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KR20020026364A - 액정 디스플레이 디바이스와 이를 제조하는 방법 - Google Patents

액정 디스플레이 디바이스와 이를 제조하는 방법 Download PDF

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KR20020026364A
KR20020026364A KR1020027001590A KR20027001590A KR20020026364A KR 20020026364 A KR20020026364 A KR 20020026364A KR 1020027001590 A KR1020027001590 A KR 1020027001590A KR 20027001590 A KR20027001590 A KR 20027001590A KR 20020026364 A KR20020026364 A KR 20020026364A
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KR
South Korea
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layer
liquid crystal
cholesteric
crosslinking
pitch
Prior art date
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Application number
KR1020027001590A
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Inventor
페터 반데비테
미카엘 피트
Original Assignee
요트.게.아. 롤페즈
코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 요트.게.아. 롤페즈, 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이. filed Critical 요트.게.아. 롤페즈
Publication of KR20020026364A publication Critical patent/KR20020026364A/ko
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Abstract

고정된 콜레스테릭 배열을 갖는 층을 포함하는 액정 디바이스의 제조 방법에서, 콜레스테릭하게 배열된 중합 물질을 포함하는 층과, 변환되지 않은 상태에서 변환된 상태로 방사선을 통해 변환될 수 있는 화합물을 제공함으로써 패턴층을 제조한다. 콜레스테릭하게 배열된 물질의 피치는 변환상태에서보다 변환되지 않은 상태에서 화합물에 의해 서로 다른 정도로 영향을 받는다. 중합층은 패턴 방식으로 조사되고, 이에 따라 서로 다른 피치 영역을 생성한다. 이어서 조사된 층은 중합 및/또는 교차결합되어 이와 같이 얻어진 콜레스테릭 배열을 고정한다.

Description

액정 디스플레이 디바이스와 이를 제조하는 방법{LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING SUCH}
서두에서 언급된 바와 같은 방법은 그 자체로 알려져 있다. 예를 들어, 영국 특허 명세서 GB 2,314,167은 콜레스테릭하게 배열된 물질의 패턴층을 포함하는 입체 영상(stereoscopic vision)용 액정(LC) 디스플레이를 설명한다. 상기 특허 명세서에 의하면, 이러한 층은 기판 위에 일차적으로 균일한 콜레스테릭 물질층을 제공함으로써 제조될 수 있다. 이러한 층의 영역을 서로 다른 온도에서 중합반응시킴으로써, 패턴화된 콜레스테릭 층이 얻어진다. 콜레스테릭하게 배열된 물질의 분자 헬릭스 피치가 온도 의존적이라는 사실이 이용된다. 주어진 온도에서 층 영역을 중합반응시킴으로써, 이 온도와 관련된 피치는 말하자면 이러한 영역에서 고정된다.
공지된 방법은 결점을 갖는다. 예를 들어, 실제로 공지된 방법을 실행하기는 어렵다는 것이 밝혀지고 있다. 이것은 서로 상이한 피치를 갖는 2개 이상의 영역이 층에 제공되어야만 하는 경우에 특히 그러하다. 이러한 경우에, 상대적으로 많은 매스킹(masking) 단계들이 필요하고, 매스크 조절의 정확성이 매우 중요하다는 점에서 이러한 제조 방법은 복잡하다. 게다가, 공지된 방법에 의해 서로 다른 영역 사이에서 실현될 수 있는 피치의 최대 차이는 상대적으로 작게 보인다. 또한 서로 다른 온도에서 패턴화(patterning)하는 것은 실행하기 어려운 것으로 보인다.
본 발명은 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 분산되어 있는 액정 물질을 포함하는 액정 디스플레이 디바이스를 제조하는 방법에 관한 것으로, 제 1 기판은 콜레스테릭 배열(cholesteric order)을 갖는 중합 물질의 패턴층(patterned layer)을 구비하고, 분자 헬릭스 축(axis of the molecular helix)은 상기 층을 횡단하여 뻗는다.
본 발명은 또한 콜레스테릭 배열을 갖는 중합 물질의 층을 포함하는 액정 디스플레이 디바이스를 제조하는 방법에 관한 것으로, 분자 헬릭스 축은 층을 횡단하여 뻗고, 헬릭스의 피치(pitch)는 축 방향의 그래디언트(gradient)를 나타낸다.
본 발명은 또한 상술된 방법 중 하나에 의해 얻어질 수 있는 것과 같은 액정 디스플레이 디바이스에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 방법의 몇몇 공정 단계를 개략적으로 도시하는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 방법에서 사용되는 몇몇 화합물의 화학 구조식을 나타내는 도면.
도 2a는 단위체 RM82(머크사 공급)를 나타내는 도면.
도 2b는 반응성 멘톤(menthone)(RM)인 이성질화 키랄 화합물의 E 이성질체 (E)-(1R, 4R)-2-[4-(4-헥실옥시벤조일옥시)페닐-메텐]멘탄-3-온을 나타내는 도면.
도 2c는 단위체 RM257(머크사 공급)을 나타내는 도면.
도 2d는 TetraCN으로 지칭되는 물질의 분자를 나타내는 도면.
도 2e는 EtherLC로 지칭되는 물질의 분자를 나타내는 도면.
도 2f는 곁 사슬로 성분 A의 특정한 양을 갖는 공중합체를 나타내는 도면으로, 이러한 공중합체는 M15로 지칭되고, 상기 숫자는 멘톤 단위(menthone unit)의 몰%를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 방법에서 그레이 스케일 매스크의 사용방법을 개략적으로 나타내는 도면.
도 4는 컬러 선택층의 개략적인 평면도로, 중합체 물질의 패턴층은 본 발명에 따라 LC 디스플레이 디바이스에 사용되는 콜레스테릭 배열을 구비하는, 개략적인 평면도.
도 5는 조사 시간의 함수로 반사 대역의 넓어짐(broadening)을 나타내는 도면.
도 6은 본 발명에 따라 제조되는 LC 디바이스에 사용되는 그래디언트 피치를 갖는 콜레스테릭 패턴층의 반사 스펙트럼을 나타내는 도면.
도 7은 본 발명에 따른 반사 LC 디바이스의 실시예를 나타내는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 반사 LC 디바이스의 다른 실시예를 나타내는 도면.
도 9와 도 10은 도 7과 도 8에 도시된 액정 디스플레이 실시예의 작동 원리를 개략적으로 나타내는 도면.
도 11은 본 발명에 따라 투과 능동 매트릭스 액정 디바이스를 개략적으로 단면으로 도시한 도면.
본 발명의 목적은 이러한 결점을 제거하는 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 목적은 고정된 콜레스테릭 배열을 갖는 중합 물질의 패턴층을 포함하는 액정 디스플레이의 제조 방법을 제공하는 것으로, 이러한 패턴층은 간단하면서도 비용 효율이 높은 방법을 사용해서 제조된다. 상기 방법의 패턴화 단계(들)는 반드시 서로 다른 온도를 사용해야 하는 것이 아니고, 얻고자 하는 패턴층의 서로 다른 영역 사이에서 상대적으로 큰 피치 차이를 허용해야 하는 것도 아니다.
본 발명의 이러한 목적 및 다른 목적은, 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 분산된 액정층을 포함하는 액정 디스플레이 디바이스 제조 방법에 의해 이루어지는데,제 1 기판은 고정된 콜레스테릭 배열을 구비하는 중합 물질의 패턴층을 포함하고, 분자 헬릭스 축은 패턴층을 횡단하여 뻗으며, 이러한 패턴층은 분자 헬릭스의 피치가 서로 다른 제 1 영역과 제 2 영역을 적어도 구비하는데, 이러한 방법에서 고정된 콜레스테릭 배열을 구비하는 중합 물질의 패턴층은 다음 단계, 즉
a. 미변환 및 변환 상태에서 콜레스테릭하게 배열된 물질의 피치를 서로 다른 정도로 결정짓는 변환 가능한 화합물의 양을 포함하는 중합 및/또는 교차결합될 수 있는 콜레스테릭하게 배열된 물질층을 제공하는 단계로서, 상기 화합물의 변환은 방사선(radiation)에 의해 유발되는 단계와,
b. 원하는 패턴에 따라 상기 층에 조사(照射)함으로써, 적어도 제 1 영역에서는 제 2 영역과는 다른 정도로 변환 가능한 화합물이 변환되는 단계와,
c. 중합된 3차원의 콜레스테릭하게 배열된 물질을 형성하기 위해, 조사된 중합 및/또는 교차결합될 수 있는 콜레스테릭 배열 물질을 중합 및/또는 교차결합하는 단계로서, 이러한 콜레스테릭 배열은 고정되는 단계를
포함하는 방법에 따라 제조된다.
본 발명에 따른 방법을 이용하면, 콜레스테릭하게 배열된 물질의 패턴층은 간단하면서도 비용 효율이 높은 방법으로 제조될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이 방법은 동일한 온도에서 실행되고, 영역 사이의 최대 피치 차이가 상대적으로 크다. 어떠한 경우에도, 피치 차이는 전체 가시 범위에 미치는 컬러 영역을 패턴층에 제공하는데 충분하므로, 풀-컬러(full-color)의 LC 디스플레이가 간단한 방법으로 제조될 수 있도록 한다.
분자 헬릭스가 존재하기 때문에, 콜레스테릭하게 배열된 물질의 패턴층은 파장 대역의 원형 편광 전자기선(circularly polarized electromagnetic radiation)을 각각 선택적으로 반사하는 영역을 구비한다. 반사 파장 대역의 중앙 파장(λ)은, λ= p.n (n은 콜레스테릭하게 배열된 물질의 평균 굴절률임)에 따라 분자 헬릭스의 피치(p)에 의해 결정된다. 대역폭(△λ)은 △λ= p.△n {△n은 콜레스테릭하게 배열된 상에 해당하는 단축 배향상(uniaxially oriented phase)의 복굴절(birefringence)임}에 따라 주어진다. 가시 범위에서, 이 영역들은 특별한 컬러의 원형 편광(circularly polarized light)을 선택적으로 반사한다. 일반적으로, △n이 약 0.15 미만이고 n이 약 1일 때, 스펙트럼의 가시 범위에서 대역폭은 60 내지 90nm이다.
패턴층은 이 층에 입사하는 임의의 방사선을 흡수하지 않기 때문에, 이것은 컬러 및 원형 광 선택 반사체일뿐만 아니라, 반사 대역에서 대향하는 한쪽성(handedness)의 광을 선택적으로 투과하는 필터이다. 이것의 반사 대역 밖에서, 콜레스테릭하게 배열된 물질은 투명하고 양쪽 편극 성분을 투과한다.
층의 조사 영역에 있는 변환 가능한 화합물을 (부분적으로) 변환시킴으로써, 층에서 분자 헬릭스의 피치, 및 이에 따라 컬러는 이 영역에서 변경된다. 제 1 영역과 제 2 영역 사이의 피치 차이는, 제 1 영역과 제 2 영역 사이의 변환 상태 및/또는 변환되지 않은 상태에서 변환 가능한 화합물의 양의 차이와 비례한다.
변환 가능한 화합물의 변환은, 예를 들어 전자기선, 핵 방사선(nuclear radiation) 또는 전자빔 형태의 에너지로 조사함으로써 일어난다. 바람직하게 상기변환은 자외선(UV radiation)에 의해 일어난다. 중합 및/또는 교차결합되기 때문에, 콜레스테릭하게 배열된 중합 물질의 패턴 방향으로 조사된 층의 콜레스테릭 배열은 고정된다. 고정되어 있기 때문에, 콜레스테릭하게 배열된 물질은 이것의 액정 특성을 상실하고 액정 물질 특유의 방법으로 전기장에 더 이상 반응할 수 없다.
고정된 콜레스테릭 배열을 갖기 때문에, 패턴층은 특히 액정 디스플레이 디바이스(의 다른 부분)를 제조하는 동안 사용하는 온도와 액정 디스플레이 디바이스의 사용 수명동안 일반적으로 거치는 온도와 같은 높은 온도를 견딜 수 있다. 또한, 패턴층은 오랜 UV 노출을 견딜 수 있다. 콜레스테릭 패턴층이 교차결합되면 UV 노출에 대한 저항이 향상된다.
미국 특허 제 5,555,114호에는 콜레스테릭하게 배열된 물질층을 포함하는 비능동 매트릭스 LC 디스플레이의 제조 방법이 개시되어 있다. 알려진 방법은 피치를 조절하기 위해 변환 가능한 화합물의 사용을 포함하지는 않는다. 또한, 상기 특허는 멀티 컬러의 콜레스테릭 패턴층을 어떻게 제조하는지는 개시하지 않는다.
바람직하게, 콜레스테릭 층은 상기 단계(b)에서 사용되는 방사선에 대해 낮은 흡광도를 갖고, 헬릭스 축(즉, 층을 횡단함)에 따른 방사선 세기는 각 영역에서 상대적으로 일정하다는 것을 주목해야 한다. 따라서, 층을 횡단하는 조사량(irradiation dose)은 상대적으로 일정하고, 이에 따라 헬릭스 축을 따라 보았을 때 피치 값은 패턴층의 제 1 영역과 제 2 영역의 각 영역에서 상대적으로 일정하다. 그러나, 상술한 바와 같이 제 1 영역과 제 2 영역 사이에서 피치는 다를 수 있다. 층면(the plane of the layer)에서 관찰했을 때, 서로 다른 영역은 겹치지 않고 서로 인접한다.
콜레스테릭 중합층이 상기 단계(b)에서 사용되는 방사선에 대해 높은 흡광도를 갖는다면, 방사선 세기는 Beer-Lambert 법칙에 따라 층을 횡단하는 그래디언트를 나타낼 것이다. 따라서, 층의 윗면은 층의 바닥면보다 방사선을 더 많이 받을 것이다. 이것은 헬릭스 축(즉, 층을 횡단함)을 따라 관찰했을 때 피치의 그래디언트를 나타내게 할 것이다. 또한 비흡광성의 콜레스테릭 층에 흡광 물질을 추가하면 피치의 그래디언트를 발생시키거나 증가시킨다. 피치의 그래디언트는 △λ= △p.n (△p는 그래디언트의 최대 피치와 최소 피치의 차이임)에 따라 반사 대역을 넓힌다. 피치 그래디언트를 사용해서 콜레스테릭하게 배열된 광대역층을 얻을 수 있다. 일반적으로, 대역은 전체 가시 범위에 미칠 수 있다. 이러한 피치 그래디언트 층(pitch-gradient layer)은 광대역의 원형 편광 반사체로 사용되고/사용되거나, 흡광이 일어나지 않기 때문에, 광대역의 원형 편광 필터로 사용될 수 있다. 이러한 광대역의 필터와 반사체는 LC 디스플레이를 제조할 때 유리하게 사용할 수 있다. 이에 따라, 다른 면에서 본 발명은 고정된 콜레스테릭 배열을 갖는 중합 물질층을 포함하는 액정 디스플레이 디바이스의 제조 방법에 관한 것으로, 분자 헬릭스 축은 층을 횡단하여 뻗고 헬릭스의 피치는 상기 축의 방향으로 그래디언트를 가지며, 이러한 방법에서 콜레스테릭하게 배열된 중합 물질의 층은 다음 단계, 즉
a. 미변환 및 변환 상태에서 콜레스테릭하게 배열된 물질의 피치를 서로 다른 정도로 결정짓는 변환 가능한 화합물의 양을 포함하는 중합 및/또는 교차결합될 수 있는 콜레스테릭하게 배열된 물질층을 제공하는 단계로서, 상기 화합물의 변환은 방사선에 의해 유발되는 단계와,
b. 층에 조사(照射)함으로써, 변환 가능한 화합물을 변환 상태로 적어도 부분적으로 변환하는 단계와,
c. 중합된 3차원의 콜레스테릭하게 배열된 물질을 형성하기 위해, 조사된 중합 및/또는 교차결합될 수 있는 콜레스테릭 배열 물질을 중합 및/또는 교차결합하는 단계로서, 이러한 콜레스테릭 배열은 고정되는 단계를
포함하는 방법에 따라 제조된다.
중합 및/또는 교차 결합 층에 의해 실질적으로 방사선이 흡수되고, 층을 횡단하여 분자 헬릭스 피치의 그래디언트를 나타내도록, 중합 및/또는 교차결합 층의 흡수와 단계(b)에서 사용되는 방사선의 세기가 선택된다.
콜레스테릭하게 배열된 물질층을 얻는 방법은, 특히 미국 특허 제 5,793,456호에 개시된 방법과 비교해서 신속한 방법이다. 본 발명에 따른 방법의 추가 이점은 콜레스테릭하게 배열된 물질의 피치가 미국 특허 제 5,793,456호에서와 같이 조사 세기가 아니라 조사량에 의해 결정된다는 것이다. 특정한 조사량은 단시간 동안 높은 조사 세기를 사용해서 투여되어, 층 제조 시간을 감소시킨다.
중합 및/또는 교차결합함으로써, 콜레스테릭하게 배열된 중합 물질의 패턴 방향 조사층의 콜레스테릭 배열이 고정된다. 고정되기 때문에, 콜레스테릭하게 배열된 물질은 액정 특성을 상실하고, 액정 물질 특유의 방법으로 전기장에 더 이상 반응할 수 없다.
고정된 콜레스테릭 배열을 구비하는 층을 포함하기 때문에, 그래디언트-피치콜레스테릭 층(gradient-pitch cholesteric layer)은 특히 액정 디스플레이 디바이스(의 다른 부분)를 제조하는 동안 사용하는 온도와 액정 디스플레이 디바이스의 사용 수명동안 일반적으로 거치는 온도와 같은 높은 온도를 견딜 수 있다. 또한, 이 층은 오랜 UV 노출을 견딜 수 있다. 피치-그래디언트 콜레스테릭 층이 교차결합되면 UV 노출에 대한 저항이 향상된다.
대안적으로, 본 발명에 사용되는 피치 그래디언트가 있는 콜레스테릭 배열층의 제조 방법은 미국 특허 제 5,793,456호에 설명되어 있는 방법과 결합될 수 있다. 상기 결합을 통해서, 광 이성질화 및 확산 효과는 분자 헬릭스 피치에서 보다 큰 그래디언트를 얻기 위해 결합된다.
단계(b)에 따라 콜레스테릭 층의 윗면부터 바닥까지 조사량이 감소하는, 청구항 제 3항에 기재된 방법의 실시예는, 콜레스테릭 층의 바닥에서의 상기 조사량은 상기 층 윗면에서의 조사량보다 0.9배 적은 것을 특징으로 한다.
콜레스테릭 층이 단계(b)에 따라 사용된 방사선을 흡수하게 되면, 방사선 세기는 Beer-Lambert 법칙에 따라 층을 횡단하는 그래디언트를 나타낼 것이다. 따라서, 층의 윗면은 층의 바닥면보다 방사선을 더 많이 받을 것이다. 층 단면에 대한 조사량의 상기 변화는 헬릭스 축을 따라 보았을 때(즉, 층을 횡단함), 분자 헬릭스 피치의 그래디언트가 생기도록 한다. 이러한 피치의 그래디언트는 보다 큰 대역폭을 광학 능동층에 제공하고, 이 값은 피치의 변화 값과 비례한다. 방법 단계(b)에 사용된 방사선의 콜레스테릭 물질 흡광도가 너무 작아서 특정 시간에 분자 헬릭스 피치의 원하는 그래디언트를 만들어낼 수 없을 때, 필요한 흡광도를 얻기 위해 흡수 재료가 콜레스테릭 층에 첨가될 수 있다.
제 3항에 기재된 방법의 바람직한 실시예는, 콜레스테릭 층의 바닥에서 단계(b)에 따른 조사량이 상기 층 윗면에서의 조사량보다 0.75배 적은 것을 특징으로 한다. 콜레스테릭 층의 두께에 걸친 조사량의 상기 바람직한 변화는 반사 대역을 생성하고, 이것은 가시 스펙트럼의 실질부분에 미칠 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 흥미있는 실시예는, 적어도 층의 제 1 영역과 제 2 영역에 대해 조사량이 서로 다르도록 단계(b)에 따라 조사가 수행되어, 층면에서 관찰했을 때 병렬배치된(juxtaposed) 영역을 갖고, 분자 헬릭스의 피치 값이 서로 다른 콜레스테릭하게 배열된 패턴층을 제조하는 것을 특징으로 한다. 실질적으로 일정한 세기에서 상이한 조사 주기를 사용함으로써, 서로 상이한 조사량이 얻어질 수 있다. 대안적으로, 실질적으로 일정한 조사 주기에서 더 큰 조사 세기를 사용함으로써, 서로 상이한 조사량이 얻어질 수 있다.
예를 들어, 레이저를 사용하거나 매스크(mask)를 사용하여 연속적으로 패턴 방향의 조사가 실행될 수 있다. 그러나, 서로 다른 피치를 구비한 2개 이상의 영역이 만들어진다면, 사용되는 방사선에 대해 서로 상이한 투과율(transmissivity)을 갖는 다수의 구멍(aperature)이 있는 매스크가 사용되는 것이 바람직하다. 이러한 매스크를 또한 그레이 스케일 매스크(grey-scale mask)라 부른다. 한 개의 매스크를 이용해서 한 번의 조사 단계로, 분자 헬릭스의 피치가 서로 다른 세 개 이상의 영역이 얻어질 수 있다.
종래에 행해진 바와 같이 세 개의 매스크를 사용하는 대신 하나의 매스크 노출을 사용해서, 특히 적색, 녹색 및 청색 영역을 포함하는 패턴층이 제조될 수 있다. 또한, 멀티 컬러 패턴층은 어떠한 리쏘그래픽 패턴화 단계도 사용하지 않고 얻어질 수 있다.
그레이 스케일 매스크의 사용방법은 본 발명의 제조 방법과 무관한 방법이다. 특히, 그레이 스케일 매스크는 단계(a와 b)는 포함하지만 단계(c)는 반드시 포함하지는 않는 콜레스테릭하게 배열된 층의 패턴층을 제공하는 임의의 방법에 대해 사용될 수 있거나, 또는 중합 및/또는 교차결합 단계를 수행하면, 중합 및/또는 교차 결합은 콜레스테릭 배열이 고정될 필요는 없다. 예를 들어, 그레이 스케일 매스크는 미국 특허 제 5,188,760호에 개시되어 있는 젤(gel)과 유사한 콜레스테릭하게 배열된 이방성(anisotropic)의 패턴 젤을 얻는데 사용할 수 있다. 또한, 그레이 스케일 매스크는 미국 특허 제 5,668,614호에 개시된 능동 컬러 필터를 제조하는데 사용될 수 있다.
원칙적으로, 콜레스테릭하게 배열된 물질의 분자 헬릭스 피치에 영향을 미치는 많은 형태의 변환 가능한 화합물이 본 발명의 범위 내에서 사용될 수 있다. 일차적으로, 변환 가능한 키랄성 화합물이 가능한데, 이것은 조사로 인해서 비키랄성 화합물로 된다. 키랄성 화합물의 존재는 액정 용액에서 콜레스테릭 배열의 형성을 촉진한다. 분해 가능한 키랄 화합물이 있는 콜레스테릭하게 배열된 층의 선택 영역을 조사하면, 이러한 영역에서 분자 헬릭스의 피치가 증가한다.
본 발명에 따른 방법의 다른 유익한 실시예는, 변환 가능한 화합물이 이성질화 키랄성 화합물(isomerizable, chiral compound)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이러한 이성질화 키랄성 화합물의 서로 다른 이성질 형태는, 일반적으로 콜레스테릭하게 배열된 물질의 분자 헬릭스 피치에 상이한 영향을 갖는다. 조사에 의해 이러한 이성질 형태의 비율을 부분적으로 변화시킴으로써, 피치가 변한다. 이것은 콜레스테릭 배열 및 상이한 피치를 갖는 중합 물질의 패턴층을 제조하는 훌륭한 가능성을 제공한다. 패턴층에서 이성질화 키랄성 화합물의 확산을 방지하기 위해서, 이러한 화합물은 콜레스테릭한 배열을 갖는 액정 중합 물질과 화학 결합을 통해 결합되는 것이 바람직하다. 후자의 경우에, 패턴층의 UV 안정성 또한 향상된 것으로 나타났다.
변환 가능한 적당한 화합물의 추가 예는 미국 특허 제 5,668,614호에 개시되어 있는 조절 가능한 키랄 화합물이다.
본 발명에 따른 방법에 사용되는 콜레스테릭하게 배열된 중합 및/또는 교차 결합이 가능한 물질은 반응 작용기를 갖는, 액정 단위체, 액정 올리고머(oligomer) 및/또는 액정 선형 중합체를 포함한다. 이러한 반응 작용기가 존재하기 때문에, 이러한 물질은 중합반응에 의해 중합체 물질로 변환되고/되거나 교차결합에 의해 3차원의 분자 조직(molecular network)으로 변환된다. 반응 작용기로는, 특히 에폭시(epoxy) 작용기, 비닐 에테르(vinyl ether) 작용기 및/또는 티오렌(thiolene) 작용기가 적당하다. 특히 적당한 반응 작용기는 (메트)아크릴레이트{(meth)acrylate} 형태의 반응 작용기이다. 높은 광학 품질을 갖는 콜레스테릭하게 배열된 중합체 층은 이러한 형태의 작용기로 얻어질 수 있다는 것이 밝혀졌다. 선형 중합체를 사용할 때는, 3차원의 조직을 얻기 위해 교차결합만이 필요하다는 것을 주목해야 한다. 그러나, 단위체 및/또는 올리고머가 사용되면, 3차원의 분자 조직을 얻기 위해 중합반응과 교차결합 반응이 일어나야만 한다.
특히 적당한 콜레스테릭하게 배열된 중합 물질은 네마토제닉 단위체(nematogenic monomer)와 키랄 화합물을 포함하는데, 이러한 키랄 화합물은 네마토제닉 단위체가 콜레스테릭 상을 형성할 수 있도록 한다. 키랄 화합물 자체는 액정 상을 형성할 수 없어도 된다.
키랄 화합물은 상기 정의된 의미의 변환 가능한 키랄 화합물이거나, 변환 가능한 화합물에 추가되는 키랄 화합물일 수 있다.
키랄 화합물에는 하나 이상의 반응 작용기가 제공될 수 있고, 이 경우 키랄 화합물은 (교차 결합된) 중합체가 될 수 있다. 특히, 키랄 화합물은 키랄 네마토제닉 단위체일 수 있고, 키랄 네마토제닉 단위체인 것이 바람직하다. 네마토제닉 단위체 및/또는 키랄 (네마토제닉) 단위체가 상술된 형태의 반응성 작용기를 적어도 두 개 포함한다면, 콜레스테릭하게 배열된 물질은 교차 결합된다.
콜레스테릭하게 배열된 바람직한 물질은 키랄 네마토제닉 단위체와 변환 가능한 키랄 화합물을 포함한다. 바람직한 다른 물질은 네마토제닉 단위체, (변환하지 않는) 키랄 화합물 및 변환 가능한 키랄 화합물을 포함한다. 또 다른 물질은 네마토제닉 단위체, 키랄 단위체 및 변환 가능한 키랄 단위체를 포함한다.
특히 바람직한 콜레스테릭하게 배열된 교차 결합 물질은 두 개의 반응 작용기가 있는 (키랄) 네마토제닉 단위체를 포함한다.
단계(b)에서 콜레스테릭하게 배열된 층의 피치를 선택적으로 조절한 후, 단계(c)에서 콜레스테릭한 층을 안정화하는 것은, 본 발명에 따른 방법에서 중요한 단계이다.
그러므로 본 발명에 따른 방법의 실시예는, 유체(fluid) 상 또는 기체 상으로부터 개시제(initiator) 또는 촉매를 첨가함으로써, 중합 및/또는 교차결합이 개시 및/또는 촉매화되는 것이 특징이다. 상기 첨가반응은 단계(a와 b) 중에 중합 및/또는 교차결합을 방지하기 위해, 본 발명에 따라 단계(a와 b)가 끝나고 수행되는 것이 바람직하다. 여러 가지 개시제와 촉매를 사용할 수 있고, 당업자에게는 잘 알려져 있다.
그러므로, 본 발명에 따른 방법의 추가 실시예는, 열적으로 분해가능한 개시제에 의해 중합 및/또는 교차결합이 일어나는 것이 특징이다. 이러한 경우, 콜레스테릭하게 배열된 물질층은 소량의 열적 분해 가능한 중합 개시제를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 개시제는 본 발명에 따른 공정 단계(b) 중에는 비활성이다. 따라서, 공정 단계(c)의 중합 및/또는 교차결합은 상승 온도에서 개시제를 활성화시킴으로써 일어날 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 한 실시예는, 전자빔 조사(electron-beam irradiation)에 의해 중합 및/또는 교차결합이 일어나는 것이 특징이다. 매우 단단한 층(hard layer)이 이러한 방법을 통해 제조될 수 있다. 본 발명에 따른 방법의 이러한 변형에서, 중합 개시제를 사용할 필요는 없다.
본 발명에 따른 방법의 한 실시예는, 화학선(actinic radiation)에 노출시킴으로써 중합 및/또는 교차결합이 일어나는 것이 특징이다. 콜레스테릭하게 배열된물질층의 중합 및/또는 교차결합(단계 c)은, 광-개시제(photo-initiator)가 존재할 때 자외선(UV radiation)과 같은 화학선을 이용함으로써 일어날 수 있다. 광-중합을 사용하는 이점은, 이러한 방법에 의해 매우 작은 면적에서도 국부적인 중합 및/또는 교차결합이 가능하다는 점이다.
변환 가능한 화합물의 변환(단계 b)은 자외선에 의해 일어나는 것이 바람직하므로, 청구된 본 방법의 단계(b와 c)는 서로 간섭할 수 있다. 이러한 방법 단계간의 간섭을 제거하거나 적어도 실질적으로 감소하기 위해서, 하기에 설명되는 바와 같이 본 방법의 다음 세 개의 바람직한 실시예를 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 제 1 실시예는, 단계(b)에 따른 조사가 중합 및/또는 교차결합 반응이 상당히 제한되는 온도에서 실행되는 것이 특징이다. 중합 및/또는 교차결합 반응 속도는 온도 의존적이다. 낮은 온도(높은 점도)에서, 중합 및/또는 교차결합 반응은 분자 헬릭스의 재배향(reorientation)보다 느려서, 중합 및/또는 교차결합이 제한되거나 또는 실질적으로 일어나지 않고도 콜레스테릭하게 배열된 물질의 피치가 조절될 수 있도록 한다. 높은 온도(낮은 점도)에서, 중합 및/또는 교차결합 반응은 분자 헬릭스의 재배향보다 빨라서, 콜레스테릭하게 배열된 물질의 피치 변화가 제한되거나 또는 실질적으로 일어나지 않고도 중합 및/또는 교차결합이 일어나도록 한다. 결과적으로, 서로 다른 온도에서 두 개의 조사 단계를 수행함으로써 방법 단계(b와 c)가 간섭하지 않는다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 제 2 실시예는, 단계(b)에 따른 조사가 중합 및/또는 교차결합 반응의 개시에 대해 실질적으로 반응하지 않는 방사선을 사용해서 실행되는 것을 특징으로 한다. 이러한 방법은 2개의 조사 단계를 사용하는데, 각 단계는 서로 다른 파장을 갖는 방사선을 이용한다. 본 발명에 따른 방법의 상기 실시예에 따라, 단계(b)에서 층은 중합 및/또는 교차결합 반응의 개시에 대해 실질적으로 반응하지 않는 방사선을 이용해서 원하는 패턴으로 조사되고, 이에 따라 중합 및/또는 교차결합이 제한되거나 또는 실질적으로 일어나지 않으면서 콜레스테릭하게 배열된 물질의 피치가 조절되도록 한다. 따라서, 중합 및/또는 교차결합은 중합 및/또는 교차결합을 개시하는데 적당한 파장을 갖는 화학선에 의해 일어날 수 있다. 필수적이지는 않지만, 상기 화학선이 콜레스테릭하게 배열된 물질의 피치에 제한된 영향을 미치거나 또는 실질적으로 영향을 미치지 않는 파장을 갖는 것이 바람직하다. 상기 화학선이 콜레스테릭하게 배열된 물질의 피치에 추가 변화를 일으키면, 공정 단계(b)에서 콜레스테릭하게 배열된 물질의 피치를 정할 때 이것을 고려해야 한다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 제 3 실시예는, 단계(b)에 따른 조사가 중합 및/또는 교차결합 반응을 실질적으로 제한하는 환경(atmosphere)에서 실행되는 것이 특징이다. 이러한 방법은 두 개의 조사 단계를 사용하는데, 각 단계는 서로 상이한 환경에서 실행된다. 본 발명에 따른 방법의 이러한 실시예에 따라, 단계(b)에서 층은 예를 들어 산소 또는 일산화질소와 같이 활성화된 광-개시제를 쿠엔칭(quenching)하는 분자를 포함하는 환경에서 원하는 패턴으로 조사된다. 상기 쿠엔칭(quenching)은 본질적으로 활성화된 광-개시제를 비활성화시키고, 이에 따라 중합 및/또는 교차결합 반응을 억제한다. 따라서, 중합 및/또는 교차결합이 제한되거나 또는 실질적으로 일어나지 않으면서 콜레스테릭하게 배열된 물질의 피치가 조절될 수 있다. 이러한 결과로, 단계(c)에 따른 중합 및/또는 교차결합은 쿠엔칭이 일어나지 않는 환경(non-quenching atmosphere), 예를 들어 질소 환경에서 조사함으로써 개시된다. 필수적이지는 않지만, 단계(c)에 따른 조사에 대해 사용되는 제 2 파장은 콜레스테릭하게 배열된 물질의 피치에 대해 제한된 영향을 미치거나 또는 실질적으로 영향을 미치지 않는다. 상기 화학선이 콜레스테릭하게 배열된 물질의 피치에 추가 변화를 일으킨다면, 공정 단계(b)에서 콜레스테릭하게 배열된 물질의 피치를 정할 때 이것을 고려해야 한다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 방법을 통해 얻어질 수 있는 액정 디바이스에 관한 것이다.
본 발명은 또한 액정 디스플레이 디바이스에 관한 것이다. 본 발명에 따라 이것은 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 분산되어 있는 액정 층을 포함하는 액정 디스플레이 디바이스로서, 제 1 기판은 고정된 콜레스테릭 배열을 갖는 중합 및/또는 교차 결합 물질의 패턴층을 포함하는데, 분자 헬릭스 축은 패턴층을 횡단하여 뻗고, 패턴층은 미변환 및 변환 상태에서 콜레스테릭하게 배열된 물질의 피치를 다른 정도로 결정짓는 변환 가능한 화합물을 일정량 포함하며, 이러한 변환은 방사선에 의해 유발되고, 패턴층은 최소한 분자 헬릭스의 피치가 서로 다른 제 1 영역과 제 2 영역을 갖는다.
본 발명에 따라, 또는 본 발명에 기재된 방법을 통해 얻어질 수 있는 고정된 콜레스테릭 배열의 중합 물질층을 포함하는 액정 디바이스는 간단하면서도 비용 효율이 높은 방법으로 제조되어, 디스플레이 디바이스의 비용을 감소할 수 있다. 변환 가능한 화합물이 존재하기 때문에, 콜레스테릭 패턴층은 동일한 온도에서 얻어질 수 있고, 패턴화는 어떠한 리쏘그래픽 패턴화 단계도 필요하지 않다. 층이 그래디언트 피치를 갖는다면, 층은 단시간에 제조되어 디바이스의 비용을 줄일 수 있다. 중합 및/또는 교차 결합 물질을 포함하는 패턴층은 LCD 제조와 관련된 가공 온도를 견딜 수 있고, 또한 이것의 가동 수명동안 주변 온도를 견딜 수 있다. LCD 디바이스는 UV를 견딜 수 있다. 교차 결합은 UV 저항을 한층 더 향상시킨다.
또한, 콜레스테릭 패턴층은 흡수보다는 반사를 하므로, 원칙적으로 100% 효율이 있고, 액정 디바이스는 광 출력(light output)의 관점에서 매우 효과적일 수 있다.
본 발명에 따른 반사 타입의 LCD 디바이스와 관련된 추가 이점은, 콜레스테릭 층의 편광 감도(polarization sensitivity)에 의해 LCD의 콘트라스트(contrast)가 향상되고, 컬러 순도와 반사도 특성이 보다 독립적으로 상호간에 선택될 수 있으며, 콜레스테릭 배열층의 미세구조는 층이 거울같이 반사하기보다는 확산 반사하도록 선택될 수 있다는 점이다. 따라서, LCD의 반사체는 흡수 컬러 필터를 포함하는 LCD 디바이스의 복잡한 반사체 구조와 비교해서 훨씬 간단한 구조일 수 있다.
액정 디바이스의 바람직한 실시예에서, 패턴층은 각각 적색, 녹색 및 청색 광을 선택적으로 반사하는 제 1 영역, 제 2 영역 및 제 3 영역을 갖는다.
서로 다른 세 개의 투과율 영역을 갖는 그레이 스케일 매스크를 이용해서 한 번 노출함으로써 이러한 패턴층을 얻을 수 있기 때문에, 이러한 풀-컬러 패턴층을포함하는 LC 디바이스는 특히 간단히 제조될 수 있다.
사실상, 본 발명에 따라 콜레스테릭한 배열층을 포함하는 액정 디바이스보다 응용분야가 넓은 다른 양상에서, 본 발명은 능동 기판 플레이트와 피동 기판 플레이트(passive substrate plate) 사이에 분산되어 있는 액정층을 포함하는 반사 능동 매트릭스 액정 디스플레이 디바이스에 관한 것으로, 능동 기판 플레이트는 관찰 측면과 마주보는 측면에 존재하고, 광학적으로 투명한 다수의 픽셀 전극과, 상기 픽셀 전극에 공급되는 전압을 조절하기 위한 다수의 능동 스위칭 구성요소를 포함하며, 이러한 스위칭 구성요소는 상기 다수의 픽셀 전극과 공간적으로 떨어져 밑에 위치하고 전기적으로 연결되어 있으며, 스위칭 구성요소와 픽셀 전극 사이의 공간은 절연 컬러 선택층으로 채워지는데, 이러한 선택층은 특별한 파장의 광을 선택적으로 반사하고 반사된 광에 스위칭 구성요소가 보이지 않도록 한다.
본 발명의 이러한 양상에 따른 LC 디바이스는, 종래의 LC 디바이스의 70-80%에 비해 85-90%의 충진도(fill-factor)를 갖는다. 충진도는 광 방출에 실제 기여하는 디스플레이 영역의 백분율이다. 한편, 충진도가 큰 것은, 능동 스위칭 구성요소가 픽셀 전극 밑에 위치하고 컬러 선택층에 의해 관찰자에게 보이지 않게 된다는 사실 때문이다. 다른 한편으로, 컬러 선택층과 픽셀 전극은 동일한 플레이트에 위치하고, 능동 플레이트와 피동 플레이트를 서로 정확하게 정렬해야할 필요성이 없도록 한다. 따라서, 허용오차(tolerance)가 강화될 수 있고, 방출하지 않는 영역은 픽셀 사이에 더 적게 존재한다. 종래에는, 컬러 선택층과 픽셀 전극이 서로 다른 플레이트에 있기 때문에, 피동 플레이트와 능동 플레이트를 정확히 정렬할 필요가있다.
또한, 단락을 방지하기 위해 컬러 선택층은 스위칭 구성요소를 픽셀 전극과 절연하는 층으로도 사용되기 때문에, 컴팩트한 액정 디바이스를 얻는다.
적당하다면, 액정 디바이스는 컬러 선택층에 의해 투과되는 임의의 광을 흡수하는 광 흡수층을 추가로 포함한다. 컬러 선택층에 의해 투과되는 광에 대해 스위칭 구성요소가 더 보이지 않도록 하기 위해, 광 흡수층은 스위칭 구성요소와 컬러 선택층 사이에 있는 것이 바람직하다.
능동 스위칭 구성요소와 픽셀 전극 사이에 배열된 컬러 선택층이 있는 상술된 LC 디바이스와 관련된 이점은, 본 발명에 사용된 콜레스테릭하게 배열된 패턴층과 결합될 때만 얻어지는 것은 아니라, 아래에 있는 스위칭 구성요소가 차단(즉, 관찰자에게 보이지 않음)되도록 특별한 컬러의 광을 선택적으로 반사할 수 있는 임의의 컬러 선택층을 사용해서 얻어질 수 있다.
이러한 컬러 선택층의 예는 종래의 염료(dye) 및/또는 안료(pigment)를 포함하는 확산 반사 광 흡수층이다. 대안적으로, 염료 및/또는 안료를 종래 종류의 광발광성, 형광성 및/또는 인광성 화합물로 대체할 수 있다. 흡수하지 않는 컬러 선택층의 예는, 액정에 분산되어 있는 (종래의) 중합체 분산 액정층이거나 굴절률이 서로 다르고 하나의 상이 다른 상에 분산되어 있는 두 개의 상을 갖는 임의의 다른 층이다. 컬러 선택층은 특별한 컬러를 선택적으로 반사하는 외에, 또는 선택적으로 반사하는 것을 대신해서 입사하는 주변광의 특별한 편극 구성요소를 선택적으로 반사하거나 반사하지 않을 수 있다. 만약 그렇지 않다면, 컬러 선택층은편광체(polarizer)와 결합할 수 있다.
컬러 선택층 대신, 전기적인 절연은 또한 광대역 반사 편광기, 광대역 콜레스테릭 편광기와 같은 광대역 편광기일 수 있다.
본 발명의 여러 가지 양상들은 이후 설명되는 실시예로부터 명백하고, 이러한 실시예를 참조하여 분명하게 설명될 것이다.
명백함을 위해 도면은 실제 비율로 그려지지 않고 개략적으로 그려졌다.
본 발명에 따른 방법의 몇몇 기본 단계는 도 1을 참조하여 명백하게 설명될 것이다. 이 도면은, 예를 들어 유리인 기판(1)을 도시하고, 이 기판의 주 표면에는 예를 들어 폴리이미드(polyimide) 배향층(도시되지 않음)이 제공된다. 두께가 약 2㎛인 중합될 수 있는 액정 물질층(2)은 후막(thick-film) 기술{닥터 블레이드 코팅 또는 스핀 코팅(doctor blade coating or spin-coating)}에 의해 이 층에 제공된다. 이 층은 배향층에 의해 콜레스테릭한 배열을 갖게된다. 콜레스테릭하게 배열된 물질의 분자 헬릭스가 이러한 층을 횡단하여 뻗도록 물질이 배향된다.
이와 관련된 경우에, 액정 물질은 화합물(A)(RM82, 머크사)에 0.5 중량%의 이성질화 키랄성 화합물(B)(RM)이 첨가된 혼합물로 구성되었다. 이러한 화합물의 화학 구조식이 도 2에 도시되어 있다. 화합물(B)은 액정 물질에서 분자 헬릭스의 형성을 유발해서, 원하는 콜레스테릭 배열이 얻어지도록 한다. 상술된 경우에, 헬릭스의 피치는 7.5㎛였다.
계속해서, 구멍(4)이 있는 매스크(3)가 콜레스테릭하게 배열된 액정 물질층(2) 위에 놓여졌다. 층(2)은 실온에서 400초 동안 자외선(365nm, 8mW/cm2)을 사용해서 선택적으로 조사되었다. 이러한 조사를 통해, 조사 부분(5)의 이성질화 키랄성 화합물(B)은 E 형태에서 Z 형태로 변환되었다. 이러한 두 가지 형태의 키랄성 화합물은 콜레스테릭하게 배열된 물질의 헬릭스에 서로 다른 영향을 미친다. 조사 부분(5)의 피치는 7.5㎛에서 40㎛로 증가했음이 밝혀졌다.
조사 후, 매스크가 제거되고 층은 전자빔으로 조사되었다. 따라서, 액정 물질의 중합과 교차결합이 일어났다. 이러한 처리를 하는 동안, 키랄성 화합물도 또한 중합되어, 콜레스테릭하게 배열되고 중합된 물질의 3차원 구조에서 결합되었다. 다음으로, 이와 같이 형성된 패턴층(2)이 기판(1)으로부터 제거되었다. 패턴층(2)은 자체 지지된다.
다음의 실시예가 나타내는 바와 같이, 중합 및/또는 교차결합 단계는 대안적으로 화학선에 의해 실행될 수 있다.
실시예 1
42.5%의 유리화 액정(vitrifying liquid crystal) 화합물(D) (테트라CN, Tg = 80℃), 13%의 화합물(B)(RM), 2개의 아크릴 부분을 갖는 42.5%의 유리화 액정 화합물(E)(에테르LC, Tg = -20℃), 및 2%의 광개시제(이가큐어 651, 시바 스페셜티 케미컬스사)로 구성된 혼합물이 제조된다. 화합물(D와 E)의 이러한 배합은 실온에서 유리화(vitrified)되는 반응성 혼합물을 생성한다. 성분(B)은 광-이성질화 성분(photo-isomerizable component)으로, 콜레스테릭하게 배열된 층의 피치를 세팅하는데 사용된다. 광-개시제는 중합 및/또는 교차결합 반응을 개시한다.
혼합은 120℃에서 실행되어, 녹색광을 반사하는 혼합물을 생성한다. 상기 혼합물은, 혼합물에 인접한 부분에 배향층이 제공된 2개의 기판(예를 들어, 유리판) 사이에 박막(5 ㎛ 두께)으로서 증착된다. 계속해서, 이러한 콜레스테릭하게 배열된 막은 실온으로 냉각되고, 적당한 패턴에 따라 짧은 시간 동안 UV 광(365nm)으로 조사되었다. 놀랍게도, 실온에서의 조사는 콜레스테릭한 막에 전혀 영향을 미치지 못하는 것으로 보인다. 조사 후에, 막의 온도는 120℃로 증가되었다. 그러나 가열 중에 조사된 영역의 컬러는 변화되었다. 조사되지 않은 영역은 전혀 컬러가 변하지 않았다. 120℃에서, 콜레스테릭한 막은 사실상 액체이다. 이어서, 중합 및/또는 교차결합은 적당한 패턴에 따라 짧은 시간 동안 UV 광(365nm)으로 조사함으로써 개시되었다. 고온에서 이와 같이 조사한 바로 직후, 조사된 영역은 중합 및/또는 교차결합 때문에 고체화된다. 조사되지 않은 영역은 거의 액체 형태로 남아있다.
또한 이러한 실시예는, UV 광과 같은 화학선이 방법 단계(b와 c) 모두에 대해 사용되고, 각각 다른 온도에서 2개의 조사 단계를 적용하면 방법 단계(b와 c)에서 조사선의 임의 간섭이 발생하지 않음을 보여준다.
실시예 2
다른 실시예에서, 15%의 화합물(B)(RM), 84%의 화합물(C)(RM257) 및 1%의 다로큐어 4265(Darocure 4265)로 구성된 혼합물이 제조된다. 다로큐어 4265는 405nm의 자외선을 이용하여 활성화될 수 있는 광-개시제이다. 상기 혼합물은 박막으로 증착되고, 이어서 실온 및 대기 조건(20%의 산소를 포함하는 공기)에서 적당한 패턴에 따라 짧은 시간 동안 UV 광(365nm)으로 조사되었다. 이러한 조사를 하는 동안, 콜레스테릭하게 배열된 물질층에서 분자 헬릭스의 피치가 변하고, 광-개시제가 활성화된다. 그러나, 활성화된 개시제가 대기 조건의 산소에 의해 쿠엔칭되기 때문에, 상기 층의 중합 및 교차결합이 제한된다. 필요한 피치를 세팅한 후에, 층은 질소 환경에서 405nm의 UV 광으로 조사된다. 이러한 조사를 하는 동안, 층에서 분자 헬릭스의 피치는 실질적으로 변하지 않으면서 층은 중합 및 교차결합된다.
도 3은 개략적으로 본 방법에 따른 방법에서 그레이 스케일의 매스크를 사용하는 방법을 나타낸다. 도 3에서는 서로 다른 투과율을 갖는 구멍(aperture)(4a,4b,4c)이 있는 그레이 스케일의 매스크를 사용한다는 점을 제외하고, 도 3은 도 1과 동일하다. 조사한 후, 콜레스테릭하게 배열된 중합 물질의 패턴층은 제 1 영역, 제 2 영역, 제 3 영역(5a,5b,5c)을 갖고, 이것은 각각 분자 헬릭스의 피치가 서로 다르다.
편광 회전체(polarization rotator)
본 방법과 본 발명의 디바이스에서 사용하는 다른 패턴층은 기본적으로 도 1을 참조하여 설명한 것과 동일한 방법으로 제조된다. 그러나, 이 경우에는 합성 물질 기판을 사용한다. 기판에는 2.5㎛ 두께의 네마틱 액정 화합물(C)의 층이 제공되고, 여기에 0.6 중량%의 이성질화 키랄성 화합물(B)(E-이성질체) 뿐만 아니라, 0.3 중량%의 비-광이성질화(non-photoisomerizable) 화합물 R811(머크사, 구조식 미도시)이 첨가되었다. 화합물(B)과 반대의 비틀림 센스(twisting sense)를 갖는 비-광이성질화 키랄성 도핑제(dopant) R811의 첨가는, 화합물(B)의 Z-이성질체의 나머지 비틀림 파워(residual twisting power)를 보상하는데 필요하다.
물질이 콜레스테릭하게 배열된 후에, 분자 헬릭스의 피치는 10㎛로 한정된다. 약 2.5㎛의 층 두께와 함께, 이것은 가시 광선의 편광을 약 90°회전시킨다. 다음으로, 층의 절반에는 장시간 동안 매스크를 통해 UV 광(365nm, 20mW/cm2)이 조사됨으로써, 화합물(B)의 모든 E 이성질체는 Z 이성질체로 변환되었다. 그 결과, 콜레스테릭하게 배열된 물질의 피치는 층의 조사 부분에서 거의 무한적으로 되었고, 사실상 네마틱하게 배열된 물질이 얻어졌다. 편광된 가시광선의 편광 방향은 이러한 광선이 상기 층을 통과할 때 회전되지 않는다. 중합 및 교차결합 후에, 이 층은 기판에서 제거된다.
패턴화된 편광 회전체(patterned polarization rotator)는 앞에서 설명된 바와 같은 방법에 의해 제조될 수 있고, 콜레스테릭하게 배열된 층의 부분적인 트위스트 각(local twist angle)과 이에 의한, 투과된 광빔의 부분적인 편광 회전은 특정 위치의 UV 광 투여량에 의해 결정되는 것이 분명하다. 10 마이크론 미만의 측면 분해능(lateral resolution)이 쉽게 얻어질 수 있다.
컬러 선택층
도 4는 5㎛ 두께로 고정된 콜레스테릭 배열을 갖는 중합체 물질의 패턴층으로 주로 이루어진 컬러 선택층의 평면도이다. 이 층은 제 1 영역(R), 제 2 영역(G) 및 제 3 영역(B)을 포함한다. 제 1 영역(R)의 콜레스테릭하게 배열된 물질의 분자 헬릭스 피치는 0.41㎛(적색 반사), 제 2 영역(G)의 분자 헬릭스 피치는 0.34㎛(녹색 반사), 제 3 영역(B)의 분자 헬릭스 피치는 0.28㎛(청색 반사)이다. 각 영역의 크기는 100㎛×100㎛ 이다. 컬러 선택층은 제 1 영역, 제 2 영역, 제 3 영역에서 각각 적색, 녹색, 청색의 원형 편광을 선택적으로 반사하고, 반사광과 반대가 되는 한쪽성의 원형 편광을 선택적으로 투과한다. 또한, 제 1 영역은 원형 편광 중 청색 광과 녹색 광 모두가 통과한다. 이와 같이, 녹색 영역은 적색 광과 청색 광이 통과하고, 청색 영역은 적색 광과 녹색 광이 통과한다.
컬러 선택층은 다음과 같이 제조되었다. 기판에는 약 5㎛의 화합물(C) 박층이 제공되고, 여기에 15 중량%의 화합물(B)이 혼합되었다. 배열한 후에, 전체 층은 0.28㎛의 분자 헬릭스 피치를 갖고, 이것은 원하는 청색 반사(B)를 일으킨다. 이어서, 층의 2/3는 적당한 패턴에 따라 90초 동안 조사되었고(365nm, 5.6mW/cm2), 조사된 영역은 0.34㎛의 분자 헬릭스 피치를 갖는데, 이것은 원하는 녹색 반사(G)를 일으킨다. 이어서, 이미 조사된 층 영역의 절반은 추가로 90초 동안 조사되어서, 이러한 2배의 조사 영역은 0.41㎛의 분자 헬릭스 피치를 갖는데, 이것은 원하는 적색 반사(R)를 일으킨다. 마지막으로, 층 전체가 전자빔 조사에 의해 중합 및 교차결합되었다. 액정 디스플레이(LCD)에 사용하기 적당한 컬러 선택층이 얻어졌다.
본 발명에 따른 방법의 다른 바람직한 실시예에서, 도 3에 도시된 것과 유사한 그레이 스케일의 매스크를 사용해서 상술된 컬러 선택층이 제조되었다. 이러한 매스크에서 적색 픽셀을 위한 매스크 구멍의 투과는 100%이고, 녹색 픽셀(green pixel)을 위한 매스크 구멍의 투과는 50%이며, 자외선은 청색 픽셀(blue pixel)을 위한 위치에서 완전하게 차단된다. 서로 다른 피치를 갖는 것으로 생각되는 3개의 영역은, 180초의 단일 조사 단계로 이러한 매스크를 이용해서 얻을 수 있다. 또한 이러한 경우에, 각 픽셀의 크기는 100㎛ ×100㎛ 였다.
광대역 편광기
본 발명에 따른 LC 디바이스에 사용하는 콜레스테릭한 중합 물질층의 추가 실시예는 콜레스테릭하게 배열된 중합 물질층으로서, 콜레스테릭하게 배열된 물질의 분자 헬릭스 축은 층을 횡단하여 뻗고, 분자 헬릭스의 피치는 층을 횡단하면서 변하게 된다.
이러한 층을 만드는 방법은 도 1을 참조하면 명백하게 설명될 것이다. 이 도면은, 예를 들어 유리로 된 기판(1)을 도시하고, 기판의 주 표면에는 폴리이미드와 같은 배향층(도시되지 않음)이 제공된다. 두께가 약 10㎛인 액정 물질층(2)은 후막 기술{닥터 블레이드 코팅 또는 스핀 코팅}에 의해 이러한 층에 제공된다. 층은 배향층에 의해 콜레스테릭한 배열을 갖게 된다. 콜레스테릭하게 배열된 물질의 분자 헬릭스가 층을 횡단하여 뻗도록 물질이 배향된다.
예를 들면, 액정 물질은 15 몰%의 멘톤 단위(화합물 2F)를 갖는 공중합체인 98 중량%의 M15와, 2 중량%의 UV 흡수재(UV absorber)(티누빈 1130, 시바 스페셜티 케미컬스사) 혼합물로 구성되었다. 몇몇 이러한 화합물의 화학 구조식은 도 2에 도시되었다. 공중합체는 액정 물질에서 분자 헬릭스가 형성되도록 해서, 원하는 콜레스테릭 배열을 얻는다. 이러한 경우, 헬릭스의 피치는 약 0.3㎛ 였다.
이어서, 층(2)은 10분 동안 자외선(365nm, 2.8mW/cm2)을 이용해서 공기(일반적인 양의 산소 포함) 중의 실온에서 조사되었다. 이러한 조사 때문에, 조사층에 있는 이성질화 키랄성 화합물(B)의 일부는 E 형태에서 Z 형태로 변환되었다. 따라서, 층의 컬러는 파장이 더 긴 쪽으로 변한다{적색 시프트(red shift)}.
UV 흡수재가 존재하기 때문에, 콜레스테릭 층에서 방사선의 세기는 층을 횡단하는 그래디언트를 나타낸다. 샘플의 윗면은 바닥 면보다 더 많은 UV 광을 받기 때문에, 변환된 이성질화 화합물의 양에 그래디언트를 발생시킨다. 이러한 그래디언트는 콜레스테릭 층의 헬릭스 피치에 해당 그래디언트가 생기도록 한다. 따라서, 층 바닥의 적색 시프트는 층 윗면의 적색 시프트보다 낮기 때문에, 도 5에 도시되는 바와 같이 반사 대역을 더 넓게 한다.
필요한 반사 대역을 만든 후에, 층은 질소 환경에서 전자빔으로 조사되었다. 결과적으로, 액정 물질의 교차결합이 발생했다.
소량의 광-개시제가 액정 물질의 혼합물에 첨가되면, 대신 화학선을 이용해서 중합 및/또는 교차결합 단계가 실행될 수 있다. 광-개시제가 공정 단계(b)에 사용된 것과 동일한 파장의 광에 의해 활성화되면, 단계(b)와 단계(c)는 동시에 실행될 수 있다.
예를 들어, 액정물질은, 15 중량%의 멘톤-아크릴레이트(화합물 2A), 82 중량%의 RM257(화합물 2C), 2 중량%의 UV 흡수재(티누빈 1130, 시바 스페셜티 케미컬스사), 1 중량%의 광-개시제(다로큐어 4265, 시바 스페셜티 케미컬스사), 및 300ppm의 억제제{메톡시페놀(methoxyfenol)}의 혼합물로 구성되었다. 이러한 몇몇 화합물의 화학 구조식은 도 2에 도시되었다. 이 혼합물 층은, 예를 들어 폴리이미드 배향층을 포함하는 기판에 제공된다. 이 층은 배향층에 의해 콜레스테릭한 배열을 갖게 된다. 콜레스테릭하게 배열된 물질의 분자 헬릭스가 층을 횡단하여 뻗도록 물질이 배향된다.
다음으로, 층은 3분 동안 자외선(365nm, 6mW/cm2)을 이용해서 조사되었다. 이러한 조사 때문에, 조사 층에 있는 이성질화 키랄성 화합물(A)의 일부는 E 형태에서 Z 형태로 변환되었다. 따라서, 층의 컬러는 파장이 더 긴 쪽으로 변한다(적색 시프트). UV 흡수재가 존재하기 때문에, 콜레스테릭 층에서 방사선의 세기는 층을 횡단하는 그래디언트를 나타내고, 콜레스테릭 층의 헬릭스 피치에 그래디언트를 발생시켜서, 반사 대역을 넓힌다. 광-개시제 때문에, 중합 및/또한 교차결합 반응이 개시된다. 3차원 조직이 형성되기 전에, 콜레스테릭 층의 헬릭스 피치 및 피치의그래디언트가 커질 수 있도록 하기 위해서 이 반응은 억제제에 의해 제한된다.
중합 및/또는 교차결합 단계가 화학선에 의해 실행될 때, 선택된 활성화 개시제(selected activated initiator)가 대기 조건의 산소에 의해 쿠엔칭된다면, 중합 및 교차결합을 제한하는 산소 환경에서 공정 단계(b)를 실행함으로써 공정 단계(b와 c)의 간섭을 피할 수 있다. 상기 교차결합을 개시하기 위해, 단계(c)에 따른 조사 공정은 질소 환경에서 실행된다.
다른 실시예에서, 혼합물은 15 중량%의 멘톤-아크릴레이트(화합물 2A), 82 중량%의 RM257(화합물 2C), 2 중량%의 UV 흡수재(티누빈 1130, 시바 스페셜티 케미컬스사), 1 중량%의 광-개시제(다로큐어 4265, 시바 스페셜티 케미컬스사)로 제조되었다. 상기 혼합물은 박막으로 기판 위에 증착되고, 이어서 5분 동안 UV 광(365nm, 1mW/cm2)으로 조사되었다. 조사는 대기 조건(일반적인 양의 산소를 함유하는 공기)에서 실행된다. 이러한 조사 때문에, 조사 층에 있는 이성질화 키랄성 화합물(A)의 일부가 E 형태에서 Z 형태로 변환되었다. 따라서, 층의 컬러는 파장이 더 긴 쪽으로 변한다(적색 시프트). UV 흡수재가 존재하기 때문에, 콜레스테릭 층에서 방사선의 세기는 층을 횡단하는 그래디언트를 나타내고, 콜레스테릭 층의 헬릭스 피치에서 그래디언트를 발생시키서, 반사 대역을 넓힌다. 광-개시제 때문에, 중합 및/또한 교차결합 반응이 개시된다. 이러한 반응은 대기 조건의 산소에 의해 제한된다.
콜레스테릭 층 헬릭스의 원하는 피치와 피치의 그래디언트가 얻어지면, 층은질소 환경에서 405nm의 UV 광(4mW/cm2)을 이용해서 중합 및 교차결합된다. 이러한 파장에서, 광-개시제인 다로큐어 4265는 이성질화 화합물(A)이 실질적으로 변환되지 않으면서 활성화될 수 있다. 이러한 조사 중에, 층에서 분자 헬릭스의 피치가 실질적으로 변하지 않고 층은 중합 및 교차결합 된다.
상술된 바와 같은 방법으로 광대역의 편광기가 제조될 수 있음이 명백하다. 상기 광대역의 편광기는 콜레스테릭한 배열을 갖는 중합체 물질층을 포함하는데, 상기 물질은 분자 헬릭스 축이 층을 횡단하여 뻗도록 배향되고, 이 층에서 분자 헬릭스의 피치는 다양한 값을 갖는다.
액정 디바이스
도 7은, 반사 능동 매트릭스 LC 디바이스(110) 형태인 본 발명에 따른 반사 LC 디바이스의 실시예를 나타낸다. LC 디바이스는 제 1 투명 기판(114)과 제 2 투명 기판(128) 사이에 분산되어 있는 액정층(122)을 포함한다. 적절한 전압을 가해서, LC 층(122)은 "블랙(black)"과 "화이트(white)"의 두 가지 상태 사이에서 스위칭될 수 있다.
본 실시예에서, 액정층(122)은 두 상태 중 한 상태에서 1/2 λ의 지연(retardation)을 갖고 다른 상태에서 0 또는 1λ의 지연을 갖는다. LC 층의 임의의 종래 형태에 의해 필요한 1/2 λ의 지연이 이루어질 수 있다. 특히, 트위스트 네마틱(twisted nematic)(TN), 수퍼트위스트 네마틱(supertwisted nematic)(STN), 강유전성(ferro-electric)(FLC), 전기적으로 보상된 복굴절(ECB), 및 수직 정렬 네마틱(VAN) 액정 배치를 LC 층(122)으로 사용할 수 있다.
기판(114)의 관찰자(138) 반대편 측면에는 검은색의 광 흡수층(112)이 있고, 기판의 다른 측면에는 고정된 콜레스테릭 배열이 있는 중합 물질의 패턴층(116) 형태로 컬러 선택층이 있으며, 분자 헬릭스 축은 층을 횡단하여 뻗어있다. 패턴층(116)에는 제 1 영역(116R), 제 2 영역(116G) 및 제 3 영역(116B)이 있고, 이것은 각각 적색, 녹색 및 청색의 콜레스테릭 편광을 선택적으로 반사한다. 분자 헬릭스의 한쪽성에 따라, 반사광은 왼쪽 또는 오른쪽으로 원형 편광된다. 패턴층(116)은 배향(또는 배열로 지창됨)층(120)이 제공되는 투명한 공통 전극(118)으로 덮여있다. 구성요소(112,114,116,118,120)는 모두 함께 피동 플레이트(134)를 구성한다. 피동 플레이트(134) 맞은편에서 디바이스(110)는 능동 플레이트(136)를 포함한다. 능동 플레이트는 ITO 픽셀 전극(미도시됨)과 능동 스위칭 구성요소(126)를 포함하는 전극층(125)과, 정렬층(124)을 포함한다. 능동 스위칭 구성요소(126)는 ITO 픽셀 전극에 공급되는 전압을 제어하고, 이에 따라 하나의 픽셀씩을 기준으로 액정층(122)을 선택적으로 스위칭한다. 능동 스위칭 구성요소(126)는 박막 트랜지스터(TFTs), 박막 다이오드, 금속 절연 금속(MIM) 디바이스 등일 수 있다.
기판(128)의 관찰자(138)를 향한 측면에는 1/4 파 플레이트(quarter wave plate)(130)와 선형 편광기(132)가 제공되어 있다. 콜레스테릭 패턴층(116)을 제외하고, LC 디바이스의 구성성분은 종래의 형태일 수 있다.
도 7에 도시된 디바이스는 본 발명의 이점을 잃지 않으면서 여러 가지 방법으로 변형될 수 있다. 패턴층(116)은 층(118 및 120) 사이 또는 기판(114)의 다른 측면에 올 수 있다. 또한, 전극층(125와 118)은 서로 바뀔 수 있고, 광 흡수층(112)은 기판(114)과 층(116) 사이에 올 수 있다. 편광기(132)와 지연기(retarder)(130)는 기판(128)과 전극층(125) 사이에 올 수 있다.
LC 층(122)은 또한 1/2 파 플레이트 대신 1/4 파 플레이트로 선택될 수 있다. 이러한 경우에, 지연기(130)는 1/2 파 플레이트이어야만 한다.
도 8은 차폐 장 픽셀 디자인을 갖는 반사 능동 매트릭스 LC 디바이스(150)의 형태로 본 발명에 따른 반사 LC 디바이스의 다른 실시예를 도시하고 있다. LC 디바이스(150)는 능동 플레이트(184)와 피동 플레이트(182)를 구비하고, 이 사이에 액정층(122)이 분산되어 있다. 능동 플레이트(184)는 광 흡수층(112)이 제공되어 있는 기판(114)을 구비한다. 기판(114)에는 도 7에 따른 실시예와 같이 고정된 콜레스테릭 배열을 갖는 중합 물질의 패턴층(116)을 포함하는 컬러 선택층이 추가 제공되어 있다. 패턴층(116)과 기판(114) 사이에는 능동 스위칭 구성요소(126)가 제공되어 있다. 층(116)의 관찰자(178)를 향한 측면에는 비아(via)(180)를 통해 구성요소(126)와 전기적으로 연결되어 있는 투명한 픽셀 전극(158)이 존재한다. 전극(158)은 정렬층(160)으로 덮여있다. 피동 플레이트(182)는 배향층(124), 공통 전극층(166), 투명 기판(128), 지연기(130) 및 편광기(132)를 포함한다.
디바이스(110)와 비교해서, 본 실시예는 보다 큰 충진도[즉, 70-80%{디바이스(110)에 대해} 대 85-90%{디바이스(150)에 대해}]를 갖고, 즉 광 방출에 이용할 수 있는 면적이 크며, 능동 구성요소(126)가 전극(158) 아래에 위치할 뿐만 아니라, 피동 플레이트와 능동 플레이트를 정렬할 필요가 없기 때문에 허용오차는 줄어들 수 있다. 피동 플레이트의 흡수 컬러 필터를 이용하는 종래의 디스플레이에서, 컬러 필터를 픽셀 전극(158)과 정확하게 정렬할 필요가 있다.
추가적인 이점은, 컬러 선택층이 구성요소(126)와 전극(158) 사이에 단락을 막는데 필요한 전기 절연층으로도 작용하기 때문에, 매우 컴팩트한 액정 디바이스를 얻을 수 있다. 스위칭 구성요소(126)가 덜 보이도록 하기 위해서, 검은색의 광 흡수층(112)은 스위칭 구성요소(126)와 컬러 필터(116) 사이에 있는 것이 바람직하다.
디바이스(110과 150)는 반사 능동 매트릭스 액정 디바이스이다. 반사 피동 매트릭스 액정 디바이스의 실시예는 디바이스(110)에서 공통 전극(118)을 복수의 행 전극(row electrode)으로 바꾸고, 능동 구성성분(126)을 포함하는 전극층(125)을 직각으로 행 전극을 교차하는 복수의 열 전극(column electrode)으로 바꿈으로써 간단히 얻는다. 행 전극과 열 전극의 겹치는 영역은 디스플레이 픽셀을 한정한다. 디바이스(150)에 능동 구성요소(126)와 비아(180)가 빠져 있고, 복수의 열 전극을 형성하기 위해 픽셀 전극(158)이 배열되어 있으며, 공통 전극(166)이 복수의 행 전극으로 바뀐다면, 피동 매트릭스 디바이스의 다른 실시예를 얻는다.
능동 또는 피동에 관계없이, LC 디바이스에 의해 광이 처리되는 방식은 기본적으로 동일하다. 도 9와 도 10은 도 7 또는 도 8에 도시된 액정 디스플레이 실시예의 작동 원리를 개략적으로 나타낸다.
"흰색"(또는 "ON") 상태에서(도 9), 편광되지 않은 주변 광(sp)은 디스플레이에 입사하고, 편광기(132)에 의해 우선 편광되어 s-편광된 광을 생성하며, 이러한 s-편광된 광은 다음으로 1/4 파 플레이트(130)에 의해 우선성 원형 편광(RH)으로 변환된다. LC 층(122)은 1/2 λ의 지연을 갖고, 층에 입사하는 광의 한쪽성을 바꾸어서 좌선성 원형 편광(LH)을 생성한다. 콜레스테릭 패턴층(116)은 LH 편광을 반사하고 RH 편광을 투과하는 영역을 갖는다. 층(116)에 의해 반사되는 LH 편광은 LC 층(122)에 의해 RH 원형 편광으로 변환된다. 1/4 파 플레이트(130)는 LH 편광을 s-편광으로 변환하고, 이러한 s-편광은 편광기(132)에 의해 교란되지 않은 상태로 투과되어 관찰자(190)에게 도달한다.
도 10을 참조하면, LC 층(122)에 전압이 가해지고{또는 전압을 가했을 때 1/4 파 플레이트로 작용하도록 LC 층(122)이 선택된다면 LC 층(122)에 전압을 가하지 않음}, LC 층(122)은 0 또는 1λ의 지연을 갖는다.
따라서, LC 층(122)에 입사하는 RH 원형 편광은 교란되지 않은 상태로 투과되고 또한 콜레스테릭 층(116)에 의해 투과되어 광 흡수층(112)에 의해 흡수된다. 이에 따라 디스플레이의 픽셀은 어둡게 보인다.
도 11은, 본 발명에 따라 능동 투과 매트릭스 액정 디바이스를 개략적으로 단면도로 나타낸다. 능동 투과 매트릭스 액정 디바이스(200)는 능동 플레이트(236)와 피동 플레이트(234)를 갖는다. 피동 플레이트(236)가 이산화 실리콘 덧층(overlayer)(227)을 포함하고, 관찰 각을 확대하는 엠보싱 홀로그래픽 확산 필름(228)을 포함한다는 점을 제외하고 도 7의 피동 플레이트(134)와 동일하다. 모든 층(227과 228)은 본 발명에 필수적인 요소가 아니다. 피동 플레이트(234)는 컬러필터(215)에 좌선성 원형 편광(left-handed circularly polarized light)을 공급하는 편광기(213)가 제공되어 있다. 편광기(213)는 필요한 기능을 제공할 수 있는 어떠한 편광기도 될 수 있지만, 편광기의 높은 효율 때문에 특히 본 발명에 따라 제조된 광 대역의 콜레스테릭 편광기와 같은 반사 형태의 편광기가 바람직하다. 컬러 필터(215)는 고정된 콜레스테릭 배열을 갖는 중합 물질의 패턴층(116과 117)을 포함한다. 이 층(116)은 각각 적색, 녹색 및 청색의 좌선성 원형 편광을 선택적으로 반사하는 영역(116R, 116G 및 116B)을 갖는다. 이 층(117)은 층(116)의 영역에 대해 ½기간(period)만큼 이동되도록 배열된 유사 영역(117R,117G 및 117B)을 갖기 때문에, 겹침 영역{(116R,117G)(116R,117B)(116G,117R)(116G,117B)(116B,117R) 및 (116B,117G)}을 생성한다. 대안적으로, 영역은 기간의 ⅓(또는 기간의 ⅔)만큼 이동될 수 있다. 각각의 겹침 영역에서 두 개의 기본 컬러가 반사되고 하나는 투과된다. 따라서, 결합층(116과 117)은 좌선성 원형 편광을 투과하기 위해 RGB 풀 컬러 필터를 제공한다. 물론, 우선성 필터도 이러한 방식으로 구성될 수 있다.
반사 디바이스에 관해서는 디바이스(200)에 대한 변형이 가능하다. 컬러 필터(215)는 층(118 또는 120) 사이나 또는 기판(114)의 다른 측면에 위치할 수 있다. 또한, 전극층(125와 118)은 상호 교체될 수 있는 반면, 광 대역의 편광기(213)는 기판(114)과 층(116) 사이에 위치할 수 있다. 편광기(132)와 지연기(retarder)(130)는 기판(128)과 전극층(125) 사이에 위치할 수 있다.
LC 층(122)은 1/4 파 플레이트로 선택될 수 있고, 이 경우에 지연기(130)는 1/2 λ 플레이트이다. 그러나, 1/2 λ의 지연으로부터 0 또는 1λ까지 스위칭될 수있고 다시 1/4 λ지연기(130)와 결합할 수 있는 LC 층(122)을 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 1/2 λLC 층(122)을 사용한다고 가정하면, 디바이스(200)는 다음과 같이 작동한다. 후광 시스템(back-light system)(210)이 제공하는 편광되지 않은 백색광은 광대역의 콜레스테릭 편광기와 같은 광대역 편광기(213)에 의해 필터링되어 좌선성 원형(LH) 편광 백색광을 생성한다. 특히 상술된 바와 같은 광대역 편광기는 편광기(213)로 사용될 수 있다.
LH 편광 백색광은, 입사 빔을 공간적으로 분리 투과되는 적색, 녹색 및 청색의 좌선성 원형 편광으로 변환하는 컬러 필터(215)에 입사한다.
LC 층(122)이 1/2 λ 지연 상태에 있으면, LH 편광은 RH 편광으로 변환되는 반면, LC 층(122)이 0(1) λ지연을 갖는 다른 상태에 있으면, 한쪽성은 변하지 않고 LH 편광이 투과된다.
1/4 파 플레이트(130)는 LH 편광을 선형 s-편광(p-편광된) 광으로 변환하고, RH 편광을 p-편광(s-편광된) 광으로 변환한다. 선형 편광기(132)가 1/4 파 플레이트(130)에 대해 어떻게 배열되어 있는가에 따라, 선형 편광기(132)는 s-편광 또는 p-편광된 광을 투과하고, 다른 편광을 흡수(반사)해서 검은색 또는 백색 상태를 제공한다.
컬러 필터(215)는 반사 컬러 필터이다. 따라서, 예를 들어 청색의 LH 편광을 투과하는 겹침 영역은 입사하는 LH 편광 백색광의 적색과 녹색 구성요소를 반사한다. 이러한 반사광은 또한 LH 편광되어 있다. 편광기(213)가 광대역의 콜레스테릭편광기와 같은 반사 형태로 선택된다면, 컬러 필터(215)에 의해 반사되는 LH 편광이 편광기(213)에 의해 교란되지 않고 투과하기 때문에 반사된 광을 재활용할 수 있다. 이것은, 다음으로 후광 시스템(210)에 의해 편광해소(depolarize)(분산 및/또는 반사 이벤트에 의해)되고, LH 편광 구성성분을 선택적으로 투과하는 편광기(213)로 다시 제공된다. 이러한 방식으로, 효율이 매우 높은 액정 디바이스를 얻는다.
패턴층(116과 216) 제조를 제외하고 제조 방법이 상술되어 있으며, 본 발명의 LC 디바이스는 종래의 방법을 사용해서 제조할 수 있다. 일반적으로, 피동 플레이트와 능동 플레이트는 서로 투명 기판으로부터 시작해서 각각 제조될 수 있고, 다음으로 이러한 플레이트는 능동 및 피동 플레이트의 둘레를 따라 제공되는 접착제를 이용해서 결합되어, LC 물질을 공급하기 위한 개구부를 남겨둔다. 플레이트 사이에 적당한 간격을 제공하기 위해 스페이서(spacer)를 사용한다. 이와 같이 얻어진 셀(cell)은 LC 물질로 (진공) 충진된다. 예를 들어, 도 7의 피동 플레이트(134)는 유리 기판(114)에 광 흡수층(112)을 제공함으로써 제조된다. 기판(114)의 광 흡수층(112) 반대편 측면에는, 상술되어 있는 컬러 선택층 제조 방법에 따라 패턴층(116)이 제공되어 있다. 기판(114)은 중합 물질이 제공되고 공정 단계(b와 c)를 실행하는 기판으로 작용할 수 있다. 대안적으로, 자체 지지 패턴층(116)은 방법 단계(b와 c)가 실행되는 각각의 기판 위에 기성 필름(ready-made film) 형태로 제조될 수 있고, 다음으로 이러한 패턴층은 기판(114) 위에 제공된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 고정된 콜레스테릭 배열이 있는 중합 물질 패턴층을 포함하는 액정 디스플레이 제조 방법을 제공하고, 이러한 패턴층은 간단하면서도 비용 효율이 높은 방법을 사용해서 제조된다. 따라서, 이러한 방법의 패턴 단계는 반드시 서로 다른 온도를 사용지 않고, 패턴층의 서로 다른 영역 사이에서 상대적으로 큰 피치 차이를 허용하지도 않는다는 효과가 있다.

Claims (19)

  1. 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 분산된 액정층을 포함하는 액정 디스플레이 디바이스 제조 방법으로서,
    상기 제 1 기판은 고정된 콜레스테릭 배열(fixed cholesteric order)을 구비하는 중합 물질(polymerized material)의 패턴층(patterned layer)을 포함하고, 분자 헬릭스 축(axis of the molecular helix)은 상기 패턴층을 횡단하여 뻗으며, 상기 패턴층은 상기 분자 헬릭스의 피치가 서로 다른 제 1 영역과 제 2 영역을 적어도 구비하고,
    상기 방법에서 고정된 콜레스테릭 배열을 구비하는 중합 물질의 상기 패턴층은,
    a. 미변환 및 변환 상태에서 상기 콜레스테릭하게 배열된 물질의 피치를 서로 다른 정도로 결정짓는 변환 가능한 화합물의 양을 포함하는 중합 및/또는 교차결합될 수 있는 콜레스테릭하게 배열된 물질층을 제공하는 단계로서, 상기 화합물의 변환은 방사선(radiation)에 의해 유발되는 단계와,
    b. 원하는 패턴에 따라 상기 층에 조사(照射)함으로써, 적어도 제 1 영역에서는 제 2 영역과는 다른 정도로 상기 변환 가능한 화합물이 변환되는 단계와,
    c. 중합된 3차원의 콜레스테릭하게 배열된 물질을 형성하기 위해, 상기 조사된 중합 및/또는 교차결합될 수 있는 콜레스테릭 배열 물질을 중합 및/또는 교차결합하는 단계로서, 상기 콜레스테릭 배열은 고정되는 단계를
    포함하는 방법에 따라 제조되는, 액정 디스플레이 디바이스 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 조사는 단계(b)에 따라, 적어도 두 개의 서로 다른 층 영역에 대해 조사량(irradiation dose)이 서로 다를 수 있도록 실행되는 것을 특징으로 하는, 액정 디스플레이 디바이스 제조 방법.
  3. 고정된 콜레스테릭 배열을 갖는 중합 및/또는 교차결합 물질층을 포함하는 액정 디스플레이 디바이스 제조 방법으로서,
    분자 헬릭스 축은 상기 층을 횡단하여 뻗고, 상기 헬릭스의 피치는 상기 축의 방향으로 그래디언트(gradient)를 가지며, 상기 방법에서 중합 및/또는 교차결합된 콜레스테릭하게 배열된 물질의 층은,
    a. 미변환 및 변환 상태에서 상기 콜레스테릭하게 배열된 물질의 피치를 서로 다른 정도로 결정짓는 변환 가능한 화합물의 양을 포함하는 중합 및/또는 교차결합될 수 있는 콜레스테릭하게 배열된 물질층을 제공하는 단계로서, 상기 화합물의 변환은 방사선에 의해 유발되는 단계와,
    b. 층에 조사(照射)함으로써, 상기 변환 가능한 화합물을 변환 상태로 적어도 부분적으로 변환하는 단계와,
    c. 3차원의 중합 및/또는 교차결합된 콜레스테릭하게 배열된 물질을 형성하기 위해, 조사된 중합 및/또는 교차결합될 수 있는 콜레스테릭 배열 물질을 중합 및/또는 교차결합하는 단계로서, 상기 콜레스테릭 배열은 고정되는 단계를
    포함하는 방법에 따라 제조되고,
    상기 중합 및/또는 교차 결합 층에 의해 실질적으로 상기 방사선이 흡수되고, 층을 횡단하여 상기 분자 헬릭스 피치의 그래디언트를 나타내도록, 상기 중합 및/또는 교차결합 층의 흡수와 단계(b)에 사용되는 상기 방사선의 세기가 선택되는, 액정 디스플레이 디바이스 제조 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 단계(b)에 따라 상기 조사량은 상기 콜레스테릭 층의 윗면부터 바닥까지 감소하고, 콜레스테릭 층 바닥에서 상기 조사량은 상기 층 윗면에서의 상기 조사량보다 0.9배 적은 것을 특징으로 하는, 액정 디스플레이 디바이스 제조 방법.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 콜레스테릭 층의 바닥에서 상기 조사량은 단계(b)에 따라 상기 층 윗면에서의 상기 조사량보다 0.75배 적은 것을 특징으로 하는, 액정 디스플레이 디바이스 제조 방법.
  6. 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 조사는 단계(b)에 따라, 사용된 방사선에 대해 서로 다른 투과도를 갖는 많은 구멍이 있는 매스크(mask)를 통해 실행되는 것을 특징으로 하는, 액정 디스플레이 디바이스 제조 방법.
  7. 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 상기 변환 가능한 화합물은 이성질화 키랄성화합물(isomerizable, chiral compound)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 액정 디스플레이 디바이스 제조 방법.
  8. 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 유체상 또는 기체상으로부터 개시제 또는 촉매를 첨가함으로써 상기 중합 및/또는 교차결합이 개시 및/또는 촉매화되는 것을 특징으로 하는, 액정 디스플레이 디바이스 제조 방법.
  9. 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 상기 중합 및/또는 교차결합은 열적으로 분해될 수 있는 개시제를 통해 일어나는 것을 특징으로 하는, 액정 디스플레이 디바이스 제조 방법.
  10. 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 상기 중합 및/또는 교차결합은 전자빔 조사를 통해 일어나는 것을 특징으로 하는, 액정 디스플레이 디바이스 제조 방법.
  11. 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 상기 중합 및/또는 교차결합은 화학선(actinic radiation)에 노출시킴으로써 일어나는 것을 특징으로 하는, 액정 디스플레이 디바이스 제조 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 단계(b)에 따라 상기 중합 및/또는 교차결합 반응이 실질적으로 억제되는 온도에서 조사가 실행되는 것을 특징으로 하는, 액정 디스플레이디바이스 제조 방법.
  13. 제 11항에 있어서, 단계(b)에 따라 상기 중합 및/또는 교차결합 반응의 개시에 대해 실질적으로 반응하지 않는 방사선을 통해 조사가 실행되는 것을 특징으로 하는, 액정 디스플레이 디바이스 제조 방법.
  14. 제 11항에 있어서, 단계(b)에 따라 상기 중합 및/또는 교차결합 반응을 실질적으로 억제하는 대기조건(atmosphere)에서 조사가 실행되는 것을 특징으로 하는, 액정 디스플레이 디바이스 제조 방법.
  15. 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 통해 얻어질 수 있는 콜레스테릭하게 배열된 중합 물질의 층을 포함하는, 액정 디스플레이 디바이스.
  16. 액정 디스플레이 디바이스로서,
    제 1 기판과 제 2 기판 사이에 분산된 액정층을 포함하고,
    상기 제 1 기판은 고정된 콜레스테릭 배열을 구비하는 중합 및/또는 교차결합 물질의 패턴층을 포함하며, 분자 헬릭스 축은 상기 패턴층을 횡단하여 뻗고, 상기 패턴층은 미변환 및 변환 상태에서 상기 콜레스테릭하게 배열된 물질의 피치를 서로 다른 정도로 결정짓는 변환 가능한 화합물의 양을 포함하며, 상기 변환은 방사선(radiation)에 의해 유발되고, 상기 패턴층은 상기 분자 헬릭스의 피치가 서로다른 제 1 영역과 제 2 영역을 적어도 구비하는, 액정 디스플레이 디바이스.
  17. 제 15항 또는 제 16항에 있어서, 상기 패턴층은 각각 적색, 녹색 및 청색 컬러 광을 선택적으로 반사하는 제 1 영역, 제 2 영역 및 제 3 영역을 적어도 구비하는, 액정 디스플레이 디바이스.
  18. 능동 기판 플레이트와 피동 기판 플레이트(passive substrate plate) 사이에 분산되어 있는 액정층을 포함하는 반사 능동 매트릭스 액정 디스플레이 디바이스로서,
    상기 능동 기판 플레이트는 관찰 측면과 마주보는 측면에 존재하고,
    광학적으로 투명한 다수의 픽셀 전극과,
    상기 픽셀 전극에 공급되는 전압을 조절하고, 상기 다수의 픽셀 전극과 공간적으로 떨어져 아래에 위치하고 전기적으로 연결되어 있는 다수의 능동 스위칭 구성요소를 포함하며,
    상기 스위칭 구성요소와 상기 픽셀 전극 사이의 공간은, 특별한 파장의 광을 선택적으로 반사하고, 반사된 광에 상기 스위칭 구성요소가 보이지 않도록 하는 절연 컬러 선택층으로 채워지는, 반사 능동 매트릭스 액정 디스플레이 디바이스.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 컬러 선택층에 의해 투과되는 광을 흡수하기 위한 광 흡수층은 상기 컬러 선택층과 상기 능동 스위칭 구성요소 사이에 위치하는 것을특징으로 하는, 반사 능동 매트릭스 액정 디스플레이 디바이스.
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