KR20170072270A - 중합체를 함유하는 산란형 수직 배향 액정 장치 - Google Patents

중합체를 함유하는 산란형 수직 배향 액정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 매우 낮은 히스테리시스 특징을 갖는 중합체를 함유하는 산란형 VA 액정 장치에 관한 것이다. 히스테리시스의 감소는 프리틸트 각을 제공함으로써 달성된다.

Description

중합체를 함유하는 산란형 수직 배향 액정 장치 {POLYMER CONTAINING SCATTERING TYPE VERTICALLY ALIGNED LIQUID CRYSTAL DEVICE}
본 발명은 개선된 히스테리시스(hysteresis) 특성을 갖춘 중합체를 함유하는 산란형 VA 액정 장치에 관한 것이다.
대부분의 시판되는 액정 디스플레이(LCD)는 액정 물질의 복굴절(birefringence)을 활용하고 투과된 광의 편광 상태를 밝기 수준(brightness level)으로 변환하기 위한 하나 또는 두 개의 편광자를 필요로 한다. 반면, 빛의 산란을 기반으로 하는, 편광 시트를 필요로 하지 않은 LCD가 존재한다. 산란 액정 장치는 전압을 적용하여 투명 상태에서 백탁 상태로 전환하고, 이에 따라 광 투과율을 제어하는 장치이다. 편광판에 의한 흡수가 없기 때문에, 이러한 장치는 보다 높은 광 투과율을 제공한다. 이들 특성 때문에, 산란형 액정 장치는 또한 창을 투과성인 것에서 불투명 상태로 변환할 수 있는 전환성 창으로써 사용된다. 산란 액정 장치의 두 가지 유형이 존재한다: 첫 번째는 일반 유형이며, 이는 전압이 적용되지 않는 경우 산란 상태로 존재하며 전압 적용시 투명 상태로 전환한다. 두 번째는 적용된 전압 없이는 투명하며, 전압이 적용된 경우 산란 상태로 전환하는 역(reverse) 유형이다. 일반 유형은 모바일 폰 또는 투명-백탁 전환성 유리 창에 대한 디스플레이에서 대개 사용된다. 세그먼트 유형(segment type) 디스플레이 장치에서의 사용을 위해, 통상적으로 모든 디스플레이는 산란 상태로 존재하며, 전극 부분은 전압 적용 시 투명해진다. 투사 디스플레이에서의 사용을 위해, 디스플레이 표면이 투명하고 전극 부분이 전압 적용시 산란 상태로 전환되도록 역 유형이 바람직하다.
대부분의 산란형 액정 장치는 액정 물질이 중합체 내에 분산된 복합 물질을 기초로 한다. 용어 "중합체 분산형 액정" (PDLC)은 테크놀로지 및 관련된 장치에서 광범위하게 사용된다.
EP0488116A2는 전기장이 적용되지 않는 경우 투명한 역 유형 중합체 분산형 액정 장치의 구조를 기술한다. 이는 중합체 및 액정이 상호적으로 분산되고, 전기장이 적용되지 않을 경우 중합체 및 액정 둘 다 동일한 방향으로 배향되는, 액정 중합체 복합 층을 사용한다. 액정의 배향은 기판에 대해 평형 또는 수직일 수 있다. 만약 배향이 기판에 대해 평형이라면, 양성 유전율 이방성(positive dielectric anisotropy)을 갖는 액정이 사용되며, 반면 수직 배향(VA)인 경우 음성 유전율 이방성을 갖는 액정이 사용된다. 액정을 배향하기 위해, 기판 표면의 배향 처리는, 예를 들어 수평 또는 수직 배향 특성을 갖는 배향 층을 각각 증착함으로써 수행될 수 있다. 평행 배향의 경우, 배향 층의 후속적인 브러싱(brushing)은 기판면 내 배향 방향을 정의하지만, 반면 수직 배향일 경우 추가적인 배향 처리가 필요하지 않다. 실시예에서, 중합체 대 액정의 비는 대략 1:10 또는 15:85이다. EP0488116A2는 액정의 최적량이 50 내지 97%이며 만약 액정 함량이 97%보다 더 높다면 적절한 콘트라스트가 생성되지 않을 것임을 교시한다. 만약 조성물이 중합체 전구체를 포함한다면, 예비-중합체는 실온에서 UV-광으로의 노광에 의해 중합된다.
다수 PDLC 장치의 문제점은 히스테리시스로 지칭되는, 증가 또는 감소 전압으로 측정된 전압-전달 곡선의 차이이다.
문헌 [참조 H. Murai et. al., J. Appl. Phys. 81 (4), p. 1962] 은 1 내지 5 중량%의 중합체 함량에 대해 조사된 호메오트로픽(homeotropic) 역-모드 중합체-액정 장치를 개시한다. 중합체는 호메오트로픽 방향으로 배향된 중합체 네트워크를 유발하는, 액정상에서 단량체 반응을 개시함으로써 형성된다. 3 내지 5 중량%의 단량체 함량은 액정에서 우수한 특성을 제공하는 것으로 나타났다. 만약 함량이 3 중량% 미만이라면, 적용된 전압을 끈 경우 불충분한 온-상태(on-state) 산란이 존재하고 종종 투과율이 초기 값으로 돌아가지 않는다. 실험에서, 셀 기판은 호메오트로픽 배향 층으로 덮여있지만, 러빙(rubbing) 공정을 적용하지 않았다.
JP200034714는 중합체 분산액을 포함하는 액정 층을 갖춘 VA-LCD를 개시한다. 액정 층은 액정이 액정상으로 존재하는 동안 한 쌍의 기판 사이에 액정 및 단량체의 혼합물을 제공하고, 단량체를 중합함으로써 제조되었다. 형성된 중합체 분산액은 액정 층에서 액정 분자의 프리틸트 각(pretilt angle)을 유지한다.
US 5,496,497은 액정 뿐만 아니라 일관능성- 및 이관능성 아크릴레이트 성분을 포함하는 조성물을 개시하며, 후자의 두 가지는 특정 범위 내에서 극성을 갖는다. 이러한 조성물로 제조된 PDLC 장치는 감소된 히스테리시스를 나타낸다.
비록 중합체 분산형 액정 장치의 이점 중 한가지가 편광자를 온 및 오프 상태 간의 밝기 차이를 관측하는데 필요로 하지 않는다는 것이지만, 상기 장치는 보다 높은 콘트라스트의 이점을 갖도록 이러한 편광자를 여전히 장착할 수 있다. 일반 유형 VA 중합체 분산형 LCD의 경우, 콘트라스트가 특히 높다. 그러나, 최첨단 VA 중합체 분산형 액정 디스플레이의 히스테리시스가 너무 높아서 고품질로 그레이 스케일(grey scale) 이미지를 나타낼 수 없다.
그러므로 본 발명의 목적은 감소된 히스테리시스를 갖는 산란형 VA 액정 장치를 제공하는 것 뿐만 아니라 상기 장치를 제조하는 방법도 제공한다.
상기 목적은 중합체를 함유하는 산란형 VA 액정 장치를 제조하는 방법에 의해 달성되며, 상기 방법은 두 기판에 전극을 제공하는 단계; 기판 사이에 갭(gap)을 가지면서 서로를 마주보는 안쪽 면 상에 전극을 갖도록 두 기판을 배열함으로써 셀을 제조하는 단계; 셀을 음성 유전율 이방성을 갖는 액정 물질 및 중합체 전구체를 포함하는 액정 혼합물로 충전하는 단계; 셀을 액정 혼합물로 충전하기 전 또는 후에 액정 혼합물에 대해 배향 처리를 적용하여, 이러한 액정 혼합물이 기판에 대해 법선 방향(normal direction)으로부터 기울어진 프리틸트 각으로 배향되도록 하는 단계, 액정 혼합물의 투명점(clearing temperature)보다 높은 온도에서 중합체 전구체를 중합하는 단계를 포함한다.
상기 제조 방법은 중합체 분산형 VA 액정 장치를 야기한다. 상기 기술된 공지된 PDLC 장치와 혼동하지 않기 위해, 용어 중합체를 함유하는 산란형 VA 액정 장치는 본 발명에 따른 장치를 위해 사용된다. 임의의 부착된 편광자 없이, 본 발명에 따른 장치는 전압이 적용되지 않는 한 투과성이고, 만약 전압이 장치의 전극에 적용된다면 장치는 입사광을 산란시킨다.
중합체 전구체는 바람직하게 단관능성, 이관능성 또는 다관능성 단량체이며, 보다 바람직한 단관능성, 이관능성 또는 다관능성 아크릴레이트이다. 또한 액정 혼합물이 하나 이상의 중합체 전구체를 포함하는 것이 가능하다. 중합체 전구체는 등방성(isotropic) 물질일 수 있지만 적어도 하나의 중합체 전구체가 액정상을 가지는 것이 바람직하다.
액정 혼합물은 바람직하게는 중합 개시제를 포함한다. 만약 광-중합이 목적이라면, 액정 혼합물이 광 중합 개시제를 포함하는 것이 바람직하다.
액정 물질에 대한 주요 요건은 유전율 이방성이 음성이라는 것이다. 그러나, 액정 물질은 또한 제로(zero) 또는 양성 유전율 이방성을 갖는 화합물을 포함하는 혼합물일 수 있다.
바람직하게, 상기 방법으로부터 얻어지는 중합체는 액정 물질로부터 분리된 상이다.
액정 물질 및 바람직하게 또한 액정 물질 내 중합체를 기판에 대해 법선 방향으로부터 기울어진 특정 방향에서 배향하는 것의 효과는 장치가 히스테리시스 없이 실질적으로 전환될 수 있다는 것이다. 따라서, 본 발명의 방법을 사용하여 제조된 활성 장치, 예컨대, 세그먼트 디스플레이(segment display), 수동 매트릭스 디스플레이(passive matrix display) 및 TFT(박막 트랜지스터)를 사용하여 직접-화상 전송(direct-view transmission) 또는 투사 디스플레이(projection display)의 디스플레이 성능이 상당히 향상되었다. 또한 창유리의 조광에 대해 사용되는 경우, 전압이 적용되지 않는 경우 투명하며 전압이 적용된 경우 불투명한 페일세이프(failsafe) 조광 창유리가 구현되었다.
바람직한 방법에서, 배향 층은 기판의 안쪽 표면 중 적어도 하나의 상에 증착된다.
당해 기술 분야에 공지된 임의의 방법은 기울어진 배향을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 특정 방향으로 액정의 기울어진 배향은 기판의 안쪽 표면 중 적어도 하나의 배향 처리에 의해 달성될 수 있다. 그 이후 브러싱 방법이 적용되어 액정 혼합물에 대해 프리-틸트 각으로 배향을 생성한다. 바람직하게, 배향 층은 광 배향성 물질을 포함하며, 여기서, 배향 광으로 적절히 조사될 경우, 프리틸트 각으로 배향이 생성된다.
기울어진 배향은 또한 전기장 또는 자기장에 의해 달성될 수 있다. 이 경우 배향 층의 배향 처리가 필요하지 않다. 예를 들어, 중합체 전구체를 포함하는 액정 혼합물을 갖는 셀을 중합 개시 전에 외부 자기장 내에서 배향할 수 있다. 바람직하게, 전기장 및/또는 자기장은 또한 중합 공정 동안 적용된다.
본 출원의 문맥상, 용어 "배향 광"은 광-배향성 물질에 이방성을 유도할 수 있는 빛을 의미하며 적어도 부분적으로 선형이거나 또는 타원형으로 편광되고, 및/또는 비스듬한 방향으로부터 광-배향성 물질의 표면에 입사되는 빛을 의미할 것이다. 바람직하게, 배향 광은 5:1 초과의 편광도로 선형적으로 편광된다. 배향 광의 파장, 강도 및 에너지는 광-배향성 물질의 감광도(photosensitivity)에 의존하여 선택된다.
바람직하게, 프리틸트 각은 기판의 법선 방향으로부터 0.2° 내지 44.5°의 범위 내에 있으며, 보다 바람직하게는 0.2° 내지 10° 사이이며, 가장 바람직하게는 0.5° 내지 4° 사이이다.
경사가 특정 방향으로 존재하기 때문에, 방위 배향 방향은 상응하는 인접 기판 위로 경사 방향의 투사를 의미할 것이다.
둘다의 기판의 안쪽 표면이 액정에 대해 특정 방향으로 기울어진 배향을 유도하도록 처리된 경우, 두 기판의 방위 배향 방향은 서로에 대해 임의의 각일 수 있다. 바람직하게, 두 배향 방향 간의 각은 180°이며, 이는 러빙(rubbing)이 배향 처리로써 사용된 경우 대개 역-평행 러빙 배향이라고 불린다. 각이 약 90 °인 것이 더욱 바람직하다.
상기 언급된 전극 중 하나는 반사 층으로써 역할을 할 수 있다. 관찰자에 의해 보여지는 것처럼 장치 뒤쪽에 반사 층을 추가하는 것도 또한 가능하다.
바람직하게, 상기 언급된 중합체는 바람직하게 아크릴레이트 기 또는 메타크릴레이트기를 갖는 단관능성, 이관능성 또는 다관능성 단량체로부터 제조된다. 바람직하게, 상기 언급된 중합체는 액정 상이 존재하여 상기 언급된 액정과 호환 가능하다.
본 발명에 따른 중합체를 함유하는 산란형 VA 액정 장치는 전극을 갖춘 두 기판 사이에 제한된 액정질 상을 갖는 조성물을 포함하며, 여기서, 조성물은 음성 유전율 이방성을 갖는 액정 물질 및 그 안에 분산된 중합체를 포함하고, 액정은 전기장이 적용되지 않는 경우 기판에 법선 방향에 대해 프리틸트 각을 갖는다. 임의의 추가 층 없이, 특히 추가 편광자 없이, 가시광선에 대한 투과율은 전압이 적용되지 않는 경우 바람직하게 90% 초과이며 적절한 전압 적용시 장치는 산란 상태이다. 장치의 특성은, 적절한 전압을 조절함으로써 30% 미만의 입사 방향에 따른 시준된(collimated) 입사광에 대한 전달이 달성될 수 있어서 바람직하다.
본 발명에 따른 중합체를 함유하는 산란형 VA 액정 장치는 상기 기술된 방법 중 하나에 따라 바람직하게 제조된다.
본 발명은 첨부된 도면에 의해 추가로 예시된다. 다양한 특징들이 반드시 일정한 비율로 도시되지 않는다는 것을 강조한다. 특히 도면에서 묘사된 바와 같은 중합체의 크기와 형태는 어떤식으로든 중합체의 분자량 또는 구조를 제한하지 않을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 중합체를 함유하는 산란형 VA 액정 장치의 부분을 나타내는 개략도이며, 도 1(a)는 전기장이 적용되지 않는 경우 작동 상태를 나타내며, 도 1(b)는 전기장이 적용된 경우 작동 상태를 나타낸다.
도 2는 장치의 둘다의 면 상에 추가 편광자를 갖는 도면 1의 장치를 나타낸다.
도 3은 실시예 1의 중합체를 함유하는 산란형 액정 장치의 전기광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 실시예 2의 중합체를 함유하는 산란형 액정 장치의 전기광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 비교 실시예 1의 중합체를 함유하는 산란형 액정 장치의 전기광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 비교 실시예 2의 중합체를 함유하는 산란형 액정 장치의 전기광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 전압이 비교 실시예 1 (도 7a) 및 실시예 1 (도 7b)에 전압이 적용된 경우 전환 절차의 개략도이다.
본 발명에 따른 중합체를 함유하는 산란형 액정 장치의 실시 형태를 도 1 (a)에 나타낸다. 액정 물질(104) 및 중합체(105)를 포함하는 액정 중합체 복합층(109)은 투명한 두 기판(101 및 108) 사이에 샌드위칭(sandwiched)된다. 액정 물질(104)은 음성 유전율 이방성을 가지며, 기판에 대해 수직 방향으로부터 약간 기울어진 방향으로 배향된다. 또한 바람직하게 중합체는 기판에 대해 수직 방향으로부터 약간 기울어진 방향으로 배향된다. 중합체(105)는 액정 물질(104)에 용해되거나 또는 분산된 중합체 전구체의 중합에 의해 제조되었다. 중합 동안 온도는 액정 물질 및 중합체 전구체를 포함하는 혼합물의 투명점보다 높다. 바람직하게, 중합체 전구체는 액정 물질(104)과 혼화성이다. 바람직하게, 혼합물 내 중합체 전구체의 농도는 10 중량% 미만이며, 보다 바람직하게는 3 중량% 미만, 및 가장 바람직하게는 2 중량% 미만이다.
두 가지 기판(101 및 108)은 안쪽 표면에 각각 투명 전극(102 및 107)을 가지며, 배향 필름(103 및 106)은 추가로 각각 투명 전극(102 및 107) 상에 형성된다. 전극을 포함하는 기판 및 배향 필름은 각각 코팅된 기판(110 및 111)을 형성한다. 액정 물질(104) 및 중합체(105)는 코팅된 기판(110 및 111) 사이에 밀봉된다. 기판(101 및 108)의 수직 방향으로부터 약간 기울어진 방향으로 배향을 일으키기 위하여 배향 필름(103 및 106)에 배향 처리를 적용한다.
만약 도 1(a)에 나타난 바와 같이, 전기장이 적용되지 않는다면, 액정 물질 (104) 및 또한 바람직하게 중합체(105)는 기판에 대해 수직 방향으로부터 약간 기울어진 방향으로 평행하게 위치한다. 상기 상태에서, 굴절률에 국소 변화가 없기 때문에 장치는 투명하다. 투명 전극(102 및 107)에 전압이 적용되는 경우, 액정 (104)은 기판에 대해 평행한 방향으로 추가적으로 기울어지기 시작하며, 동시에 중합체는 전기장 방향으로 움직여서 액정 분자와 충돌하기 시작하며, 이는 광 산란 상태를 야기하고, 장치는 탁해진다.
장치는 적용된 전압 없이 투명 상태이며, 적절한 전압이 적용되는 경우 산란 상태이기 때문에, 투명 상태로부터 불투명 상태 또는 중간 투명 상태로의 전환이 가능하며, 이는 상이한 밝기 수준를 제공한다. 따라서, 도 1의 투명 장치에 대해, 밝기 상태는 투과 상태이며, 이는 도 1a에 상응하고, 반면 불투명 상태는 도 1b에 상응한다.
바람직하게, 장치는 하나 또는 두 가지의 편광자를 추가로 포함하며, 이는 보다 높은 콘트라스트의 이점을 가진다. 도 1의 투과 장치에 대해, 편광자(113 및 114)는 도 2에 나타난 바와 같이, 장치의 둘다의 상에 배열될 수 있다. 바람직하게, 도면 평면 안의 방향에 대해 화살표(115)로 및 도면 평면에 대해 수직한 방향에 대해 원(116)으로 지시된 바와 같이, 두 편광자의 편광 방향은 서로 교차된다. 예를 들어, 도 2a의 위에서부터 수직으로 입사되는 빛은 편광자(113)에 의해 방향(115)에 따른 편광 방향으로 선형으로 편광된다. 도 2a에서와 같이, 전압이 장치에 적용되지 않는 한, 수직 배향 액정 물질은 빛의 편광 상태를 전환하지 않으며, 그러므로, 복합 층(109)를 통과한 후 빛의 편광 방향은 여전히 방향(115)에 따르며, 그러므로 이는 편광자(114)에 의해 차단된다. 따라서, 도 2a는 어두운 상태에 상응한다.
적절한 전압이 전극에 적용되는 경우, 도 2b에 나타난 바와 같이, 복합 층은 산란 모드로 전환한다. 도 2a의 위에서부터 입사되는 빛은 편광자(113)에 의해 방향(115)에 따른 편광 방향으로 선형으로 편광된다. 복합 층에서 산란 효율에 좌우되어 빛이 산란되고, 동시에 빛을 편광해소시켰다. 보다 높은 전압이 적용될 때 산란이 보다 강력해지기 때문에, 최대치까지 증가하는 전압으로 편광해소를 증가시킨다. 결과적으로, 편광해소된 빛은 바닥에서 편광자(114)를 부분적으로 통과할 수 있다. 최대 전달로 전압이 적용되면, 도 2b는 밝은 상태에 상응한다. 중간 전압으로 어두운 상태 및 밝은 상태 사이의 임의의 그레이 수준은 조정될 수 있다. 도 2a의 오프-상태에서 광 투과율이 주로 편광자의 소광(extinction) 비에 의존하기 때문에, 매우 높은 콘트라스트가 달성될 수 있다. 만약 빛이 비스듬한 방향으로 입사되면, 오프-상태에 수직으로 배향된 액정 물질(도 2a)의 굴절률 이방성은 빛의 편광 상태를 변하도록 야기하며, 그 결과로 빛의 일부분은 비스듬한 입사광에 대해 콘트라스트를 감소시키는 편광자(114)를 통과할 수 있다. 비스듬한 입사광에 대한 성능을 향상시키기 위해, 보상 포일(compensation foil), 예를 들어 음성-c-판은 편광자(113) 및 편광자(114) 사이의 어느 곳에서나 삽입 될 수 있으며, 동일한 방식으로 시판되는 수직으로 배향된 다중-도메인 LCD에서도 수행된다. 바람직하게, 보상층은 기판(108) 및 편광자(113) 사이, 및/또는 기판(101) 및 편광자(114) 사이에 존재한다. 만약 전압이 적용되면(도 2b), 비스듬한 입사광은 높은 대칭으로 산란되며, 이는 시야각(viewing angle) 상에서 밝기의 강력한 의존도가 없도록 영향을 미친다. 그러므로, 두 개의 교차된 편광자를 갖춘 산란형 VA-LCD(도 2)는 잘 알려진 다중-도메인 VA-LCD에서 수행된 바와 같이, 복잡한 픽셀 세분화의 필요 없이 대칭 시야각 성능을 제공한다. 상기 이점은 감소된 복잡성에 따른 감소된 생산 비용으로 이어진다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 반사기는 관측자 측의 맞은편 기판 상에 배열되며, 이에 따라 이 장치는 반사 모드에서 작동될 수 있다. 반사기는 관측자로부터 보여지는 것처럼 기판 앞 또는 뒤에 존재할 수 있다. 바람직하게, 전극은 반사기로써 형성된다. 만약 반사기가 복합층(109) 및 기판들 중 하나 사이에 존재한다면, 언급된 기판은 불투명할 것이다.
본 발명은 하기 실시예에 의해 보다 구체적으로 설명된다.:
실시예 1
두 기판(101 및 108)의 표면 상에, 투명 전도 필름 ITO(인듐 주석 산화물)가 스퍼터링(sputtering) 방법에 의해 형성된다. 전극의 위에 수직 배향을 위한 물질 4811(Nissan Chemical Industries, Ltd.에서 이용 가능함)을 스핀 코터(spin coater)를 사용하여 코팅한다. 코팅된 기판(110 및 111)을 80℃의 핫플레이트 상에서 60초간 예비베이킹하며, 이어서 200℃의 오븐에서 40분간 베이킹한다. 따라서, 약 100nm의 두께를 각각 갖는 수직 배향을 위한 배향 필름(103 및 106)이 형성된다. 배향 필름(103 및 106)의 표면에 러빙 장비를 사용하여 10회로 러빙 처리를 적용하고, 러빙 장비에서 폴리에스테르 부직포(섬유 길이:2.0 mm)를 30mm의 지름을 갖고 압력이 약 40g으로 설정된 롤러 위에서 감는다. 3μm의 지름을 갖는 스페이서를 코팅된 기판(110) 상에 스프레딩하고, 바이너리 에폭시 접착제(binary epoxy adhesive)를 기판(110)의 바깥 주변부 상으로 코팅하고, 코팅된 기판(110 및 111)을 셀 두께가 3μm가 되도록 고정한다.
액정(104)로써, No. 820050 (LCC Corporation으로부터 이용 가능함), NI 점(네마틱-등방성 전이 온도) 100.5℃, 유전율 이방성 Δε=-5.69가 사용된다. UV 경화성 이관능성 단량체
Figure pct00001
를 액정 및 중합체 전구체를 포함하는 혼합물에 대해 중합체 전구체로서 0.7 내지 2.0 중량% 양으로 첨가한다. 중합 개시제로써, 이르가큐어(Irgacure) 907 (BASF AG으로부터 이용 가능함)을 이관능성 단량체의 양을 기준으로 하여 15 중량%의 양으로 첨가한다. 액정, 광-중합성 단량체 및 중합 개시제의 혼합물을 모세관힘을 활용하여 기판(101 및 108) 사이의 공간으로 주입한다. 액정 셀을 핫 플레이트 위에 위치시키며, 이의 온도는 101 ℃ 내지 103 ℃ 에서 제어되며, UV 박스(KENIS Ltd.에 의해 제조됨)에서 5.0 mW/cm2 (352 nm)의 강도로 32분 동안 UV 광선으로 조사하고, 이 때 중합체(105)가 중합체 전구체의 중합에 의해 형성된다.
이에 따라 제조된 장치의 작동 원리는 하기에서와 같이 설명될 수 있다. 도 1에 제시된 액정(104) 및 중합체(105)는 유사한 굴절률 이방성을 나타내며, 배향 방향에 대한 평행 방향에서의 굴절률은 약 1.52이며, 배향 방향에 대한 수직 방향에서의 굴절률은 약 1.73이다. 따라서, 도 1(a)에 제시된 바와 같이, 전기장이 적용되지 않을 경우, 액정(104) 및 중합체(105)는 동일 방향으로 배향되며, 굴절률은 1.52로 동일하고, 따라서 빛은 산란되지 않으며 장치는 투명하다.
대조적으로, 도 1(b)에 제시된 바와 같이, AC 전기장이 전극(102 및 107) 사이에 적용될 경우, 표면 상에 증착된 중합체(105)의 방향은 여전히 변하지 않지만, 액정(104)이 전기장의 방향을 가로지르는 방향으로 회전을 시작한다. 상기 경우에, 효과적인 굴절률은 약 1.73으로 증가하며, 약 0.21의 굴절률 차이는 표면 상에 증착된 중합체의 굴절률 1.52로부터 생성된다. 또한, 액정에 분산된 중합체(105)는 전기장으로 이동하기 시작하며, 이의 분자 움직임은 액정 분자와 충돌을 야기하여 동적 산란을 생성한다. 따라서, 표면에서 중합체(105)와 액정(104) 간의 굴절률 차이로 인한 산란 및 중합체(105) 및 액정(104)의 충돌로 인한 동적 산란 둘 다가 발생한다.
이관능성 단량체의 0.7 중량%를 포함하는 액정 혼합물을 사용하여 제조된 장치의 증가 및 감소하는 전압에 대한 전압 투과 특성은 도 3에 나타난다. 60 Hz의 주파수를 갖는 0 내지 11 V의 방형파(rectangular wave)를 장치에 적용한다. 투과 강도의 측정에 대하여, 산란 강도의 측정을 액정 장치를 He-Ne 레이저(632.8 nm)로 조사함으로써, 및 Pin 유형 포토다이오드 S3883(Pin type photodiode S3883) (Hamamatsu Photonics K.K.)에 의해 빛을 관찰함으로써 수행한다. 도 3의 두 곡선으로부터, 우수한 디스플레이 성능을 실질적으로 히스테리시스 없이 얻을 수 있음을 이해할 수 있다.
실시예 2
실시예 1에서와 같이, 수직 배향 물질 4811(Nissan Chemical Industries, Ltd.)의 층을 전도성 ITO 필름을 갖는 기판(101 및 108)에서 스핀 코팅에 의해 적용한다. 열 처리 후, 배향 필름(103 및 106)에 10회 러빙 처리를 적용한다. 3μm의 지름을 갖는 스페이서를 기판(101) 상에 스프레딩하고, 바이너리 에폭시 접착제를 기판(101)의 바깥 주변부 상으로 코팅하고, 기판(101 및 102)를 셀 두께가 3μm가 되도록 고정한다.
액정(104)로써, No. 820050(LCC Corporation로부터 이용 가능함), NI 점 : 100.5℃, 유전율 이방성 Δε=-5.69 가 사용된다. UV 경화성 단관능성 단량체
Figure pct00002
를 액정 및 중합체 전구체를 포함하는 혼합물에 대해 중합체 전구체로써 0.7 내지 2.0 중량%의 양으로 첨가한다. 중합 개시제로서, 이르가큐어 907 (BASF AG으로부터 이용가능함)을 단관능성 단량체의 양을 기준으로 하여 15 중량% 양으로 첨가한다. 액정, 광-중합성 단량체 및 중합체 개시제의 혼합물을 모세관힘을 활용하여 기판(101 및 108) 사이의 공간으로 주입한다. 액정 셀은 101 ℃ 내지 103 ℃ 온도에서 핫 플레이트 위에 위치시키며, 5.0 mW/cm2 (352 nm)의 강도로 UV 박스(KENIS Ltd.에 의해 제조됨)에서 32분 동안 UV 광선으로 조사한다.
단관능성 단량체 0.7 중량%를 포함하는 액정 혼합물을 사용하여 제조된 장치의 증가 및 감소하는 전압에 대한 전압 투과 특성은 도 4에 나타난다. 60 Hz의 주파수를 갖는 0 내지 11 V의 방형파를 액정 장치에 적용한다. 투과 강도의 측정에 대하여, 산란 강도의 측정은 액정 장치를 He-Ne 레이저(632.8 nm)로 조사함으로써, 및 Pin 유형 포토다이오드 S3883(Hamamatsu Photonics K.K.)에 의해 빛을 관찰함으로써 수행한다. 도 4의 두 곡선으로부터, 우수한 디스플레이 성능을 실질적으로 히스테리시스 없이 얻을 수 있음을 이해할 수 있다.
비교 실시예 1
실시예 1에서와 동일한 물질이 사용되며, 배향 필름의 표면에 방향을 부여하는 러빙 처리를 적용하지 않는 것을 제외하고 동일한 제조 방법이 사용된다. 즉, 두 기판(101 및 108)의 표면 상으로 투명 전도 필름 ITO(인듐 주석 산화물)이 스퍼터링 방법에 의해 형성된다. 이들 기판(101 및 108)을 스핀 코터를 사용하여 수직 배향을 위한 물질 4811(Nissan Chemical Industries, Ltd.에서 이용가능함)로 코팅하며, 코팅된 물질을 60초간 80℃의 핫플레이트 위에서 예비베이킹하며, 그 이후 200℃의 오븐에서 40분간 베이킹한다. 따라서, 약 100nm의 두께를 각각 갖는 수직 배향을 위한 배향 필름(103 및 106)이 형성된다. 3μm의 지름을 갖는 스페이서를 기판(101) 상으로 스프레딩하고, 바이너리 에폭시 접착제를 기판(101)의 바깥 주변부 상으로 코팅하고, 코팅된 기판(101 및 102)을 셀 두께가 3μm가 되도록 고정한다.
액정(104)로써, No. 820050(LCC Corporation로부터 이용가능함), NI 점 : 100.5℃, 유전율 이방성 Δε=-5.69가 사용된다. UV 경화성 이관능성 단량체
Figure pct00003
를 액정 및 중합체 전구체를 포함하는 조성물에 대해 0.7, 1.4 또는 2.0 중량%의 양으로 중합체 전구체로서 첨가한다. 중합 개시제로서, 이르가큐어 907 (BASF AG으로부터 이용가능함)을 이관능성 단량체의 양을 기준으로 하여 15 중량% 양으로 첨가한다. 액정, 광-중합성 단량체 및 중합체 개시제의 혼합물을 모세관힘을 활용하여 기판(101 및 108) 사이의 공간으로 주입한다. 액정 셀을 101 ℃ 내지 103 ℃ 온도에서 핫플레이트 상에 위치시키며, 5.0 mW/cm2 (352 nm)의 강도로 UV 박스(KENIS Ltd.에 의해 제조됨)에서 32분 동안 UV 광선으로 조사하고, 이때 중합체(105)가 중합체 전구체의 중합에 의해 형성된다.
이관능성 단량체 0.7 중량%를 포함하는 액정 혼합물을 사용하여 제조된 장치의 증가 및 감소하는 전압에 대한 전압 투과 특성은 도 5에 나타난다. 60 Hz의 주파수를 갖는 0 내지 11 V의 방형파를 액정 장치에 적용한다. 투과 강도의 측정에 대하여, 산란 강도의 측정은 액정 장치를 He-Ne 레이저(632.8 nm)로 조사함으로써, 및 Pin 유형 포토다이오드 S3883(Hamamatsu Photonics K.K.)에 의해 빛을 관찰함으로써 수행된다.
도 3의 실시예 1을 도 5의 비교 실시예 1과 비교하는 경우, 기울어진 방향을 본 발명의 배향 필름의 표면에 부여함으로써 디스플레이를 실질적으로 히스테리시스 없이 얻을 수 있음을 이해할 수 있다.
비교 실시예 2
실시예 2에서 사용된 것과 동일한 물질을 상기 비교 실시예를 제조하는데 사용하며, 동일한 제조 방법이 배향 필름의 표면에 방향을 부여하는 러빙 처리를 적용하지 않는 것을 제외하고 사용된다. 즉, 두 기판(101 및 108)의 표면 상에 투명 전도 필름 ITO(인듐 주석 산화물)가 스퍼터링 방법에 의해 형성된다. 이들 기판(101 및 108)을 스핀 코터를 사용하여 수직 배향을 위한 물질 4811(Nissan Chemical Industries, Ltd. 로부터 이용가능함)의 층으로 코팅하며, 코팅된 물질을 60초 동안 80℃의 핫 플레이트에서 예비베이킹하며, 이어서 40분간 200℃의 오븐에서 베이킹한다. 따라서, 약 100nm의 두께를 각각 갖는 수직 배향을 위한 배향 필름(103 및 106)이 형성된다. 3μm의 지름을 갖는 스페이서가 기판(101) 상에 스프레딩하고, 바이너리 에폭시 접착제를 기판(101)의 바깥 주변부 상으로 코팅하고, 기판(101 및 102)을 셀 두께가 3μm가 되도록 고정한다.
액정(104)로써, No. 820050 (LCC Corporation로부터 이용가능함), NI 점 100.5℃, 유전율 이방성 Δε=-5.69 가 사용된다. UV 경화성 단관능성 단량체
Figure pct00004
를 액정 및 중합체 전구체를 포함하는 조성물에 대해 중합체 전구체로써 0.7, 1.4 또는 2.0 중량%의 양으로 첨가한다. 중합 개시제로서, 이르가큐어 907 (BASF AG으로부터 이용가능함)을 단관능성 단량체의 양에 기준으로 하여 15 중량% 양으로 첨가한다. 액정, 광-중합성 단량체 및 중합체 개시제의 조성물을 모세관힘을 활용하여 기판(101 및 108) 사이의 공간으로 주입한다. 액정 셀을 101 ℃ 내지 103 ℃ 온도에서 핫 플레이트 위에 위치시키며, 5.0 mW/cm2(352 nm)의 강도로 UV 박스(KENIS Ltd.에 의해 제조됨)에서 32분 동안 UV 광선으로 조사한다.
단관능성 단량체 0.7 중량%를 포함하는 액정 혼합물을 사용하여 제조된 장치의 증가 및 감소하는 전압에 대한 전압 투과 특성은 도 6에 나타난다. 60 Hz의 주파수를 갖는 0 내지 11 V의 방형파를 액정 장치에 적용한다. 투과 강도의 측정에 대하여, 산란 강도의 측정은 액정 장치를 He-Ne 레이저(632.8 nm)로 조사함으로써, 및 Pin 유형 포토다이오드 S3883(Hamamatsu Photonics K.K.)에 의해 빛을 수용함으로써 수행한다. 도 6은 전압이 0V로부터 11V로 증가된 경우, 및 전압이 11V로부터 0V로 감소된 경우, 투과율의 변화를 나타낸다. 도 4의 실시예 2를 도 6의 비교 실시예 2와 비교하는 경우, 기울어진 방향을 본 발명의 배향 필름의 표면에 부여함으로써 디스플레이를 실질적으로 히스테리시스 없이 얻을 수 있음을 이해할 수 있다.
본 발명의 전환 절차 및 비교 실시예의 개요가 도 7에 나타난다. 도 7(a)는 비교 실시예를 나타내며, 여기서 액정 분자는 기판에 대해 수직으로 배열된다. 또한, 중합체는 기판 표면 상에 즉, 배향 필름 상에 상-분리 및 침전되는 물질로써 및 액정에 분산된 물질로써 둘 다로 존재한다. AC 전기장이 적용된 경우, 액정 장치의 내부에서 액정 분자(104)가 전기장 방향을 수직적으로 가로지르는 방향으로 배향되기 시작한다. 동시에 중합체는 액정의 움직임에 따라 움직이기 시작한다. 그러나, 기판 계면에서 액정 분자는 US 2003'048'401A1에 기술된 바와 같이 표면 상에 증착된 중합체에 의해 고정되기 때문에 이들은 거의 움직일 수 없다. 액정 분자는 바람직한 틸트 방향 없이 기판에 대해 수직으로 배향되기 때문에, 따라서 액정 장치 내부의 액정의 회전 방향은 한 방향으로 결정되지 않고 무작위한 방향으로 회전을 시작한다. 결과적으로, 액정 방향 내 불연속점(디스클리네이션(disclination)) (120)이 도 7 (a)(2)에 나타난 바와 같이 생성되며, 슐리렌(Schlieren) 구조가 형성된다. 전압이 추가로 증가하는 경우, 도 7(a)(3)에서 나타난 바와 같이 전기 유체 소자에 대한 불안정 상태가 나타나며, 선형 윌리엄스(Williams) 도메인이 형성된다. 전압이 추가로 증가하는 경우, 도 7 (a)(4)에 나타난 바와 같이, 액정 분자의 산란은 장치 내부 중합체의 움직임에 의해 유도된다. 히스테리시스의 원인은 도 7 (a)(2)에 나타난 슐리렌 구조의 형성이며, 불연속점(디스클리네이션) 형성이 시스템의 에너지 수준에 의해 결정되고, 따라서 이것은 상승 및 하락하는 전압에서 불연속점(디스클리네이션)의 전압 형성의 차이에 기인한다.
도 7 (b)는 본 발명의 전환 절차를 나타낸다. 액정 분자(104)는 기판에 대해 수직으로부터 액정 분자를 기울이는 프리틸트 각으로 배향된다. 또한, 중합체(105)는, 비교 실시예에서처럼, 기판 표면 상에 즉, 배향 필름 상에 상 분리에 의해 침전된 물질로써 및 액정에 분산된 물질로써 둘 다로 존재한다. AC 전기장이 적용될 경우, 액정 장치 내부에서 액정 분자는 전기장 방향을 수직으로 가로지르는 방향으로 배향되기 시작한다. 이의 내부에서 중합체는 액정의 움직임에 따라 동시적으로 움직이기 시작한다. 동시에, 기판 계면에 액정 분자는 US 2003'048'401A1에서 기술된 바와 같이 표면 상에 증착된 중합체에 의해 고정되기 때문에 이들은 거의 움직일 수 없다. 액정 분자는 기판에 대해 수직방향으로부터 약간 기울어지게 배향되기 때문에, 액정 장치 내부 액정의 회전 방향은 한 방향으로 결정될 수 있다. 따라서, 불연속점(디스클리네이션)이 액정 장치 내부에 생성되지 않으며, 따라서 슐리렌 구조도 형성되지 않는다(도 7 (a)(2)). 전압이 추가로 증가하는 경우, 도 7 (b)(3)에 나타난 바와 같이 전기 유체 소자에 대한 불안정 상태가 나타나며, 선형 윌리엄스 도메인이 형성된다. 전압이 추가로 증가하는 경우, 도 7 (b)(4)에 나타난 바와 같이, 액정 분자의 산란은 장치 내부 중합체의 움직임에 의해 유도된다.
본 발명의 실시예에서, 기판 표면을 러빙하는 방법은 기판 수직 방향으로부터 특정 방향으로 약간 기울어진 액정 중합체 복합 층 내의 액정 및 중합체를 배향시키는데 사용되며, 그러한 본 발명은 상기에 제한되지 않으며, UV 광선으로 조사하는 광-배향, PSA 방법을 포함하는 동시에 이에 전기장을 적용하는 임의의 방법이 사용될 수 있다.
본 실시예에서 사용된 바와 같은 광반응성 단량체를 대신하여, 열 중합성 단량체가 또한 사용될 수 있다.
비교 실시예 3
셀은 동일 물질을 사용하여, 실시예 1과 유사하게 제조되지만, 완성된 액정 셀의 조사가 81 ℃ 에서 수행된다는 차이를 갖는다. 그러므로 중합 반응은 액정 혼합물의 NI 점 아래에서(100.5<℃) 개시되었다.
AC 전압이 셀의 전극에 적용되는 경우, 산란 상태가 또한 관측될 수 있지만, 개시 전압이 실시예 1의 셀의 개시 전압보다 약 3배 이상 더 높았다. 추가로, 산란 효율은 실시예 1에서 보다 더 낮았다.

Claims (15)

  1. -두 기판(101, 108)에 전극(102, 107)을 제공하는 단계,
    -상기 기판 사이에 갭(gap)을 가지면서 서로를 마주보는 안쪽 면 상에 상기 전극을 갖도록 상기 두 기판을 배열함으로써 셀을 제조하는 단계,
    -상기 셀을 음성 유전율 이방성(negative dielectric anisotropy)을 갖는 액정 물질(104) 및 중합체 전구체를 포함하는 액정 혼합물로 충전하는 단계,
    -상기 셀을 상기 액정 혼합물로 충전하기 전 또는 후에 상기 액정 혼합물에 대해 배향 처리를 적용하여서, 상기 액정 혼합물이 상기 기판에 대해 법선 방향(normal direction)으로부터 기울어진 프리틸트 각(pretilt angle)으로 배향되는 단계, 및
    -상기 액정 혼합물의 투명점(clearing temperature)보다 더 높은 온도에서 상기 중합체 전구체를 중합하는 단계를 포함하는, 중합체를 함유하는 산란형 액정 장치를 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 셀이 제조되기 전에, 수직 배향을 위한 배향 층(103, 106)이 적어도 상기 기판(101, 108) 중 하나 상에 형성되는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 셀이 제조되기 전에, 러빙(rubbing) 처리가 적어도 상기 기판 중 하나 상에 적용되어 상기 배향 층(103, 106)에서 프리틸트 각을 갖는 배향을 생성하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 셀이 제조되기 전에, 수직 배향을 위한 광-배향층이 적어도 상기 기판(101, 108) 중 하나 상에 형성되며, 또 다른 단계에서 상기 광-배향층이 배향 광에 노광되어 상기 배향층에서 프리틸트 각을 갖는 배향이 생성되는, 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 액정 혼합물이 상기 셀에 충전된 후에, 전기장 또는 자기장이 사용되어 상기 기판에 법선 방향에 대한 프리틸트 각을 갖는 상기 액정 물질(104)의 기울어진 배향을 생성하는, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판에 법선 방향에 대한 상기 프리틸트 각이 0.2 ° 내지 10° 사이인, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액정 혼합물 내의 중합체 전구체의 비가 10 중량% 미만인, 방법.
  8. -두 기판 사이에 한정되는 액정질 상을 갖는 복합 층(109)으로서, 여기서, 상기 복합 층(109)은 음성 유전율 이방성을 갖는 액정 물질(104) 및 그 안에 분산된 중합체(105)를 포함하는, 복합 층,
    -전기장이 적용되지 않는 경우, 상기 수직 방향(vertical direction)에 대해 프리틸트 각을 갖는 액정
    을 포함하는, 중합체를 함유하는 산란형 액정 장치로서,
    상기 장치가 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 방법을 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는, 중합체를 함유하는 산란형 액정 장치.
  9. 제8항에 있어서, 임의의 추가 층, 예컨대 편광자 없이 측정된 상기 장치가 전압이 적용되지 않는 경우 가시광선에 대해 90% 초과의 투과율을 가지며, 상기 장치가 적절한 전압 적용 시 산란 상태로 존재하는 것을 특징으로 하는, 중합체를 함유하는 산란형 VA 액정 장치.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 중합체(105)가 단관능성, 이관능성 또는 다관능성 아크릴레이트로부터 제조되는, 중합체를 함유하는 산란형 액정 장치.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중합체(105)가 상기 액정 물질(104)로부터 상 분리되는, 중합체를 함유하는 산란형 액정 장치.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 적절한 전압이 상기 전극에 적용되는 경우 입사광에 대해 산란 상태로 전환하는, 중합체를 함유하는 산란형 액정 장치.
  13. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 편광자(113, 114)가 셀의 각 면에, 바람직하게는 서로 수직한 편광 방향으로 부착되는, 중합체를 함유하는 산란형 액정 장치.
  14. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 추가로 반사기(reflector)를 포함하는, 중합체를 함유하는 산란형 액정 장치.
  15. 제14항에 있어서, 추가 편광자(113, 114)에 의해 특징지어지는, 중합체를 함유하는 산란형 액정 장치.



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