KR910009800B1 - 광안정성이 개선된 액정의 경사 배열 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]

광안정성이 개선된 액정의 경사 배열 방법 및 장치

[도면의 간단한 설명]

제1a도 및 제1b도는 본 발명에 의하여 형성된 액정 셀중 일부의 예시적인 부분도로서 제1a도는 내부 셀 표면의 미세 구조체와 이에 결합된 알콕시기의 배향을 설명하며, 제1b도는 후에 첨가된 액정의 배향을 설명한다.

제2도는 하나의 예에 있어서 액정 경사각에 대한 SAD SiO 피착두께와 알코올 사슬 길이의 효과를 설명하는 그래프이다.

제3도는 액정 경사각의 광 안정성을 설명하는 그래프이다.

제4도는 또 다른 예에 있어서, SAD SiO₂두께의 함수로서 액정 경사각을 설명한다.

제5도는 전자 스펙트럼의 상이한 부분에 노출함에 있어서 한예의 경사각 광안정성을 나타내는 그래프이다.

제6도는 시험 셀 수명이 2개의 상이한 액정 시료에 대한 상이한 노출 조건에 반응함을 설명하는 그래프이다.

제7도는 특정한 예에 있어서 SAD SiO₂두께의 함수로서 경사각과 대비율을 나타내는 그래프이다.

[발명의 상세한 설명]

[발명의 분야]

본 발명은 일반적으로 전기 광학 장치에서 액정의 배열에 관한 것이며, 더욱 구체적으로 액정 광밸브에서 안정한 경사 배열의 성취에 관한 것이다.

[관련된 기술의 기재]

액정 광 밸브에서 입력 영상은 액정 전지 양단의 전계 패턴으로 전환되고, 셀(cell)내에서 액정 물질은 국소장에 의해 회전된다. 액정 배향은 출력 비임이 입력 비임과 같은 공간 정보를, 그러나 때로는 상이한 형식으로 포함하도록 광 밸브로부터 출력 비임의 전송을 제어 한다. 이 장치에서 직면하는 문제점 중의 하나는 액정이 초기에 인가 전계 부재시에 셀 벽에 수직인 그의 도파기로 배열된 경우, 전계를 인가할 때 이들이 경사지는 방향은 종종 임의적 이라는 것이다. 셀의 상이한 부위에서 액정은 상이한 방향으로 경사질 수 있으며, 이것은 특히 입력 광 강도에서 측면 기울길 인한 측면전계의 존재시에, 적합한 광 밸브 조작을 방해할 수 있는 현상이다.

이러한 문제점을 극복하기 위한 시도에서, 액정의 도파기가 전계 부재시에 약간 그러나 균일한 예비 경사를 제공하는 액정 셀이 제조되어 왔다. 그리하여, 전계를 인가할 경우, 결정은 그의 균일한 예비 경사 때문에 같은 방향으로 경사지게 된다. 이 기술은 광 밸브조작 개선에 있어서 양호한 단기 결과를 성취하였으나, 이제까지 적당한 광안정성이 결여되었다. 충분한 시간 동안 광에 노출될 경우, 배열은 열화하고, 전계의 부재시에 결정은 수직 배열로 복귀한다. 그리하여, 광 밸브 조작을 개선시키는 경사 배열이 증명되었으나 이 기술을 사용하는 장치의 단기 수명은 그의 유용성에 대한 실시적 제한을 판정해왔다.

광 밸브에 대해 약 2°내지 6°액정 예비 경사를 유지함이 바람직하다는 사실은 그린버그(Grinberg) 등의 “Photoactivated Birefringent Liquid-Crystal Light Valve for Color Symbology Display”, IEEE Transactions on Electron Devices, 제ED-22권, 제775페이지(1975년) 논문에 기재되어 있다. 이 논문은 또한 자외선 및 고강도의 가시 광선으로부터 액정 열화의 문제점을 예시한다.

경사 액정 배열을 성취하기 위한 선행 기술은 1977년 6월 27일자로 특허되어, 본 발명의 양수인인 휴우즈 에어크라프트 캄파니에 양도된 리로이 제이.밀러(Leroy J.Miller)와 쟌 그린버그(Jan Grinberg)의 미합중국 특허 제 4,030,997호에 기재되어 있다. 이 특허에는 기판 표면을 SiO₂또는 반응성 표면 히드록실기를 갖는 기타 물질의 박층으로 피복시키고, 이어서 천각(淺角)에서 이온 비임 에칭하는 기술이 기재되어 있다. 표면을 일반식 CH₃(CH₂)_nCH₂OH(식중, n은 약 2 내지 약 18임)를 갖는 장사슬 지방족 알코올과 지방족 아민 촉매의 혼합물로 다음 처리한다. 처리는 기판을 알코올과 아민의 고온 액체 혼합물중에 침지시킨 다음, 표면을 불활성 유기 용매로 세척함으로서 일어난다. 이 접근법에서 알코올은 SiO₂표면 히드록실기를 알콕시기로 전환시키기 위해 반응한다. 액정 경사각은 이온 비임 에칭 조건, 표면에 결합된 알콕시기의 길이, 셀에 사용된 액정 혼합물 및 온도에 의존함을 발견하였다. 이 방법에 의해 형성된 셀의 전형적인 광 안정성 수명은 여과된 크세논 아아크 등으로부터 단지 약 2 내지 4Wh/㎠으로 광 밸브 셀 상에서 약 150mW/㎠의 강도를 가진 광대역(廣大域) 노출(385-950㎚)을 얻는다. 이 셀들은 비수직 액정 경사가 급격하고, 과도하게 감소되어, 예를들면 3° 초기 경사에서 단지 3Wh/㎠의 노출 후에 0.4° 셀 변화 때문에 곧 실패하였다. 셀의 초기 경사각은 또한 실질적으로 셀 온도에 따라 변하였다.

몇몇 보고들은 경사 수직 액정 표면 배열을 얻기 위한 기타 기술에 대해 기재하였으나, 발표된 것 중에서 예비 경사 배열의 광안정성에 있어서 상당한 개선을 기재한 것은 없었다. Applied Physics Letters, 제25권, 제479페이지(1974년)에서 더블류.우르바흐(W.Urbach)등의 논문에서 수직 또는 경사-수직 배열을 얻기 위해 SiO의 각-증발 피막 상에서 계면활성제 CTAB(세틸트리메틸암모늄 브로마이드)의 사용이 기재되어 있다. CTAB 피막은 플레이트(plate)를 계면활성제 용액으로 부터 수직으로 서서히 인장시킴으로써 얻는다. 약 15°의 그레이징(grazing) 각에서 피착된 천각 SiO 피착물 상의 CTAB 피막은 거대한 비수직 액정 배열을 제공하였다. 작은 비수직 배열은 약 25°의 그레이징 각에서 피착된 중간 SiO 피착물에 대해서 얻은 한편, 수직 배열은 약 50°의 큰 그레이징각에서 피착된 SiO₂로부터 얻었다. CTAB는 표면에 화학적으로 결합된 것이 아니기 때문에 그 중의 일부, 심지어 전부는 액정 구조, 두께 및 온도에 의존하여 액정 중에서 용해시킬 수 있다. 용해된 CTAB는 액정의 전도도를 증가시키고, 이것은 동조 복굴절성과 같이 전계-효과 장치에 바람직하지 않다. 표면 또는 용해된 CTAB는 고 방사 강도에서 장기간의 광안정성을 갖는 것으로 예상된다.

중간각 피착 SiO(15°-30° 표면 이외의 피착), 또는 중간각 피착 MgF₂처리 표면의 셀에서 팽창 액정용 계면활성제 도판트(dopant)로서 레시틴 또는 “산 T”의 용도는 케이.파렌쇤(K.Fahrenschon)과 엠.에프.쉬켈(M.F.Schiekel)의 Journal of the Electrochemistry Society, 제124권, 제953페이지(1977년)에 기재되어 있다. 이 논문은 경사-수직 셀에서 액정의 12°및 16°경사의 예를 제공한다. 사용된 계면활성제는 표면에 화학적으로 결합되지 않으며 특히 장기간의 고 강도 노출에 대해 열 또는 광화학적으로 안정한 배열제임을 발견하였다.

더블유.알.헤프너(W.R.Heffner)등의 Applied Physics Letters, 제36권, 제144페이지(1980년)에는 경사-수직 액정 배열을 얻기 위해, 실란(DMOAP)의 용도와 5°그레이징 각을 갖는, 비스듬히 피착된 일산화규소 천각 피착-SiOx 표면 상에서 울트라틴 플라즈마 중합체화 테트라플루오로에틸렌(UTPFE)의 용도가 기재되어 있다. 실란/SiO 처리와 CB-7에 대해서는 16°-20° 비정상 액정각, 아족시 액정에 대해서는 20°-35° 및 UTPFE/SiO 처리와 CB-7 처리에 대해서는 22°- 32° 보고되었다. 이 “계면활성제”시약 각각은 유리(또는 SiO) 표면 상에 잘 접착된 중합체 피막을 제공하는 것으로 보고되었으며, 상기 보고된 CTAB와 레시틴 계면활성제보다 상당히 더 안정하다. 그러나, 헤프너 등에 의해 보고된 경사각은 액정 광 밸브 사용에는 너무 크며, 광안정성 데이타는 보고되지 않았다.

Journal of Applied Physics, 제50권, 제3975페이지(1977년)에서 엘.루실(L.Rousille)과 제이.로버트(J.Robert)의 논문에는 중간각 피착-SiO (30° 그레이징 각 피착) 표면 상에서 20옹스트롬 두께의 플라즈마 중합체와 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 필름의 용도가 기재되어 있다. 약 30° 비수직 경사를 가진 액정을 얻었다. 50옹스트롬의 보다 두꺼운 PTFE 필름은 천각 피착-SiO 상에서 0°경사를 얻었다. 광안정성 또는 열 안정성 수명 데이타는 보고되거나 논의되지 않았다.

장사슬 알코올과 표면 히드록실기와의 반응에 의해 표면에 결합된 표면 알콕시기를 형성함으로써 표면-수직(비경사) 액정 배열을 얻는 기술은 1977년 5월 10일자로 특허된 리로이 제이.밀러의 미합중국 특허 제 4,022,934호와 1984년 8월 7일자로 특허된 안나 엠.래크너(Anna M.Lackner)등의 미합중국 특허 제 4,464,134호에 기재되어 있으며, 이 2개의 특허는 휴우즈 에어크라프트 캄파니에 양도되었다. 밀러의 특허에는 알코올 또는 알코올/아민 혼합물의 고온욕 중에서 표면을 침지시킴으로써 표면과 장사슬 알코올의 반응이 기재되어 있다. 래크너 등의 특허에는 표면을 고온 알코올 증기에 노출시킴으로서 장사슬 알코올과 반응시키는 개선된 기술이 기재되어 있다. 이 2개의 특허는 경사 배열 보다는 오히려 수직 배열의 성취를 다루고 있다. 래크너 등의 특허에서는 SiO₂,SiO, 산화 인듐 주석/SiO₂, 산화주석/SiO₂및 인듐/SiO₂혼합물로 되는 군 중에서 선택된 산화물 피막을 포함하는 표면 상에서 실질적으로 수직인 액정표면 배열을 얻는 방법을 다루고 있다.

본 발명과 관련된 또 다른 기술은 밀로 존슨(Milo Johnson)과 피.앤드루 펜즈(P.Andrew Penz)의 “Low Tilt Angle Nematic Alignment compatible With FRIT Sealing”, IEEE Transactions on Electron Devices, 제ED-24권, 제7호, 1977년 7월, 제805-807페이지의 기사에 보고되어 있다. 보고된 기술은 경사 표면-평행 액정 배열에 사용된다. 이 기술에서 기본적으로 평면상의 미세 구조체를 갖는 표면상의 SiOx의 중간각 피착(MAD)과 천각 피착(SAD)의 혼합은 일반적으로 톱니형(saw-tooth shaped) 프로필을 갖는 경사 표면 미세구조체를 얻는데 사용된다. 이 기술은 저 경사 균질 액정 배열에 사용한다.

경사 미세 구조체를 얻기 위한 표면 처리 모두와 2개의 경사 및 수직 액정 배향을 얻는 방법에서 행한 상당량의 연구에도 불구하고, 광 밸브에서 장기간의 작동 기간 동안 경사-수직 액정 배향을 유지할 수 있는 액정 셀은 이전에는 얻지 못하였다.

[발명의 요약]

선행 기술과 관련된 상기 문제점을 고려하여, 본 발명의 목적은 신규의 개선된 표면 처리 방법과 액정이 광밸브 작동에 적당한 영전계 경사각에서 배향하며, 장기간 사용하는 동안 경사를 유지하는 생성된 액정 셀을 제공하는 것이다.

이러한 목적은 일반적으로 약 0.5° 내지 약 6°의 범위에 드는 것을 의미할 수 있는 표면 거대 구조체에 대해 경사각을 갖는 배열된 미세 구조체를 가진 표면을 제공하기 위해 액정 셀의 대향 표면 중의 하나 또는 모두를 처리하고, 추가로 유리 히드록실기를 가진 표면을 제공함으로써 성취한다. 목적하는 미세 구조체 배열은 서로에 대해 약 90°로 배향된 2개의 피착을 갖는 SiOx(x는 1 내지 2임)의 MAD 및 SAD 피착에 의해 얻는다. 이어서, 장 사슬 알코올을 표면과 반응시키고, 알콕시기를 경사 표면 미세 구조체에 화학적으로 결합시키며, 알코올 분자는 일반식 ROH(R은 약 6 내지 약 24개의 탄소원자를 갖는 탄소 사슬임)를 갖는다. 알코올은 아민과 혼합시킬 수 있으며, 표면을 알코올 증기에 노출시킴으로써 경사 표면 미세 구조체에 결합시키는 것이 적합하다. 기판 자체는 SiOx로부터 형성하는 것이 적합하다. 제조한 셀에 유입시킨 액정은 알콕시기에 의해 벼열되어 목적하는 영 전계 경사를 얻는다. 이러한 방법으로 형성된 셀은 선행 기술에서 보다 훨씬 고도의 경사 광안정성을 나타냄을 발견하였다.

본 발명의 이 특징과 기타 특징 및 잇점은 첨부된 도면과 함께 적합한 실시형태의 하기 상세한 설명으로 부터 당 업계의 숙련가들에게 명백해진다.

[적합한 실시형태의 상세한 설명]

전기 광학적 응용에 사용되고, 특히 투영 디스플레이에 사용되는 것과 같은, 액정 광 밸브 셀에서 광안정성을 제공하는데 유용한 장치의 표면에서 액정의 균일하고, 안정한 경사 배열을 성취하였다.

일반적인 접근법은 제1a도에 설명되었는데, 막 2와 4는 액정의 공백을 나타내는, 액정 셀에서 대향 벽이다. 벽은 일반적으로 산화규소, 예를 들면 SiOx(x는 1 내지 2임)의 피막을 갖는다. 대향 벽의 내부 표면은 일반적으로 평탄한 거대 구조체를 갖는, 점선 6과 8로 나타낸 평행 평면에 있다. 두 표면을 처리하여 일반적으로 톱니 프로필 10,12를 갖는 경사 표면 미세 구조체를 생성한다. 미세 구조체의 정밀한 표면 지형은 측정하지 않았다. 그러나, 후에 셀에 첨가된 액정은 약 0.5°내지 약 6° 범위내의 경사각을 갖기 때문에 미세 구조체의 표면은 약 0.5°약 6°유사한 범위에 있는 각 A만큼 거대 구조체 평면으로부터 경사지게 된다. 상당히 작은 경사각은 응용 이미지 패턴으로부터 측면 전계로 인한 유효한 액정 경사의 손실로 끝날 수 있는 한편, 상당히 큰 경사각은 얻은 대비를 저하시킬 수 있다. 물론, 0.5°또는 6°에서 급격한 차단이 아니고, 오히려 점진적인 전이이다.

장 사슬 알코올 분자는 각각의 표면과 반응하고, 장사슬 악콕시기는 각각의 표면에 화학적으로 결합된다. 정확한 표면 분자구조에 대해서는 불확실성이 있더라도, 결합은 경사 미세구조체에 수직으로 배향된 알콕시기 14로써 제1a도에서와 같이 설명할 수 있다.

전형적으로 두께가 약 4-8 미크론인 액정의 박막을 셀에 첨가한 후의 상황을 제1b도에서 설명한다. 액정 16은 미세 구조체에 수직으로 그리하여 거대 구조체 표면에 균일한 경사각으로 배열된 장사슬의 배향에 따르게 하다. 저하 생성물과 표면 사이의 상호작용의 결과로서 보다 더 수직인 배열을 초래하는 다른 표면 존재하에 액정의 광저하가 관찰되는 것에 반해, 제1b도의 배열이 놀랍게도 경사 수직 액정 배열의 대단히 높은 광안정성을 만들어냄을 발견하였다. 이 현상에 대한 설명은 아직 연구 중에 있으나, 광 노출중에 분해로 인한 액정 광생성물의 철저한 방지로 인한 것이 아니라, 오히려 이러한 광생성물이 알콕시 사슬과 같은 지향성을 가진 미세 구조체 표면에 부착됨으로 인한 것이다. 따라서, 이들은 거대 표면에 대한 경사 배열을 상당히 변화시키지 않는다.

톱니 미세구조체 프로필은 MAD-SiOx(x는 1 내지 2임)의 층을 먼저 기판 상에서 피착시키는 2단계 공정, 적합하기로는 약 20°-40°그레이징 각(약 30° MAD 그레이징 각이 적합함)에서 진공계에서 열 증발시킴으로써 얻는 것이 적합하다. 이어서 기판을 90° 회전시키고, SAD-SiOx의 또 다른 층을 제1층의 상부에서, 약 2°-10 °그레이징 각(약 5°의 SAD 그레이징 각이 적합함)에서 피착시켜서 두 피착물을 서로에 대해 약 90°의 배향시킨다. 다른 방법으로서, 제1피착은 두 층의 두께를 적합하게 조정한 SiO 또는 SiO₂의 SAD, 이어서 SiO 또는 SiO₂의 MAD일 수 있다. SAD전의 MAD를 갖는 제1a도에서 SAD는 상부 기판 2에 대해 왼쪽, 하부 기판 4에 대해 오른쪽으로부터 가한다.

목적하는 경사 표면 미세 구조체를 얻는데 다른 기술을 사용할 수 있다. 예를들면 본 명세서에서 나타내지는 않았으나, 셀 벽 표면에 적합한 홀로그래피 블레이징 회절 발을 형성하여 목적하는 톱니 지형을 얻을 수 있다. 미세 구조체를 얻기 위해 어떤 방법을 사용하든, 유리 히드록시(OH)기는 장 알콕시 사슬과 결합하기 위해 미세 구조체 표면에서 존재하여야 한다.

제1a도 및 1b도에서 상부 및 하부 기판의 미세구조체는 일반적으로 평행하다. 특정한 경우에서 상이한 경사도를 갖거나, 또는 기판 중의 단 하나에 대해 경사 미세구조체를 형성함으로서 2개의 미세 구조체를 가질 수도 있다. 적합한 조건 하에서 이것은 셀의 전체에 걸쳐 액정을 경사지게 하는데 충분할 수 있다.

목적하는 미세 구조체 표면 지형을 얻은 후, 장 사슬 알코올을 표면과 접촉시켜서 유리 히드록실기에 화학적으로 결합시킨다. 알코올 분자는 일반식 ROH를 가지며, R은 탄소 사슬중에 약 6 내지 약 24개의 탄소원자를 갖는 탄소 사슬이다. 분자는 순수한 지방족 사슬일 수 있거나 또는 사슬 중에 방향족 고리를 포함할 수 있다. 분지쇄 또는 부가 물질(예, 산소, 질소 또는 불소)을 갖는 사슬과 같은 변형된 탄소 사슬도 반응할 수 있으나, 이것은 현재 알려져 있지 않다. 약 6개의 미만의 탄소 원자를 갖는 사슬은 일반적으로 실제적인 광 밸브 사용에는 너무 큰 각도를 가지며, 온도에 민감하고, 목적하는 만큼의 광안정성이 없다. 이론적으로는 사슬 길이에 대한 상한은 없으나, 24개 이상의 탄소 원자를 갖는 사슬은 매우 값이 비싸다. 일부 액정(예, 특정 쉬프(Schiff)염기 혼합물)에 있어서, 탄소원자의 수는 6만큼 작을 수 있거나, 또는 한계적으로 허용되는 배열에 대해서는 훨씬 더 작을 수 있다. 다른 경우에 있어서 탄소 원자의 수는 반드시 14-18 이상이어야 한다.

기판은 미합중국 특허 제 4,464,134호에서와 같이, 가열하 증기상의 장사슬 알코올에 노출시키는 것이 적합하거나, 또는 이들은 미합중국 특허 제 4,022,934호 및 동 제 4,030,997호에서와 같이 용융알코올에 침지시키고, 이어서 세척할 수 있다. 증기 공정에 있어서, 증기압은 주어진 온도에서 사슬의 탄소 원자의 수가 증가함에 따라서 감소하며, 기판 표면과의 반응속도는 증기압이 감소함에 따라서 감소한다. 18개의 탄소 원자를 갖는 옥타데칸올은 대부분의 경우에 만족스러우며, 특상의 알코올로 여겨진다.

MAD와 SAD-SiOx층의 두께 선택은 목적하는 액정 경사각에 의존하며, 특정 액정이 배열된다. 결과하는 경사는 처리한 표면에 대한 장사슬 알코올의 지형 효과로 인한 것으로 보이며, 경사각이 결합된 알콕시기를 위해 사용된 알코올의 사슬 길이에 따라 변화될 수 있는 미합중국 특허 제 4,030,997호 방법과는 대조적으로보다 긴 사슬알코올의 사슬 길이에 크게 의존하지 않는다.

하기 실시예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위해 제공된다.

[실시예 1]

ITO(산화 인듐 주석) 피복 유리에서 MAD-SiO에 대해 30°의 그레이징 각을 사용하고, 기판을 90°로 회전시킨 다음 5°의 그레이징 각으로 SAD-SiO를 피착시켜서 SiO를 열 증발시킴으로써 기판을 제조하였다. 여러 가지 사슬 길이 알코올을 미합중국 특허 제 4,030,997호에 기재된 바와같이, 같은 중량의 헥사데실아민과 혼합한 알코올 욕조를 사용하여 표면과 반응시켰다. 욕조 온도는 C₆H₁₃OH의 경우 150℃(환류 영역중의 시료)이고, 다른 알코올(C₁₀H₂₁OH, C₁₄H₂₉OH 및 C₁₈H₃₇OH)의 경우 115°-117℃(침지시킨 시료)이었다. 액정은 EBBA 및 MBBA로 알려진 쉬프 염기 액정의 2:1(중량) 혼합물이었다.

MAD-SiO 피막은 두께가 400옹스트롬이었다. SAD-SiO 피막에 대한 여러가지 두께 및 또한 여러가지 알코올 사슬 길이로 인한 액정 경사각을 제2도에 나타내었다. 나타낸 바와같이, 경사각은 SAD-SiO 두께 10 옹스트롬 내지 25옹스트롬 범위내에서 약 2°내지15°의 대략 선형으로 변화하였다. 25옹스트롬과 100옹스트롬 사이의 SAD-SiO 두께에 있어서 경사각은 점차적으로 평평하게 되고, 단지 약 24℃에 이르른다. 이 액정 경사는 C₆H₁₃OH 알코올이 20옹스트롬 미만의 SAD-SiO에서 양호한 배열을 나타내지 못했다는 것 이외에는, 기판에 결합된 알코올의 사슬 길이에는 본질적으로 관계가 없었다. C₁₀,C₁₄및 C₁₈알코올은 모두 10-15 옹스트롬의 SAD-SiO 두께를 갖는 액정 광 밸브에 대해 약 2° 내지 약 6°의 목적하는 범위로 액정 경사를 제공하였다.

얻은 경사각은 대략 미합중국 특허 제 4,030,997호에 기재된 선행 경사 배열 방법에서 보다 온도 변화에 덜민감한 크기 순서이었는데, 경사는 이온 비임으로 에칭시간 SiO₂표면에 결합된 알코올 사슬의 길이에 의해 제어되었다. 1℃당-0.045°경사 각에 대한 온도 계수는 C₁₄사슬 길이 알코올로 처리한 MAD/SAD-SiO(400/15 옹스트롬 두께)에서 배열된 액정에 대해 22°-50℃의 범위에 걸쳐 측정 하였다. 경사각은 온도가 증가함에 따라서 감소하였으나, 전체 온도범위에 걸쳐서 액정은 약 2°-6°의 목적하는 경사 범위 내에 남아 있었다. 이 저온 계수는 이것이 넓은 온도 범위에 걸쳐서 액정 광밸브의 작동을 허용한다는 점에서 상당히 중요하다.

제3도는 경사각이 크세논 아아크 등으로 부터의 강렬한 빛에 액정의 장기 노출에 반응함을 나타낸다. A로 나타낸 노출 수준은 특허 제 4,030,997호의 방법으로 동일한 종류의 액정을 사용하여 얻은 경사 배열의 훨씬 더 짧은 광안정성 수명을 나타낸다. 이 선행 방법에 있어서, 2개의 이온 비임으로 에칭시킨 전극은 각각 C₈과 C₉알코올로 처리하여 최초 경사를 얻었다. 셀는 매우 짧은 광안정성 수명을 가져서, 단기의 노출(385㎚ 차단 필터 및 강도 144-166mW/㎠을 사용함)로 이들의 경사각을 인가 전계하에 셀에서 단일 경사 영역을 유지하기에는 너무 낮은 수준으로 감소시켰다.

B는 유사하나, 더 낮은 강도 조건하에 노출시킨 선행의 혼성 전계효과(HFE)셀의 광안정성 수명을 나타낸다. 선행 기술의 셀에 대한 상세한 노출 조건은 에프.지.야마기시(F.G.Yamagishi)등의 “Photochemical and Thermal Stability Studies on a Liquid Crystal Mixture of Cyanobiphenyls”, Liquid Crystals and Ordered Fluids, 제3권, 제475∼496페이지(1978년)논문에서 제공된다.

이 실시예의 경사-수직 셀 중의 하나에서 취한 액정에 대해 행한 중요한 관찰은 그의 163Wh/㎠의 노출 후에 투명점이 약 10℃ 만큼 감소되었다는 점이다. 이것은 5-15% 범위에서 3%를 초과하는 불순물 농도가 셀 내에서 심한 경사각 변화를 일으키지 않고, 과에 노출시킴으로써 형성되었음을 나타낸다. 이것은 본 발명의 경사-수직 표면 배열이 액정에서 광분해 생성물의 형성에 대단히 영향을 받지 않음을 나타낸다. 이와 대조적으로, 단지 약 0.1%의 광분해 생성물은 야마기시 등의 보고의 경사각 재배열 단점을 초래하였다.

[실시예 2]

제어된 경사각은 C₁₈장 사슬 알코올로 처리한 MAD/SiO-SiO₂피막을 사용하여 페닐시클로헥산카르복실레이트 액정 혼합물 HRL-6N7으로 얻었다. 이 액정은 그의 조성이 제이.디.마거륨(J.D.Margerum)등의 “Effects of Molecular Length on nematic Mixtures/Anisotropic and Dynamic Scattering Properties of 4-Alkoxyphenyl 4-Alkylcyclohexanecarboxylate Mixtures”, Molecular Crystals and Liquid Crystals, 제68권, 제157-174페이지(1981년)의 논문에 기재된 단 분자 길이, 저점도, 음성 유전 비등방성 혼합물이다. 제4도에 나타낸 바와같이, 이어서, 알코올 처리한, 55 옹스트롬의 MAD-SiO₂에서 E-비임 증발 SAD-SiO₂의 약 4-5옹스트롬 만이 1°-2°비정상의 경사를 얻을 필요가 있다. ITO-피복 유리에서 약 2,000옹스트롬의 SiO₂를 이온 비임 스퍼터링시키고, 이어서 MAD-SiO₂에 대해 30°이 그레이징 각을 사용하여 SiO₂의 E-비임 가열 열증발시키고, 기판을 90°로 회전시킨 다음 5°의 그레이징 각으로 SAD-SiO₂를 피착시킴으로써 기판을 제조하였다. 뚜껑을 덮은 페트리 접시에서 알코올의 수개의 작은 결정을 기판에 나란히 놓고, 접시를 오븐에서 140℃로 2시간 동안 가열함으로써 미합중국 특허 제 4,646,134호의 증기상 방법으로 C₁₈H₃₇OH 알코올을 표면에 결합시켰다. 이어서, 기판을 용매로 세척하고, 기판 사이에 약 0.00127㎝(0.5mil) 간격을 두고 시험 셀로 모으고, 이어서 액정을 유입 시켰다.

여러가지 노출 파장에 대한 액정의 광안정성을 제5도에 나타내었다. 시험은 주로 크세논 아아크 등으로 부터의 강렬한 노출광에 존재하는 상당량의 근 자외선 광으로 수명 시험을 촉진시하였다. 제5도의 데이타는 경사각이 전압을 셀에 가하는 동안 노출된, 3종류의 액정형 시험 셀에서 약간만 변하였음을 나타낸다. 시험 셀은 각각 2개의 투명한 기판으로 제조하였으며, 노출은 각각의 셀 바로 뒤에 반사경을 사용해서 행하였다. 노출 조건은 상기한 야마기시등의 기사에 기재된 조건과 유사하였다. 본 발명의 셀은 유사한 강도와 차단 필터를 사용하여 노출시킨, BDH-E7을 함유하는 HFE 시험셀보다 훨씬 장기간 지속하였다. 356㎚ 및 376㎚의 단 파장 차단필터를 갖는 HRL-6N7의 수명은 HFE 액정 물질 중에서 가장 안정한 Merck-1132액정을 사용하여 얻은 것보다 양호하였다.

HRL-6N7을 사용한 광안정성에 대한 추가 결과를 제6도의 하부 흔적(18)으로 요약하였다. 셀 수명은 여러가지 차단 파장을 갖는 자외선 필터로 측정하였다(차단은 필터 전송율이 1% 미만으로 떨어질 때 일어나는 것으로 생각하였다). 광학 시멘트로 밀봉한 셀의 일부는 356㎚의 단파장 차단에서 수명이 약 2배로 늘었음을 나타내었으며, 이것은 청 액정 광 밸브에 요구되는 397㎚ 차단과 같은 장 차단 파장에서 밀봉된 셀에 대해서는 훨씬 긴 노출 수명을 예상할 수 있음을 나타낸다.

[실시예 3]

경사-수직 기판 배열 연구는 또한 이.머크 캄파니(E.Merck Company)에서 그의 ZLI-2587 혼합물로 제공하는 액정을 사용해서 행하였다. 기판은 MAD/SAD-SiO₂층이 표면에서 피착되기 전에 ITO와 SiO₂(또는 Si₃N₄)로 피복한 유리를 C₁₈알코올 증기 처리하여 제조하였다. C₁₈알코올로 처리하기 전에, 고정된 두께의 MAD-SiO₂에서 여러 가지 두께의 SAD-SiO₂의 효과를 제7도에 나타내었다. 이 도면은 또한 특정 투영 디스플레이 시스템에서 대비율에 대한 경사각의 효과를 나타낸다. 1°-4°의 작은 경사는 최고의 대비 디스플레이를 제공하며, 이 예비-경사의 범위는 투영 화상에서 이미지-유도 배열 방식의 단점 발생을 방지할 정도로 충분히 크다.

광안정성 연구의 결과는 제6도의 흔적 20에 나타내었다. 노출은 실시예 2의 HRL-6N7에 대한 것과 유사한 조건 하에서 행하였다. 결과는 시험된 임의의 다른 셀보다 장기간의 광안정성 수명과 함께, 매우 높은 광안정성을 나타내었다. 또한 셀의 수명 말기는 인가 전압으로 온-스테이트(on-state)에서 전기-광학적으로 관찰된 비균일성에 대응하였으며, 배열 단점은 오프-스테이트(off-state)에서 관찰되지 않았다.

노출 시험 후 셀로부터 제거한 액정의 분석은 실질적인 조성변화가 노출 도중 액정에서 발생했음을 나타내었다. 각 경우에서 투명점은 실질적으로 증가하였고, 가스 크로마토그래피 분석은 초기 성분 비의 변화는 물론 약 3% 불순물의 존재를 나타내었다. 이 결과는 본 발명의 경사-수직 배열이 광분해 생성물의 형성 및 액정의 조성 변화에 대단히 영향을 받지 않음을 확인하는 것이다. 실질적인 조성 변화는 노출 말기 전에 이들 셀 벽에서 일어났다. 셀의 전기 광학적 반응은 최종 노출 기간 후에, 셀이 존재하는 상당량의 광 유도 불순물로 만족스럽게 작동될 때까지 임의의 실질적인 저하를 나타내지 않았다. 이것은 광분해 생성물의 매우 큰 빌드업(build up)을 얻었고, 셀 수명을 마치게 한다.

본 발명은 주로 액정 광 밸브에 관한 것이나, 경사 액정 배열이 바람직한 다른 전기 광학 장치와 함께 사용하기 위해 응용할 수도 있다. 특정 실시예를 기재하였으나, 당 업계의 숙련가들은 다수의 변화가 일어남을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허 청구의 범위에 의해서만 제한된다.

Claims (22)

1. 일반적으로 배열된 경사 표면 미세구조체를 제공하기 위해 대향 셀 표면을 그위의 유리 히드록실기로 처리하고, 일반식 ROH(R은 탄소 사슬 중에 적어도 약 6개의 탄소 원자를 갖는 탄소 사슬임)를 갖는 장사슬 알코올을 화학적으로 반응시키고, 장사슬 알콕시기를 경사 표면 미세구조체에 결합시키는 것으로 구성되는, 셀에 유입시킨 액정이 인가 전계 부재 시에 표면들 사이에 경사-수직 배열로 실질적으로 균일한 경사로 배열되어, 개선된 광안정성을 나타내도록 한쌍의 대향 표면을 갖는 액정 셀의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 각각의 표면에 SiOx(x는 1 내지 2임)의 제1층과 제2층을 각각 중간 그레이징각과 천 그레이징 각으로 피착시킴으로써 경사 표면 미세구조체를 셀 표면에서 얻으며, 2개의 층을 서로에 대해 약 90°로 이동한 그레이징 각으로 피착시킴을 특징으로 하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 중간 그레이징 각이 약 30°이고 상기 천 그레이징 각이 약 5°임을 특징으로 하는 방법.
4. 제2항에 있어서, 표면을 알코올 증기에 노출시킴으로써 상기 장사슬 알코올에서 유도된 알콕시기가 경사 표면 미세 구조체에 결합됨을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 대향 셀 표면이 SiOx(x는 1 내지 2임)로 구성됨을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항에 있어서, 장 사슬 알코올을 아민과 혼합시킴을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항에 있어서, 지방족 탄소 사슬이 그 중에 약 6 내지 약 24개의 탄소 원자를 가짐을 특징으로 하는 방법.
8. 각각 중간 그레이징각과 천 그레이징 각으로 SiOx(x는 1 내지 2임)의 제1층과 제2층을 표면에 피착시키고, 층들을 서로에 대해 약 90°로 이동한 그레이징 각으로 피착시키며, 피착된 층을 일반식 ROH(R은 탄소 사슬 중에 적어도 약 6개의 탄소 원자를 갖는 탄소 사슬임)를 갖는 장 사슬 알코올 분자와 반응시키는 것으로 구성되는, 액정을 표면에 대해 실질적으로 균일한 경사각으로 배향하기 위해 표면 부근으로 온 액정을 유도하고, 장기간의 광 노출기간 동안 액정 경사각을 유지하도록 기판 표면을 처리하는 방법.
9. 제8항에 있어서, 알코올 분자를 증기 상태에서 피착된 층과 반응시킴을 특징으로 하는 방법.
10. 제8항에 있어서, 표면이 산화 규소임을 특징으로 하는 방법.
11. 제8항에 있어서, 장 사슬 알코올을 아민과 혼합시킴을 특징으로 하는 방법.
12. 제8항에 있어서, 지방족 탄소 사슬이 그 중에 약 6 내지 약 24개 사이의 탄소 원자를 가짐을 특징으로 하는 방법.
13. 상호 대향적이고, 일반적으로 평면상의 미세구조체 및 경사 표면 미세구조체를 특징으로 하는 표면으로 된 한 쌍의 벽을 갖는 봉입체, 및 일반식 ROH(R은 탄소 사슬 중에 적어도 약 6개의 탄소 원자를 갖는 탄소 사슬임)를 갖는 알코올 분자에서 유도된 알콕시기를 갖는 장사슬 알코올 분자가 경사 표면 미세구조체에 결합하는 것으로 되는 표면상의 보호막으로 구성된 액정 셀.
14. 제13항에 있어서, 셀 벽표면이 SiOx(x는 1 내지 2임)로 형성됨을 특징으로 하는 액정 셀.
15. 제13항에 있어서, 탄소 사슬이 그 중에 약 6 내지 약 24개의 탄소 원자를 가짐을 특징으로 하는 액정셀.
16. 일반적으로 평탄한 거대구조체 및 표면 거대구조체에 대하여 실질적으로 균일한 경사각을 갖는 경사 표면 미세구조체로 된 표면을 갖는 기판, 및 경사 표면 미세구조체에 결합된 알콕시기와 함께, 일반식 ROH(R은 탄소 사슬 중에 약 6 내지 약 24개의 탄소 원자를 갖는 탄소 사슬임)를 갖는 장사슬 알코올에서 유도된 알콕시기로 구성된 기판상의 보호막으로 된, 구조체에 인접한 액정을 실질적으로 균일한 경사각으로 배향시키고, 전계기간의 광 노출 기간 동안 액정 경사각을 유지하기 위한 구조체.
17. 제16항에 있어서, 경사 표면 미세구조체가 일반적으로 톱니프로필을 가짐을 특징으로 하는 구조체.
18. 제16항에 있어서, 기판 표면이 SiOx(x는 1 내지 2임)로 부터 형성됨을 특징으로 하는 구조체.
19. 제16항에 있어서, 탄소 사슬이 그 중에 약 6 내지 24개 사이의 탄소 원자를 가짐을 특징으로 하는 구조체
20. 일반적으로 배열된 경사 표면 미세구조체를 제공하기 위해 대향 셀 표면을 그 위의 유리 히드록실기로 처리하고, 셀에 유입시킨 액정이 경사-수직 배열을 갖도록 알콕시기를 경사 표면 미세 구조체에 화학적으로 결합시키는 것으로 구성되는, 셀에 유입시킨 액정이 인가 전계 부재 시에 표면들 사이에 경사-수직 배열로 실질적으로 균일한 경사로 배열되어 개선된 광안정성을 나타내도록 한 쌍의 대향 표면을 갖는 액정셀의 제조 방법.
21. 제20항에 있어서, 경사 표면 미세구조체가 SiOx(x는 1 내지 2임)의 제1층과 제2층을 각각 2°-10° 정도의 천 그레이징각, 20°-40°정도의 중간 그레이징 각으로 각각의 표면 상에 피착시킴으로써 얻어지고, 2개의 층이 서로에 대해 약 90°로 이동한 그레이징 각으로 피착됨을 특징으로 하는 방법.
22. 제21항에 있어서, 상기 천 그레이징 각이 약 5°이고, 상기 중간 그레이징 각이 약 30°임을 특징으로 하는 방법.

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