KR100816570B1 - 액정 상용성 입자, 그의 제조 방법 및 액정 소자 - Google Patents

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지라꼰 찌사유따
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순수케 고바야시
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Abstract

본 발명은 한쌍의 평행한 기판, 이들 기판의 대향하는 내측면에 각각 제공된 도전막, 이들 도전막의 대향하는 내측면에 각각 선경사각(pre-tilt angle)을 갖고 제공된 액정 배향막, 이들 한쌍의 액정 배향막 사이에 형성된 액정층을 가지며, 이 액정층에는 나노입자를 포함하는 핵과 그 주위에 제공된 액정 분자 또는 액정형 분자로 구성되는 액정층 상용성 입자가 용해 또는 분산되고, 상기 도전막에는 액정층의 광투과율을 변화시키기 위해 주파수 및 전압 중 적어도 주파수를 변조하여 전압을 인가하는 제어 회로가 설치되어 있는 액정 소자, 및 상기 액정 상용성 입자에 관한 것이다.
액정 소자, 액정 상용성 입자, 도전막, 액정층

Description

액정 상용성 입자, 그의 제조 방법 및 액정 소자 {Particle Compatible With Liquid Crystal, Its Manufacturing Method, and Liquid Crystal Device}
본 발명은 전기 광학 응답에 대하여 구동 전압의 진폭 외에 주파수 의존성을 갖는 고속 응답 액정 소자, 및 이 액정 소자에서의 액정에 도핑하기 위한 액정 상용성 입자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
액정을 이용한 전기 광학 소자 또는 표시 소자에 있어서는 액정 셀에 액정을 충전하여 사용한다. 네마틱 액정을 이용한 액정 셀은 주로 매트릭스 표시 액정 디스플레이(이하, 「LCD」라고도 함)로서 컴퓨터용 모니터, 텔레비젼 및 휴대용 전화 등의 모바일 기기의 표시로서 널리 이용되고 있다.
그러나, 네마틱 액정을 이용한 LCD(이하,「NLCD」라고도 함)는 시간상수가 12 밀리초 내지 200 밀리초로 길고, 응답 속도가 느리기 때문에 충분한 동화상 표시 대응이 불가능하다는 문제가 있다.
액정 소자의 전기 광학 응답을 고속화하는 방법으로서 ① 강유전성 액정, ② 네마틱 벤트 모드(nematic bent mode), ③ 플렉소 전기 효과, ④ 이주파 구동 등의 방식(문헌[M. Schadt, Mol. Cryst. Liq. Cryst. 89(1982) 77] 참조)을 이용하는 것이 시도되고 있다. 강유전성 액정, 네마틱 벤트 모드, 플렉소 전기 효과 등은 구 동 전압의 진폭 또는 그 진폭의 평균치에만 의존하고, 주파수에는 의존하지 않는다. 또한, 이주파 구동 등의 방식은 주파수에 의존한다.
고속 응답의 LCD로서 강유전성 액정은, 문헌[차세대 액정 디스플레이, 고바야시 순스께 편저, 교리쯔슈판, 2002년 9월, 제4장 및 제8장]에 기재되어 있는 바와 같이 고바야시 순스께 등에 의한 무결함 고분자 안정 강유전성 액정 소자가 고속 응답에서 실용성이 우수하다는 것이 밝혀져 있다. 그러나, 네마틱 벤트 모드나 플렉소 전기 효과는 아직 실용화되어 있지 않다.
또한, 이주파 구동 방식은 액정 혼합물에 의해 전기 광학 특성에 주파수 의존성을 갖게 하는 방식인데, 사용할 수 있는 액정 물질이 제한되기 때문에 주파수의 범위를 자유롭게 선택할 수 없고, 작동 전압이 높으며, 온-오프의 주파수 의존성이 반대인 점 등으로 인해 실용화에는 이르고 있지 못하다.
본 발명자들은 상기 과제를 해결하는 방법으로서, 주파수 변조 방식의 구동을 가능하게 하면, 인가 전계(전압)의 주파수를 전환함으로써 고속의 전기 광학 응답을 얻을 수 있다는 점에 착안하였다. 이 방식에 따르면, 종래의 방법에서 인가 전계 진폭을 변화시킴으로써 전기 광학 응답의 콘트라스트비(contrast ratio)를 연속적으로 변화시킬 수도 있고, 그로 인해 그와 동시에 이러한 주파수 변조 방식의 액정 소자의 능동 매트릭스 방식에 의한 구동이 가능해진다.
한편, 주파수 변조 응답을 나타내는 NLCD는 고바야시 순스께 등에 의해 이미 보고되어 있다(문헌[H. Yoshikawa et al, Jpn. J. Appl. Phys., 41(2002) L1315] 및 문헌[Y. Shiraishi et al, Appl. Phys. Lett., 81(2002) 2845] 참조). 그러나, 이 문헌에는 팔라듐 나노입자만이 사용되고 있으며, 이 계에서는 주파수 변조 범위가 10 Hz 내지 100 Hz로 한정되기 때문에 응용성 및 실용성의 범위가 한정된다.
이상으로부터 인가 전계의 주파수를 전환함으로써 고속의 전기 광학 응답의 온-오프를 제어할 수 있고, 또한 주파수 변조 범위를 수 Hz에서부터 수십 kHz 이상까지 자유롭게 변경할 수 있는 주파수 변조 방식의 액정 소자의 제공이 요구되고 있다.
본 발명자들은 상기 실정을 감안하여 예의 연구한 결과, 작동 모드 방식은 종래부터 여러가지로 사용되고 있는 방식 그대로이면서, 액정층에 액정 분자 또는 액정형 분자로 보호된 나노입자를 분산 첨가함으로써 전기 광학 응답에 광범위한 주파수 의존성을 갖게 할 수 있고, 인가 전계의 주파수를 전환함으로써 고속의 전기 광학 응답이 얻어진다는 것을 발견하고, 본 발명에 도달하였다.
즉, 본 발명에서는 하나 또는 복수의 나노입자를 포함하는 핵과, 그 주위에 제공된 액정 분자 또는 액정형 분자를 포함하는 보호층을 갖는 것을 특징으로 하는 액정 상용성 입자를 제공한다.
상기 액정 상용성 입자에 있어서는, 상기 핵의 직경이 1 nm 내지 100 nm인 것이 바람직하며, 상기 핵의 직경에 대하여 상기 액정 분자 또는 액정형 분자의 단축(短軸) 폭이 상기 직경과 동일하거나 또는 작은 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기 나노입자가 금속을 포함하는 금속 나노입자이며, 상기 액정 분자 또는 액정형 분자를 포함하는 용액 중에서 복수의 금속 이온을 환원하여 상기 금속 나노입자의 주위에, 상기 액정 분자 또는 액정형 분자를 결합시켜 입자를 형성하는 것을 특징으로 하는 액정 상용성 입자의 제조 방법을 제공한다.
이 경우, 상기 금속 나노입자가 Ag, Pd, Au, Pt, Rh, Ru, Cu, Fe, Co, Ni, Sn 및 Pb로부터 선택되는 1종 이상의 금속 원자를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 금속 이온은 금속 할로겐화물, 아세트산 금속염, 과할로겐산 금속염, 황산 금속염, 질산 금속염, 탄산 금속염, 옥살산 금속염 중 하나 이상의 금속염을 출발원료로 하고 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 한쌍의 평행한 기판, 이들 기판의 대향하는 내측면에 각각 제공된 도전막, 이들 도전막의 대향하는 내측면에 각각 선경사각(pre-tilt angle)을 갖고 제공된 액정 배향막, 이들 한쌍의 액정 배향막 사이에 형성된 액정층을 가지며, 상기 액정층에는 상술한 액정 상용성 입자가 용해 또는 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 액정 소자를 제공한다.
이 때, 상기 도전막에는 액정층의 광투과율을 변화시키기 위해, 주파수 및 전압 중 적어도 주파수를 변조하여 전압을 인가하는 제어 회로가 설치되어 있고, 인가 전압을 일정하게 유지한 상태로 인가 전계의 주파수를 저주파에서 고주파로 전환함으로써 전기 광학 응답이 온(on)이 되고, 고주파에서 저주파로 전환함으로써 전기 광학 응답이 오프(off)가 되는 것이 바람직하다.
본 발명의 액정 소자는 액정층에 나노입자를 포함하는 핵과, 그 주위에 제공된 액정 분자 또는 액정형 분자로 구성되는 액정 상용성 입자가 용해 또는 분산되어 있기 때문에, 인가 전계의 주파수를 전환함으로써 고속의 전기 광학 응답의 온-오프를 제어할 수 있다.
상기 액정 소자에 있어서는, 전기 광학 응답의 온-오프에 따른 응답의 시간상수가 0.1 밀리초 내지 10 밀리초의 범위인 것이 바람직하며, 전기 광학 응답의 주파수 변조 범위가 20 Hz 내지 100 kHz의 범위인 것이 바람직하다. 또한, 상기 액정 상용성 입자를 구성하는 나노입자가 Ag, Pd, Au, Pt, Rh, Ru, Cu, Fe, Co, Ni, Sn 및 Pb로부터 선택되는 1종 이상의 금속 원자인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기 액정 소자를 능동 매트릭스 방식을 이용하여 구동하는 것을 특징으로 하는 액정 소자의 구동 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 액정 소자의 전기 광학 응답의 온-오프를 인가 전압 뿐만아니라 그 주파수에 의해 제어할 수 있다. 또한, 나노입자의 종류, 조합 및 농도를 변화시킴으로써 제어 가능한 주파수 범위를 수 Hz로부터 수백 kHz의 사이에서 자유롭게 선택할 수 있다.
본 발명의 액정 소자는 인가 전계의 주파수를 전환함으로써 종래에 비하여 10배 내지 100배의 고속 스위칭이 가능하다. 이러한 본 발명의 액정 소자는 모든 형태의 작동 모드에 대응할 수 있고, 고속 응답을 실현할 수 있다. 이 고속 응답의 방식은 네마틱 액정 디스플레이에 적용할 수 있다. 또한, 강유전성 액정 디스플레이의 경우에도 보통 유전성과 강유전성의 조합으로 작동하고 있기 때문에, 본 방식을 적용함으로써 고속 응답을 실현할 수 있다. 이들 액정 소자는 모두 능동 매트릭스 방식에 의한 구동이 가능하다.
도 1은 본 발명의 액정 소자의 일례를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 액정 상용성 입자의 일례를 나타내는 개략적인 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서의 인가 실효치 전압에 대한 상대 광투과율을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서의 전기 광학 응답 파형을 나타내는 도면이다.
<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>
이하, 본 발명의 액정 소자에 대하여 상세하게 설명한다.
[1] 액정 소자
본 발명의 액정 소자는 한쌍의 평행한 기판, 이들 기판의 대향하는 내측면에 각각 제공된 도전막, 이들 도전막의 대향하는 내측면에 각각 선경사각을 갖고 제공된 액정 배향막, 이들 한쌍의 액정 배향막 사이에 형성된 액정층을 가지며, 이 액정층에는 나노입자를 포함하는 핵과 그 주위에 제공된 액정 분자 또는 액정형 분자로 구성되는 액정 상용성 입자가 용해 또는 분산되고, 이와 같이 만들어진 복합체(혼합계)는 액정층의 광투과율을 변화시키기 위해 주파수 및 전압 중 적어도 주파수를 변조하여 전압을 인가하는 제어 회로가 설치되어 있는 액정 소자이며, 인가 전압을 일정하게 유지한 상태로 인가 전계의 주파수를 저주파에서 고주파로 전환함으로써 광 변조 소자로서의 전기 광학 응답이 온이 되고, 고주파에서 저주파로 전환함으로써 전기 광학 응답이 오프가 되는 것을 특징으로 한다. 여기서 전압을 변화시킴으로써 전기 광학 응답을 변화시킬 수도 있다.
본 발명에서는, 액정층에 나노입자를 용해 또는 분산시킴으로써 액정 소자의 전기 광학 응답에 주파수 의존성을 갖게 할 때, 상기 나노입자를 액정 분자 또는 액정형 분자로 보호함으로써 액정층에서의 나노입자의 분산을 양호하게 하고, 제어 가능한 주파수 범위를 수 Hz로부터 수십 kHz 이상의 범위에서 자유롭게 선택하는 것을 가능하게 한다.
이와 같이 나노입자가 액정 소자의 전기 광학 응답에 주파수 의존성을 부여할 수 있는 이유를 이하에 설명한다.
매트릭스 액정과 나노입자의 계면에서, 인가 교류 전계에 의해 진동 전기 쌍극자가 형성된다. 따라서, 나노입자에 의한 여분의 데바이(Debye)형의 유전 분산이 발생된다. 이 때, 나노입자에 의한 여분의 유전 분산은 ωτ=1 근처의 주파수 영역에서 발생하며, 그 완화 시간은 매트릭스 액정의 유전율을 ε1, 도전율을 σ1이라고 하고, 나노입자의 유전율을 ε2, 도전율을 σ2라고 하면, 하기 수학식으로 구해진다.
Figure 112005057810842-pct00001
이 현상은 불균일 유전체에 관한 맥스웰-와그너(Maxwell-Wagner) 효과로서 알려져 있는 것이지만, 본 발명에 있어서는 액정층에서 여분의 유전 분산의 완화 시간상수를 나노입자의 종류와 농도(단위 부피당 입자수)에 의해 제어하며, 그에 따라 액정 소자의 전기 광학 응답에 주파수 의존성을 갖게 할 수 있다. 본 발명에 있어서는, 이 때 나노입자를 액정 분자 또는 액정형 분자로 보호함으로써 액정층에서의 나노입자의 분산을 양호하게 하고, 광범위한 주파수 변조를 가능하게 할 수 있다. 이 때, 나노입자의 경우 광 조사에 의해 광 도전성의 상기 주파수 변조 특성을 변화시킬 수 있다.
이와 같이 함으로써 인가 전계의 주파수에 의해 연속적으로 표시의 밝기를 변화시킬 수 있다. 또한, 구동 주파수를 저주파에서 고주파로 전환하여 액정 소자의 전기 광학 응답을 온으로 하고, 고주파에서 저주파로 전환하여 오프로 할 수 있어, 종래의 것에 비하여 10배 내지 100배의 고속 응답을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 액정 소자의 일례로서, 능동 매트릭스 방식에 의해 구동하는 액정 소자의 개략적인 단면도를 나타낸 것이다. 한쌍의 평행한 기판 (1a, 1b)와, 그 내측면에 투명 도전막 (3a, 3b)가 제공되고, 투명 도전막의 대향하는 내측면에 액정 배향막 (4a, 4b)가 제공되며, 이들 액정 배향막 (4a, 4b) 사이에 액정층 (2)가 배치되어 있다. 액정층 (2)에는 액정 상용성 입자 (NP)가 분산되어 있다. 또한, 기판 (1a)에는 박막 트랜지스터(TFT) (Q7)과 화소 전극 PX(투명 도전막 (3a))가 배치되어 있다. 상측의 기판 (1b)에는 액정층과 접하는 측에 블랙 스트라이프 (BS)가 배치되어 있고, 기판 (1b)와 액정 배향막 (4b) 사이에 투명 도전막 (3b), 컬러 필터 (5)가 배치되어 있다. 또한, 양 기판의 외측에는 2장의 편광판 (6a, 6b)가 배치되어 있다. 이하, 도 1을 참조하면서, 본 발명의 액정 소자의 각 구성에 대하여 구체적으로 설명한다.
(1) 액정층
본 발명에서 사용하는 액정층 (2)는 매트릭스 액정에 나노입자를 포함하는 핵과 그 주위에 제공된 액정 분자 또는 액정형 분자로 구성되는 액정 상용성 입자 (NP)가 용해 또는 분산되어 구성되어 있다. 매트릭스 액정과 나노입자의 주위에 제공된 액정 분자 또는 액정형 분자의 유전체 이방성은 양 또는 음일 수도 있지만, 광범위한 주파수 변조를 가능하게 하기 위해 서로 반대가 되는 것이 바람직하다.
매트릭스 액정으로서는 시아노비페닐류, 콜레스테릴에스테르류, 탄산에스테르류, 페닐에스테르류, 시프 염기류, 벤지딘류, 아족시벤젠류, 키랄기를 갖는 강유전성 액정, 액정 고분자 등을 들 수 있다.
액정 상용성 입자는, 도 2에 도시된 바와 같이 하나 또는 복수의 나노입자를 포함하는 핵 (11)과, 그 주위에 제공된 보호 액정 분자 또는 액정형 분자 (10)을 포함하는 보호층 (12)로 구성되어 있다.
여기서, 나노입자를 포함하는 핵 (11)의 직경 (d)는 1 nm 내지 100 nm이다.
보호 액정 분자 또는 액정형 분자 (10)은 후술하는 바와 같이 다양하게 선택되지만, 상기 핵 (11)의 직경에 대하여 액정 분자 또는 액정형 분자 (10)의 단축 폭이 이 직경과 동일하거나 또는 작도록 설정된다.
나노입자는 100 nm보다 작은 입경의 미립자라면 특별히 한정되는 것이 아니며, 금속 나노입자, 반금속 나노입자, 반도체 나노입자, 무기물 나노입자 또는 유기물 나노입자를 들 수 있다. 이들 나노입자는 1종 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수도 있다. 반금속으로서는 Bi, Te 등, 반도체로서는 CdS, CdSe, 자성 입자로서는 FePt, CoPt, MPt, MPd, 무기물로서는 Fe2O3, TiO2, Al2O3, SiO2, 유기물로서는 C60계, 카본 나노튜브 등이 있다. 이들 중에서도 넓은 주파수 변조 범위의 전기 광학 응답을 실현할 수 있다는 점에서 금속 나노입자를 사용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 Ag, Pd, Au, Pt, Rh, Ru, Cu, Fe, Co, Ni, Sn 및 Pb로부터 선택되는 1종 이상의 금속 원자를 들 수 있다. 이들 금속 원자 중에서도 Ag, Pd 및 Cu를 1종 단독으로 또는 혼합하여 사용하는 것이 바람직하며, 특히 Ag는 주파수 변조 범위가 매우 넓다는 점에서 바람직하고, Ag와 다른 금속 원자, 예를 들면 Pd 등의 종류의 조합이나 농도(단위 부피당 입자수)를 변화시킴으로써 용도에 따른 주파수 변조 범위를 자유롭게 선택할 수 있다.
구체적으로는, 보호 액정 분자로서 펜틸시아노비페닐, 금속 나노입자로서 Ag, 액정 분자와 금속의 몰비 5 내지 50, 첨가 농도 1 중량％ 내지 3 중량％를 선택한다.
상기의 경우, 핵 (11)은 Pd 등의 금속 이온으로 구성되는데, 금속 이온을 얻기 위해서는 상기 금속의 할로겐화물, 아세트산 금속염, 과할로겐산 금속염, 황산 금속염, 질산 금속염, 탄산 금속염, 옥살산 금속염 등의 각종 산의 금속염을 출발원료로서 사용하는 것이 바람직하다.
금속 이외의 화합물 반도체나 무기물(산화물)의 나노입자의 경우에는, 이들의 벌크 합성 반응을 폴리비닐피롤리돈의 존재하에서 행함으로써 합성한다.
보호층 (12)를 구성하는 액정 분자 또는 액정형 분자 (10)은, 예를 들면 4- 시아노-4'-n-펜틸비페닐, 4-시아노-4'-n-헵틸옥시비페닐 등의 시아노비페닐류; 콜레스테릴아세테이트, 콜레스테릴벤조에이트 등의 콜레스테릴에스테르류; 4-카르복시페닐에틸카보네이트, 4-카르복시페닐-n-부틸카보네이트 등의 탄산에스테르류; 벤조산 페닐에스테르, 프탈산 비페닐에스테르 등의 페닐에스테르류; 벤질리덴-2-나프틸아민, 4'-n-부톡시벤질리덴-4-아세틸아닐린 등의 시프 염기류; N,N'-비스벤질리덴벤지딘, p-디아니스아르벤지딘 등의 벤지딘류; 4,4'-아족시디아니솔, 4,4'-디- n-부톡시아족시벤젠 등의 아족시벤젠류; 폴리(p-페닐렌테레프탈아미드) 등의 액정 고분자 중 1종 이상이 사용된다. 4-머캅토-4'-n-비페닐, 4-시아노-4'-(ω-머캅토펜틸)비페닐 등의 액정 분자와 구조가 유사한 액정형 분자도 사용할 수 있다.
이들 액정 분자 또는 액정형 분자 중에서도, 금속 나노입자를 사용하는 경우에는 액정 분자 또는 액정형 분자 (10)은 금속과의 상호 작용이 강한 것이 바람직하며, 예를 들면 시아노기, 티올기, 아미노기, 카르복시기 등을 갖는 방향족 또는 지방족의 액정 분자 또는 액정형 분자를 들 수 있다.
액정 상용성 입자는 액정 분자 또는 액정형 분자 (10)을 포함하는 용액 중에서 복수의 금속 이온을 환원하여 핵 (11)의 주위에 액정 분자 또는 액정형 분자를 결합시킴으로써 형성된다.
액정 분자 또는 액정형 분자 (10)의 사용량은, 핵 (11)을 구성하는 금속 1 몰에 대하여 1 몰 이상 존재하면 되며, 바람직하게는 1 내지 50 몰이다. 또한, 액정 분자 또는 액정형 분자 (10)이 고분자인 경우에는, 그 단량체 단위당 몰수로 환산하여 사용량을 결정한다.
금속 이온 함유액을 형성하기 위한 용매로서는 물, 알코올류, 에틸렌글리콜류, 에테르류를 들 수 있다.
상기 액정 상용성 입자의 액정층에서의 함유량은 용도에 따라 적절하게 선택되며, 매트릭스 액정에 대하여 10 중량％ 이하, 바람직하게는 5 중량％ 이하, 보다 바람직하게는 1 중량％ 이하이다.
(2) 기판
기판 (1a, 1b)는 적어도 한쪽이 투명한 것이 바람직하며, 두께 1 mm 정도의 유리 또는 투광성 수지로 구성된다.
(3) 도전막
도전막은 투명한, 즉 가시광의 투과율이 높고, 전기 전도도가 큰 것이 바람직하다. 구체적으로는 ITO, ZnO, In2O3-ZnO 등의 재료가 사용되며, 스퍼터링법(sputtering method) 등에 의해 막 형성되어 형성된다.
도전막은 액정 소자의 전극으로서 기능하는 것이지만, 본 발명의 액정 소자를 능동 매트릭스 방식에 의해 구동시키는 경우에는, 하측 기판의 내측면에 제공된 도전막은 박막 트랜지스터(TFT) 등의 스위칭 소자의 이차원 어레이와 화소 전극을 구성한다.
또한, 상측 기판 (1b)의 액정층과 접하는 측에 배치된 블랙 스트라이프는 외부 광선을 흡수하여 스크린으로부터의 반사광을 적게 하고(외광의 영향을 감소), 배면에서의 광은 수정체형(lenticular) 렌즈에 의해 효율적으로 스크린 전(前)면에 투과시키는 것이다. 블랙 스트라이프는, 예를 들면 수지 블랙이나 비교적 반사율이 낮은 크롬 등의 금속 등을 포함하며, 컬러 필터 (5)의 R, G, B의 각 색소층 사이(경계)를 구획하도록 제공되어 있다.
(4) 액정 배향막
액정 배향막은 액정 소자의 작동 모드에 따라 선경사각을 갖는 수평 배향 또는 수직 배향을 제공하도록 처리되고, 2장의 기판 중 적어도 한쪽 기판에 제공된다. 액정 배향막은, 예를 들면 폴리이미드 등을 도포 소성하는 등의 통상 공지된 방법에 의해 형성된다.
(5) 편광판, 컬러 필터 등
기판의 양측에는 편광판 (6a, 6b)가 설치되어 있지만, 반사형으로 사용할 때에는 하측의 기판 (1a) 상에 광 반사판을 배치하고, 편광판은 1장일 수 있다.
또한, 기판 (1b)와 도전막 (3b)의 사이에는 R, G, B(적색ㆍ녹색ㆍ청색)의 컬러를 표시하기 위한 컬러 필터 (5)가 제공되어 있다.
본 발명에서 사용하는 제어 회로는 주파수 및 전압 중 적어도 주파수를 변조하여 전압을 인가할 수 있는 것이다.
액정 배향막 (4a, 4b) 사이의 셀 간격은 5 ㎛ 정도이다. 또한, 도 1에 있어서는, 셀 간격을 형성하는 스페이서 및 각 셀마다 액정을 밀봉하는 밀봉제는 도시하지 않았다.
[2] 액정 소자의 특성
본 발명의 액정 소자는, 상기 구성을 가짐으로써 인가 전압을 일정하게 유지 한 상태로, 인가 전계의 주파수를 저주파에서 고주파로 전환함으로써 전기 광학 응답이 온이 되고, 고주파에서 저주파로 전환함으로써 전기 광학 응답이 오프가 된다.
이와 같이 전기 광학 응답의 온-오프를 제어할 수 있는 것은, 제어 회로로부터 도전막 및 화소 전극 사이에 소정의 전압을 인가함으로써 액정층에 포함되어 있는 액정 상용성 입자의 액정 분자의 배향 방향이 변화되고, 이 때의 인가 전계의 주파수에 따라 배향 각도가 조정되는 것에 따른다. 매트릭스 액정의 액정 분자도 액정 상용성 입자의 액정형 분자와 직교하는 방향으로 배향되고, 액정층을 투과하는 광의 산란이 변화된다. 이와 같이 하여, 본 발명의 액정 소자에서의 광투과율은 인가 전계의 주파수에 대응하여 변조된다.
본 발명에 있어서는, 전기 광학 응답의 온-오프에 따른 응답의 시간상수가 0.02 밀리초 내지 10 밀리초, 바람직하게는 0.1 밀리초 내지 5 밀리초, 보다 바람직하게는 0.1 밀리초 내지 1 밀리초의 범위가 가능하며, 액정 상용성 입자에 사용하는 나노입자의 종류나 조합, 및 2종 이상의 나노입자를 사용하는 경우에는 그 농도를 조정함으로써, 용도에 따른 전기 광학 응답 시간상수를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서는, 전기 광학 응답의 주파수 변조 범위가 20 Hz 내지 100 kHz, 바람직하게는 20 Hz 내지 50 kHz, 보다 바람직하게는 20 Hz 내지 10 kHz의 범위가 가능하며, 액정 상용성 입자에 사용하는 나노입자의 종류나 조합, 및 2종 이상의 나노입자를 사용하는 경우에는 그 농도를 조정함으로써, 용도에 따른 주파수 변조를 얻을 수 있다.
본 발명의 액정 소자는, 이와 같이 주파수 변조를 넓은 범위에서 설정할 수 있도록 하여, 인가 전압의 값을 적절하게 선택하면 전기 광학 응답의 콘트라스트비를 연속적으로 변화시킬 수 있기 때문에 중간조의 전기 광학 응답을 얻을 수도 있다. 이 때, 주파수 변조 단독 또는 전압 진폭 변조의 조합에 있어서, 중간조 표시의 실현은 주파수 변조의 범위가 넓어졌기 때문에, 그 선택의 자유도가 늘어나 가능해진다.
또한, 본 발명의 액정 소자의 작동 모드는 특별히 한정되지 않으며, 비틀어진 네마틱(TN) LCD, STN-LCD, VAN-LCD 등의 네마틱 액정을 이용한 작동 모드, FLCD 등의 키랄 스멕틱 액정 등의 강유전성 액정을 이용한 작동 모드에 있어서, 매트릭스 액정의 유전율 또는 그의 이방성이 인가 전압의 주파수에 의존하는 계라면, 인가 전압의 주파수 전환에 의해 응답 속도를 개선할 수 있다.
[3] 액정 소자의 구동 방법
이어서, 본 발명의 액정 소자를 능동 매트릭스 방식을 이용하여 구동하는 방법에 대하여 설명한다.
능동 매트릭스 방식에 의해 구동하는 액정 소자로서는, 상기 액정 소자 중 하측 기판에 박막 트랜지스터(TFT) (Q7)과 화소 전극 PX(투명 도전막 (3a))가 배치된 것을 사용한다.
능동 매트릭스 방식에 있어서는, 이와 같이 화소마다 제공된 복수의 드레인 전극과 게이트 전극, 및 액정층의 대향측에 있는 도전막의 각각에 대하여, 소정의 전압을 인가하여 액정 소자를 구동시킨다.
예를 들면, X-Y 매트릭스 표시의 Xi 전극에 게이트 신호, Yj 전극에 신호 전압을 가한다. 이 때, 신호 전압 vij(ti, Δt, fj k)를 가한다. 본 발명에 있어서는, 이 때 주파수 fj k를 fj 1 ↔ fj 2로 전환함으로써 액정 소자의 전기 광학 응답의 온-오프를 실현할 수 있다.
또한, 이 때 신호 전압 vij(ti, Δt, fj k)의 진폭을 변화시킴으로써 중간조의 전기 광학 응답을 얻을 수 있다. 여기서, 신호 전압은 시간 t1+Δt의 사이, 진폭 vij에서 그 주파수 fj k이다.
또한, 본 발명은 상기 실시 형태로 한정되는 것이 아니다. 상기 실시 형태는 예시이며, 본 발명의 특허 청구 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 가지며, 동일한 작용 효과를 발휘하는 것은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
이하, 실시예를 나타내어, 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
<실시예 1>
네마틱 액정을 이용한 LCD로서 TN-LCD, ECB(TB)-LCD, GH-LCD에 의해 본 발명의 효과를 확인하였다. 이하, TN-LCD를 이용한 예를 나타낸다.
매트릭스 액정으로서 펜틸시아노비페닐(이하, 「5CB」라고도 함)을 사용하 고, 액정 두께 5 ㎛, 나노입자로서 은(Ag), 나노입자를 보호하는 액정으로서 5CB를 사용하여 액정 소자를 제조하였다.
하기의 방법에 의해, 인가 실효치 전압에 대한 광 상대 투과율 및 전기 광학 응답 파형을 측정하였다. 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다.
[1] 인가 실효치 전압에 대한 광 상대 투과율
Ag 나노입자가 1 중량％일 때의 주파수를 매개변수로 하여 인가 실효치 전압에 대한 광 상대 투과율을 측정하였다.
[2] 전기 광학 응답 파형
실효치 인가 전압이 4 V일 때, 주파수 f1=10 Hz, f2=12 kHz로 하여 f1 → f2(상승, 명 → 암), f2-f1(하강, 암 → 명)의 전기 광학 응답 파형을 나타낸다. 상승의 응답시간은 2.6 밀리초이고, 하강의 응답시간은 9.2 밀리초이다.

Claims (12)

  1. 하나 또는 복수의 나노입자를 포함하는 핵과, 그 주위에 제공된 액정 분자를 포함하는 보호층을 가지며, 상기 나노입자가 금속을 포함하는 금속 나노입자인 것을 특징으로 하는 액정 상용성 입자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 핵의 직경이 1 nm 내지 100 nm인 것을 특징으로 하는 액정 상용성 입자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 핵의 직경에 대하여 상기 액정 분자의 단축(短軸) 폭이 상기 직경과 동일하거나 또는 작은 것을 특징으로 하는 액정 상용성 입자.
  4. 나노입자가 금속을 포함하는 금속 나노입자이고, 액정 분자를 포함하는 용액 중에서 복수의 금속 이온을 환원하여 상기 금속 나노입자의 주위에 상기 액정 분자를 결합시켜 입자를 형성하는 것을 특징으로 하는 액정 상용성 입자의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 금속 나노입자가 Ag, Pd, Au, Pt, Rh, Ru, Cu, Fe, Co, Ni, Sn 및 Pb로부터 선택되는 1종 이상의 금속 원자를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 상용성 입자의 제조 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 금속 이온이 금속 할로겐화물, 아세트산 금속염, 과할로겐산 금속염, 황산 금속염, 질산 금속염, 탄산 금속염, 옥살산 금속염 중 하나 이상의 금속염을 출발원료로 하는 것을 특징으로 하는 액정 상용성 입자의 제조 방법.
  7. 한쌍의 평행한 기판, 상기 기판의 대향하는 내측면에 각각 제공된 도전막,
    상기 도전막의 대향하는 내측면에 각각 선경사각(pre-tilt angle)을 갖고 제공된 액정 배향막, 및
    상기 한쌍의 액정 배향막 사이에 형성된 액정층을 가지며,
    상기 액정층에는 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 액정 상용성 입자가 용해 또는 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  8. 제7항에 있어서, 상기 도전막에는 액정층의 광투과율을 변화시키기 위해 주파수 및 전압 중 적어도 주파수를 변조하여 전압을 인가하는 제어 회로가 설치되어 있고, 인가 전압을 일정하게 유지한 상태로 인가 전계의 주파수를 저주파에서 고주파로 전환함으로써 전기 광학 응답이 온(on)이 되고, 고주파에서 저주파로 전환함으로써 전기 광학 응답이 오프(off)가 되는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  9. 제8항에 있어서, 전기 광학 응답의 온-오프에 따른 응답 시간상수가 0.1 밀리초 내지 10 밀리초의 범위인 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  10. 제8항에 있어서, 전기 광학 응답의 주파수 변조 범위가 20 Hz 내지 100 kHz의 범위인 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  11. 제8항에 있어서, 상기 액정 상용성 입자를 구성하는 나노입자가 Ag, Pd, Au, Pt, Rh, Ru, Cu, Fe, Co, Ni, Sn 및 Pb로부터 선택되는 1종 이상의 금속 원자인 것을 특징으로 하는 액정 소자.
  12. 제8항에 기재된 액정 소자를 능동 매트릭스 방식을 이용하여 구동하는 것을 특징으로 하는 액정 소자의 구동 방법.
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