곱에 단순히 비례하는 효과들은 t2π/p가 단일체에 비해 크지 않다는 약한 제약을 갖게 된다. 마지막으로, 일정 주기에서 제거되었던 전극의 면적이 증가됨에 따라서 전기장의 공간적으로 변화하는 요소의 크기가 급격하게 증가된다. 이에 비하여, 만일 주기가 충분히 작다면, 도전성 전극이 비-도전성 전극에 의해 대체될 때 균일한 전기장의 크기가 비교적 서서히 감소한다. 따라서, 큰 정렬 전기장이 바람직하기 때문에, 전극의 상당 부분을 제거하는 것이 유리하다. 아울러, 일반적으로 말해서, 본 실시예나 다른 실시예에 대해서, 소규모 갭 또는 갭의 소규모 부분이 많을수록, 특히, 큰 픽셀을 가진 경우에 더 좋다. 소규모 갭 또는 갭의 소규모 부분의 수를 증가시킴에 따라, 실용적인 제조성 파라미터 내에 머물러 있는 한, 도전성 표면의 양을 감소시키지 않는 한에서 충분한 수직 전기장 강도가 더 이상 유지될 수 없는 지점까지 본 발명에 관한 장점들을 극대화시키는 경향이 있다. 바람직하게는, 본 발명의 이 실시예와 다른 실시예에 있어서, 주어진 기판의 픽셀이나 다른 광학적 개구의 면적의 적어도 약 60%, 더욱 바람직하게는 80%, 더욱 바람직하게는 약 90%가 상기 전극의 도전성 부분의 가장자리로부터 거리(t)의 약 1.5배, 더욱 바람직하게는 약 0.7배 내에 존재하게 된다.

비록 도 3은 가장 단순한 형태로 D의 방향을 제어하기에 적합한 양호한 소규모 패터닝을 도시하고 있지만, 통상 선형의 소규모 비도전성 갭의 다른 선형 평행 패턴들이 사용될 수 있다. 중요한 제약은, 전극 내에서 비-도전성 갭의 폭은 거리(t)의 약 2.5배보다 크지 않아야 한다, 더 바람직하게는 2.0배보다 작아야 한다는 것이다. 특히, 기판의 평면에 평행한 xy평면 내에 약 50 X 150 내지 200 X 600 마이크론 정도의 길이나 폭을 통상적으로 가지는 셀 기판상의 일정 픽셀 내에서, 발명의 본 실시예에 따른 비-도전성 소규모 갭 또는 갭의 부분은 xy평면 내에서 다른 치수보다 상당히 긴 하나의 치수를 갖는다. 이 치수가 장방향에서 갭의 길이로 취해진다면, 상기 갭의 폭은 상기 두께(t)의 약 2.5배, 더 바람직하게는 0.5 내지 2.0배보다 많지 않도록 취해질 것이다. 만일 장치를 만드는 데 있어 유일한 이슈가 선택된 방향(예를 들어, 줄무늬 방향) 및 평행한 방향(또는 거기에 역평행(anti-parallel))에 수직한 면내 전기장의 크기에 있어서의 차이라면, 적당한 주기와 갭 폭을 가진 도 3에 도시된 단순 줄무늬 패턴이 통상 선호된다.

이러한 패턴으로부터의 이탈은 평행한 전기장들의 감소나 수직한 전기장들의 증가를 초래한다. 그러나, 면내 전기장들의 크기에 더하여 수많은 이슈들이 있다. 더욱이, 평행한 전기장들이 수직한 전기장들에 비해 충분히 크면, 상기 벡터(D)의 배향의 정렬이 기대되지만, 이는 더욱 느리고 무작위성(randomness)에 더욱 민감하다.

제조성은 줄무늬 패턴을 유리하게 변경하게 해줄 수 있는 하나의 이슈이다. 예를 들어, 큰 픽셀에 대해서, 매우 길고 얇은 "와이어들", 즉, ITO에서 대응하게 길고 얇은 갭들이 에칭된 후에 남겨진 ITO 전극의 길고 얇은 부분들은, 개방회로가 되어 전극 부분들이 전압원에 접속되지 않는 결함을 갖게 된다. 상기 픽셀이 줄무늬의 경우와 같이 평행한 장방향들을 가진 반복하는 패턴으로 다수의 갭들을 포함할 때, 심지어 비도전성 갭들이 도 3에 도시된 바와 같이 순수하게 장방형이 아닐 경우라도 도3에 도시된 바와 같이 D의 방향을 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 갭들의 폭, 장방향 및 주기의 순효과가 통상 갭들의 패턴의 장방향에 평행하도록 상기 전극과 갭들에 인접한 액정의 D의 방향을 제어하는 것이며 또한 이 효과가 반대 전극상의 갭들이나 픽셀내의 다른 갭들의 패턴에 의해 소멸되지 않는 한, 그러한 폭을 가진 갭들은 사인곡선이나 지그재그 형태이다. 그러한 패턴의 효과는 상기 갭들을 더욱 더 많이 사용함에 의해서 강화될 수 있으며, 바람직하게는 주어진 픽셀이나 기판 표면의 다른 광학적 개구의 면적의 적어도 약 60%, 더욱 바람직하게는 약 90%가 상기 전극의 도전성 부분의 가장자리로부터 거리(t)의 약 1.5배, 더욱 바람직하게는 약 0.7배 내에 있도록 한다. 임의의 소규모 갭들 또는 패턴들로부터 멀리 떨어진 영역들은 방향자의 많은 배향들과 일치하며, 그래서 통상 불리하게 길게 지속되는 결함으로 귀착될 수 있는 느린 움직임(dynamics)을 갖게 된다. 더욱이, 만일 두 전극이 본 발명에 따른 소규모 갭들로 패턴화된다면 통상적으로 바람직하다. 물론, 그러한 비-도전성 갭들의 길이는 픽셀의 전체 길이 또는 폭에 이르거나 또는 그 일부만을 커버 할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 적당한 장방향 갭 형태와 패턴들, 즉, 다른 적정한 직선의 평행한 패터닝은 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백하거나 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 경험적으로 결정될 수 있다.

하나의 전극에는 소규모 패터닝을 사용하며 대향 기판에는, 예를 들어, 연속 전극과 같은 무 패터닝을 사용함으로써 정렬이 달성될 수 있지만, 양측 전극에 소규모 패터닝을 채용함에 의해서 정렬을 우수하게 제어할 수 있다. 아키랄 액정의 경우에 있어서, 도 3의 바람직한 소규모 줄무늬 패터닝 또는 D의 방향에 대한 적정한 제어를 유발시키는 필적하는 선형 평행 패터닝은 양 기판상에서 평행해야 한다. 이와 달리, 만일 액정이 키랄이면, 방향자는 통상 한 전극에서 다른 전극으로 회전한다. 그러한 시스템에 있어서, 상기 줄무늬 또는 다른 선형 평행 패터닝의 방향은 대향 기판에 관해서 방향자가 회전하는 양보다 약간 적은 양만큼 회전해야 한다. 이것은 각 줄무늬 패턴이 그 전극의 방향자에 영향을 주지만 전극에 있는 방향자에는 영향을 주지 못하기 때문이다. 셀 갭(t)에 대한 패터닝 주기(P)의 비가 크면 클수록 상하부 패턴들이 회전해야 하는 각도는 더 작아진다. 해당 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 바와 같이, 면내 가장자리 전기장이 액정으로 침투한 거리가 약 P/(2π)이다. 방위각 배향에 영향을 미치는 이러한 전기장들의 제곱은 거의 P/(4π)를 침투한다. 상기 두 전극들의 배향 영향력들이 서로 일치하도록 회전각이 조절되어야 한다. 이것은 상기 두 전극 상에 있는 줄무늬들 사이의 각이 전극(5) 위의 P/(4π)와 상기 전극(3) 아래의 P'/(4π)사이에 있는 영역 내에서 상기 방위각 배향이 회전하는 각에 가깝다는 것을 의미한다. 양측 전극이 줄무늬 또는 다른 선형 평행 패터닝을 가지고 있다면, 원칙적으로 줄무늬 또는 선형 패턴들의 상대적인 배치 효과가 있다. 대부분의 셀들에 있어서, 상기 줄무늬들이 서로 평행하다면 이러한 효과들은 가장 클 것이다. 그러나, 이러한 효과들은 단지 벡터(D)에 수직한 추가적인 전기장을 발생하며, 본 발명에 따른 성능에 부정적으로 영향을 미치는 것으로 관찰되지 않았다. 따라서, 그러한 응용들에 대해서 기판의 밀접한 배치(registry)가 중대하지 않다.

도 3에서 잘 알 수 있는 바와 같이, D의 방향만을 제어하는 것은 액정 도메인의 임의적 형성을 야기하여 액정의 몇몇 영역들이 D의 한가지 부호를 주로 나타내도록 정렬되는 한편 다른 영역들이 D의 반대 부호를 주로 나타낸다. 이러한 명료한 방향자 정렬들을 분류하는 도메인 벽들은 도메인들 자체와는 광학적으로 다르다. 도메인 벽의 광학적 성질이나 회위가 중요한 응용들에 대해서는 본 발명의 전술한 실시예에 따른 방향자의 방향 제어만으로 불충분하다. 이러한 응용을 위해서는, 예시적인 줄무늬의 패터닝 또는 균등한 선형 평행 패터닝에 의해서 가능한 상기 두 개의 정렬들이 제어되어야 한다. 이것은 전기장의 존재하에서 D의 방향 뿐만아니라 부호를 제어함으로써 수행될 수 있다. 본 발명에 따르면, 이것은 복잡한 소규모 패턴들, 대규모 패턴들과 조합된 복잡 및 단순한 소규모 패턴들 또는 액정의 바람직한 기울임 각을 증진시키는 표면 처리와 조합된 전술한 어느 하나를 사용해서 수행될 수 있다.

한 실시예에 있어서, D의 방향과 부호는 리엔 등에게 부여됨과 아울러 여기에 참조로 포함된 미합중국 특허 제5,309,264호에 개시된 것들과 유사하게 대규모 패터닝과 조합된 본 발명에 따른 단순한 소규모 패터닝을 사용하여 제어될 수 있다. 전기장의 존재하에서, 일정 픽셀 내에서 비-도전성 갭들의 패터닝이 상기 픽셀내에서 하나 이상의 액정 도메인들을 형성하며, 각 도메인은 액정 분자의 방위각 배향이 같은 방향과 부호인 전극의 평면에 평행한 평면에서 액정의 면적에 의해 한정된다. 이 실시예에 있어서, 비-도전성 갭들의 단순한 소규모 패턴들은 일정 도메인 내에서 D의 방향을 제어하기 위해 전술한 바와 같은 방식으로 기능함에 반하여, 비-도전성 갭들의 대규모 패턴들 또는 대규모 및 소규모 패턴들의 조합된 효과들이 그 도메인 내에서 D의 부호를 유발시키는 기능을 한다.

대부분의 바람직한 실시예에 있어서, 일정 픽셀에 인접한 액정이 전기장의 존재하에서 멀티 도메인을 나타내도록 비-도전성 갭들의 대규모 패터닝이 구성된다. 여기에서, 대규모 패턴들은 각 도메인의 벽을 한정하거나 각 도메인의 벽들과 동일 면적으로, 단순한 소규모 갭들이나 그 갭들의 부분들은 도메인 경계로부터 거리(t)의 적어도 약 1.0배, 바람직하게는 1.5-2t 또는 그 이상의 거리에 일부분을 적어도 하나 가지고 있다. 그 대신, 비-도전성 갭들은 일정 픽셀 내에 단일 도메인을 만들기 위해서 패턴화될 수 있어서, 픽셀의 가장자리에 대규모 패턴들이 배치되는 한편 픽셀의 면적 내에 소규모의 갭들이 배치된다.

이러한 방식으로 D의 방향과 부호를 둘 다 제어하는 이로운 결과는 도메인의 수와 위치를 제어할 수 있어서, 일정 픽셀 내의 광학적으로 서로 다른 도메인 벽들의 수와 위치 또는 픽셀의 수를 제어할 수 있다는 것이다. 더욱이, 대규모 및 소규모 패터닝의 조합적인 사용은 가능한 결함이 거의 없으며 스위칭을 빠르게 하기 때문에 대규모 패터닝의 사용에 비해 우월하다.

도 4는 부 유전 비등방성을 가지는 키랄 네마틱 액정과 함께 사용하기에 적절한 대형 및 소형 패턴닝의 여러 조합을 도시한다.

당 분야의 전문가는 본 발명을 고려하여 이들 패턴 및 기타 패턴들을 다른 액정재료 및 셀에 적용할 수 있을 것이다. 도 4a는 기판의 법선(normal)을 따라 고찰되는 일정 픽셀에 대한 전극 패턴을 양식화한 도면이다. 여기에서, 전극의 도전성 부분은 음영 부분으로 나타낸다. 그러한 패턴닝은 왼편(left-hand)의 피치를 가진 키랄 네마틱 액정에 대해 적절할 수 있다. 도 4a에서, 대규모 갭 패턴은 넓게 이격된 수평 갭으로, 상단 전극(3)에서 참조부호 6으로 표시되고, 하단 전극(5)에서 참조부호 8로 표시되며, 상기 소규모 갭은 각각 상기 음영처리된 전극의 경사진 빗살형 부분 사이의 비-도전성 공간(3B,5B)들에 의해 한정된다. 이러한 셀에서, 기판은 약 5 ㎛의 거리(t)만큼 분리되며, 소규모 비-도전성 갭(3B, 5B)은 t와 거의 같은 폭을 가진다. 마찬가지로, 전극의 도전성 부분(3A, 5A)의 폭도 t와 거의 같다. 대각선의 전극 세트 사이에서 대규모 갭을 형성하는 거리는 2t이다. 앞서 설명한 전극 패턴은 괄호표시 A, B, C로 일반적으로 표시되는 3개의 액정 도메인 A, B, C를 생성할 것이며, 여기에서 셀의 중심에서의 D의 방향은 동일하지만, D와 -D로 표시된 D의 부호는 다르며, 각각의 도메인 A, B, C내에서 실질적으로 동일하다. 광학적으로, 도메인 A, B, C의 경계는 갭(6,8)을 따라 도메인 벽에서 한정될 것이다. 물론, 도 4a는 단지 패턴의 일부를 나타내는 것이며, 상당히 큰 부분의 픽셀이 되도록 반복되어 매우 많은 부가 도메인 및 도메인 경계(비도시)를 생성할 수 있다. 도시된 바와 같이, 소규모 비-도전성 갭(3B, 5B)은 도메인 내에 주로 배치되며, 도메인 경계로부터 적어도 2t의 거리인 적어도 일부분을 포함한다. 도메인 A,B,C내의 기판의 어느 부분도 전극의 도전성 부분의 가장자리로부터 1t보다 크지 않음을 또한 알 수 있다. 또한 도 4a는 키랄 네마틱 액정에 사용되는 상단 및 하단 전극 위의 소규모 비-도전성 갭의 상대적인 각 변위를 도시한다. 언급된 바와 같이, 상단 전극상의 이들 갭이 하단 전극내의 갭에 대해서 이루는 각도는 셀을 통해 움직이는 액정의 자연적 회전보다 약간 작다.

물론, 도 4a에 도시된 패턴은 예시적인 것이며, 본 발명을 고려하여 당 분야의 전문가가 분명하게 알 수 있듯이 비-도전성 갭 및 도전성 전극의 치수는 본 발명에서 이탈됨 없이 변할 수 있다. 특히, 도 4a에 도시된 패터닝은, 대규모 패턴을 형성하는 수평의 넓게 이격된 갭(6,8)이 셀 갭의 두배 정도 또는 그 이상으로 상당히 넓은 한 무-결함일 것이다. 이는 바람직한 도메인 구조에 있어서, 방위각이 도메인 벽내에서 약 180°만큼 회전하기 때문이다. 만약 갭이 충분히 넓지 않으면, 갭의 중심에서의 경사도는 제로가 아니다. 만약 갭이 제2타입의 180°도메인 벽을 야기할 정도로 충분히 넓지 않으면, 단일 도메인 내에 2개의 다소 상이한 배향이 있는 것이 가능하며, 이는 대규모 갭을 통과시 상이한 방향으로 180°보다 다소 적은 회전에 대응한다. 이들 2개의 다소 다른 배향은 도 2d에 도시한 바와 같이 대규모 갭의 중심에서 회위에 의해 구분될 것이다. 이들 다른 배향은 일반적으로 바람직하지 못한 작동을 야기할 것이다. 대체로, 이러한 문제는 소규모 패턴에서의 적절한 변화, 즉 상기 2개의 가능한 회전중의 하나 또는 다른 하나를 선호하게 함으로써 조절될 수 있다. 그런데, 이러한 문제는 180° 도메인 월에만 있는 문제이다. 그러므로, 바람직한 도메인 모두가 180° 떨어진 배향을 갖지 않는 상황에서는, 180°가 아닌 다른 각도의 도메인 벽을 가지는 것이 더 나을 것이다. 바람직하게, 이는 또한 더 작은 각도의 도메인 벽이 대체로 좁아짐에 따라 일반적으로 광도를 증가시킬 것이다. 또한, 이들이 바람직하지 않은 시야각 반응(behavior)을 가진다 해도, 더욱 빛을 발하며, 이는 일반적으로 바람직하다.

도 4b-e는 도메인 벽이 180°도메인 벽이 아니며 90°도메인 벽인 다중 액정 도메인을 만들어내는 간단한 소규모 비-도전성 갭과 대규모 패턴의 비-도전성 갭을 조합한 전극을 예시한다. 다시, 기판의 법선을 따라 나타나게 되는 패턴을 보면, 도 4b 및 도 4c는 하부 전극 및 상부 전극(20 및 30)을 각각 도시하며, 도 4d는 셀에서 하나의 전극을 다른 전극 상부에 배치한 전극의 배치(registry)를 예시한다. 도시된 바와 같이, 상부 전극이 기판에 직각인 수직축을 중심으로 하부 전극에 대해서 상단 전극이 약 180°만큼 회전된 점을 제외하고는, 패턴들이 동일하다. 도 4b-4e에서의 도전성 전극은 음영 부분으로 도시되며, 비-도전성 갭은 비음영 부분으로 도시된다. 도시된 바와 같이, 전극(4b, 4c) 사이의 셀 갭(t)은 5㎛이고, 도시된 패턴은 폭 20.8t 및 길이 56.8t의 픽셀을 정의한다. 비음영의 x로 도시된 비-도전성 갭(24, 34)은 각각 3t 폭이며, 대규모 패턴을 형성한다. 음영의 x로 도시한 대각선 전도성 전극(22, 32)은 1.6t 폭이다. 대규모 수평 패턴을 형성하는 비음영 갭(23,33)은 전극(25, 35)과 마찬가지로 2t 폭이다. 소규모 비-도전성 갭(26,36) 및 도전성 전극(28,38)은 lt이므로, 소규모 줄무늬 패턴의 주기는 2t이다. 4c에서 생성된 픽셀은 대규모 패턴(24,34)을 따라 경계에 의해 분리된 7개의 액정 도메인(41~47)을 생성할 것이다.

도 4a의 패턴에서와 같이, 소규모 비-도전성 갭 또는 갭 부분들은 주로 도메인 내에 배치되며, 도메인 경계로부터 적어도 2t의 거리인 적어도 일부분을 포함한다. 도메인(41-47) 내의 기판의 어떤 부분도 전극의 도전성 부분의 가장자리로부터 1.5t이상이 아님을 또한 알 수 있다. 도 4e에서 볼 수 있는 바와 같이, 4b 및 4c의 패턴은 하나의 개별 픽셀 또는 셀의 다른 광학 구경을 형성할 수 있으며, 또는 셀의 더 큰 부분을 채우는 반복 패턴의 일부를 형성할 수 있다.

상기된 바와 같이, 다른 바람직한 실시예에서, 비록 대규모 패턴이 함께 사용될 수 있지만, 어떠한 대규모 패턴의 갭 없이도 전극의 하나 또는 양쪽 위에 적절한 복합 소규모 패턴닝을 사용하여 D의 부호 및 방향이 조절될 수 있다. 소규모 갭 패턴만을 이용하여 벡터(D)의 방향뿐만 아니라 부호를 결정하는 것은 단순히 D의 방향을 결정하는 것보다 보통 더 많은 복잡한 패턴을 요한다. 이는 상기한 바와 같이 면내 치수가 그 분리된 부분(t)보다 훨씬 큰 2개의 전극과 관련된 매우 작은 네트 평균 면내 전기장만이 있을 수 있기 때문이며, 이들 전기장은 주로 전극의 경계로부터 기인한다. 따라서, 균일한 큰 전기장(전극의 수직선을 따르는 전기장)만으로는 D의 부호를 결정하지 못하므로, 간단한 줄무늬의 소규모 패턴 내에서 균일한 전기장의 곱(product)을 사용하여 벡터(D)의 부호를 결정하는 방법이 없다. 이후, 벡터(D)의 부호를 결정하기 위해서 따로 또는 병행하여 사용될 수 있는 두 가지 기술을 설명한다. 이들 실시예의 각각은 더욱 복잡한 전극 패턴을 포함하는데, 이 패턴에서 전기장의 변화에 대응하는 벡터(D)의 크기 또는 방향의 변화는 벡터(D) 중 하나의 부호를 다른 하나의 부호보다 선호한다. 이는 벡터(D)의 방향 또는 크기 중의 어느 하나를 변경시킴으로써 행해질 수가 있다.

단일 전극 위의 패턴을 지닌 또는 대향하는 전극 위의 패턴의 상호작용에 의해 벡터(D) 및 전위의 변화를 일으키는 것이 가능하다. 실제로 모든 액정 방향자가 동일한 부호의 벡터(D)를 가지게 되는 도메인을 형성하는 갭의 주기적 시스템에 대해서, D의 변화와 전위의 변화는 같은 주기를 가져야 하며, 더 나은 결과를 위해 특정 분기만큼 서로 변위 되어야 한다. 비-주기적 시스템에서는 유사한 제약이 있을 것이다. 그런데, 2개의 전극이 협력하여 벡터(D)의 변화 및 전위의 변화 모두를 결정하면, 이들 두 변화의 상대적 변위는 대향하는 전극 위의 패턴의 상대적 변위 또는 배치에 의해서 전체적으로 또는 부분적으로 조절될 것이다. 패턴의 주기가 작은 것이 유리하므로, 이는 전극의 배치에 대해 양호한 조절을 필요로 할 것이다. 이는 현재의 제조기술과 연관되어 있으나 어렵운 작업이다.

도 5a에 도시한 바와 같이 각각의 전극을 패터닝하는 것은 D의 부호 및 방향의 정렬을 야기한다. 이는 D의 크기의 변화로부터 야기되며, 이 변화는 전위의 변화와 동일한 주기를 가진다. 그런데, 하나의 방향이더라도 이는 적절한 전극의 배치(registry)를 필요로 한다. 아래에서는, 도면의 평면에서 배향을 설명하기 위해서 페이지의 저면에 대해 이들 용어의 일반적 의미 내에서 용어 '수평' 및 '수직'을 이용할 것이다. 도 5의 전극은 키랄 물질 내의 줄무늬 패턴에 관한 상기 설명과 일치하게, 대시 라인(50)으로 일반적으로 나타낸 거의 수평인 줄무늬의 단일 패턴의 갭으로 이루어지는데, 이들은 10°만큼 대향 전극에서 다른 방향으로 회전된 것이다. 그런데, 이러한 패턴은 일반적으로 참조부호 51로 표시된 많은 수직 전극 또는 "와이어"로 상기 줄무늬 갭을 가로 막음으로써 변형된 것이다. 바람직하게, 이는 복합적으로 연결된 전극을 야기하므로, 의도하지 않은 전극 개방으로 인해 개방 회로를 야기할 가능성이 적어진다. 도시된 줄무늬는 수직방향으로 t의 2배의 주기를 가지며 VP로 표시하고, 수평 주기는 3t로서 HP로 표시한다. 수평 줄무늬는 10° 회전되었고, 도전성 및 비-도전성 부분은 같은 폭을 가진다. 수직 와이어(51)는 1t의 폭이다.

전술한 패턴에서, 대략적으로 (10°만큼 회전된 ) 수평인 줄무늬(50)는 전극의 배치에서의 어떤 변화에도 무관하게 방향자의 수평 배열을 야기한다. 이는 수평 전기장의 효과에도 불구하고 수직 와이어(51) 때문에 발생된다. 또한, 수직 와이어(51)는 기판의 수직선을 따라 전기장의 크기 변화를 야기하므로, D의 크기의 변화를 일으킨다. 이들은 또한 수평의 가장자리 전기장을 야기한다.

도 5a에 도시한 바와 같이, 만약 전극이 수평 방향에서 어느 일 방향으로 4분의 1 주기만큼 변위 되면, 벡터(D)의 크기는 2개의 수직 와이어(51) 중 하나에 의해 커버되는 반주기에서는 더 크고, 상기 2개의 수직 와이어가 겹치지 않는 반주기에서는 더 작다. 상기 제1 반주기의 중심 근처의 가장자리 전기장은 결과적으로 상기 제2 반주기에서보다 더 중요하다. 결과적으로, 이 셀 내의 D의 선호되는 방향은 수평이다. 그 부호는 셀의 중심에서의 액정 방향자의 배향이, 대향하는 기판위에 배치된 임의의 쌍의 인접하는 수직 와이어의 중심을 연결하는 최단 라인에 평행하기보다는 거의 직각이 되도록 한다. 그런데, 분명하게, 도 5b 및 5c에 도시된 바와 같이 전극들이 서로에 대해 수평방향으로 임의 수의 반 주기만큼 변위되는 때에 이러한 효과는 관련이 없으며 벡터(D)의 부호는 조절되지 않는다. 중간 변위는 D의 부호의 중간 레벨의 조절을 야기한다. 따라서, 전극의 배치가 t의 0.6 배 내에서 제어될 수 없으면, 이러한 특정 패턴은 D의 부호 및 방향 모두를 예측가능하게 제어하는 데에 이용될 수가 없다. 대부분의 변위는 속도를 변화시키며, D의 부호를 조절할 것이다. 그런데, 배치가 잘 조절될 수 없다면, 이러한 패턴은 D의 부호를 또한 조절하는 대규모 또는 기타 패턴과 함께 이용될 수가 없다. 따라서, 5㎛의 명목상의 셀 갭에 대해서, 이들 전극은 D의 부호를 조절하기 위해서 적어도 일 방향으로 3㎛ 오차를 갖는 배치를 요한다. 이는 현재의 제조기술의 능력 내에 있다.

도 5d는, 픽셀에 나타난 것처럼, 도 5a의 패턴(페이지 상에서 90 °로 재배향됨)을 도시한다. 평행사변형(3B, 5B)에 의해 표현되는 상부 및 하부 전극에서의 비-도전성 갭은 각각 폭 1t 및 길이 3t이다. 대규모 갭(6B, 7B)은 폭 3.2t이다. 만약 도시된 픽셀에서 상부 및 하부 전극이 적절히 배치되면, 벡터(D)의 부호 및 방향 모두 픽셀 내에서 조절될 수 있다.

분명하게, 많은 전극 패턴이 도 5a에 도시된 것과 같은 결과를 얻을 것이다. 이들 전기장 및 이를 일으키는 패턴은 주기적일 필요는 없다. 그런데, 주기적 패턴이 여러 측면에서 유리하다. 단지 하나의 반복 패턴 또는 유닛 셀이 디자인될 필요가 있다. 게다가, 픽셀의 가장자리를 제외하고, 임의의 주어진 목적을 위해서 특정의 주기적 패턴이 가장 적합할 것이다. 그런데, 주기적 패턴으로부터의 많은 뒤틀림은 패턴의 성능에 상당한 영향을 미치지는 않을 것이다. 그러한 패턴의 주된 제약은 면내 전기장이 다른 방향에서보다 한 방향에서 충분히 더 커서 벡터(D) 방향의 배열에 영향을 미치는 것이다. 그러므로, 줄무늬 패턴은 그러한 디자인에서 유용한 출발점이 된다. 또한, 벡터(D)의 예상되는 (또는 실험적으로 결정된) 방향에 평행한 전기장이 필요하다.

벡터(D)를 따라 공간적으로 변하는 구조는 벡터(D)의 크기 변화를 야기한다(이는 전극이 적게 제거되는 경우를 증가시킬 것이다). 평균값을 제로로 만들기 위해서 일방향에서 벡터(D)의 크기가 크고 타 방향에서 벡터(D)의 크기가 작게 하는 가장자리 전기장이 있어서야 한다. 수많은 그러한 패턴은 줄무늬의 폭이 벡터(D)의 방향을 따라 주기적으로 변하는 줄무늬 패턴일 것이다.

그러한 전극 설계에서 또 다른 유용한 개념은 전극 패턴의 포인트 그룹이다. 이는 가능한 패턴에 제약을 가하기 때문이다. 당 분야의 전문가는 참고로 여기에 첨부한 R. L. E. 슈와젠베르거의 피트맨 (런던) 1980에 출간된 "n 차원 크리스탈로그래피" 에서 설명되는 이 용어에 친숙할 것이다.

시스템의 포인트 그룹은 변하지 않는 공간의 회전 및 반사이다. 그러한 회전 또는 반사는 평행이동(translation)이 동반될 수도 있다. 이는 비틀림의 포인트 그룹, 즉 비-키랄 수직 배열된 네마틱 액정 셀에서 4가지 모션, 즉 무동작, 셀의 중심을 통과하는 하나의 축을 중심으로 180°회전, 셀의 중심에서 네마틱 방향자 및 기판의 법선에 대한 직각 모션, 및 법선이 반전축인 평면을 통한 거울 반사로 이루어지는 포인트 그룹을 가지기 때문에 유용하다. 만약 네마틱이 키랄이면, 포인트 그룹은 2개 요소, 무동작 및 상기 회전만을 가진다. 만약 제안된 전극 패턴이 임의의 다른 회전, 또는 비-키랄 시스템에서 임의의 다른 반사에 의해 변화되지 않으면, 또는 이것이 국부적으로 대략 맞더라도, 제안된 패턴은 D의 부호 및 방향을 국부적으로 결정할 수가 없다. 몇몇 방식에서 예측된 또는 실험적으로 결정된 벡터(D)의 값을 고려하면, 상기 회전 또는 반사에 의해 변경된 상기 벡터의 값 및 D의 값이 등가이지만 다르므로, 이러한 차이까지 벡터(D)를 결정하지 않는다.

예를 들면, 도 5b 및 도 5c에 도시된 바와 같이 배치된 도 5의 패턴 및 줄무늬 패턴은 둘 다 기판에 대한 임의 위치의 법선을 중심으로 180°회전만큼 변화되지 않는다. 이러한 회전은 D의 부호를 변화시키지만, 방향을 변화시키지는 않는다. 그러므로, 관찰된 바와 같이, 이들 패턴은 벡터(D)의 부호가 아닌 D의 방향만을 결정한다. 만약 시스템이 키랄이지만, 예를 들어, 피치가 t에 비해 또는 전극 패턴이 그 효과를 가지는 거리를 제시하는 아래 설명된 거리에 비해 더 크다는 점에서 비-키랄에 가까우면, 전극이 아키랄 시스템에 대한 상기 제한을 만족한다는 것은 필수 사항은 아니지만 유리한 점이다.

반면, 2개의 전극 위의 패턴이 셀의 중심을 통과하는 임의의 축을 중심으로 180°회전시 변화하지 않으면, 결과적인 전기장은 적어도 이 축에 직각으로 D를 정렬시킬 것이다. 이는 예상대로 작업 패턴의 디자인 및 실험적 결정에서 유리하다. 도 5에서 각각의 기판 위의 전극 패턴은 기판에 직각이며 임의의 평행사변형의 중심을 통과하는 하나의 축을 중심으로 180° 회전에 의해서도 변하지 않으며, 이는 D의 부호의 배열과 일치하지 않는다. 그러나, 기판이 적절한 배치를 가지면, 양쪽 전극의 패턴은 임의의 그러한 회전하에서 불변하지 않는다.

그런데, 만약 D의 부호를 결정하기 위해서 배치를 필요로 하지 않는 패턴이 바람직하다면, 패턴 그 자체가 더 작은 포인트 그룹을 가져야 한다. 특히, 이 경우에 단일 전극에 대해 가능한 유일한 대칭 요소는 벡터(D)와 기판에 대한 법선을 포함하는 하나의 평면을 통한 거울 반사이다. 당 분야의 전문가는 본 발명을 참고하여 이 실시예에 따라서 다른 패턴들을 결정할 수 있을 것이다.

주목되는 바와 같이, 또 다른 바람직한 실시예에서, 자체적으로 벡터(D)의 방향 및 부호 모두를 결정할 수 있는 소규모 갭 또는 소규모 갭의 부분의 패턴이 있다. 이는 전극 간의 임의의 근접한 배치에 대한 필요성을 없애며, 제조의 간편함을 위해 바람직한 것이다.

전극 패턴이 일정 영역 내에서 주기적이거나 대체로 주기적이면, 바람직한 결과를 얻기 위해서 패터닝에 대해 특별히 바람직한 공간 그룹들을 고려할 수가 있다. 이들 공간 그룹은 도 6에 도시된 바와 같이 격자가 자체 어떤 모션으로 취해짐을 의미한다. 예를 들면, 당 분야의 전문가는 참고로 여기에 첨부한 피트맨(런던) 1980에 출간된 R. L. E. 슈와젠베르거의 "n 차원 크리스탈로그래피" 에서 설명되는 공간 그룹에 친숙할 것이다. 액정에 따라, 몇몇 공간 그룹은 D의 부호 및 방향을 제어하는 데에 더욱 적합할 것이다.

특히, 전극 평면에서 균일 벡터와 일관되어서 D의 부호의 조절과도 일관되는 단지 4개의 2차원적 공간 그룹이 있다.

도 6과 관련하여, 이들 공간 그룹은 이차원적 공간 그룹(Pl,Pm, Pg, 및 Cm)이다. 2개의 부가적 가능성은 일차원적 공간 그룹(Pl, Pm)이다. 일차원 및 이차원 둘다에서, Pl의 포인트 그룹은 아무것도 하지 않는 것으로 이루어진 "평범한(trivial)" 그룹이다. Pm, Pg 및 Cm의 포인트 그룹은 또한 거울 평면을 포함한다. 도 6a는 일차원적 공간 그룹(Pm)을 도시하며, 도 6b-e는 이차원적 공간 그룹(Pl, Pm, Pg, 및 Cm)을 각각 도시한다. 화살표들은 패턴을 변화시키지 않는 최소의 평행이동을 도시한다. 파선(dashed line)에 의한 반사는 패턴을 변화시키지 않는다. 마찬가지로, 1점 파선에 의한 반사는 1점 파선의 방향에 있는 평행이동과 합쳐지면(즉, 글라이드 반사), 패턴을 변화시키지 않는다. 일차원적 공간 그룹(Pm)에서 무한 개수의 거울 면이 있으므로, 이들을 도시하지는 않는다. 격자의 크기 및 모양을 표현하는 격자 벡터(b 및 c)의 거리 및 방향도 또한 도시되어 있다.

그런데, 전극에서 소규모 갭의 그러한 주기적 패터닝은 주로 전위를 통해서 방향자에 영향을 줄 것이다. 그러한 전위가 한 방향에서 주기적이면, 이는 그 방향을 포함하는 거울면을 가지므로, Pm만이 일차원으로 고려될 필요가 있다.

상기한 바와 같이, 주기적 패턴 및 양호한 근사에 대해, 보다 일반적으로 본문에 구상된 전극 주변의 전위 및 해당 전기장은 기판의 법선에 평행한 전기장 및 셀 내에서 변화하는 전위 및 해당 전기장이다. 공간적으로 변화하는 이들 전기장과 해당 전위를 2차원적 공간 하모니(harmonics)의 관점에서 확장하는 것이 편리하다. 2차원적 공간 하모니는 cos(kx+k'y) 형태의 함수이고, 여기에서 k, k'는 웨이브벡터, x, y는 평면 내의 좌표이고, 코사인의 편각(argument)은 라디안으로 표시된다고 가정한다. 다음에, 이 함수는 기판 법선에 평행한 방향인 z에 의존하는 함수에 의해 곱해져야 한다. 그런데, 만약 단일 전극만의 효과를 고려한다면, 전위에 대해 z의 함수는 단순한 지수함수이다. 벡터(D)는 시스템의 자유 에너지를 최소화하도록 자체 조정되는 경향이 있기 때문에, 시스템을 하모니의 관점에서 설명하는 것이 유용하다. 전기장은 아래에 상세히 설명된 복합 방식으로 자유 에너지가 된다. 그러나, 일반적 법칙으로서 웨이브벡터가 가산(또는 감산)되어 제로를 야기할 수 있는 임의 개수의 전기장의 곱만이 자유 에너지가 될 수 있다. 또한, 더 작은 수의 전기장이 더 나으며 전위에 있어서 더 크고, 효율적인 항(terms)을 야기하는 것으로 일반적으로 기대된다. 따라서, 원리에 매임이 없이, 이로 인해 우리는 아래에 설명하는 바와 같이 전극 패턴에 제한을 둘 수가 있다.

D의 부호 및 방향을 결정하기 위해서, 관련 전위들은 함께 위에서 설명한 포인트 그룹에 대한 제한 사항을 만족해야한다. 올바른 포인트 그룹에 대한 하모니 함수 세트를 조사한 것으로, 소수의 항만으로도 바람직하며, 전기장에 대응하는 전위들이 동일 방향, 이하 1-d 하모니 세트로서 인용된 vis cos(kx) 및 cos(2kx+δ)에서 변동하면, 2개의 하모니(기본 하모니 및 제1 하모니)가 요구됨을 알게 되며, 여기서, x는 공간 좌표이고, k 는 2π/p이며, p는 전극이 반복되는 주기이며, δ은 0과 π사이의 수이며, 배타적으로 바람직하게는 π/2에 가깝다. 위에서 언급된 바와 같이, 여기서 코사인의 편각은 라디안 표현으로 가정한다. 하모니 함수 세트는, 그 웨이브벡터가 평행인 임의의 하모니 함수의 세트와 같이, yz 면에 평행한 거울면을 가진다. 그러나, δ이 0, π와 같지 않은 때에는, 법선 또는 기타 거울면 주위의 180°회전은 없다.

삭제

만약 웨이브벡터들이 동일한 방향에 있지 않으면, 예를 들면 {cos(kx+δ), cos(k(1-a)x+k'y), cos(kax-k'y)}이면, 정확한 포인트 그룹에 대해 제로가 되도록 웨이브벡터가 가감될 수 있는 3개의 항이 필요하다. 여기에서, k'는 y방향에서 패턴의 주기를 조절하는 파라미터이며, a는 상수이고, 나머지 변수는 앞에서 언급한 바와 같다. 이들 함수의 두번째는 웨이브벡터의 x 성분으로서 k(1-a)을 가지며, y 성분으로서 k'을 가진다. 그러나, 임의의 두 개 웨이브벡터의 크기가 같으면, 이 세트는 같은 크기가 아닌 웨이브벡터에 직각인 거울면을 가질 것이다. 그런데, 이 거울면이 2개 하모니의 진폭을 교환하므로, 이들이 다르면, 이는 거울면이 아닌 것에 주목한다.

그런데, 이하에서 고려하게 될 효과들은 진폭의 곱에 비례하므로 이러한 특징은 중요하지 않으며, 사실상 그러한 평면은 여전히 거울면이다.

전술한 내용은, 이 경우 모두 평행하지는 않은 3개의 거울면이 있기 때문에, 웨이브벡터들이 모두 똑같은 크기를 가질 수 없음을 의미한다. 한 세트의 웨이브벡터에 대응하는 한 세트의 전위가 유리한 것인지 아닌지를 판단하는 것은 간단한 경험에 의한 법칙이 유용하다. 이론에 매이지 않는다면, 전위 또는 전기장의 가변 부분들(예를 들면, 하모니들)의 상호 교환하에서 독립적이어야 자유 에너지의 항(term)에 대한 일반적인 제약이 있다. 이들 전위가 벡터(D)를 결정하기 위해서는, 전위로부터 올바른 배향을 갖는 하나의 벡터를 결정하는 것이 가능해야 한다.

D보다 더 간단한 벡터에 대해 이러한 가능성을 조사하면, 전위 V(x, y, z)는 V=Σ _j A _j exp(i(k _jx x+k _jy y)) 처럼 j로 색인된 서로 다른 웨이브벡터 k _j =(k _jx , k _jy )에 대한 합(Σ)으로서 기록될 수가 있으며, 여기서, A _j 는 z에 의존하는 복소수 진폭이다. 이는 양쪽 전극에 의존하는 작용을 통해 D의 부호를 결정하는 도 5의 패턴의 설명과는 뚜렷이 다름을 주목한다. 설명을 위해, 전극 중의 하나의 전극으로부터의 거리 z가 제로가 되도록 취하는 것을 선택한다. A _i (또는 A _io )는 실수부와 허수부로 이루어지는 복소수, A _i = a + ib 이며, 여기에서 i는 -1의 제곱근이다.

전위(V)는 제로가 아닌 모든 웨이브벡터 k_j에 대해 실수이기 때문에, A _j' = A _j * = a-ib 이 되도록 하는 웨이브벡터 k _j =-k _j 가 항상 있어야 한다. 여기에서 *는 복소수 켤레를 나타낸다.

복소수 진폭의 실제 값은 x 및 y가 제로인 원점의 선택에 의존한다. 그런데, 합이 제로, 즉 k _j +k _m +k _n =0인 임의의 3개 쌍 일조(triplet) 웨이브벡터에 대해서, 곱 V=ik _j k _m ㆍk _n A_jA_nA_m은 원점에 무관하다. 여기에서 kㆍq=k _x q _x + k _y q _y 는 두 벡터의 스칼라곱(dot product)을 나타낸다. 벡터 k_j, k_m 및 k_n의 모든 가능한 6가지 순열 또는 교환을 더하면, 그리고, 그 네가티브 벡터 k_j', k_m' 및 k_n' 및 그 네가티브 벡터의 교환을 더하면, 이는 실수 벡터를 결정한다. 이는 이들 하모니에 해당하는 전기장으로부터 형성될 수 있으며, 자유 에너지가 되는 모든 항(term)과 같이 전기장의 상호교환하에서 대칭인 가장 간단한 벡터이다. 물론, k'의 상호교환하에서 대칭인 k'의 임의의 함수와의 이 함수의 곱은 이러한 특성을 또한 만족한다(또는 제로이다). 예를 들면, k_j+k_m+k_n=0 제약 때문에, 대략 합계를 낸 곱 ik_jA_jA_nA_m은 항상 제로이다. D의 부호를 결정하는데에 이 세트가 유용할 것인지를 증명하기 위해서, 임의의 세트의 3개 웨이브벡터에 대한 V를 계산하는 것은 쉽다. 특히, 2개의 웨이브벡터 세트{Acos(kx), Bcos(2kx+δ)}에 대해 계산하면, 이 세트는 δ=0,π에 대한 거울면을 가진다는 사실에 의해 제안되는 바와 같이, 이는 x 방향에 있으며 A²Bsin(δ)에 비례하는 것을 쉽게 알 수 있다.

D에 직각인 전기장은 D의 부호를 결정하기 위해서 필요하며, 이는 D의 정렬되는 경향을 또한 감소시키기 때문에 유익하지 못하다. 이러한 경향은 A_j, A_j'A_j'*의 크기의 제곱에 비례하며, 또한 웨이브벡터가 x축에 대해 이루는 각의 코사인의 제곱에 비례한다. 따라서, 만약 V 및 유사 벡터가 A_j'A_j'*의 주어진 값에 대해 가능한 한 크면 바람직하다. 이는 파동(δ)의 상대적 위상을 변화함으로써 배열될 수 있다. 상기와 같이 구성된 여러 벡터는 임의의 주어진 3개 쌍 일조의 웨이브벡터와 그 네가티브에 대해 가장 큰 기여를 하며, 크기에 대한 상기 제한이 주어진다면 상대적 위상에 대해 동일한 결과를 가진다. 또한, 글라이드 반사를 포함하는 공간 그룹에서, 즉 평행이동과 함께 이루어지는 반사에 의해서 시스템이 변화되지 않고 유지되며, 이 평행이동이 그 자체로는 시스템을 변화시키지 않고 유지하는 동일 방향의 임의의 평행이동보다도 더 작은 거리라면, 3개 쌍 일조의 웨이브벡터의 복소수 진폭의 위상은 필연적으로 상기 제약을 갖는 V를 최대화하기 위한 것임을 쉽게 알 수 있다. 그러므로, 공간 그룹(Cm 및 Pg)은 그러한 글라이드 반사를 포함하며 따라서 이러한 제약을 자동으로 만족하기 때문에 유용하다.

또한 이 위상 기준은, 이들 3개 하모니가 동일한 전극으로부터 모두 야기되는 것이 아니라면, 전극 간의 근접한 배치가 필요할 것임을 명확하게 한다.

특히, 임의의 하모니 주기의 1/4만큼 하나의 전극에 대해 다른 하나의 전극을 평행이동시키는 것은 위상 기준을 장점으로부터 단점으로 변화시킬 것이다(즉 sin(δ)을 1로부터 0으로 변화시키기 때문이다). 그러므로, 근접한 배치가 가능하지 않으면, 하나의 전극이 모든 3개의 하모니를 일으키는 것이 바람직하다.

이러한 일반적인 제약이 주어진다면, 방향자에 대한 전기장의 효과를 평가하여 본 발명에 따른 적절한 패턴을 발전시킬 수 있다. 전기장의 직접적인 효과는 주로 이차 방정식(quadratic)이며, 절연 비등방성과 관련된다. 그런데, 공간적으로 변하는 전기장의 더 높은 우수 파워(even power)를 가진 액정에 대한 전기장의 실질적인 간접 효과가 있으며, 가장 큰 기여는 액정의 재배향으로부터 얻어진다. 또한 액정 방향자에서 공간적 변화를 포함하는 전기장의 기수 파워(odd power)에 비례하는 플렉소일렉트릭(flexoelectric) 항(term)이 존재한다. 이 후자는 통상적으로 작으며, 하기 논의된 우수 파워에 비례하는 효과와 유사하지 않은 대칭성 및 기타 성질을 가진다.

만약, 전기장의 우수 파워에 비례하는 효과에 관심이 있으면, 공간적으로 변하는 전기장의 3 파워(power)와 셀에 인가된 균일한 전기장의 기수 파워에 비례하는 효과를 고려해야 한다. 그러한 전기장의 2개의 본질적으로 상이한 유형의 효과, 즉, D의 크기를 변화시키는 극 토크, 즉, 셀의 중심에서 방향자가 기울어지는 양과, D의 방향을 변화시키는 방위각 토크가 있다. 두 토크의 유형은 xy 평면에서의 전기장을 통해 또는 xy 평면에서와 z축을 따른 전기장의 조합을 통해 일어날 수가 있다. z축을 따른 최대의 전기장은 균일한 전기장이다. 따라서, 양호한 근사로서, 두 토크 모두가 xy 평면에서 2개의 공간적 가변 전기장의 곱에 비례하거나, 또는 xy 평면 및 균일한 z축 전기장에서 하나의 공간적 가변 전기장에 비례한다. 방위각 토크의 효과는 극 토크의 효과보다 일반적으로 더 크다. 즉, 방향자를 트위스팅하는 것이 그 크기를 변화시키는 것보다 일반적으로 더 쉽다. 그런데, 자유 에너지는 토크에서 이차 방정식(quadratic)이므로, 모든 토크의 방향을 바꾸더라도 에너지의 부호를 바꾸지 않는다고 또한 예상된다. 따라서, 우수의 토크를 포함하는 항들을 고려하는 것이 바람직하다. 3개의 공간적 가변 전기장만을 포함하면, 이는, 각 토크가 하나 또는 2개의 공간적 가변 전기장을 포함하므로, 제로 또는 2개의 토크를 이용하는 것을 의미한다.

액정과 전기장 간의 주된 기본적인 상호작용은 절연적 비등방성이다. 질적으로, 변화는 플렉소일렉트리서티(flexoelectricity)와 같은 다른 상호작용으로부터 기인하지 않는다. 따라서, 만약 키랄 피치가 충분히 크면, 극 토크는 DㆍEE_z 또는 (DㆍE)²에 대략적으로 비례한다. 여기에서, E_z는 전극의 평면에 대한 법선을 따르는 전기장이다. 이는 극 토크를 일으키는 전기장이 가능한 한 D의 방향에 평행해야 함을 의미한다. 잠재적으로 D의 부호를 결정하는 평행한 전기장은 일차원적 Pm 공간 그룹을 가지는 전극을 사용하여 발생될 수 있다. 그런데, D의 방향이 면내 전기장에 직각이 되는 경향을 소규모 패턴의 전극에서 관찰하게 된다. 따라서, D의 적절한 방향을 유도하는 데에 충분한 대향 전극 위의 패턴 또는 이 전극 위의 부가 패턴이 필요하다. 그러한 전기장은 2차원, 즉, 2-d 공간 그룹 (Pm 또는 Pl)에서 패턴을 가진 전극에 의해서 잠재적으로 발생 될 수 있다. 그러한 전극의 한 예가 도 7에 도시되어 있다. 도 7은 y축을 따르는 적절한 전기장에 부가하여 x축을 따라 크기가 크고 적절한 위상의 제1 및 제2 하모니를 가지는 것이 예상되는 2차원의 Pm 대칭성을 가지는 패턴을 도시한다. 도면에서, 비-도전성 갭은 음영처리되지 않은 영역에 의해 표현된다. 이런 특성을 가진 전극들은 x축에 평행한 전기장을 갖추어 작동하기 때문에, 이들은 좋지 않은 정렬 또는 흐트러짐을 야기할 것이다. 결과적으로, 바람직한 실시예는 그러한 1개 전극만을 이용하며 대향 전극으로서 단순한 줄무늬 패턴을 이용하는 것이다. 상기 전극은 도면에서 수평 방향 즉, 와이어가 연속인 방향인 줄무늬 방향을 가진 줄무늬 전극을 대향 배열하기 위해서 상기된 바와 같이 배향되어야 한다.

2개의 방위각 토크를 포함하는 자유 에너지에서의 항들은 더 큰 것이라고 예상된다. 상기 2개의 방위각 토크는 만약에 콜레스터릭(cholesteric) 피치가 길면 DㆍEε_ijD_iE_j 및 ε_ijD_iE_jE_z에 대략적으로 비례한다. 여기서, i 및 j는 xy 평면 내의 성분에 대해 합산된 인덱스이며, ε_ij는 그 인덱스의 상호교환에 대해 완전하게 비대칭인 매트릭스이다. 즉, ε_xx=ε_yy=0; ε_xy=-ε_yx=l이다. 전 항(former term)은 E와 D사이의 각이 45°인 때에 크며, 후자(latter)는 이 각이 90°인 때에 크다. 자유 에너지의 항에 2개의 방위각 토크 및 3개의 전기장를 포함하는 2가지 가능한 방법이 있다. 이들 2가지는 a) 2개의 방위각 토크의 곱과 b) 극 토크의 첫번째 방위각 토크의 제곱이다. 이들 경우의 각각에 있어서, D에 대해 여러 각도를 갖는 전기장이 있을 필요가 있다. 다음에는 2차원적 전극 패턴닝이 필요하다.

앞선 내용과 일관하게, 이제 방위각 토크를 야기하는 2차원 공간 그룹을 가진 패턴의 유리한 특성을 더 상세히 고려한다. 공간 그룹(Cm 및 Pg)에서 적절한 위상 관계가 주어진다면, 먼저 이들 그룹을 가지는 패턴을 고려한다. 이들 그룹 중 하나의 거울면의 일부가 되도록 x축을 선택하는 것이 편리하며, 이는 또한 도 6의 수평인 방향이다. 벡터(D)의 부호를 결정하는 전극에 대한 필수적인 제약은 상기 전극이 자체적으로 또는 다른 전극과 협력하여 D의 방향을 결정하는 것이다. 유리하게는 벡터(D)의 배향을 자체적으로 결정하는 것이다. 그렇게 하기 위해서 이는 x축에 직각인 전기장을 발생시켜야 한다. 이는 단순한 줄무늬 패턴을 이용하여 쉽게 행해지며, 일반적으로, x축에 평행한 전극의 가장자리는 그러한 전기장에 대해 바람직하다. 따라서, 와이어들이 연결되어 있는 상태를 변화시키지 않고 간단히 가장자리를 이동시킴으로써 간단한 줄무늬 패턴으로부터 유도되는 도 8에서와 같은 패턴은 그러한 전극들의 설계를 위한 유리한 시작점들이다. D의 부호를 결정하기 위해서, 적절한 위상 관계와 함께 상술한 것과 같은 3개 쌍의 웨이브벡터를 가지는 것은 또한 유리하다.

삭제

x에 평행한 D의 부호의 정렬을 결정하는 바람직한 3개 쌍 일조의 웨이브벡터는 본 발명을 참고하여 당 분야의 전문가에 의해서 결정될 수가 있다. 격자의 웨이브벡터는 한 쌍의 정수에 의해 항상 파라미터화(parameterize)될 수 있다. 공간 그룹(Pg 및 Cm)과 일관하는 웨이브벡터는 둘 다 정수로 표현될 수 있다. 모든 웨이브벡터는 x성분의 웨이브벡터 gn과 y성분의 웨이브벡터 g'm을 가질 것이며, 여기에서 g는 x방향에서의 주기와 관련되며, g'은 y방향에서의 주기와 관련된다. 그러한 웨이브벡터를 (n, m)으로 표기할 것이다. 3개 쌍 일조의 웨이브벡터는 더해져서 제로여야 하므로 (n,m) (n',m') 및 (-n-n',-m-m')로 파라미터화될 수 있다. n=n'이어서 -n-n'=0이고 m=m' 또는 m=0이면, 상기 3개 쌍은 포지티브 및 네거티브 x축 사이에서 구별되지 않는다. n=0 또는 n'=0인 때에 유사한 제약이 있다. D가 x축에 평행하게 정렬된다면, (O, m) 웨이브벡터와 관련된 전위가 커야만 하는 것이 바람직하다. 동일한 이유로, x축에 대체로 평행한 기타 웨이브벡터 및 (n, 0)와 관련된 전위가 작아야 하는 것이 바람직하다. 따라서, D의 부호 정렬을 야기하는 3개 쌍 일조의 벡터에 (O, m) 웨이브벡터들이 포함되며 어떠한 (n, 0)도 포함되지 않는 것이 바람직하다. 3개 쌍 일조에 포함되는 웨이브벡터가 작은 크기를 가지는 것이 또한 바람직하다. 이는 전기장이 액정을 투과하는 거리가 너무 짧지 않음을 의미하기 때문이다. 이는 r²n² + m²가 작거나 또는 n 및 m이 작아야 함을 의미한다. 여기에서, r은 y방향에서의 주기에 대한 x 방향에서의 주기의 비율이다. 작은 크기를 가지는 전위 3개 쌍 일조(triplet)은 다음과 같다. A: {(1,1),(-1,-3),(0,2)}, B: {(1,0),(1,0),(-2,0)}, C: {(1,1),(1,-1),(-2,0)} 그리고 D: 어떠한 n 또는 m'도 제로가 아님. 클래스 B는 모든 웨이브벡터가 (m,0)의 형태이며 이들 웨이브벡터와 함께 전위의 하모니의 진폭이 작은 것이 바람직하기 때문에 실현되기가 어렵다. 따라서, 클래스 A, C 및 D가 바람직하다. 이들 클래스에 대해서, n 및 m 둘 다를 가진 웨이브벡터가 제로가 아닌 것이 바람직하다.

이는 공간 그룹 Pg 및 Cm이 바람직한 것을 제안한다. Pg에서 (n,0)와 관련된 전기장의 진폭은 홀수 n에 대해 제로인 것이 알려져 있다. Cm에서, n+m은 전기장이 제로가 아닌 짝수여야 하며, 이는 유사한 제약을 야기한다. 따라서, 이들 공간 그룹의 각각에서, 제로가 아닌 n 및 m을 가진 벡터들은 더 큰 크기를 가지며, 따라서, 부적절한 정렬을 야기할 있는 (n,0)웨이브벡터보다 정렬에 더 기여한다.

도 8의 패턴은 이들 설계 기준을 구체화한다. 도 8a는 세트 {(02),(11),(-11)}에 속하는 적절한 전기장을 야기하는 Pg 패턴이다. 도 8b는 세트 {(02),(11),(-11)}에 속하는 적절한 전기장을 야기하는 Cm 패턴이다. 물론, 둘 모두는 다른 웨이브벡터를 야기한다. D의 부호 및 방향을 제어하기 위해서 둘 다 관찰되었다.

만약 액정이 키랄이면, 최적 전극 패턴닝은 거울면을 가져서는 안 됨을 쉽게 알 수 있다. 특히, 하나 이상의 거울면을 가지도록 제약을 받는 최적의 전극 패턴을 고려한다. 만약에 작은 비틀림이 아키랄 시스템의 그런 전극으로부터 만들어지면, 매우 작은 효과를 가질 것이며, 비틀림의 크기의 제곱에 비례하게 될 것이다. 그러나, 그러한 비틀림은 키랄 시스템에 대해 제곱이 아닌 비틀림의 크기에 비례하는 더 큰 효과를 가지는 것으로 예상된다. 왜냐하면, 이는 키랄 특성에 대해서 적절한 방식 또는 비적절한 방식으로 트위스트되는 전기장을 야기하게 되기 때문이다. 키랄 시스템에서 최적 전극은 거울면을 가지지 않을 가능성이 높게 된다. 따라서, 어느 정도의 키랄 액정에 대해서, 각각 그러한 거울면을 가지는 이들 공간 그룹으로부터의 작은 비틀림이 바람직한 것으로 예상된다. 본 발명의 바람직한 실시예는 자유 공간과 실제 액정 셀 두 곳에서 전위의 이들 하모니에 대한 현저한 진폭과 D의 부호와 방향을 조절하는 웨이브벡터에 대한 정확한 위상을 가진다. 당 분야의 전문가에게 분명히 나타나는 바와 같이, 전극 패턴에서의 많은 작은 변화는 그러한 진폭들을 실제로 변화시키지 않을 것이며, 따라서 셀의 성능에 크게 영향을 미치지 않을 것이다. 구조의 키랄 트위스트가 현저할 때, 작은 변화, 특히 구조의 작은 트위스트는 우수한 작동을 의미할 것임이 또한 분명해질 것이다. 이들 전극의 특정의 바람직한 실시예들을 도 8에 도시한다. D의 부호 및 방향을 조절하는 8b의 패턴은 전극의 가장자리에 관하여 용이하게 이해가 된다. 특히, 이 패턴은 주로 근접한 갭(80)으로 이루어진다. 여기에서, 도전성 전극은 음영처리되지 않은 구역으로 도시된다. 이들 갭은 양측에 래칫형상을 가지는 가장자리를 가지며, 그 유닛 셀은 라인(83)으로 표시한다. 갭의 평균 수평방향을 따라 일 방향으로 이동하면, 상기 가장자리는 참조번호 81로 일반적으로 도시된, 갭의 중심으로부터 멀어지는 작은 기울기와, 참조번호 82호 일반적으로 도시된 갭의 중심쪽으로 이동하는 비교적 더 큰 기울기를 가진다. 상기 갭은 자체적으로 가장자리 전기장을 야기할 것이며, 따라서 이는 벡터(D)의 부호에 의존하는 방식으로 벡터(D)를 갭의 상단 및 하단위에서 반대 방향으로 트위스트하는 경향이 있다. 유사하게, 작은 기울기를 가진 가장자리는 D의 부호에 의존하지 않는 방식으로 벡터(D)를 갭의 어느 일 측면에서 반대 방향으로 트위스트하는 경향이 있다. 마지막으로, 큰 기울기를 가진 가장자리는, 갭의 동일 측면의 반대방향으로 기울어진 작은 기울기를 가진 가장자리처럼 벡터(D)를 반대 방향으로 트위스트하는 경향이 있다. 그런데, 큰 기울기를 가진 가장자리는 작은 기울기를 가진 것보다 더 짧다. 결과적으로, 방향자를 트위스트시키는 가장자리의 경향은 각도에 의존하는 한편(그리고 작은 각으로 증가하는 한편), 작은 기울기를 가진 가장자리의 효과는 더 크다. 그러므로, 이 패턴은 D가 특정 부호를 가지는 때에 총합의 토크를 더 크게 하며, 총 합의 자유 에너지를 더 작아지게 한다. 도 8a의 패턴에서, 갭의 가장자리는 갭의 평균 길이방향에 대해서 몇 개의 다른 각을 가진다. 도면의 오른쪽으로 다시 이동하는 패턴은 갭의 중심에 대해 가장자리가 만드는 각도의 비교적 작은 크기의 증가(84)를 가지며, 이어서 대체로 더 큰 증가(85)가 이를 따른다. 도시된 바와 같이, 갭은 비교적 더 작은 기울기(86)를 포함하며, 이어서 갭의 중심쪽으로 이동하는 비교적 더 큰 기울기(87)가 이를 따른다. 가장자리가 갭의 중심쪽으로 이동하는 인접 구간들과 가장자리가 갭의 중심으로부터 멀어지게 이동하는 구간으로부터 야기되는 전기장은 갭의 평균 길이방향에 대해 더 작은 각을 가지는 도 8b의 구간들에 유사한 효과를 가진다. 그러므로, 이 패턴은 D의 부호 및 방향의 정렬을 또한 야기한다.

도 8a는 Pg 전극 패턴을 도시하고, 도 8b는 Cm 전극 패턴을 도시한다. 각각의 경우에, 셀 갭(t)은 전극이 변화없이 평행이동될 수 있는 최단 거리와 비교되는 것이 바람직하다. 즉, 5㎛ 셀 갭(t)의 2.4, 2, 및 2.2 배인 Pg 패턴에서 수평 12㎛, 수직 lO㎛이며, Cm 패턴에서 대각선을 따라 11㎛인 크기로 굵은 선으로 된 정사각형(83)으로 표시한 유닛 셀이다. 그런데, 가장자리 간의 틈(separation)과 톱니 가장자리의 톱니 간의 거리의 비율이 t보다 훨씬 크거나 작으면, 효과가 없을 것이다. 위의 내용과 일관된 대부분의 전극 설계는 적절한 효과를 가질 것이며, 그 효과는 이 상대적 틈을 변화함으로써 조정될 수가 있다. 이 모든 것은 본 발명을 참조하여 당 분야의 전문가에 의해 경험적으로 결정될 수 있다.

상기의 내용을 참조하여 당 분야의 전문가는 일반적으로 본 실시예에서 소규모 패턴의 가장 중요한 면은 갭의 형상인 것을 명확히 알 수 있을 것이다. 상술한 주기적 패턴에서처럼 근접한 갭을 가지는 것이 일반적으로 유리하다. 그러나, 일반적으로 다양한 패턴이 유용할 것이며, 그러한 패턴은 동일하거나 다른 갭을 가진다. 또한, 본 실시예에서 갭들은 상호연결될 수 있는 한편, 이들은 인접한 액정 도메인내에서는 연결되지 않는다. 따라서, 바람직한 실시예에서, D의 부호 및 방향을 둘다 조절하는 데에 적절한 소규모 갭의 주기적 패턴은 일반적으로 전극 평면에서 약 2.5t 이하의 폭을 가질 것이며, 더욱 바람직하게는 2.0t미만의 폭과, 전극 평면에서 거리(t)의 적어도 4배 정도의 길이를 가질 것이며, 그 길이는 일반적으로 전극 평면에 평행한 평면에서 상기 도메인의 적어도 한 개 치수에 대응한다. 또한, 그러한 갭의 폭이 예를 들어 도 8에서처럼 변하여 갭의 가장자리가 길이방향에서 갭의 중심 라인에 모두 평행하지는 않더라도, 갭은 그 자체가 길이 방향에 주로 평행하며, 더욱 바람직하게는 인접한 갭의 중심선들이 서로 약 20°보다 많이 변하지는 않을 것이다. 상술한 바에 따라서, 만약 길이 방향에서의 갭의 중심라인이 임의로 x방향이라 칭해지고, 그에 직각인 방향중의 하나가 임의로 포지티브 y방향이라 칭해지면, D의 부호 및 방향을 결정하는 데에 좋은 갭 형상은 일반적으로 다음의 파라미터들을 만족할 것이다.

1) 중심라인의 더 큰 부분에 대해 더 큰 값의 y를 가지는 가장자리는 비교적 느린 감소(임의의 선택된 포지티브 x방향에서)가 이어지는 가장자리에서 y의 값의 비교적 빠른 증가를 보일 것이며, 그리고/또는 중심라인의 더 큰 부분에 대해 더 작은 값의 y를 가지는 가장자리는 비교적 느린 증가(임의의 선택된 포지티브 x방향에서)가 이어지는 가장자리에서 y의 값의 비교적 빠른 감소를 보일 것이다.; 또는

2) 가장자리 중 어느 하나 또는 양쪽은 y 값의 점진적인 빠른 증가를 보일 것이며, 이어서 y값의 점진적인 빠른 감소를 보일 것이다.; 또는

3) 1)과 2)의 특성의 조합을 보일 것이다.

특히, 전극의 도전성 부분이 특정 길이 방향을 따른 줄무늬라고 가정하면, 전극 간의 갭이 셀 두께(t)의 약 2배보다 작다. 그러면, 평균 방향자는 상기 전극으로부터의 적절한 거리에서 도 3에 도시된 바와 같이 줄무늬의 평균 방향에 대략 평행하게 배열될 것이다. 만약 줄무늬가 너무 만곡되어 있으면, 방향자는 적절히 정열되지 않을 것이다. 그러나, 만약 줄무늬가 도 3에서와 같이 너무 만곡되어 있지 않지만 또한 너무 직선적이거나 평행하지 않으면, 와이어의 만곡된 가장자리와 관련된 가장자리 전기장은 국부적으로 방향자를 트위스트하려 할 것이다. 이는 2가지 방식으로 행해진다. 먼저, 방향자는 와이어의 가장자리의 국부적 방향에 평행하려는 경향이 있다.

이는 DㆍEε_ijD_iE_j 방위각 토크에 의해 정량화된다. 줄무늬 전극에 대해서, 이러한 경향은 중간 평면 방향자의 부호에 의존하지 않는다. 두번째로, 방향자가 전극에서 갭으로부터 멀어지며 전극의 도전성 부분쪽으로 기울어지려 하는 경향이 있다. 이는 ε_ijD_iE_jE_z 방위각 토크에 의해 정량화되며, D의 부호에 의존한다.

셀 갭에 비하여 크기가 큰 전형적인 사이즈를 가지는 임의의 구간에 걸쳐서 각각의 이들 토크가 그 자신을 상계(cancel)하려는 경향이 있다면 유리한데, 왜냐하면, 이는 방향자가 평균적으로 와이어에 평행한 것을 의미하기 때문이다. 하나의 예로서, 이는 대향하는 방향으로 전극의 도전성 또는 절연성 부분의 어느 한쪽에 토크를 가짐으로써 달성될 수 있다. 이들 그룹에서 글라이드 반사는 그러한 국부적 상계(cancellation)를 의미하기 때문에 이는 공간 그룹(Pg, Cm)에 유리하다. 그러나, 일반적으로, 방향자의 평균 방향에 대해 트위스트시키는 이러한 경향의 알짜 효과(net effect)가 있으며 간단한 국부적 평균으로부터 와이어의 방향으로 방향자를 회전시킨다. 이러한 평균 트위스트에 부가하여, 와이어가 만곡되는 길이 규모로 트위스트하는 경향 또는 토크가 있다. 따라서, 그러한 톱니 패턴에서의 피크 간의 거리는 1.5 내지 5t 정도이어야 한다.

정의에 따라, 나머지 국부적 토크는 와이어가 만곡되는 길이 규모에 비하여 큰 길이 규모에 걸쳐서 평균 되어 제로로 될 것이다. 그러나, 이들 트위스트는 동일하거나 반대 방향으로 작동하려는 경향이 있을 수 있으며, 일반적으로 구간의 일부 파트에서는 동일 방향으로 다른 파트에서는 반대 방향으로 작동할 것이다.

또한, D의 부호에 의존하여 이들은 동일하거나 반대의 방향에 있을 것이다.

자유 에너지와 방향자가 균일한 상태의 자유 에너지 간의 차이는 순 토크(net torque)의 제곱에 비례하므로, 한 구성의 자유 에너지는 이러한 서로 다른 토크들이 평균적으로 반대 방향이 아닌 동일한 방향에 있는 때에 더 낮아진다. 만약 와이어에서의 만곡들이 적절히 선택되면, D의 부호에 의존하여 동일 방향 또는 반대 방향 이도록 이들 토크의 경향 간에 상당한 차이가 있을 것이다. 이는 전기장의 푸리에 변환의 하모니 성분을 적절히 선택하거나 와이어의 가장자리가 도 8에 도시한 바와 같은 적절한 만곡 또는 래칫 형상을 가지게 함으로써 이루어질 수 있다.

상기 설계 규칙은 전극 효과의 경험적 결정과 함께 당 분야의 전문가에 의해서 작업 패턴을 결정하기에 충분하다. 그러나, 다시 이론에 매이지 않으면서, 원칙적으로, 더 정확하지만 더욱 정교한 기술에 의해서 패턴을 결정할 수 있음이 전문가에게 분명해질 것이다.

이완 방법이라 칭해지는, 설명된 바와 같은 임의의 형상의 전극 주변의 전위를 계산하기 위한 잘 알려진 수치법이 있다. 즉, 여기에서 참고문서로 첨부된 C: 캠브리지, 대학출판사(1993)의 윌리엄 H. 프레스 외의 "과학적 계산기술"에서의 수치 방법. 따라서, 임의의 전극 주변에서 전위의 특성, 특히 주기적인 특성을 예상하는 것이 가능하다. 이는 특정 전극 주변에서 임의 세트의 전위가 얻어질 수 있음을 의미하지는 않으며, 이는 평편하거나 전기적으로 연결되어 있어야 한다. 그런데, 이러한 기술은 전극들의 최적화를 가능케 한다. 그러한 최적화는 셀 내에서 바람직한 전위를 일으키는 전극 패턴을 간단히 계산하여 행해질 수 있다. 이는 반복에 의해, 즉 특별한 전극 패턴과 관련된 전위를 계산하고 제안된 전위에 더 가까이 일치하도록 전극 패턴을 바꿈으로써 행해질 수 있다. 이를 행하는 우수한 한 방법은 전위 분포와 액정 순서 파라미터를 둘다 계산하는 것이다. 이는 예를 들면, 참고문서로 언급된 R. 코헨외의 "액정의 원리 및 응용", J. L. 에릭센 및 D. 킨더레흐레, 스프린저-베르라그, 뉴욕(1987), 99페이지 등에서 설명된 잘 알려진 액정의 탄성 에너지를 전위와 함께 최소화함으로써 행해진다.

바람직한 방향으로부터의 벡터(D)의 가능한 편향의 함수처럼 전극의 패턴의 함수로서 이러한 자유 에너지의 연구는 바람직한 전극 패턴의 분명한 결정을 허용할 것이다. 더 간단한 기술은 전극 평면에서 위치의 함수로서 전위의 바람직한 공간적 하모니와 정확한 상대적 위상과의 적절한 선형 조합을 간단히 발견하는 것이다.

만약 함수가 포지티브한 구간이 연결되어 있고 대체로 줄무늬와 같으면, 이 구간은 전극의 도전성 부분을 위한 패턴으로서 이용될 수 있다. 이는 일반적으로, 제1 근사로, 전위의 바람직한 하모니 작동을 야기한다.

전술한 설명이 전극의 설계에 유용한 한편, 이는 필수적이지는 않다. 하나의 전극 또는 함께 작용하는 전극의 쌍에 대해, 본 발명에 일관되는 D의 부호를 결정하기 위해서, 소규모 패턴에 부가하여 대규모 패턴이 있는 것이 요구되거나, 또는 a) 함께 전극들은, 또는 바람직하게는 독립적으로 하나의 전극 또는 양쪽 전극은 주어진 액정 도메인 내에서 전위의 다수의 공간 하모니를 야기할 필요가 있다; b) 공간 하모니는 거리(t)의 0.5배 및 8배의 주기를 가질 필요가 있다; c) 상기 다수의 공간 하모니의 적어도 몇몇 3개 쌍 일조(triplet)(3개 쌍은 특정 하모니를 두번 포함할 수도 있음)는 함께 더해졌을 때 제로와 똑같은 웨이브벡터를 가지고, i) 상기 하모니 중 하나가 단독으로 및 다른 2개의 하모니가 함께 작용하여 벡터(D)의 크기 또는 방향(또는 둘 모두)에서의 공간적 변화를 야기하여, 이들 변화는 D가 한쪽 부호를 가지는 때에는 동일 부호를 가지며, D가 다른 부호를 가지는 때에는 다른 부호를 가지거나, 또는 ii) 기판 중의 하나에서 평가된 상기 하모니의 3개 쌍 중 몇몇의 복소 진폭이 함께 곱해져서 크기가 큰 허수부를 가지거나, 또는 ⅲ) 상기 기판들 중 하나에서 평가된 하모닉의 3개 쌍 일조 중 1개 이상의 복소 진폭은 상기 웨이브벡터의 크기 범위를 가지는데, 상기 크기는 함께 곱(multiply)하여지며 또한 다른 2개 웨이브벡터의 도트 프러덕트(dot product)의 1배인 웨이브벡터의 퍼뮤테이션(permutation)에 대한 합에 의해 곱하여지고 상기 웨이브벡터의 범위에 대해 합 또는 적분 될 때 허수부를 지닌 합 또는 적분을 야기한다.

이러한 전극을 사용하는 것은 액정 셀에서 다소 균일하지 않은 정렬을 야기할 것이다. 이러한 균일하지 않은 정렬은 셀의 광학적 특성을 모델링하는 데에 있어서 고려되어야 한다. 만약 2개의 그러한 전극이 이용되며, 액정이 키랄이면, 줄무늬 전극에 대해서는 이들 전극의 상대적 회전이 유리하다.

그러나, 이들 전극 중 하나에 의해 수반된 액정의 균일하지 않은 정렬은 또 다른 전극으로 인한 전기장과 상호작용할 것이다. 이는 비-정렬 또는 전극 간의 양호한 배치(registry)에 대한 필요를 야기할 것이다. 따라서, 몇몇 바람직한 실시예에서, 전극들은 다소 다르다. 즉, 서로 다른 공간 주기를 가지거나 또는 서로 다른 패턴닝을 가지거나 또는 하나는 패턴화되지 않거나 단순한 줄무늬 패턴을 가진다.

전술한 내용을 참조하면, 당 분야의 전문가에게는 본 발명에 따라서 고안될 수 있는 소규모 비-도전성 갭 또는 갭 부분이 2.5t를 넘지 않는 바람직하게는 2.0t인 적어도 하나의 치수를 가져야 하는 제약을 만족하며, 또한 인접한 도메인의 경계 내에서 적어도 약 1.5t이며 더 바람직하게는 2.0t인 적어도 한 부분을 가짐과 동시에 상기 갭은 하나의 픽셀 또는 기판의 다른 광학 요소내에서 패턴화되어 상기 픽셀 또는 광학적 요소 면적의 적어도 약 60%, 더 바람직하게는 약 75%, 그리고 더 바람직하게는 적어도 약 90%가 전극의 도전성 부분의 가장자리로부터 약 1.5t내에 있도록 하며, 더 바람직하게는 약 0.7t내에 있도록 하는 많은 복소수의 소규모 전극 패턴이 있음이 분명해질 것이다. 그러한 적절한 패턴은 본 발명을 참조하여 당 분야의 전문가에 의해 명확히 이해될 것이며, 또는 경험적으로 결정될 수 있다.

언급된 바와 같이, D의 부호 및 방향을 둘 다 제어하는 또 다른 방법은 상술한 바와 같이 액정 분자의 기울어진 정렬을 촉진하기 위해서 하나 또는 양쪽의 기판의 처리와 조합하여 본 발명에 따른 소규모 패턴닝을 이용하는 것이다. 바람직한 경사각을 조성하도록 기판 중의 적어도 하나를 처리함으로써, 셀의 일정 구간 또는 도메인에서의 액정 분자는 도메인 내에서 D의 바람직한 부호를 가지는 배향을 보이도록 가배치 된다. 바람직한 실시예에서, 하나의 표면은 마찰(rubbing)에 의해서와 같이 바람직한 방향의 경사를 가지는 수직배향 정렬을 증진시키도록 처리된다. 대향 기판 위에 본 발명의 소규모 패턴닝을 이용하는 것은 패턴화된 전극 주변의 방향자의 배향을 결정할 것이다. 당 분야의 전문가에게 명백히 이해되는 바와 같이, 그러한 소규모 패턴닝은 대체로 용이하며 마찰의 패턴닝 보다 더 적은 비-작동 장치를 야기한다. 유사하게, 작은 마찰강도에 대해, IPS 스위칭 장치에 대해서 그러한 소규모 패턴닝으로 인한 면내 전기장이 이용될 수 있다.

물론, 능동 매트릭스 장치에서 상기 능동 매트릭스 장치와 함께 전극 위에 본 발명의 소규모 패턴닝을 사용하고 대향 기판을 마찰(rub)하는 것이 일반적으로 바람직하다. 적절한 기판 처리들은 본 발명을 참조하여 당 분야의 전문가에게 분명해질 것이며, SiOx, 폴리이미드 등을 포함한다.

본 발명의 이들 특성 및 기타 특성들은 다음의 비제한적인 보기들에서 더 설명된다. 다음의 보기에 대해서, 다수의 셀이 다음과 같이 만들어졌다. 1.5" X 1.75" ITO (인듐 주석 산화물)코팅된 유리 기판들은 어플라이드 필름사에서 구입되었다. ITO 층의 저항은 약 200오옴이다. ITO 패턴은 ICED, IC 에디터사로부터의 소프트 패키지를 이용하여 발생되었으며, 마스크들은 코그니잔트에 의해 제조되었다. ITO 유리의 사진석판 처리에서, 씨플리(Shipley)의 포토레지스트 S 1818는 칼 써쓰(Karl Suss)에 의해 제조된 마스크 정렬기의 UV 소오스하에서 15초동안 노출되었다. 포토레지스트를 현상한 후, ITO 기판은 47: 47: 7 DI 물/염산/질산을 포함하는 에칭 수용액에 침지 되었다.

에칭은 40℃에서 약 2분간 행해졌으며, 양호한 가장자리의 날카로움이 얻어졌다. 수직배향 고정성을 제공하기 위해 니싼 케미컬의 폴리이미드 SE1221이 정렬층으로서 이용되었다. 폴리이미드는 패턴화된 ITO 기판위로 스핀 코팅되었으며, 180℃에서 한 시간 동안 가열되었다. 셀 갭은 에포스타 유리 스페이서를 이용하여 5 마이크론으로 설정되었다. 전극 패턴은 기준 마크를 이용하여 마스크-정렬기 위에 배치되었다. 상단 및 하단 기판은 UV 에폭시를 이용하여 함께 접착되었다. 머르크 (Merck) 액정 Ml 106 및 0.55% w/w 키랄 불순물 ZLI 811 의 콜레스테릭 혼합물은 비어있는 셀내로 진공 주입되었다. 주입 이후에, 셀은 UV-에폭시로 밀봉되었고 100℃에서 10분 동안 어닐링되었다. 중간면 방향자 배향을 연구하기 위한 베이스라인을 제공하기 위해, 아키랄 혼합물 M1106만을 포함하는 몇몇 액정 셀이 또한 제조되었다.

일반적으로, 4개의 서로 다른 테스트 패턴이 다양한 테스트 셀의 서로 다른 영역에 채용되었다. 다음에, 셀은 올림푸스 BH2 편광 현미경하에서 관찰되어 도메인 형성 및 역학을 관찰하였다. 여러 전압을 갑자기 또는 천천히 테스트 셀에 인가함으로써 셀을 테스트하였다. 수많은 전원 전압기가 이용되었다.

보기 1

대향 기판 위의 줄무늬 사이에 왼쪽 즉 액정의 피치와 같은 방향으로 30° 및 45°로 트위스팅하는 4개의 간단한 줄무늬 패턴이 만들어졌다. 이들 각도의 각각에 대해, 와이어 및 갭은 똑같은 폭을 가진다. 이들 폭은 이들 각도의 각각에 대해 대략 5 및 8 마이크론이어서, 양측 기판을 포함하는 전체 패턴의 주기는 2개의 기판상의 줄무늬 사이의 둔각의 이등분선을 따라 10 마이크론 및 16 마이크론이었다. 이들 패턴은 벡터(D)의 방향의 양호한 정렬을 보였으나 부호의 정렬은 나타내지 않았다. 각각의 패턴에 대해 우리는 벡터(D)의 "추정 배향"이 2개의 기판 위의 줄무늬의 방향간의 각도의 이등분선의 방향인 것으로 정의한다. 물론, 2개의 그러한 각도가 있다: 예각 및 둔각. 벡터(D)의 추정 배향은 예각의 이등분선이다. 아키랄 네마틱을 포함하는 셀은 현미경에서, 일반적으로 편광기의 배향이라 칭해지는 45°편광된 광으로 벡터(D)의 추정 방향으로 편광되어 조명되며, 이하 분석기의 배향이라 칭하는 이 배향에 직각으로 배향된 편광기로 분석되었다. 어떤 전압도 인가되지 않은 때에 이 셀은 어둡게 나타난다. 프레드릭 전이 전압위에서, 이 배향에서 편광기를 수반한 셀은 밝게 되었다.

예상한 바와 같이, 셀을 통한 지연이 증가되는 것과 일관되어, 밝기는 전압이 증가됨에 따라 증가되었다. 현미경하에서, 시스템은 180° 도메인 벽으로 해석된 많은 어두운 선을 포함하는 밝은 도메인인 것으로 보여졌다.

벡터(D)가 제로가 아니고 45° 또는 편광기와 분석기의 방향에 평행하거나 직각이 아닌 임의의 방향에 있는 때에, 이는 가변 웨이브판으로서 작용하므로, 빛이 이를 통해 지나는 것으로 예상된다. 따라서, 이러한 결과는 벡터(D)의 방향의 양호한 조절과 일관되며, 부호의 양호한 조절과는 일관되지 않는다.

이러한 양호한 조절을 확실히 하기 위해서, 편광기는 벡터(D)의 추정 방향에 평행하게 배향되며, 분석기는 그에 직각으로 배향되었다.

그 후, 셀은 주로 어두운 것으로 나타났으나, 밝은 선들을 포함한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 밝은 라인 또는 도메인 벽 내를 제외하고는 벡터(D)가 D의 추정 방향을 따라 배향되어서 편광기의 방향에 평행 배향된 웨이브판을 야기한다는 해석과 일관된다. 이들 밝은 라인은 제1 종류의 도메인 벽임에 틀림없다. 셀에 큰 전압이 인가되었으며, 도메인 패턴은 거칠게 되는 것을 멈출 때까지 거칠게 되며, 그후 셀은 천천히 90°회전되어 벡터(D)의 추정 방향이 변화되었다. 이 회전동안에, 어두운 라인들이 밝은 라인으로 변화되고, 밝은 영역은 어두운 영역으로 변한 후 다시 돌아오는 것이 관찰되었다. 이는 D의 추정 방향을 따라 벡터(D)의 배향이 정렬되는 상기 해석을 확실시한다. 벡터(D)가 편광기 및 분석기에 45°로 배향되었을 때에 밝았던 영역은 두 전극 모두 갭을 가지는 영역인 약간 더 어두운 영역과 일치하는 자체 밝기의 조절을 보이는 것으로 주목되었다. 이는 벡터(D)의 방향 또는 크기가 이 구간에서 다소 변하는 것을 나타낸다. 셀이 아키랄 네마틱이 아닌 키랄로 충전된 때에 유사한 실험이 수행되었다. 벡터(D)가 제로가 아닌 때에, 키랄 네마틱은 둘 다 회전하며 인입광의 편광은 하나의 편광의 위상을 나머지 하나에 대해 변화시킨다. 따라서, 벡터(D)의 방향을 분명히 결정하기 위해서 교차된 편광기 및 분석기를 이용하는 간단한 방법은 없다. 그러나, 편광기 및 분석기가 D의 추정 방향에 대해 45°로 있는 때에, 결과는 아키랄 네마틱에 대한 결과와 유사하였다. 상술한 바와 같이 셀이 회전될 때에, 유사한 결과가 얻어졌다. 즉, 광학적 분석으로부터 예상된 바와 같이, D의 예상된 정렬에 일관되게 밝았던 영역이, 편광기 및 분석기가 D의 추정 정렬에 평행하고 직각이었던 때에 덜 어두웠던 점을 제외하고는 유사한 결과가 얻어졌다.

다시 이는 예상한 광학에 일관되며, 단순한 줄무늬 패턴이 아키랄 및 키랄 네마틱에서 벡터(D)의 부호가 아닌 방향을 조절함을 결론적으로 증명한다.

보기 2

이 보기에서, 도 4a의 패턴이 양 기판상에 에칭되었다. 이는 반복 패턴이며, 그 몇몇 반복이 도면에서 수평인 방향으로 도시되어 있으며, 단일의 수직적 반복보다 약간 더 많은 반복이 도시되어 있다. 아키랄 네마틱을 포함하는 테스트 셀은 도면에 도시한 상단 및 하단 전극의 레지스트리 둘다를 포함하여 제조되었으며, 도면에 수직인 방향으로 하나의 전극을 2.5, 5.0, 및 7.5 마이크론만큼 평행이동(translation)함에 의해서 상기 레지스트리는 의도적으로 변화되었다. 이는 레지스터되지 않은 전극의 효과를 테스트하기 위해서 행해졌다. 다시, 편광기를 여러 방향으로 하여, 전압을 인가하여 현미경으로 셀들을 관찰하였다. 초기의 일시적 현상후에, 이는 도면의 수평 방향에 주로 평행한 벡터(D)의 정렬을 보였다. 도면에서 수직인 갭 아래쪽의 구간, 이후 "추정 도메인 벽"은 예상된 바와 같이 편광기가 D의 추정방향에 45°에 있는 때에 셀의 나머지 부분보다 훨씬 어두웠다. 그런데, 특히 도4a에 도시한 바와 같이 레지스터되어 있는 셀에 대해서는, 추정 도메인 벽을 따르는 배향에서 결함이 있는 것으로 나타났다.

또한, 편광기 및 분석기가 벡터(D)의 추정 방향에 평행하고 직각인 때에, 추정 도메인 벽 근처의 구간은 밝았고, 잘 정열된 구간은 흐릿한 한편 예상보다 더 밝았으며, 추정 도메인 벽 상의 결함을 통과하는 어두운 라인을 포함했다. 이는 도 4에 도시한 바와 같은 벡터(D)의 양호한 정렬과 모두 일관되지만, 도메인 벽이 제1 종류의 도메인 벽이다. 도메인 벽에서의 결함은 도 2d에 도시된 회위 이다. 정렬된 구간에서의 배향은 정확하게 도면에 도시된 방향일 것으로 예상되지 않는다. 오히려, 이는 도메인 벽을 통과하면서 방향자가 회전하는 방향에 반대하는 방향으로 작은 양만큼 회전된다. 이는 이 구간이 예상보다 더 밝은 이유를 설명해준다. 어두운 라인은 상기 회전방향이 부호를 바꾸게 되는 구조들과 같은 도메인 벽이다.

이는, 도메인 벽을 통한 100° 만큼의 방향자의 정확한 회전을 위해서, 전극 내에서 더 넓은 갭이 필요할 것임을 의미한다. 더욱이, 키랄 네마틱을 포함하는 셀에 대해서 유사한 실험을 행하였다. 상술한 제1실시예에 대해서와 같이 결과는 아키랄 네마틱에 대해 도시된 도메인 구조의 해석과 일관되었다.

보기 3

이 보기에서는, 양 기판 위에 도 5의 패턴이 에칭되었다. 이는 수평 방향 및 수직 방향에서의 몇몇 반복이 도시된 반복 패턴이다. 셀은 상술한 바와 같이 분석되었으며, D의 배향은 전극의 적절한 레지스트리에 대해 도 5에 도시된 바와 같음이 나타났다. 그러나, 셀 자체내의 명백한 물리적 결함과 관련이 없는 액정의 도메인 구조에서의 작은 결함들이 두드러지지 않는다. 고의로 잘못 배치된(misregistered) 전극과 함께 제조된 셀은 상술한 바와 같이 간단한 줄무늬 셀에서와 같은 결과를 야기한다.

보기 4

이 보기에서는 도 8a 및 8b의 패턴이 기판 중 하나에 에칭되었으며, 다른 하나인 카운터-일렉트로(counter-electro)는 에칭되지 않은 연속 ITO이었다. 더욱이, 셀은 아키랄 네마틱으로 주입되었고, 편광 현미경 내에 배치되었다. 셀은 전압이 프레드릭 전이를 위한 전압을 초과할 때까지 어두웠다. 인가된 전압이 프레드릭 전이를 위한 전압을 초과하고, 초기의 일시적 현상이 지난 후에, 이들 도면에서 수평인 패턴의 방향에 약 45°인 편광기와 분석기의 적절한 배향에 따라, 셀은 전극의 패턴닝과 일관되는 밝기의 변화를 가지면서 밝은 것으로 관찰되었다. 초기의 전이 동안에, 도메인 벽, 회위 및 기타 결함의 증거가 있었다. 따라서, 모든 그러한 결함은 먼지, 에칭 에러, 개방회로 또는 기타 결함이 없는 샘플의 구간으로부터 없어졌다. 샘플이 편광기 및 분석기에 대해 45° 회전된 때에, 셀은 주로 어두웠고, 밝기의 패턴이 전극 위의 패턴과 일관되었다. 이들 결과 특히, 균형 패턴에서 임의의 명백한 결함의 결여는 이 전극 패턴이 벡터(D)의 방향 및 부호를 정렬하는 가능성과만 일관한다. 게다가, 키랄 네마틱에 대한 결과는 이러한 해석과 유사하며 일치한다.

보기 5

이 보기에서, 2개의 전극 위에는 도 4b-e에 도시한 패턴이 에칭되었다. 사용된 실제 패턴은 반복 패턴이며, 본 도면에서는 반복 단위만이 도시되어 있다. 벡터(D)의 예상된 정렬은 도시된 바와 같이 이 도면에서 변하며, 제1 종류의 90° 도메인 벽은 전극 내의 대각선 갭에 인접한 것으로 예상되며, 이후, 추정 도메인 벽이라 한다. 키랄 및 아키랄 네마틱 둘 다를 가진 셀이 제조되었다. 전압이 프레드릭 전이 전압보다 작은 때에 셀은 다시 어둡다. 전압이 프레드릭 전이 전압을 초과한 때에 셀은 밝게 되었다. 편광기 및 분석기가 본 도면에서 수평인 방향에 대해 45°에 있는 때에, 예상된 바와 같이,도 4b-d의 상단 및 하단에 있는 어두운 구간을 제외하고는 셀은 밝다. 또한 추정 도메인 벽의 구간은 더 어둡다. 편광기 및 분석기가 도 4에서 수평인 방향에 평행하고 직각인 때에, 추정 도메인 벽을 제외한 모든 구간은 어두우며 이들은 밝다. 짧은 일시적인 현상 후에, 개회로(open circuit), 먼지 등의 물리적 결함과 관련된 것을 제외하고는 도메인 구조 내의 어떠한 결함도 셀 내에서 관찰되지 않았다.

상술한 설명을 참조하여 당 분야의 전문가에 의한 본 발명의 많은 변형 및 수정이 가능할 것이다. 따라서, 첨부한 청구범위내에서 본 발명은 설명된 바와 달리 실행될 수 있음은 물론이다.

Claims (68)

1. 거리 t 만큼 간격을 두고 배치된 제1 및 제2 기판들;

   상기 기판들 사이에 배치되며 액정 분자들로 이루어진 액정 물질; 및

   상기 제1 및 제2 기판들 상에 각각 배치되며 전원에 연결된 제1 및 제2 도전성 전극 패턴들;

   을 포함하는 액정 셀에 있어서,

   상기 제1 및 제2 전극 패턴들 중 하나의 전극 패턴은 상기 기판들의 평면에 평행한 평면에서 직교의 체적(orthogonal dimension)을 갖는 하나의 픽셀 상에 위치하고, 상기 하나의 전극 패턴은 그 안에 하나 이상의 비-도전성 갭들을 더 포함하며, 상기 하나 이상의 비-도전성 갭들은 상기 기판들간 간격의 0.5~2.5배의 폭을 전극 평면에 갖는 소규모 갭이고, 및

   상기 하나의 전극 패턴은, 상기 전극 패턴들 간 전압차에 의한 전기장 인가(field-on) 상태에서, 상기 기판들의 평면에 평행한 평면에서 도메인 경계(boundary)를 갖는 상기 픽셀 내에 하나 이상의 액정 도메인을 생성하는 전계를 생성하고, 여기서 상기 도메인 내에서 상기 액정 분자들은 부호와 방향이 동일한 방위각 배향을 가지며, 상기 소규모 갭의 일부분이 상기 도메인의 경계로부터 거리 t 내에서 상기 도메인과 중첩하는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
2. 제1항에 있어서, 상기 1개 이상의 픽셀 내에 다수의 상기 소규모 갭을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
3. 제1항에 있어서, 상기 소규모 갭의 일부분이 상기 도메인의 경계로부터 2배 거리(t)의 상기 도메인 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
4. 제1항에 있어서, 상기 전기장 인가 상태에서, 상기 액정 물질이 상기 1개 이상의 픽셀 내에서 다수의 상기 도메인을 나타내며, 각 도메인은 1개 이상의 상기 소규모 갭에 인접한 것을 특징으로 하는 액정 셀.
5. 제1항에 있어서, 상기 전기장 인가 상태에서, 상기 액정 물질이 상기 1개 이상의 픽셀 내에서 다수의 상기 도메인들을 나타내며, 각 도메인은 다수의 상기 소규모 갭에 인접한 것을 특징으로 하는 액정 셀.
6. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극이 1개 이상의 상기 소규모 갭을 포함하는 1개 이상의 픽셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
7. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극이 다수의 상기 소규모 갭을 포함하는 1개 이상의 픽셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
8. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극이 1개 이상의 상기 픽셀을 포함하고, 상기 전기장 인가 상태에서, 상기 액정 물질이 각 상기 픽셀 내에서 다수의 상기 도메인을 나타내며, 각 상기 도메인은 1개 이상의 상기 소규모 갭에 인접한 것을 특징으로 하는 액정 셀.
9. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극이 1개 이상의 상기 픽셀을 포함하고, 상기 전기장 인가 상태에서, 상기 액정 물질이 각 상기 픽셀 내에서 다수의 상기 도메인을 나타내며, 각 상기 도메인은 다수의 상기 소규모 갭에 인접한 것을 특징으로 하는 액정 셀.
10. 제6, 7, 8 또는 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 기판 위의 상기 픽셀이 서로 인접하며 동일 면적(coextensive)인 것을 특징으로 하는 액정 셀.
11. 제1항에 있어서, 상기 도메인 경계의 일부분이 선형이고, 상기 경계가 1개 이상의 비-도전성 갭 또는 비-도전성 갭의 부분과 인접하며 동일 선상(colinear)이거나, 또는 상기 픽셀의 가장자리에서 대향 기판들 위 전극의 가장자리 위치에서의 차이로 인접하며 동일 선상에 있고, 일정 각도로 배치되는 다수의 상기 소규모 갭을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
12. 제1항에 있어서, 상기 도메인 경계의 일부분이 선형이며, 상기 경계의 상기 선형 부분의 일부분과 인접하며 동일 선상인 1개 이상의 비-도전성 갭 또는 비-도전성 갭의 부분을 포함하며, 다수의 상기 소규모 갭이 일정한 각도로 연장되는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
13. 제1항에 있어서, 상기 도메인 경계의 일부분이 선형이며, 상기 경계의 상기 선형 부분의 일부분과 인접하며 동일 선상인 1개 이상의 비-도전성 갭 또는 비-도전성 갭의 부분을 포함하고, 다수의 상기 소규모 갭이 일정한 각도로 연장되며, 상기 소규모 갭이 직사각형이며 서로 평행한 것을 특징으로 하는 액정 셀.
14. 제1항에 있어서, 상기 도메인 경계들이 선형이고, 각 상기 경계는 비-도전성 갭 또는 비-도전성 갭의 부분과 인접하고 동일 선상이며, 일정 각도로 배치되는 다수의 상기 소규모 갭을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
15. 제1항에 있어서, 상기 도메인 경계들이 선형 단편들로 구성되고, 각 상기 단편은 1개 이상의 비-도전성 갭 또는 비-도전성 갭의 부분과 인접하며 동일 선상이거나, 또는 픽셀의 가장자리에서 대향 기판들 위 전극들의 가장자리 위치에서의 차이로 인접하며 동일 선상에 있고, 일정 각도로 배치되는 다수의 상기 소규모 갭을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
16. 제1항에 있어서, 상기 도메인 경계들이 선형이며, 각 상기 경계는 일정 각도로 연장하는 다수의 상기 소규모 갭을 더 포함하는 비-도전성 갭 또는 비-도전성 갭의 부분과 인접하며 동일 선상인 것을 특징으로 하는 액정 셀.
17. 제1항에 있어서, 상기 도메인 경계들이 선형이고, 각 상기 경계는 일정 각도로 연장하는 다수의 상기 소규모 갭을 더 포함하는 비-도전성 갭 또는 비-도전성 갭의 부분과 인접하며 동일 선상이고, 상기 소규모 갭들이 직사각형인 것을 특징으로 하는 액정 셀.
18. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 기판들은 1개 이상의 상기 픽셀을 포함하고, 상기 픽셀들은 인접하고 동일 면적이며, 각 상기 픽셀은 다수의 상기 소규모 갭을 포함하고, 상기 소규모 갭들은 직사각형이며 서로 평행하고, 또한 대향하는 상기 기판들 위의 평행한 갭들은 상기 액정의 방위각 배향이 상기 셀을 통과하는 동안에 그 자연적인 피치의 결과로서 회전하는 각도 보다 적은 10° 내지 30°의 각도로 서로 회전하는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
19. 제1항에 있어서, 상기 액정 물질은 부 유전 이방성을 가진 네마틱 액정 또는 키랄 네마틱 액정으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
20. 제1항에 있어서, 1개 이상의 상기 기판은 상기 액정을 정렬시키도록 처리되는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
21. 제1항에 있어서, 상기 액정 물질은 부 유전 이방성을 가진 네마틱 액정 또는 키랄 네마틱 액정으로부터 선택되며, 또한 1개 이상의 상기 기판은 상기 액정 물질의 수직 배향 정렬을 증진시키도록 처리되는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
22. 제1항에 있어서, 상기 1개 이상의 픽셀 내 면적의 60%는 상기 전극의 도전성 부분의 가장자리로부터 거리(t)의 1.5배 내에 있는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
23. 제1항에 있어서, 상기 1개 이상의 픽셀 내 면적의 90%는 상기 전극의 도전성 부분의 가장자리로부터 거리(t)의 1.5배 내에 있는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
24. 제1항에 있어서, 상기 1개 이상의 픽셀 내 면적의 60%는 상기 전극의 도전성 부분의 가장자리로부터 거리(t)의 0.7배 내에 있는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
25. 제1항에 있어서, 상기 기판들은 1개 이상의 상기 픽셀을 포함하며, 또한 상기 1개 이상의 픽셀 내 면적의 80%는 상기 전극의 도전성 부분의 가장자리로부터 거리(t)의 0.7배 내에 있는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
26. 제1항에 있어서, 상기 소규모 갭들은 Pg, Cm 또는 P1으로 구성된 그룹으로부터 선택된 이차원 공간 그룹에 따라 변환하는 각 액정 도메인 내의 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
27. 제1항에 있어서, 상기 1개 이상의 픽셀 내 면적의 90%는 상기 전극의 도전성 부분의 가장자리로부터 거리(t)의 0.7배 내에 있는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
28. 제1항에 있어서, 상기 전기장 인가 상태에서, 상기 액정 물질은 상기 1개 이상의 픽셀 내에 다수의 상기 도메인들을 나타내며, 각 상기 도메인은 다수의 상기 소규모 갭들에 인접하며, 상기 1개 이상의 픽셀 내 면적의 60%는 상기 전극의 도전성 부분의 가장자리로부터 거리(t)의 1.5배 내에 있는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
29. 제1항에 있어서, 상기 전기장 인가 상태에서, 상기 액정 물질은 상기 1개 이상의 픽셀 내에 다수의 상기 도메인을 나타내고, 각 상기 도메인은 다수의 상기 소규모 갭에 인접하고, 상기 소규모 갭들은 직사각형이며 같은 폭과 간격으로 서로 평행하며, 상기 1개 이상의 픽셀 내 면적의 80%는 상기 전극의 도전성 부분의 가장자리로부터 거리(t)의 1.5배 내에 있는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
30. 거리 t 만큼 간격을 두고 배치된 제1 및 제2 기판들;

    상기 기판들 사이에 배치되며 액정 분자들로 이루어진 액정 물질; 및

    상기 제1 및 제2 기판들 상에 각각 배치되며 전원에 연결된 제1 및 제2 도전성 전극 패턴들;

    을 포함하는 액정 셀에 있어서,

    상기 제1 및 제2 전극 패턴들 중 하나의 전극 패턴은 상기 기판들의 평면에 평행한 평면에서 직교의 체적을 갖는 하나 이상의 픽셀 상에 위치하고, 상기 하나의 전극 패턴은 그 안에 다수의 비-도전성 갭들을 포함하며,

    상기 비-도전성 갭들은 상기 전극 패턴의 평면에 길이와 폭을 갖는 소규모 갭들이며, 상기 폭이 거리(t)의 0.5~2.5배이며 상기 하나 이상의 픽셀 내 면적의 60%는 상기 전극 패턴의 도전성 부분의 가장자리로부터 거리(t)의 1.5배 내에 있고, 및

    상기 하나의 전극 패턴은, 상기 전극 패턴들 간 전압차에 의해 야기된 전기장 인가 상태에서, 상기 픽셀 내에서 인접한 액정 분자들의 액정 방위자들의 방향을 제어하는 전계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
31. 제30항에 있어서, 상기 픽셀 내 면적의 90%는 상기 전극의 도전성 부분의 가장자리로부터 거리(t)의 1.5배 내에 있는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
32. 제30항에 있어서, 상기 비-도전성 갭들이 상기 폭 보다 더 큰 길이를 가지고 있으며 또한 평행한 것을 특징으로 하는 액정 셀.
33. 제30항에 있어서, 상기 갭들은 직사각형이며 또한 서로 평행한 것을 특징으로 하는 액정 셀.
34. 제30항에 있어서, 상기 픽셀 내 면적의 60%는 상기 전극의 도전성 부분의 가장자리로부터 거리(t)의 0.7배 내에 있는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
35. 제30항에 있어서, 상기 픽셀 내 면적의 90%는 상기 전극의 도전성 부분의 가장자리로부터 거리(t)의 0.7배 내에 있는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
36. 제30항에 있어서, 상기 기판들은 1개 이상의 상기 픽셀을 포함하며, 또한 상기 픽셀 내 면적의 80%는 상기 전극의 도전성 부분의 가장자리로부터 거리(t)의 0.7배 내에 있는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
37. 제30항에 있어서, 전기장 인가 상태에서, 상기 액정은, 상기 액정 분자들이 동일 부호와 방향을 지닌 방위각 배향을 갖는 상기 기판들의 평면과 평행한 평면에서 경계를 갖는 1개 이상의 액정 도메인을 형성하며, 상기 도메인 경계의 일부분과 인접하며 동일 선상인 1개 이상의 비-도전성 갭 또는 비-도전성 갭의 부분을 포함하며, 상기 다수의 상기 소규모 갭이 일정 각도로 배치되는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
38. 제30항에 있어서, 전기장 인가 상태에서, 상기 액정은, 상기 액정 분자들이 동일 부호와 방향을 지닌 방위각 배향을 갖는 상기 기판들의 평면과 평행한 평면에서 경계를 갖는 1개 이상의 액정 도메인을 형성하며, 상기 도메인 경계의 일부분과 인접하며 동일 선상인 1개 이상의 비-도전성 갭 또는 비-도전성 갭의 부분을 포함하며, 상기 다수의 상기 소규모 갭이 일정 각도로 연장되는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
39. 제30항에 있어서, 전기장 인가 상태에서, 상기 액정은, 상기 액정 분자들이 동일 부호와 방향을 지닌 방위각 배향을 갖는 상기 기판들의 평면과 평행한 평면에서 경계를 갖는 1개 이상의 액정 도메인을 형성하며, 상기 도메인 경계의 일부분과 인접하며 동일 선상인 1개 이상의 비-도전성 갭 또는 비-도전성 갭의 부분을 포함하며, 상기 다수의 상기 소규모 갭이 일정 각도로 연장되며, 상기 소규모 갭들은 직사각형이며 서로 평행한 것을 특징으로 하는 액정 셀.
40. 제30항에 있어서, 상기 제1 및 제2 기판들은 1개 이상의 상기 픽셀을 포함하고, 상기 픽셀들은 인접하고 동일 면적이며, 상기 소규모 갭들은 직사각형이며 서로 평행하고, 또한 대향하는 상기 기판들 위의 평행한 갭들은 상기 액정의 방위각 배향이 상기 셀을 통과하는 동안 그 자연적인 피치의 결과로서 회전하는 각도 보다 적은 10° 내지 30°의 각도로 서로 회전하는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
41. 제30항에 있어서, 상기 액정 물질은 부 유전 이방성을 가진 네마틱 액정 또는 키랄 네마틱 액정으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
42. 제30항에 있어서, 1개 이상의 상기 기판은 액정을 정렬시키도록 처리되는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
43. 제30항에 있어서, 상기 액정 물질은 부 유전 이방성을 가진 네마틱 액정 또는 키랄 네마틱 액정으로부터 선택되며, 1개 이상의 상기 기판은 상기 액정 물질의 수직 배향 정렬을 증진시키도록 처리되는 것을 특징으로 하는 액정 셀.
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