KR100339471B1

KR100339471B1 - 수직 배향 콜레스테릭 액정 디스플레이의 시야각 향상

Info

Publication number: KR100339471B1
Application number: KR1019970702096A
Authority: KR
Inventors: 브루스 케이. 윙커; 레오나드 지. 헤일; 도널드 비. 테이버; 윌리엄 제이. 거닝 Iii
Original assignee: 로크웰 인터내셔널 코포레이션
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1995-09-28
Publication date: 2002-12-28
Also published as: WO1996010774A1; JPH10506479A; JP3675483B2; KR970706519A

Abstract

수직 배향 콜레스테릭 액정 디스플레이 시스템(500)은 시야각에 대해 크게 변화하는 고콘트라스트비 및 제조 트랜스미션을 제공한다. 본 발명의 디스플레이는 광학 보상기 및 디스플레이의 계조 안정성을 개선시키는 새로운 셀 설계를 포함한다. 디스플레이 보상기는 네가티브 C-판(510) 및 포지티브 A-판(550)으로 구성된다. A-판은 디스플레이의 편광자 트랜스미션축을 따라 배향된다. 이러한 보상기를 이용하여 얻어지는 시야각은 크로스된 편광자 자체만의 시야각보다 훨씬 넓어진다. 디스플레이의 액정셀 설계는 상두께가 비교적 작은 2개의 경사 도메인을 포함한다. 액정 키랄 도판트 농도는 0.2-0.32의 셀갭 대 피치비를 제공하도록 조정된다. 디스플레이 편광자(505,555)는 45°및 135°로 배향되며, 평균 액정 디렉터는 90°로 배향된다. 각 화소전극(525,540)은 액티브 화소 영역내에 측면 전계를 제공하는 수평 스트라이프를 포함한다. 측면 전계는 액정 분자들을 대략 90°및 270°로 반대 방향으로 배향된 2개의 경사 도메인들로 분리한다. 상기 결과의 계조 반응은 다른 경사 도메인들에서의 반응이 전체화소에 걸쳐 평균화되기 때문에 각 화소에서 재생 가능하고 시야각이 비교적 균일하게 된다. 또한, 측면전계는 전위가 먼저 셀에 인가되어, 디스플레이의 턴-온 지연 시간을 감소시킬때 존재하는 불안정성을 제거한다.

Description

수직 배향 콜레스테릭 액정 디스플레이의 시야각 향상{VIEWING ANGLE ENHANCEMENT FOR VERTICALLY ALIGNED CHOLESTERIC LIQUID CRYSTAL DISPLAYS}

트위스트 네마틱 액정 디스플레이

현재 액티브 매트릭스 액정 디스플레이(AMLCD) 기술은 거의 모두 90°트위스트 네마틱(TN) 디스프레이 모드에 기초하고 있다. Scheffer 및 Nehring의 "액정 이용 및 응용" Vol. 1, B. Bahadur, ed., 월드 사이언트픽, pp.231-274,1990을 참조하라. 이러한 타입의 디스플레이는 포지티브 유전 이방성(△ε=ε₁-ε₁〉0분자들이 인가된 전계에 대해 평행한 긴축으로 배향된 액정혼합물)을 이용한다. 용어들 (e₁₁및 e^ )은 각각 액정 분자의 긴축에 대해 평행 및 수직한 저주파수(〈10kHz) 유전계수를 나타낸다.

도 1A 및 1B에 도시된 바와같이, 셀의 안쪽면은 러빙 방향을 따라 표면에 대해 평행한 액정 분자(120)의 (표면들(110,130)에서의) 배향을 제공하도록 러빙된다. 두개의 대향면들(110,130)의 러빙 방향은 서로 직각이다. 비구동 또는 필드-오프 상태(100)에서, 표면 앵커링 조건(표면 러빙을 통해 실행됨)은 액정 분자(120)를 일표면에서 다른 표면으로 90°트위스트되도록 한다. 이로써 셀의 일표면에서 다른 표면으로의 선형적 편광 전파, 즉 단열 또는 "도파관"이라 하는 메카니즘에 의해 파장에 독립적으로 거의 90°로 회전되도록, 관찰자(140)를 향하게 된다. 노멀리 화이트(NW) 형태에서 검광자(105) 및 편광자(135)는 서로 수직하고, 화이트로 될 NW-TN 디스플레이의 비구동 상태를 야기한다. 비구동 상태의 광학 트랜스미션 특성은 액정셀의 상 두께 Dnd에 의해 결정되는데, Dn은 액정재료(115)의 복굴절이고 d는 셀갭(125)이다. 일 실시예에서, 최적 트랜스미션 및 색도는 380nm〈Dnd〈500nm의 범위내에서 얻어진다.

일정 임계치(프레데릭 임계치라 알려짐) 이상의 트랜스버스 전계의 응용은 액정 분자(120)가 수직 방향을 향해 경사지게 하여, 도파관 효과를 금지하고 타원형 편광 상태를 형성한다. 도 1B에 도시된 디스플레이(145)를 참조하라. 상기한 표면들(110,130)에서의 앵커링 조건은 액정 분자(120)의 일표면에서 다른 표면으로의 불균일 변형을 야기한다. NW-TN(145) 형태에 의해, 인가된 전압이 프레데릭 임계 전압 이상으로 증가되면 트랜스미션의 단조로운 감소를 야기한다.

충분히 높은 전압이 인가될때, 셀(145)내의 3개의 구별된 영역이 확인될 있다. 셀의 대략 중앙의 액정 분자(120)는 거의 호메오트로피칼 배향(∼80°)으로 경사지고 거의 모두 트위스트된다. 상기 영역에서 입사광 편광은 거의 없거나 또는 없다. 각 표면(110,130)에 인접한 셀의 대략 1/4정도의 남아있는 액정분자(120)는러빙방향을 따라 배향된다. 그 영역들의 분자들은 적당하게 경사지게 되지만 거의 트위스트 되지 않는다. 두개의 표면 영역들이 서로 수직하게 러빙되어 그들의 복합적인 지연이 캔설된다. 노멀 입사시에, 편광 전파 상태는 셀을 통해 거의 불변이고, 편광자들(105,135)의 감광비 및 구동 전압에 따라 적어도 70:1로 콘트라스트비를 상승시킨다.

노멀리 화이트 형태에서, NW-TN 디스플레이의 완전 구동 상태는 노멀 입사시에 블랙으로 된다. 호메오트로픽 중앙 영역의 복굴절은 구동 상태의 트랜스미션을 야기하여 오프-노멀 시야각을 증가시킨다. 셀의 중앙영역의 블랙상태 잉여 복굴절을 효과적으로 캔설하는 네가티브 복굴절 C-판 광학 보상기들에 의해 시야범위가 어느정도 증대될 수 있다. 12차 국제 디스플레이 연구 회의-일본 디스플레이 92, pp.247-250, 1992의 "최대 시야각 성능을 갖는 뉴우 노멀리 화이트 네가티브 복굴절 필름 보상 트위스트 네마틱 LCD"를 참조하라.

노멀리 블랙 형태에서, 검광자 및 편광자 축은 서로 평행하고, 약간정도만 이용된다. 그러나, 이 형태의 주결점은 피크 콘트라스트가 높지 않고, 블랙상태 색도가 자연스럽지 않으며, 셀갭 공차가 도 1의 NW 형태보다 더 타이트하다는 것이다.

NW-TN 형태의 장점은 무색성 동작, 비디오 응용에 대해 충분히 빠른 온-오프 반응시간, 노멀 입사시의 고콘트라스트비, 및 완화된 제조공차등이다. 주결점은 그레이 레벨 트랜스미션에 종속되는 시야각, 비교적 느린 그레이 레벨 반응 시간, 제한된 시야각, 및 기계적 러빙 표면 처리의 필요성등이다.

수직 배향 네마틱 액정 디스플레이

또한, 액정 디스플레이는 전기 제어 복굴절 효과에 의해 동작되는 것으로 확인되었다. 특히, 도 2A 및 2B에 도시된 수직 배향 네마틱(VAN) 디스플레이는, 액정 분자들(215)이 전계에 대해 수직하게 배향되어 있는 네가티브 유전성(De〈0) 액정재료(210)를 이용한다. Yamauchi등의, ("호메오트로픽 배향 풀컬러 LCD", SID 89 Digest,pp.378-381,1989) 및 Hirai등의, ("셀조건의 최적화 및 컬러 비디오 디스플레이용 VAN LCD의 구동방법", 9차 국제 디스플레이 연구 회의-일본 디스플레이 '89,pp.184-187,1989)를 참조하라. VAN 타입 디스플레이도 컬러 수퍼 호메오트로픽 디스플레이로서 알려져 있다.

VAN 타입 디스플레이에서, 비구동 상태(200)의 액정분자(215)는, 러빙처리가 요구되지 않는 표면 커플링제를 단순히 도포함에 의해 호메오트로픽형으로 배향된다. 노멀 입사시에, 선형적인 편광은 액정 재료(210)를 통과할때 크게 영향받지 않는다. 편광자(10)와 검광자(135)가 서로 수직할때, 셀을 횡단하는 선형적인 편광은 검광자에 의해 흡수되고 노멀리 블랙 디스플레이 모드가 얻어진다. 노멀 입사시의 블랙상태의 콘트라스트비는 100:1 이상이고, 편광자의 감광비 및 셀결함에 의해서만 제한된다. 배향층들(205,220)은 기계적으로 러빙 가공되지 않는다.

액정셀에 걸쳐 (프레데릭 임계치 이상, 소자(225) 참조) 구동 전압을 인가하면 액정 분자(215)가 패러럴 배향을 향해 경사지게 된다. 이로써 투과광을 지연시키는 액정 재료(210)의 복굴절에 대한 전압의 종속관계가 형성된다. 그러나, NW-TN 디스플레이와는 대조적으로, 최대 트랜스미션에 도달하도록 요구되는 전압은 광의레드, 그린, 및 블루 파장에 대해 변화한다. 통상 액정분자(215)는 여러 방위로 경사지려는 경향이 있으며, 그에따라 다수의 경사 도메인이 디스클리네이션에 의해 분리된다. 그 결과 단일 경사 도메인에 대한 그레이 레벨 트랜스미션의 시야각 의존성이 너무 커지게 된다. 각 화소내에 다수의 경사 도메인을 형성하면 넓은 범위의 시야각에서 계조 안정성을 향상시키는 것으로 도시되어 있다. 그러나, VAN 디스플레이의 화이트 상태 트랜스미션은 편광자 트랜스미션축에 대한 경사 방위 방향에 따라 다르다. 상기 트랜스미션은 경사 도메인이 편광자축에 대해 거의 45°로 배향될때만 최대이다. 랜덤하게 배향된 경사 도메인, 및 그들 사이의 연관된 디스클리네이션은 VAN의 화이트 상태 트랜스미션을 열화시키는 경향이 있다.

패터닝 전극 설계는 각 화소내에서 특정 방위를 따라 다수의 경사 도메인들을 안정화함으로써 시야각 의존성을 최소화하고 화이트 상태 트랜스미션을 최대화하는 것으로 판명되었다. Yamamoto등의, ("풀콘 광시야각 멀티컬러 CSH-LCD", SID 91 Digest, pp.762-765,1991): 및 리엔의 ("멀티 도메인 호메오트로픽 LCD의 3차원 디렉터 구조의 시뮬레이션", SID '92 Digest,pp.33-35,1992)를 참조하라. 그럼에도 불구하고, 상기한 결과의 화이트 상태 트랜스미션은 90°TN 디스플레이에 의해 얻어지는 것보다 여전히 크게 낮다.

NW-TN 디스플레이와 대조적으로, 액정 분자(215)의 복굴절 때문에 발생되는, 호메오트로픽으로 배향된 비구동(블랙) 상태의 오프-액시스 트랜스미션은 네가티브 복굴절 C-판 보상기를 이용함에 의해 거의 완전하게 제거될 수 있다. Yamauchi등을 참조하라. 그 결과 디스플레이가 교차된 편광자만 있는(즉, 액정층이 없는) 경우와유사한 블랙상태 시야계를 갖게 된다.

VAN 디스플레이는 NW-TN 디스플레이에 비해 장점과 단점을 모두 갖는다. 장점으로는 기계적 러빙 표면 처리를 피할 수 있고 블랙상태 시야계가 매우 크다는 것이다. VAN 디스플레이의 주결점으로는 화이트 상태 트랜스미션 레벨이 낮고 화이트 상태 트랜스미션 레벨의 파장에 대한 의존도이다. 컬러 디스플레이에서, 후자의 영향은 3개의 컬러 서브 화소에 각각 인가될 구동 전압을 다르게 설정하도록 요구한다. 이 조건은 구동 회로의 비용을 상승시킨다.

수직 배향 콜레스테릭 액정 디스플레이

수직 배향 콜레스테릭(VAC) 디스플레이는 최근 90°TN 및 VAN 디스플레이의 여러 결점을 극복하도록 발전되었다. Crandall등의, Appl. Phys. Lett., Vol.65,Nol,pp.118-120,1994를 참조하라. VAN 디스플레이에서와 같이, VAC 디스플레이의 액정 분자(310)는 비구동 상태에서 호메오트로픽으로 배향된다. 그러나, VAC 디스플레이에서는, 액정 재료가 구동 상태, 즉 분자들이 셀표면에 거의 평행하게 배향될때, 분자들을 약 90°로 트위스트시키기에 충분한 키랄 재료의 농도로 도프된다. (VAC 디스플레이는 호메오트로픽 러빙-프리 액정 광셔터로도 알려져 있다.)

비구동 상태(300)에서, 호메오트로픽으로 배향된 액정 분자(310)는 탄성 변형되지만, 표면들(205,220)에서 표면 앵커링에 의해 트위스트되지 않도록 억제된다. 프레데릭 임계치 이상의 전압이 셀(도 3B, 315)에 인가될때, 액정 분자(310)는 패러럴 배향을 향해 경사지기 시작한다. 상기 분자들이 표면에서 멀리 경사지게 되어 트위스트되기 시작하면, 탄성 변형에서 해제된다. 구동 상태에서 트위스트된 결과, 선형적인 편광은 도파관 효과를 통해 90°로 회전된다. VAC 디스플레이의 구동 상태에서는, 표면 앵커링 조건이 두개의 디스플레이에서 다른 경우에도 90°TN 디스플레이의 비구동 상태와 유사한 방식으로 동작한다. 프레데릭 임계치와 완전 구동 상태 사이에서, 셀은 중간 정도의 트랜스미션 레벨로 상승되는 타원형 편광 상태를 제공한다.

VAC의 구동 상태의 광학 트랜스미션 특성은 그의 상두께 Dnd, 및 액정셀의 셀갭 대 액정피치비 d/P_o에 의해 크게 좌우된다. Dn은 액정의 복굴절이고, P_o는 콜레스테릭 피치이며, d는 셀갭이다. 주어진 Dnd 및 d/P_o치에서, 트랜스미션이 최대로 되도록 화이트 상태 전압이 선택된다.

호메오트로픽으로 배향된 VAN 디스플레이에서와 같이, VAC 디스프레이는 다른 경사 도메인들 사이에서의 디스클리네이션 나타낸다. 경사 도메인 사이즈가 화소의 치수에 대해 작다면, 시야각에 대한 계조의 의존성이 여전히 작게 존재하지만, 계조 트랜스미션은 90°TN 디스플레이에서 성취된 것보다 더 넓은 시야각에 걸쳐 안정적으로 된다. VAC 디스플레이에서, 화이트 상태의 트랜스미션의 다수의 경사 도메인들의 효과는 VAN 디스플레이와는 매우 다르다. 화이트 상태 트랜스미션은 VAC 경사 도메인의 방향에 의존하지 않는다. 이는 셀 트랜스미션이 그들 자체의 디스클리네이션에 의해서만 좌우되며, 통상 경사 도메인 자체의 사이즈에 비해 작게됨을 의미한다. 블랙 상태에서는 디스클리네이션이 발생되지 않기 때문에, 각 화소를 둘러싸는 블랙 매트릭스는 디스클리네이션으로 인한 화이트 트랜스미션의 어떠한 손실도 보상하도록 폭이 감소될 수 있다.

통상의 VAC 경사 도메인의 사이즈는 20-70mm 정도이다. 이는 현재의 많은 정보를 갖는 LCD의 대략 150mmx150mm의 화소 사이즈내에 여러개의 경사 도메인들이 존재할 수 있을 정도로 충분히 작다. 그러나, 상기 경사 도메인의 수는 제조 트랜스미션이 반대의 관찰 방향에서 대칭으로 되도록 보장하기에는 충분히 많은 것이아니다. 또한, 경사 방향은 각 화소에 대해 재생가능하며, 인접한 화소들 사이의 오프-노멀 관찰 특성에 약간의 차이가 있다.

VAC 디스플레이는 VAN 디스플레이가 갖게되는, 즉 기계적인 러빙 표면 처리가 불필요하고 블랙 상태 시야계가 매우 크다는 90°TN 디스프레이에 있어서의 장점과 동일한 장점을 공유한다. 이 장점들에 더하여, VAC 화이트 상태 트랜스미션이 거의 파장에 독립적으로 되어, 각 화소들의 3개의 서브 화소들을 다른 제조 전압으로 구동시킬 필요가 없게되는 장점이 추가된다. 또 다른 장점은 멀티 도메인의 VAC 화소의 화이트 상태 트랜스미션이 VAN 디스플레이보다 높게 된다는 것이다.

VAC 디스플레이의 결점으로는, VAN 디스플레이에서와 마찬가지로, 상기 시야계가 회전된후 액정 분자가 경사지기 시작되기 전에 약 30밀리초(ms) 지연된다는 것이다. 이러한 턴-온 지연은 임계전압 바로 아래의 오프 상태를 바이어스함에 의해 크게 감소될 수 있다. 다른 결점은 계조 트랜스미션이 노멀상태에서 약 30°이상 큰 시야각에서는 불균일하다는 것이다. 또한, 큰 시야각에서의 계조 트랜스미션은 각 화소에서 어느정도 변화될 수 있다(부록 A참조).

액정 디스플레이 기술에서 잘 알려진 문제는 광시야각에 걸쳐 고콘트라스트와 제조 균일성을 얻고 동시에 다이나믹하게 변화하는 정보를 디스플레이하기 위한 신속한 반응 시간을 얻는 것이다. 본 발명은 수직 배향 콜레스테릭 디스플레이의 이러한 과제를 처리하게 된다.

본 발명은 많은 정보 내용을 갖는 액정 디스플레이(LCD)에 관한 것으로, 특히 수직 배향 콜레스테릭(VAC)액정 디스플레이에 관한 것이다. 본 발명은 VAC LCD에 대한 새로운 보상 및 전극 설계를 제공한다.

도 1A 및 1B는 종래의 노멀리 화이트, 90°트위스트 네마틱 액정 디스플레이의 (비구동 및 구동상태 각각의) 단면도,

도 2A 및 2B는 종래의 노멀리 블랙, 수직 배향 네마틱 액정 디스플레이의 (비구동 및 구동상태 각각의) 단면도,

도 3A 및 3B는 종래의 노멀리 블랙, 수직 배향 콜레스테릭 액정 디스플레이의 (비구동 및 구동상태 각각의) 단면도,

도 4는 본 발명의 부품들의 방향을 구체적으로 나타내는 좌표 시스템,

도 5는 본 발명에 따른 수직 배향 콜레스테릭 디스플레이셀의 단면도,

도 6은 도 5의 전극 구조의 확대 평면도, 및

도 7은 도 5의 액정 디스플레이셀의 확대 단면도이다.

본 발명에 따른 수직 배향 콜레스테릭(VAC) 액정 디스플레이(LCD) 시스템은 시야각에 대해 크게 변화하는 고콘트라스트비 및 계조 트랜스미션을 제공한다. 특히, 본 발명의 디스플레이는 콘트라스트비를 개선시키기 위한 광학 보상기 및 디스플레이의 제조 안정성을 개선시키는 새로운 셀 설계를 포함한다.

본 발명에 따른 간단하고 효과적인 액정 디스플레이 보상기는 네가티브 C-판 및 포지티브 A-판으로 구성된다. C-판은 편광자의 광 입구 및 액정셀 사이에 배치되고, A-판은 액정셀과 편광자 출구(검광자) 사이에 배치된다. A-판은 검광자의 트랜스미션축에 대해 그의 광학축이 거의 평행하게 되도록 배향된다. 이러한 보상기를 이용하여, 블랙 상태 트랜스미션이 매우 낮게 존재하는 부분의 시야각의 범위가 교차된 편광자 자체만이 존재하는 부분보다 훨씬 넓어진다. 이와 다르게, 한쌍 이상의 크로스된 A-판이 단일 A-판 및 다른 네가티브 복굴절 C-판 대신에 사용될 수 있다.

디스플레이의 화소 설계는 상두께가 300-450나노미터(nm)로 비교적 작은 2개 또는 4개의 액정 경사 도메인을 포함한다. 액정 키랄 도판트 농도는 0.2-0.32의 셀갭 대 피치비를 제공하도록 조정된다. 디스플레이 편광자는 45°및 135°로 배향된다. 2개의 경사 도메인 화소를 얻도록, 각 화소 전극이 액티브 화소 영역내에 구동 상태의 측면 전계를 제공하는 패러럴 스트라이프로 패터닝된다. 측면 전계는 액정 분자들을 사실상 반대 방향으로 대략 90°및 270°로 배향된 2개의 경사 도메인들로 분리한다. 4개의 경사 도메인 화소를 얻도록, 각 화소 전극이 액티브 화소 영역내에 측면 전계를 제공하는 장방형 구멍들을 포함한다. 측면 전계는 액정 분자들을 4개의 방향으로, 즉 대략 0°, 90°, 180°및 270°로 배향된 4개의 경사 도메인들로 분리한다.

상기 결과의 계조 반응은 다른 경사 도메인들에서의 반응이 전체화소에 걸쳐 평균화되기 때문에 각 화소에서 재생가능하고 시야각이 비교적 균일하게 된다. 측면 전계는 전기광학 곡선의 슬로프를 감소시킨다. 또한, 측면전계는 전위가 먼저 셀에 인가되어, 디스플레이의 턴-온 지연 시간을 감소시킬때 존재하는 불안정성을 제거한다.

액정 디스플레이 기술을 이용하여 실행되는 본 발명의 예시적인 실시예를 이하 설명한다. 명료화의 관점에서, 본 명세서에서 실질적인 모든 특징들을 전부 설명하지는 않는다. 물론, (어떤 개발 프로젝트등에서의) 실질적인 개선점에 있어서는, 시스템 및 비지니스 관련의 제한사항에 부응하기 위한 개발자의 특별한 목표 또는 부차적 목표를 달성하기 위한 여러가지 설명 및 구체적인 결정을 반영하였다. 또한, 그러한 개발 노력은 복잡하고 장기간에 걸친 것이지만, 본 명세서의 기술에 관심을 갖는 통상의 개발자들에게는 장치 개발을 수행하는데 있어서 일상적인 일이다.

이해를 돕기위해, 본 발명의 디스플레이의 일 실시예에 대한 예비적인 엔지니어링 분석에 관한 상세한 기술적 정보를 부록 A에, "VAC 광학 성능의 예비 평가"라는 제목으로 기술하였다. (부록 A는 발명자들중 한 사람에 의해 제출된 기술 보고서의 카피본이며 원래의 첨부 도면없이 추가자료로 포함되었다.)

도 4는 액정 및 복굴절 보상 광축 양자의 방향을 나타내도록 이용된 좌표 시스템을 도시하고 있다. x축(410) 및 y축(415)과 함께 우선회 좌표 시스템을 형성하는 포지티브 z방향(405)으로 광이 관찰자(400)를 향해 전파된다. 화살표(420)로 나타낸 바와같이, 네가티브 z방향에서 역광이 제공된다. 극경사각

(425)은 분자 광축 c(430)과 x-y 평면사이의, x-y평면에서 측정된 각으로 정의된다. 방위 또는 트위스트각 φ(435)은 x-y 평면에서 x축(410)으로부터 광축(430)의 프로젝션(440)까지 측정된 각이다.

특정 실시예의 구조

도 5는 편광자(505), 보상층(510), 표면(520)상에 제 1 세그먼트 전극(525)을 가진 제 1 기판(515), 액정층(530), 기판(545) 표면(535)상의 제 2 세그먼트 전극(540), 제 2 보상층(550), 및 검광자(555)를 포함하는 액정 디스플레이(500)의 단일의 어드레스가능한 화소 소자내의 영역을 나타낸다. 기판들(515,545)을 포함하는 그 기판들 사이의 영역을 액정셀(56)이라 하며: 액정층(530)의 물리적 두께는 통상 셀의 셀갭(d)이라 한다.

액정층(530)은 네가티브 유전 이방성을 갖는 액정 재료로 구성된다. 그 액정 재료는 예비 테스트에서 만족스러운 것으로 판명된 Merck ZLI-2787의 상표명으로 Merck사에서 판매하고 있다. 상기 Merck 액정 재료는 -3.5의 네가티브 유전 이방성(△ε), 1.25의 탄성정수비(K₃₃÷K₁₁), 복굴절 0.074, 및 -0.22의 셀갭 대 피치비(좌선회 피치)를 제공하기에 충분한 키랄 도판트의 농도를 포함한다.

도 6에 평면도로 도시된 바와같이, 전극들(525,540)은 수평 인듐-주석 산화물(ITO) 스트라이프(600)의 패턴으로 구성된다. 각 스트라이프는 폭이 약 43㎛이고, 두개의 인접한 스트라이프들은 약 7㎛의 갭(565)으로 떨어져 있다. 상기 스트라이핑은 각 화소의 기판들(515,545)의 표면들(520,535)에 걸쳐 연속적으로 되풀이된다.

이와다르게, 더 많은 수의 안정된 경사 도메인을 제공하기 위해 다른 패턴이 이용될 수 있다. 예비 모델링에서 4개의 경사 도메인이 특히 유익한 것으로 알려졌다. 경사 도메인의 방위는 약 0°, 90°, 180°및 270°로 배향될 수 있다. 각 도메인의 상대 영역은 동일할 필요가 없다. 예컨대, 90°및 270°로 배향되는 도메인의 영역은 0° 및 180° 도메인의 영역보다 대략 2배로 될 수 있다. 이러한 배열에 의해 시야각의 평균이 각 화소내에서 4개의 다른 도메인에 걸쳐 반응하기 때문에 더욱 대칭적인 시야각 특성(즉, 콘트라스트 및 제조 안정성)을 나타낸다.

다시 도 5를 참조하면, 제 1 전극(525)상의 갭들(565)이 전극(540)의 ITO영역(570)하에 중심을 두도록 제 1 전극(525)이 제 2 전극(540)에 대해 배열된다. 기판들(515,545)은 기판의 전면을 커버하며, 전극들(525,540)을 갖는 배향층(575)을 더 포함한다. 상기 배향층(575)은 비구동 상태의 액정 분자의 호메오트로픽(수직) 배향을 제공한다. 상기 배향층은 레시틴, 롱 알킬-체인 시란, 롱 알킬-체인 카르복실라토크롬(carboxylatochromium) 화합물, 폴리머, 또는 잘 알려진 다른 재료로 구성될 수 있다.

액정셀은 약 370nm의 액정셀에 대한 상지연(△nd)을 나타내며, 약 5.0㎛의 두께를 가진다. 보상층(510)은 약 290nm의 상지연을 갖는 네가티브 C-판층으로 구성될 수 있다. 또한, 보상층(550)은 약 130nm의 상 지연을 갖는 포지티브 A-판으로 구성될 수 있다. A-판층의 방위는 그의 광축이 인접한 검광자 층(555)의 트랜스미션축에 대해 거의 평행하도록 되어있다.

이와다르게, 편광자(505)와 검광자(555) 사이의 편리한 임의의 위치에 배치되는 한쌍 이상의 교차된 A-판이 보상층(550) 대신에 사용될 수 있다. 또한, 다른 네가티브 복굴절 C-판이 도 5의 실시예에 이용될 수 있다.

편광자(505)와 검광자(555)는 각각 (통상의 블랙 디스플레이에서) 서로 수직으로 배향된 흡수축들을 가진다. 일 실시예에서, 상기 흡수축들은 스트라이프(600)에 대해 약 45°의 각도로 배향된다.

동작

약 1.5 이하의 탄성정수비(K₃₃÷K₁₁), 0.2-0.3 사이의 셀갭 대 피치비(d/P_o), 및 300nm-500nm 사이의 액정 상 지연(△nd)을 이용하여 프리데릭 임계치 이상의 구동 전압에서 전기광학 곡선의 슬로프를 감소시키는 한편, 완전 구동 상태에서 고트랜스미션을 유지한다. 상기와 같이 슬로프를 감소시키면 광 시야 범위에 걸쳐 계조 트랜스미션의 안정성을 향상시킬 수 있다.

도 7을 참조하면, 전극들(525,540)에 걸쳐 전압을 인가함에 의해 액정층(530)에 전계가 인가될때, 액정층(530)의 중앙의 액정분자는 기판들(515,545)의 표면들(520,535)에 대해 평행한 방향을 향해 경사지게 된다. 전극들(525,540)의 갭(565)은 영역들(700)의 액정 분자들을 좌선회 방향으로 경사지도록 유도하는 전계의 측면 성분들을 형성하며, 한편 영역(705)의 액정분자들은 우선회 방향으로 경사지게 된다. 또한, 상기 측면 전계 성분이 전기광학 평균 곡선의슬로프를 감소시키는 프레데릭 임계 전압을 감소시킨다.

단일 액정 영역(700) 또는 (705)의 계조 트랜스미션 특성은 시야각에 강한 영향을 받게된다. 본 발명의 특별한 장점은, 관찰자측에서 볼때, 액정층(530)의 영역(700)의 트랜스미션 특성이 영역(705)의 특성과 평균화된다는 점이다. 두 영역들(700,705)의 평균 계조 트랜스미션 특성은 광 시야 범위에 걸쳐 향상된 안정성을 나타내는 것이다.

네가티브 C-판(510)은 비구동상태일때 액정 재료(530)의 포지티브 C-판의 광학 특성을 보상한다. A-판(550)은 광 시야 범위에서 교차된 편광의 트랜스미션 특성에서의 고유의 누설에 대해 보상한다. 양 보상기(510,550)의 복합된 효과는 광 시야 범위에 걸쳐 디스플레이의 블랙(비구동) 상태의 트랜스미션을 크게 감소시킨다.

효과

본 발명에 따르면 VAC 디스플레이의 적어도 4대 성능 개선효과가 있다. 첫째, 네가티브 C-판 및 포지티브 A-판 보상에 따라 시야각이 다른 LCD 시스템에서 가능했던 것보다 넓어지게 된다. 이로써 상기한 디스플레이를 발달된 항공 전자공학 및 어떠한 다른 정보 디스플레이 위치에도 이용할 수 있다. 둘째, 액정 재료내의 다수의 경사 도메인의 존재는, 평균적으로, 그레이 레벨 트랜스미션이 시야각에 대해 덜 민감하게 되고 각 화소에서 서로 동일하게 된다. 셋째, 트랜스미션 화소영역에서 측면 전계를 이용함에 의해 턴-온 지연 시간이 감소된다. 마지막으로, 러브리스(rubless) 배향 공정은 고수율을 달성할 수 있게한다.

당업자들이라면 본 발명의 범위와 정신을 벗어나지 않고 본 발명에 대한 여러가지 개조가 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 특허청구의 범위는 본 명세서의 설명 내용으로 제한되지 않고, 더 넓게 해석되어야 한다.

부록 A : VAC 광학 성능의 예비 평가

록웰(Rockwell) 사이언스 센터에서는 많은 정보 내용을 디스플레이하는 응용에 대한 적합성을 결정하도록 수직 배향 콜레스테릭(VAC) 액정 디스플레이의 예비 실험 및 이론적 평가를 실행하였다. 우리의 평가는 Case Western Reserve University(CWRU) 및 사이언스 센터에서 제조된 테스트셀에 대한 모델링과 실험 측정치를 기준으로 실행되었다. 우리는 VAC 제품이 상업적인 항공 전자 공학 시스템 및 다른 정보 디스플레이 응용에 대한 디스플레이 기술을 보장할 수 있다고 결론지었다. 또한, 현재의 VAC 셀 설계 및 더 연구되어야 할 기술적 영역에 있어서의 여러가지 결함을 확인하였다. 이 서류는 본 평가중에 사이언스 센터에서 행해진 작업의 결과를 개시하는 것이다.

모델링 정확도

우리의 모델 결과는 실험 측정에 의해 양질의 것으로 확인되었다. 우리는 Autronic-Melchers에서의 DIMOS 모델링 소프트웨어를 이용하여 액정 변형 프로파일을 계산하였다. 인풋 기판상의 방위각 및 극성 앵커링 양자, 및 아웃풋 기판상의 극성 앵커링에 대해 엄밀한 바운더리 조건이 사용되었고 아웃풋 기판상의 방위 앵커링에 대해서는 탄력적인 바운더리 조건이 사용되었다. 모델링에 필요한 모든 재료의 파라미터는 액정 혼합물 Merck ZLI-2787로부터 입수될 수 있었다. K₃₃/K₂₂탄성비를 제외한 모든 파라미터는 액정 혼합물 Merck MLC-2011에 대해 알려져 있다. 그러나, K₂₂는 통상 0.5-0.6xK₁₁이므로, 종종 K₃₃/K₂₂비에 의해 정당한 평가가 이루어질 수 있다.

VAC 액정셀의 광학 특성은 연장된 2×2 Jones 매트릭스 알고리즘[1]을 이용하여 모델링되었다. 랜덤 경사 도메인을 갖는 테스트셀의 광학 특성은 12 액정 방위에 걸친 평균값으로 시물레이션하였으며, 각 방위는 앞쪽의 방위에 대해 15°회전된 것이다. 디스클리네이션의 광학적 효과는 우리의 모델에 포함되지 않았다.

CWRU에서의 VAC 테스트셀의 블랙상태 트랜스미션은 우리의 측정 과정에서 열화되었고, 그에따라 우리는 5 및 10mm셀갭을 갖는 ZLI-2787을 이용하여 두개의 테스트셀을 제조하였다. 콘트라스트비 코노스코프(conoscope)에 대한 모델링과 측정 사이의 양호한 일치가 얻어졌다. 한편, 트랜스미션 대 극 시야각에 대해서는, 테스트셀의 경사 도메인의 비랜덤 방위로 인해 불일치된 결과가 얻어졌다.

시야계

우리의 모델링과 측정은 네가티브 C-판 보상을 이용하여 VAC 시야각을 개선할 수 있다는 우리의 기대를 확인시켜 주었다. 시야각은 구동상태의 액정의 방위에 의해 영향받지 않는다. 피크 콘트라스트비는 편광자 효율, 컬러 필터, 및 셀 스페이서와 표면 위상에 의한 셀의 결함에 의해서만 제한된다.

계조 리니어

VAC 테스트셀에 대한 모델링 및 측정 결과에서 불량한 계조 리니어성이 관찰되었다. 이 문제는 단일 경사 도메인에 대한 트랜스미션 대 극 시야각을 모델링함에 의해 연구되었다. 편광자에 대한 액정 방위에 따라, 수평 또는 수직 관찰 방향의 20-30°에서 리바운드가 심하게 발전되었다. 그러나, 수직 관찰 방향에서는 양호한 계조 리니어성이 제공된다. 랜덤하게 배향된 경사 도메인을 갖는 테스트셀의 경우에, 모든 관찰 방향에서 작지만 좋지않은 리바운드가 발생하였다.

상기한 바와같이, 테스트셀의 계조성능은 수평 및 수직 방향(편광자축에 대해 평행함)에 대해 동일하지 않으며, 즉 측정된 영역에서 도메인이 랜덤하게 배향되지 않았음을 나타낸다. 우리는 이것이 전극 바운더리에서의 측면필드가 특정 방위의 경사방향을 유도하려는 경향일 것이기 때문에 일화소의 경우일 것으로 기대한다. 그러나, 우리는 수직 평면에서 반대 방향으로 배향된 평균 액정 디렉터를 갖는 두개의 경사 도메인을 이용함에 의해 여전히 양호한 계조 성능이 얻어질 수 있음을 발견하였다. 편광자는 0°및 90°가 아닌 45°및 135°로 배향된다. 이러한 타입의 경사 배향은, 예컨대 측면 전계를 수직 방향으로 유도하도록 적절하게 배향된, 화소 전극의 좁은 슬릿들을 이용하여 형성될 수 있다. 화소내에서 측면 전계를 이용하면 턴-온 지연 문제를 극복할 수 있다. 계조 리니어성을 더 개선시킬 수 있는 전극 구조를 갖는 4개까지의 경사 도메인들이 사용가능하다.

계조성능에 대해 상세하게 연구되었으며 계조 리니어성을 향상시키기 위해 액정 파라미터 및 셀두께의 최적화가 실행되었다. 그 결과, 셀 상 두께, Dnd에 대한 리바운드의 강한 의존도가 나타났다. 상 두께를 감소시키면 제조 리니어성이 개선되지만, 화이트 상태에서 셀트랜스미션이 감소된다. 보다 덜한 정도이지만, 탄성정수비 K₃₃/K₁₁를 증가시키면 리바운드가 증가하고, 유전 이방성 비, De/e₁₁가 감소한다. 화이트 상태의 트랜스미션을 회복하기 위한 유일한 방법은 피치를 증가시키거나. 또는 역으로, 셀갭 대 피치 비,d/p를 감소시키는 것이다. 상두께 Dnd=340nm, 도메인 면적비 65/35, 및 d/p비 -0.22를 이용하여 두개의 도메인셀에서 양호한 계조 리니어성을 얻을 수 있었다. 그러나, 항공 전자 공학의 제조 특성에 완전 부응하기 위해서는 성능을 더욱 향상시킬 필요가 있다.

상기한 형태의 화이트상태 트랜스미션은 노멀리 화이트 90°TN셀 보다 약15%정도 낮다. 상기한 트랜스미션의 하강은 개구율을 증가(VAC가 노멀리 블랙 편광자 형상을 이용하므로, 화소 바운더리에서의 디스클리네이션이 블랙상태 트랜스미션에 악영향을 주지 않음)시키거나, 및/또는 역광 형광체 혼합을 변경(후술됨)함에 의해 보상될 수 있다.

색도

상기한 바와같이, 최적 제조 리니어(저 Dnd)로 형성된 VAC 디스플레이의 색도는 비교적 높은 블루 트랜스미션을 가진다. 이 특성은 역광이 그린 형광체보다 효율이 낮은 블루 형광체를 덜 필요로 하기 때문에 전체 시스템 효율을 개선시킬 수 있다. 또한, 전기광학 곡선의 형상은 레드, 그린 및 블루에 대해 거의 동일하게 나타난다. 그레이 레벨 색도는 고 시야각에서 가장 안정적이고 수직 입사시에 가장 불안정하다. 다른 셀갭을 갖는 레드, 그린 및 블루 화소에서의 색도의 효과는 색도를 향상시키지만 특별히 검사되지는 않았다.

VAC 발전 과제

우리의 평가에서 더욱 발전을 요하는 여러가지 기술적 과제가 확인되었다. 그 과제들을 제안된 접근 기술과 함께 이하 설명한다.

멀티-도메인 전극 설계: 넓은 온도 범위에 걸쳐 안정적인 경사 도메인 배향을 제공하도록 전극 패턴이 최적화되어야 한다. 수직 배향 네마틱(VAC) 디스플레이에 대한 이러한 접근 가능성은 이미[2-4]에서 기술되었다.

계조 반응 시간: 제조 레벨들(CWRU 테스트셀) 사이의 일부 트랜지션에 대한 200ms까지의 반응 시간이 예비 결과에서 제안되었다. d/p비 효과 및 반응 시간에 대한 다른 액정 재료 파라미터가 결정되어야 한다. 이 과제는 DIMOS를 이용하여 이론적으로 검사될 수 있다. 비디오 응용을 위해 충분히 짧은 반응 시간을 얻도록 멀티-펄스 전자 구동 방식이 필요해질 수 있다. 모델링 결과를 확인하도록 일부 실험 측정이 실행되어야 한다. 이 작업에 대한 계획은 상업적인 액정 재료에서 입수 가능한 혼합물 파라미터들의 범위에 어느정도 의존한다.

또한, 측면 전계의 이용은 VAC 테스트셀에서 관찰되는 턴-온 지연 시간을 감소시킨다. 이 예상을 테스트셀 측정에서 확인하여야 한다.

최적 셀 설계/액정 혼합물 파라미터: 목표는 +/-60°수평 및 +/- 45°시야계에 걸쳐 계조 리니어성 및 색도 안정성을 얻고, 모든 방향으로 +/-60°에 걸쳐〉100:1의 콘트라스트비를 얻는 것이다. 상기 셀에 대해 제안된 어떠한 변경 이론적으로 완전하게 평가하여 계조효과와 색도 안정성, 및 반응시간을 결정해야한다.

호메오트로픽 배향층: 일부 표면 결함이 관찰되지만, 시일록산 계면활성제로써 양호한 배향이 증명된다. 폴리머 및 다른 계면활성제등의 다른 포텐셜 배향 재료들도 배향 안정성 및 전압 홀딩비에 대해 넓은 온도 범위에 걸쳐 평가되어야한다. 고순도 재료가 사용되지 않은 경우, 비교적 불순한 배향 재료로써 처리될 표면의 전압 홀딩비를 개선시키기 위한 표면 세정 절차가 이용될 수 있다.

액정 혼합물: 2-도메인 모델링 모두가 Merck MLC-2011에 대한 파라미터로 실행되었다. 이 혼합물의 클리어점은 단지 73°이며, 항공 전자 공학에서 필요한 온도는 적어도 20℃ 이하이다. 다른 재료도 확인되고 평가되어야 한다.

참고문헌

1. A. Lien, Appl. Phys. Lett. 57, 2767(1990).

2. S.Yamauchi, M.Aizawa, J.F.Clerc, T.Uchida, and J.Duchene, SID'89 Digest of Technical Papers, p.378(1989).

3. T.Yamamoto, S. Hirose, J.F.Clerc, Y.Kondo, S.Yamauchi, and M. Aizawa, SID'91 Digest of Technical Papers, p.672(1991).

4. A. Lien, SID '92 Digest, p. 33(1992).

Claims

(a) 다수의 층표면들에 의해 한정되는 액정층으로서 :

(1) (A) 네가티브 유전 이방성, (B) 약 1.5 이하의 K₃₃/K₁₁탄성정수비, (C) 및 약 300-500nm사이의 상지연을 가지며:

(2) 다수의 액정분자를 포함하고, 상기 층표면들에 인접한 액정 분자가 호메오트로피컬형으로 배향되며;

(3) 약 0.2-0.35 사이의 셀갭 대 피치비를 얻기에 충분한 농도의 키랄 도판트를 더 포함하며;

(4) 상기 액정 분자가 다수의 경사 도메인으로 구성되는 액정층;

(b) 상기 액정층의 제 1 주면에 인접한 제 1 전극;

(c) 상기 액정층의 제 2 주면에 인접하고, 전위 소스에 접속될때 상기 제 1 전극과 함께 상기 액정층에 걸쳐 전계를 인가하게 되는 제 2 전극; 및

(d) 상기 전계에 대해 하나 이상의 측면 성분들을 제공하는 다수의 불연속점들을 포함하며, 상기 하나 이상의 측면 성분들은 각각 상기 경사 도메인들중 적어도 하나에 대한 방위를 한정하는 상기 제 1 전극과 제 2 전극중 하나 또는 모두를 포함하는, 액정 디스플레이의 액정셀.
(a) 다수의 층표면들에 의해 한정되며 네가티브 유전 이방성을 갖는 액정층으로서 :

(1) 다수의 경사 도메인들로 구성되어, 상기 층표면들에 인접한 액정 분자가 호메오트로피컬형으로 배향되는 다수의 액정 분자:

(2) 약 0.2-0.35 사이의 셀갭 대 피치비를 얻기에 충분한 농도의 키랄 도판트를 포함하는 액정층:

(b) 상기 액정층의 제 1 주면에 인접한 제 1 전극: 및

(c) 상기 액정층의 제 2 주면에 인접하고, 전위 소스에 접속될때 상기 제 1 전극과 함께 상기 액정층에 걸쳐 전압을 인가하게 되는 제 2 전극을 포함하는 액정 디스플레이의 액정셀.
제 2 항에 있어서, 상기 제 1 전극 과 제 2 전극중 하나 또는 그둘이 상기 전계에 대해 하나 이상의 측면 성분들을 제공하는 하나 이상의 불면속점들을 포함하는 액정 디스플레이의 액정셀.
제 3 항에 있어서, 상기 경사 도메인들의 방위는 상기 측면 성분들에 의해 상기 전계에 대해 한정되는 액정 디스플레이의 액정셀.
제 3 항 또는 4 항에 있어서, 상기 층표면에 인접한 액정분자들이 호메오트로피컬형으로 배향되는 액정 디스플레이의 액정셀.
제 2 항에 있어서, 상기 액정층의 상지연은 약 300-550 nm 사이인 액정 디스플레이의 액정셀.
제 2 항에 있어서, 상기 액정 디스플레이가 노멀리 블랙 디스플레이인 액정 디스플레이의 액정셀.
제 2 항에 있어서, 상기 액정층의 K₃₃/K₁₁탄성정수비가 약 1.5 이하인 액정 디스플레이의 액정셀.
(a) 편광자 층:

(b) 검광자 층:

(c) 청구항 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 또는 8중 하나에 따른 액정셀; 및

(d) 상기 편광자와 검광자 사이에 배치되어 하나 이상의 네가티브 복굴절 C-판 층을 포함하는 하나 이상의 보상층을 포함하는 액정 디스플레이.
제 9 항에 있어서, 상기 보상층이 하나 이상의 포지티브 복굴절 A-판 층을 더 포함하는 액정 디스플레이.