JP2010507102A - 液晶装置および表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】「スプレイ−ツイストモード」と呼ばれる新規液晶モードを有する、切り替え可能なパブリック／プライベートディスプレイを提供する。
【解決手段】４５°より大きく、９０°より小さい（標準的な角度は８５°）高プレチルトをもたらす第１配向面(12)を備えていることを特徴とする液晶装置である。このプレチルトは、ある所定の方向に向いており面(12)と平行な成分を有している。第２配向面(13)は４５°より小さく、０°より大きい（標準的な角度は５°）低プレチルトをもたらす。この低プレチルトは、上記所定の方向に向いており第２面(13)と平行な成分を有している。液晶材料層は上記第１面(12)と、上記第２面(13)との間に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は液晶装置、および該液晶装置を備える表示装置に関する。

電子表示装置（コンピューターとともに使用されるモニターや、電話や携帯情報機器に内蔵される画面など）は通常、どの視角から見ても読み取れるように、できるだけ広い視野角を持つように設計されている。しかし、狭い範囲の角度からのみ見ることができるディスプレイが役に立つ場合がある。例えば、混雑した電車に乗っているときに、携帯コンピューターで私文書を読む場合などである。

「ハイブリッド配向ネマティック（ＨＡＮ）」液晶（ＬＣ）セルや「カイラルハイブリッド配向ネマティック（ＣＨＡＮ）」液晶（ＬＣ）セルは、多くの文献で開示されている。ハイブリッド配向セルは、片方の基板上では垂直（ホメオトロピック）配向（プレチルト＝９０°）を、もう片方の基板上では平面配向（プレチルト＜１０°）を有している。

Mash et alは、米国特許４１１４９９０号（１９７８）において、ＣＨＡＮ ＬＣセルを、可動部を用いないダイヤルの針として使用することを記載している。Lewis et alは、ＣＨＡＮセルにおいて、偏光を誘導することを記載している（Applied Physics Letters,Vol.51,pp.1197）。Jewell et alは、２周波ＬＣ材料に満たされたＣＨＡＮセルにおける、ダイレクタ分布構造を記載している（Phys Rev E,Vol.73,011706）。

ＬＣ「ｐｉセル」や、ＯＣＢ（Optically Compensated Birefringent）モード動作は、多くの文献で開示されている。ｐｉセルは、ほぼ同じプレチルト配向を持つ二つの基板から構成されている（通常、両基板とも平面配向をもたらす）。ｐｉセルはラビング方向が互いに平行に構成されている。

Bos et alは、ｐｉセルにおける高速スイッチングを記載している（Mol.Cryst.Liq.Cryst.,Vol.113,pp.329，米国特許４６３５０５１号および英国特許２２７６７３０号）。

米国特許６５５２８５０号（E.Dudasik; Citicorp Inc.2003）には、現金引出機における、プライベート情報の表示方法が記載されている。この機械装置のディスプレイから照射される光は固定された偏光状態にあり、この機械装置と使用者はシート状の偏光子の大きな画面に囲まれている。この偏光子は、上記の偏光状態にある光は吸収するが、直交状態にある光は通す。通行人には、使用者と機械装置は見えるが、画面上に表示された情報は見えない。

光の方向をコントロールする際に、多用途に使用できる方法として、「ルーバー」フィルムがあげられる。このフィルムでは、透明層と、不透明層とが、ベネチアン・ブラインドのように、交互に構成されている。ベネチアン・ブラインドと同様、このフィルムは、層に水平もしくはほぼ水平の方向で進んでくる光は通すが、層の面により大きい角度で進んでくる光は吸収する。これらの層は、フィルムの表面に対して垂直であってもよいし、別の角度であってもよい。このようなフィルムを製造する方法は米国再発行特許２７６１７号（F.O.Olsen;3M 1973）、米国特許４７６６０２３号（S-L.Lu,3M 1988）、および米国特許４７６４４１０号（R.F.Grzywinski;3M 1988）に記載されている。

このルーバーフィルムに似た性質を持つフィルムの製造方法は他にも存在する。例えば、米国特許５１４７７１６号（P.A.Bellus;3M 1992）や、米国特許５５２８３１９号（R.R.Austin;Photran Corp.1996）に記載されている方法である。

ルーバーフィルムは、ディスプレイを見ることができる角度を制限するために、表示パネルの前に配置してもよいし、透過型ディスプレイとそのバックライトとの間に配置してもよい。言い換えれば、これらのフィルムはディスプレイを「プライベート用」にする。

米国特許出願公開２００２／０１５８９６７号（J.M.Janick;IBM,2002年公開）は、光制御フィルムを移動させてディスプレイの前面を覆って、プライベートモードにしたり、ディスプレイの後ろもしくは横側にあるホルダーに光制御フィルムを機械的に引き込んでパブリックモードにしたりするために、どのように光制御フィルムをディスプレイ上に実装できるかを説明している。この方法の欠点は、故障したり、損傷したりする恐れのある可動部を備えていることと、ディスプレイの容積が増えることである。

可動部を使わずにパブリックモードからプライベートモードへとスイッチする方法としては、ディスプレイパネルの後ろに光制御フィルムを実装し、光制御フィルムとパネルとの間に、電子的にオン、オフを切り替えることのできる拡散板を配置すればよい。拡散板がオフのとき、光制御フィルムは視野角の範囲を制限し、ディスプレイはプライベートモードとなる。拡散板がオンになると、拡散板が、広範囲の角度へ進む光をパネルから通り抜けさせ、ディスプレイはパブリックモードとなる。光制御フィルムをパネルの前に実装し、切り替え可能な拡散板を光制御フィルムの前に配置しても、同様の効果を得ることができる。

このようなタイプの切り替え可能なプライバシー装置は、米国特許５８３１６９８号（S.W.Depp;IBM 1998）、米国特許６２１１９３０号（W.Sautter;NCR Corp.2001）、および米国特許５８７７８２９号（M.Okamoto;Sharp K.K.2001）に記載されている。これらに共通する欠点は、ディスプレイがパブリックモードであっても、プライベートモードであっても、光制御フィルムに投射される光の大部分が常に光制御フィルムによって吸収されてしまうことである。それゆえ、このディスプレイは光の使用効率が悪い。パブリックモードにおいて、拡散板は広範囲の角度に渡って光を分散させるため、補償できるほど明るくバックライトが製造されていなければ、これらのディスプレイもパブリックモードではプライベートモードより暗くなってしまう。

もう一つの欠点は、これらの装置の電力消費に関する。パブリックモードで作動しているとき、拡散板は拡散状態に切り替えられている。これは通常、切り替え可能な高分子分散液晶拡散板に電圧が印加されていることを意味する。それゆえ、パブリックモードでは、プライベートモードよりも多くの電力が消費される。これは、ほとんどの時間でパブリックモードにて使用されるディスプレイにとっては欠点となる。

切り替え可能なパブリック／プライベートディスプレイの製造方法としては、米国特許５８２５４３６号（K.R.Knight;NCR Corp.1998）に開示されている方法も知られている。この光制御装置は、前述したルーバーフィルムの構成と似ている。しかし、ルーバーフィルムで使われる各不透明素子の代わりに、不透明状態から透明状態へ電子的に切り替えることができる液晶セルが使用されている。この光制御装置はディスプレイパネルの前、または後ろに配置される。セルが不透明のとき、ディスプレイはプライベートモードとなり、セルが透明のとき、ディスプレイはパブリックモードとなる。

この方法の欠点としては、まず、液晶セルを適切な形に製造することが困難なことと、それにかかる費用である。２つ目の欠点は、プライベートモードにおいて、光線が、まず透明材料を通り抜け、次に液晶セル部分を通り抜けるような角度から入射することがある点である。このような光線は液晶によって完全に吸収されず、そのため装置のプライバシーを低減させてしまう。

切り替え可能なパブリック／プライベート表示装置を製造するための方法は、日本特許３６０７２７２号（Toshiba 2005）にも開示されている。この装置では、パターン化された液晶配向を持つ液晶パネルが追加され、使用されている。パネルは、異なった配向の部分を持ち、それらがそれぞれ異なった方法でディスプレイの異なった部分の視角特性を変更する。その結果、ディスプレイパネル全体が完全に読み取れるのは、中心部から見るときのみとなる。

英国特許２４０５５４４号には、一つの偏光にのみ作用するルーバーに基づいた切り替えが可能なプライバシー装置が記載されている。ルーバー自身内の染色された液晶分子を回転させるか、もしくは分離した素子を使用して、入射光の偏光面を回転させることにより、ルーバーのオン、オフが切り替えられる。

英国特許２４１３３９４号では、切り替え可能なプライバシー装置が、ディスプレイパネルに一つ以上の付加液晶層および偏光子を追加することにより構成されている。周知の方法で液晶を電気的に切り替えることによって、これらの付加素子の本来の視野角依存性を変えることができる。

英国特許２４１０１１６号では、異なる角度範囲に光を生成する、異なる２つのバックライトを使用することにより、ディスプレイがパブリックモードからプライベートモードに切り替えられている。

英国特許２４２１３４６号では、偏光変調層（ＰＭＬ）が液晶表示パネルの出射偏光子の後ろに配置されている。このＰＭＬは単純に透明な部分をいくつか有している。他の部分は、通り過ぎる光の偏光を変えて、画素がそれらの部分を通して見られると色が逆になるようにする（明るい画素は暗く、暗い画素は明るくなる）。これらの部分の真裏にある画素へ送られるデータは反転されるので、中央の位置からディスプレイを見る場合、画像は普通に見える。しかし、異なる角度からディスプレイを見る場合、位相素子を通して異なる画素が見られるため、画像は崩れる。軸外から見ると、ランダムドット模様の分かりにくい画像となる。ＰＭＬは液晶から成っていてもよく、オフにすることでパブリックモードに切り替えてもよい。

英国特許２４１８５１８号では、標準的な薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ＬＣディスプレイに、パターン化された電極とともにゲスト・ホスト（染色）ＬＣ層が加えられている。この染色されたＬＣ層は、吸収状態（プライベート）と、非吸収状態（パブリック）とに切り替えることができる。色素分子吸収は入射角および光の偏光に依存している。所定の偏光および所定の方向だと、色素の吸収性が上昇するとともに、視野角が広がり、高角度では明るさが低下する（狭視野モード）。

英国特許２４２６３５２号には、プライバシー機能と、単一の切り替えセルを追加することにより得られる三次元（３Ｄ）機能とを組み合わせることが開示されている。このディスプレイにはワイドモード、プライベートモード、３Ｄモードという３つの動作状態がある。パターン化されたＬＣ配向の実施形態およびパターン化されていないＬＣ配向の実施形態の両方が記載されている。

英国特許２４０４９９１号には、ホログラムを使用してプライバシー機能を実現させるという概念が開示されているが、そのようなディスプレイには２つの欠点がある。一つは、ホログラムによって、ディスプレイからの光に望ましくない回折が起こり、それによってユーザーが見る画像の色が不正確になることである。もう一つは、ディスプレイの前面上に実装されたタッチスクリーンの使用が適用されている場合、ユーザーの手がホログラムの照明を遮り、そのためプライバシーの有効性を低減させてしまうことである。英国特許２４２８１２８号には、これらの問題に対する解決法が開示されている。

英国特許２４７０３３号には、液晶表示（ＬＣＤ）パネルの従来の偏光子の間に、一つの液晶層を追加配置して使用することが開示されている。この配置により、追加されたスイッチセルが、軸外の光の階調曲線を変更することができる。これによって、英国特許２４１３３９４号に開示されている技術より高いレベルで、画像のプライバシーを提供できる。

英国特許出願公開０６１３４６２．１号には、表示パネルにコレステリック層を一つ追加、および回転偏光子を追加することにより構成された、切り替え可能なプライバシー装置の使用が開示されている。このコレステリック層は、パブリック（広視野）モードと、方位角３６０°に対するプライバシーを提供できるプライベート（狭視野）モードとに切り替えが可能である。

Adachi et al（SID06,pp.228）およびOkumura（米国特許出願公開２００５／０１９０３２９号）には、切り替え可能なプライバシー機能を提供する、ＨＡＮセルの使用が開示されている。AdachiとOkumuraとが使用しているＨＡＮセルは、基礎画像パネルとともに使用される。Adachi et al（SID06,pp.228）およびOkumura（米国特許出願公開２００５／０１９０３２９号）には、ねじれのないパブリック（広視野）モードが記載されている。

Kubono et alは、低プレチルト（平面）基板と、この低プレチルト基板に対して６０°、９０°、および１２０°でラビングされた、垂直（ホメオトロピック）配向基板とで構成されているＣＨＡＮセルの切り替え速度を調査している（Journal of Applied Physics,Vol.90,pp.5859）。Kubono et alに使用されている液晶材料は、カイラルドープされている。

日本特許０９２３０３７７号および米国特許５８４４６４０号には、単一層ＬＣＤパネルの視野角特性を変える方法が記載されている。これは、垂直配向ネマティック（ＶＡＮ）ＬＣモード用に実現されている。画素領域のＬＣ材料の傾きの程度を制御するために、表示パネルの面内の電界が使用される。画素内にある、異なるチルトドメインの数および方向は、面内電界により制御することができる。いくつかのチルトドメインを持つ画素は、広い視野角を持ち、単一のチルトドメインを持つ画素は、より狭い視野角を持つ。ディスプレイの視野角を変えるために、この方法を使用することが記載されている。しかし、記載されている、ＶＡＮモードの単一チルトドメインの視野角は、優れたプライバシーを提供するほど十分に狭くはない。

米国特許５６８６９７９号（３Ｍ）には、反射偏光子フィルムもしくは「dual brightness enhancement films（ＤＢＥＦ）」と、従来の画像ＬＣＤとともに使用する追加のスイッチＬＣＤを使用することが記載されている。この光学システムは透過型ＬＣＤモードと、反射型ＬＣＤモードとに切り替えることができる。反射型ＬＣＤモードでは、従来の画像パネル上に画像を表示するために、バックライトの代わりに周囲光が使用される。

欧州特許０９３３６６３Ｂ１（Citizen）と日本特許３４１９７６６１号（Hitachi）は切り替え可能なミラーディスプレイに関して記載しており、反射偏光子フィルム（ＤＢＥＦ）と、従来の画像ＬＣＤとともに使用される追加のＬＣＤとを使用することが記載されている。この光学システムは２つの動作モードへ、電気的に切り替えることができる。一つは、追加ＬＣＤとＤＢＥＦフィルムとが、従来の画像ＬＣＤからの画像を変更しないパブリック（広視野）モードである。もう一つはミラーモードで、ＤＢＥＦから周囲光を反射させることによって実現される。

本発明の第１態様によれば、９０°より小さく、４５°より大きい角度であり、所定の方向に向いた第１配向面と平行な成分を有する第１プレチルトをもたらすように構成される上記第１配向面と、０°より大きく、４５°より小さい角度であり、上記所定の方向に向いた第２配向面と平行な成分を有する第２プレチルトをもたらすように構成される第２配向面と、上記第１配向面と、上記第２配向面との間に位置する液晶材料層とを備えていることを特徴としている液晶装置が提供される。

上記第１プレチルトは６５°より大きくてもよい。上記第１プレチルトは７５°より大きくてもよい。上記第１プレチルトは８５°より大きいか、もしくはほぼ等しくてもよい。上記第１プレチルトは８５°とほぼ等しくてもよい。

上記第２プレチルトは２０°より小さくてもよい。上記第２プレチルトは１５°より小さくてもよい。上記第２プレチルトは５°より小さいか、もしくはほぼ等しくてもよい。上記第２プレチルトは５°とほぼ等しくてもよい。上記第２プレチルトは５°とほぼ等しくてもよい。上記第１面および上記第２面は、上記所定の方向にラビングされていてもよい。

上記材料はネマティック液晶材料であってもよい。上記材料はカイラルドーパントを含んでいてもよい。カイラルピッチに対する上記層の厚さの比は０．７５より小さくてもよい。上記比は０．３とほぼ等しくてもよい。

上記材料は負の誘電異方性材料であってもよい。

上記材料は正の誘電異方性材料であってもよい。

上記材料は２周波液晶材料であってもよい。

上記装置は、上記層に場を印加する構成を備えていてもよい。上記場は電界であってもよい。場を印加する上記構成は、上記層の互いに反対となる側の上に第１電極構成と第２電極構成とを備えていてもよい。上記第１電極構成と、上記第２電極構成のうち、少なくとも一つがパターン化された電極を備えていてもよい。

場を印加する上記構成が、スプレイ−ベンドダイレクタ構成を構築する、少なくとも一つの第１場を選択的に印加するように構成されていてもよい。

場を印加する上記構成が、スプレイ−ツイストダイレクタ構成を構築する、少なくとも一つの第２場を選択的に印加するように構成されていてもよい。

上記装置は上記層の互いに反対となる側の上に第１直線偏光子および第２直線偏光子とを備えていてもよい。上記第１偏光子と上記第２偏光子のうち、少なくとも一つが反射偏光子であってもよい。上記第１偏光子と上記第２偏光子がそれぞれ、上記所定の方向に対して平行、もしくは垂直な透過軸を有していてもよい。

本発明の第２態様によれば、画像ディスプレイとともに使用される、本発明の第１態様に係る装置を備えていることを特徴としている表示装置が提供される。

上記画像ディスプレイは液晶ディスプレイであってもよい。

上記装置は、複数の表示動作モードのいずれか一つを選択できるように制御が可能であってもよい。上記複数のモードはプライベート視野モードを含んでいてもよい。上記複数のモードはパブリック視野モードを含んでいてもよい。上記複数のモードはミラーモードを含んでいてもよい。上記モードは裸眼立体モードを含んでいてもよい。

新規であり、周知でない液晶動作モードが見出されたことがわかるであろう。本モード、（以下「スプレイ−ツイストモード」とする）を内蔵する装置は、切り替え可能なプライバシー装置にて適用される。例えば、このような装置はディスプレイ（ＬＣＤなど）とともに使用され、パブリック（もしくは広視野）モードと、プライベート（もしくは狭視野）モードとに切り替えを可能にする。実施形態は、ミラー動作モードを選択可能に供給するために使用されてもよい。実施形態は、裸眼立体３次元（３Ｄ）動作モードを供給するために使用されてもよい。

図１は本発明の実施形態を構成する液晶装置の概略断面図である。 図２は図１に示される様式の装置を備える表示装置の概略側面図である。 図３は図１に示される様式の装置を備える別の表示装置の概略側面図である。 図４は図３に示される装置内の、偏光子透過軸および配向方向の向きを示す図である。 図５は図２に示される様式のディスプレイ、および周知の様式のディスプレイにおける、視野角度に対するプライバシー性能を、任意の単位で示したグラフである。 図６は図１に示される装置および周知の様式の装置の概略断面図である。 図１に示される様式の装置の動作と、２つの周知の様式の装置とを比較する図で、装置の液晶層に渡る正規化された距離に対する、チルト角を示したグラフである。 図１に示される様式の装置の動作と、２つの周知の様式の装置とを比較する図で、装置の液晶層に渡る正規化された距離に対する、ツイスト角を示したグラフである。 図１に示される様式の装置の動作と、２つの周知の様式の装置とを比較する図で、装置の液晶層に渡る正規化された距離に対する、チルト角を示したグラフである。 図１に示される様式の装置の動作と、２つの周知の様式の装置とを比較する図で、装置の液晶層に渡る正規化された距離に対する、ツイスト角を示したグラフである。 図７ａ〜図７ｄに示される性能を持つ装置における、印加電圧に対するミッドプレーンツイスト角のグラフである。 図１に示される様式の装置の、光学型１の正規化された輝度を示すグラフである。 図１に示される様式の装置の、光学型１のダイレクタチルト分布を示すグラフである。 図１に示される様式の装置の、光学型１のダイレクタツイスト分布を示すグラフである。 図１に示される様式の装置の、光学型２の正規化された輝度を示すグラフである。 図１に示される様式の装置の、光学型２のダイレクタチルト分布を示すグラフである。 図１に示される様式の装置の、光学型２のダイレクタツイスト分布を示すグラフである。 図１に示される様式の装置の、光学型３の正規化された輝度を示すグラフである。 図１に示される様式の装置の、光学型３のダイレクタチルト分布を示すグラフである。 図１に示される様式の装置の、光学型３のダイレクタツイスト分布を示すグラフである。 図１０は、図１に示される様式の装置を、裸眼立体３Ｄディスプレイとして使用可能にする電極構成を示す概略断面図である。

図１に示される液晶装置は、透明電極構造１１（例えばインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）から成る）を有する透明基板１０および１４（例えばガラスから成る）を備えている。上部基板１０には、高プレチルト配向を促進する（しかし垂直（ホメオトロピック）ではない）配向層１２が形成されている。このように、プレチルトθは９０°より小さく、４５°より大きいが、通常は７５°より大きく、９０°より小さい範囲内である。標準的なプレチルトは８５°である。配向層１２の材料は、通常ラビングされていない状態では垂直配向を促進するために使用される材料だが、非垂直プレチルトを提供するために、配列時にラビングされる。このような材料の例として、ＪＳＲ製ＪＡＬＳ−２０１７が知られている。

低部基板には、０°より大きく、４０°より小さい低プレチルトを促進するための配向層１３が形成されている。このプレチルトは通常０°より大きく、１５°より小さい範囲となり、好ましいプレチルトの例として、５°があげられる。配向層１３は、例えば、Nissan Chemicals製のＳＥ６１０として知られる材料を含み、矢印に示される方向へラビングされてもよい。

この装置は基板を組み合わせることによって形成され、適切な液晶で満たされるセルを提供する。基板は、配向層１２と配向層１３とのラビング方向が平行に、また同じ方向を指すように配置される。すなわち、配向面におけるプレチルトは、同じ方向を指す配向面と平行な成分を持っている。装置がいったん組み立てられると、セルが配向層１２と配向層１３との間に形成され、ネマティック液晶材料によって満たされる。例えば、液晶材料が配向層１２と配向層１３との間に層を形成し、この配向層によって、および電極構造１１間に印加される電界によって、ダイレクタの構成が決められる。

このようなスプレイ−ツイストセルを満たすとき、２つの変形状態が混合して観察される。それらは、スプレイ−ベンド変形とスプレイ変形として知られている。Wangand Bos,J.Appl.Phys.,Vol.90,pp552(2001)に開示されているように、スプレイ変形と、スプレイ−ベンド変形とは、位相的に明確な違いがある。図中の２０で示されるスプレイ−ベンド変形は、「高プレチルト」基板１０の近傍で垂直に通るダイレクタを有している。一方、スプレイ変形は、分かっている限りでは、「低プレチルト」基板１４の近傍で、水平の位置を通るダイレクタ分布を有している。ここに記載される適用例では、スプレイモードは実際には使用されない。適切な外面電界を活用することにより、スプレイ−ベンド変形は表示領域全体の核となり、電界が印加されないと、安定した状態を保つ。すなわち、スプレイ変形が完全に取り除かれる。ここで説明する電界はすべて外面電界、すなわち基板に対してほぼ垂直な方向にあるものである。

スプレイ−ツイストセルは、負の誘電異方性を持つＬＣで満たされていてもよいし、正の誘電異方性を持つＬＣで満たされていてもよい。負の誘電異方性材料は、パブリック（広視野）モードにおける制御に優れているが、プライベート（狭視野）モードにおける制御には優れていない。正の誘電異方性材料は、プライベート（狭視野）モードにおける制御に優れているが、パブリック（広視野）モードにおける制御には優れていない。このスプレイ−ツイストセルを２周波ＬＣ材料（例えばＭｅｒｃｋ製ＭＤＡ−００−３９６９（ＭＬＣ−２０４８）など）で満たすと、最適な性能が見られる。２周波ＬＣは、所定の駆動周波数範囲（通常１ｋＨｚより低い周波数）で正の誘電異方性を持ち、また、異なる駆動周波数範囲（通常１０ｋＨｚより高い周波数）のとき、負の誘電異方性を持つ。それゆえ、２周波ＬＣに満たされたスプレイ−ツイストセルは、プライベート（狭視野）モードと、パブリック（広視野）モードのどちらにおいても制御に優れている。

電界を印加することで、スプレイ−ベンド変形２０と、スプレイ−ツイスト変形２１を切り替えることができる。基板のラビング方向が、偏光子の透過軸に水平であっても、垂直であっても、互いに平行な直線偏光子の間にスプレイ−ツイストセルを配置すると、３つの極めて有用な光学型を実現できる。

光学型１：適切な大きい外面電界を印加することにより、大部分のＬＣダイレクタが電界に対して垂直に、基板面に対して平行に配列する。ラビング配列条件と、適切な電界を組み合わせることにより、ダイレクタがスプレイ−ツイスト変形２１を取る。ダイレクタは、低プレチルト基板１４から高プレチルト基板１０への間でツイスト構造を形成する。ＬＣ層がモーガン条件を満たすほど十分に厚ければ（＞約１０μｍ）、スプレイ−ツイストモードに入射する光の偏光状態が、スプレイ−ツイストモードから出射する光の偏光状態と同じになる。画像ＬＣＤ上に表示される基礎画像には変化は起こらないため、この光学効果はパブリック（広視野）モードとして使用される。ＬＣ層がモーガン条件を満たすほど厚くなければ、スプレイツイストモード７に入射する光をスプレイツイストモードから出射する光と同じ偏光状態を持つことを確実にするため、the Gooch-Tarry guiding criteria(Gooch and Tarry,J.Phys.D.,Vol.8,pp1575 to 1584(1975))を使用することができる。

光学型２：光学型１で印加される電界よりも小さい、適切な外面電界を印加することによって、光学型１より小さい割合のダイレクタ構造が電界に対して垂直に（基板面に対して平行に）配列する。ラビングされた配列条件と、電界を組み合わせることにより、ダイレクタがスプレイ−ツイスト変形２１を取る。低プレチルト基板１４から高プレチルト基板１０へと、ダイレクタは依然ねじれてはいるが、光学型１よりも印加電圧が低いため、大きい割合のＬＣ層が高いチルトを持つ。光学効果としては、主として軸上に広がった光が、直交偏光状態に変換されるということである。したがって、平行な偏光子の間で、セルは黒く見える。スプレイ−ツイストセル内の電極を適切にパターニングすることにより、光学型１と光学型２の列（もしくは柱）を交互に配置することができる。光学型２は軸上で黒く見え、一方光学型１は透明であるから、基礎画像ＬＣＤから裸眼立体３Ｄ画像を見ることを可能にする視差バリヤを実現することができる。

スプレイ−ツイストセルの下の偏光子が反射偏光子シート（例えばＤＢＥＦ（Dual Brightness Enhancement Film））ならば、スプレイ−ツイストモード全体を光学型２に切り替えることによって、ミラーモードを実現できる。ＤＢＥＦの透過軸は追加偏光子の透過軸に対して平行に向けられている（すなわち、ＤＢＥＦ偏光高感度反射軸は、追加偏光子の透過軸に対して垂直になっている）。そのため、バックライト５から軸上に広がる光は、スプレイ−ツイストモードであるかないかに関係なく、常にＤＢＥＦフィルムを通過する。光学型２で動作するスプレイ−ツイストモードでは、スプレイ−ツイストセルに投射される周囲光の偏光状態は、スプレイ−ツイストセルから出射されるときに直交偏光状態へと変換され、その結果、ＤＢＥＦフィルムで反射されて戻る。ＤＢＥＦから反射されると、光はスプレイ−ツイストセルに戻り、通過して広がり、直交偏光状態に変換され、追加偏光子を通過する。それゆえ、ＤＢＥＦで反射された光はほとんど弱められることなく、光学システムから出射され、ディスプレイにミラー機能をもたらす。

適切にカイラルドープされたＬＣセル内では、電界が印加されない状態でも光学型２が起こるように構成することができる。これは、ｄ／ｐ（カイラルピッチで割ったセル厚）比が約０．３のときに起こる。

光学型３：ドープされていないセル内では、適切な外面電界を印加することで、ダイレクタはスプレイ−ベンド変形２１（ＬＣダイレクタはねじれていない）を取り、高プレチルト面の近傍で垂直な位置（θ＝９０°）を通る。カイラルドープされたスプレイ−ツイストセル内のダイレクタ変形の詳細は、正確にはより複雑だが、ドーピングレベルｄ／ｐが０．７５より小さい場合、その光学反応はドープされていないセルとほとんど同じである。このモードでは、ほぼ軸上に広がる光に偏光変換は起こらず、それゆえこのモードは軸上でほとんど透明に見える。しかし、軸外（θ＞±３０°）に広がり、ラビング方向にほぼ垂直な方向にある光は、直交偏光状態に変換され、追加偏光子に遮られる。これにより、画像のプライバシーを提供するプライベート（狭視野）モードとなる。プライバシーがしっかりと確立される極角の角度は、適切な印加電界（１−１０Ｖｏｌｔｓ）の大きさと、セルの厚さによっていくらかは制御することができる。セルを厚くするほど、プライバシーが実現される軸外の角度の範囲が大きくなる。

図２は、図１に示される液晶装置が、従来の画像ディスプレイ用のディスプレイ６とともに使用されている様子を示している。画像ディスプレイ６は、適切に偏光された直線偏光を装置７に供給できるものであれば、どのような様式であってもよい。例えば、ディスプレイ６の適切な様式の例として、ツイストネマティック（twisted nematic：ＴＮ）、アドバンスドスーパービュー（advanced superview：ＡＳＶ）、垂直配向ネマティック（vertically aligned nematic：ＶＡＮ）、スーパーツイストネマティック（super twisted nematic：ＳＴＮ）などがあげられる。表示装置は、前述したように装置７によってパブリック視野モードと、プライベート視野モードを切り替えることができる。図２に示される例では、表示装置は追加偏光子３、および透過型ディスプレイ装置（例えばＬＣＤタイプ）６用のバックライト５を、さらに備えている。さらに、装置７の一つ以上の電極構成１１をパターニングすることによって、後述するように、スプレイ−ツイストセル７を視差バリヤとして動作させるように制御し、裸眼立体３Ｄディスプレイを提供することができる。

図２で示される構成では、構成部材の順番が変わってもよく、例えば、偏光子３とディスプレイ６の位置を入れ替えてもよい。

図３に示される表示装置では、ＤＢＥＦ４が装置７とディスプレイ６との間に配置されている。このような構成だと、前述したようなミラーモードで動作させることができる。

図４に示されるように、ＬＣＤ６の出射偏光子の透過軸と、偏光子３の透過軸は平行であり、本実施形態では、これらは配向層１２および１３のラビング方向もしくは配向方向と平行になっている。ＤＢＥＦ４の透過軸は偏光子の透過軸と平行であり、ＤＢＥＦ４は光を直交直線偏光させて反射する。

ミラー機能は、反射偏光子（例えば３Ｍ製ＤＢＥＦ）を実装することで実現される。通常の偏光子は、一方向に直線偏光された光を吸収する一方、直行直線偏光状態の光は通過させる。ＤＢＥＦは一方向の直線偏光された光を反射する一方、直交直線偏光状態にある光は通過させる。ＤＢＥＦを使うことで、切り替え可能なミラー機能を実現することができる。コレステリック反射偏光子（Ｃｈｅｌｉｘ）に基づいて、別の反射偏光子を使用しても、ミラー機能を実現することができる。コレステリック反射偏光子は、一つの掌性の回転偏光された光を反射する一方、直交する回転偏光は通過させる。

図４に示されるようなＤＢＥＦの代わりに、コレステリック反射偏光子を表示システムに実装するためには、コレステリック反射偏光子フィルムの前面および裏面に、１／４位相差板（１／４リターダー）を接着させねばならない。ディスプレイ６のアナライザと、一つの１／４位相差板を組み合わせて、コレステリック反射偏光子により通過される、回転偏光された光の掌性を生成する。もう一つの１／４位相差板は、光学型２のセル７から出射する周囲光を、コレステリック反射偏光子から反射される回転掌性へと変換させることを確実にする（すなわち、ミラー機能が実現する）。第１の１／４位相差板の効果は、入射直線偏光を回転偏光状態に変換し、回転反射偏光子が正しく動作するようにすることである。第２の１／４位相差板の効果は、セル７を通過する周囲光を、コレステリック反射偏光子によって反射される、回転変更状態へと変換することである。画像ＬＣＤ６から放射される光がすでに回転偏光されているならば（例えばＳｈａｒｐ ＡＳＶモード）、コレステリック反射偏光子に追加する必要があるのは、単一の１／４位相差板のみである。この単一の１／４位相差板は回転反射偏光子と、セル７との間に配置される。

３つの光学型すべてを、同時に最適化することは不可能である。しかし、以下のパラメーターによって、適度な低駆動電圧（＜２０Ｖ）を使用して全面的に優れた光学性能を実現することが可能である。

厚さが約４０μｍのセル
プレチルト約８５°の高プレチルト配向層
プレチルト約５°の低プレチルト配向層
２周波ＬＣ
セル厚対ピッチ（ｄ／ｐ）比が約０．１のカイラルドーパント
図５は、図３もしくは図４に示される装置の例で得られるプライバシーの測定値と、ＮＴＴＤｏｃｏｍ ＳＨ９０２ｉとして知られる製品で使用されるＥＣＢモードとを比較する図である。この図はプライバシーの強さを、プライバシーが最大である面におけるポーラー角の機能として示している（すなわち、ラビング方向と、基板に対して垂直である面）。スプレイ−ツイストモードは、軸外の角度の幅広い範囲において、プライバシーの測定基準が高い。プライバシー測定基準とは、パブリック（広視野）輝度をプライベート（狭視野）輝度で割った、コントラスト比として定義されている。ＮＴＴＤｏｃｏｍ ＳＨ９０２ｉ製品で使用されているＥＣＢセルは、ラビング方向がそれぞれ非平行になって配列されている、二つの低プレチルト基板（θ＜１５°）から構成されている。すなわち、スプレイ−ツイストモードとは、配向条件が実質的に違う。外面電界によって切り替えても、ＥＣＢセルのダイレクタがねじれ構造を形成することはない。それゆえ、コストの高い内面電極を加えないかぎり、ＥＣＢを使ってミラーモードや、裸眼立体３Ｄモードを生成することはできない。

図６は、周知のＨＡＮのダイレクタ構造と、スプレイ−ツイストモードのダイレクタ構造とを比較した図である。ＨＡＮの高プレチルト基板２５は、低プレチルト基板に対して、（θ＝９０°）のラビングも、非平行のラビングも持っていない。ラビングのないＨＡＮの高プレチルト基板が図６に示されている。ＨＡＮが非平行ラビング条件であるなら、外面電界が印加されてもされなくても、ねじれダイレクタ構造は形成されない。スプレイ−ツイストモードのラビング方向は平行である。このラビング条件から直接もたらされる結果は、適切な広い外面電界を印加することで、スプレイ−ツイストモードが閾電圧でねじれダイレクタ構造を形成できるということである。しかしながら、ＨＡＮモードでは、印加される電界に関わらず、ねじれ構造を形成することができない。

図７は、セル内で正規化した距離での機能として、周知のＨＡＮモード、周知のＣＨＡＮモード、およびスプレイ−ツイストモードのダイレクタ構成（ダイレクタチルト分布およびダイレクタツイスト分布）を比較している図である。ＣＨＡＮモードにおいて、カイラルピッチ（ｐ）に対するセルの厚さ（ｄ）の比は０．１（すなわちｄ／ｐ＝０．１）であった。セルモデルの厚さはすべて４０ミクロンであった。ダイレクタ構造は、液晶数値モデリングソフトウェア（ＤｉＭＯＳ，Autronic Melchers）で生成した。高プレチルト基板上のプレチルトの大きさは、３つのモデルすべてで同一である。低プレチルト基板上のプレチルトの大きさは、３つのモデルすべてで同一である。しかし、ＨＡＮモードおよびＣＨＡＮモードのラビング方向は非平行であるのに対し、スプレイ−ツイストモードのラビング方向は平行である。ＨＡＮモード、ＣＨＡＮモード、スプレイ−ツイストモードすべての低プレチルト面上で、同じダイレクタの向きで、モデリングは行われる。モデリングはすべて、負の誘電異方性液晶（Δε＝−３）を使って行われる。

図７ａに示されているように、ゼロボルトのとき、スプレイ−ツイストモードのチルト（θ）の分布は８５°から９０°へと増加し（すなわち垂直へと増加する）、その後５°へと下がる。一方、ＨＡＮモードとＣＨＡＮモードのチルトの分布は８５°から５°へ直線的に減少している。図７ｂに示されているように、ゼロボルトのとき、スプレイ−ツイストモードのツイスト（φ）の分布は、セル内で高プレチルト基板からの距離が、正規化単位約０．０９のときにチルトが９０°（すなわち垂直）に達するまでは２７０°で一定に保たれている。チルトが９０°に達すると、ツイスト角は不明確となる。スプレイ−ツイストセル内での正規化単位が約０．０９よりも大きくなると、チルトが９０°から低下し、ツイスト角が新たに９０°の値をとる（ＨＡＮモードと同様）。スプレイ−ツイストセルのツイストが異なる値をとっているが（２７０°から９０°へ）、すべてのダイレクタのねじれは単一面に抑えられている。そのため、ゼロボルト時のスプレイ−ツイストモードはねじれていない（すなわち、スプレイ−ツイストモードは、図１に示しているように、スプレイ−ベンド変形となっている）。

ゼロボルト時では、ＣＨＡＮセルは、セル内で、ツイストが滑らかに連続的な変化を示している（すなわち、ＣＨＡＮセルのダイレクタは単一面に抑えられてはいず、ダイレクタ構造はねじれている）。ゼロボルト時では、ＨＡＮセルは、セル内で、ツイストが一定の値をとっている（すなわち、ＨＡＮセルのダイレクタは単一面に抑えられており、ダイレクタ構造はねじれていない）。

図７ｃに示されているように、１６ボルト時では、スプレイ−ツイストモード、ＣＨＡＮモード、およびＨＡＮモードはほぼ同様のチルト分布を示しており、ＬＣダイレクタの大部分は基板面に対して平行に寝ており、印加される電界に対して垂直になっている（すなわちθ＝０°）。しかしながら、図７ｄに示されるように、１６ボルト時では、ＨＡＮモード、ＣＨＡＮモード、およびスプレイツイストモードはまったく異なるツイスト分布を示している。１６ボルト時では、ＨＡＮモードのツイストは一定であり、値は変わらない。すなわち、ダイレクタ分布はねじれていない。１６ボルト時では、ＣＨＡＮモードのツイスト角はほぼ一定であり、値はほぼ変わらない。すなわち、ダイレクタ分布はほぼねじれていない。１６ボルト時（スプレイ−ベンドからスプレイ−ツイストへの転移の閾値より高い）では、スプレイ−ツイストモードは、セル内で、ねじれ構造を取っている。スプレイ−ツイストモードでは、高プレチルト基板から低プレチルト基板へと、合計１８０°の角度にダイレクタがねじれている。

ｘ°のツイスト角と、ｘ°＋３６０°のツイスト角は、縮退ダイレクタ構造であるため、図７ｄで、セル内で０．４正規化単位のときのツイスト角が急転しているのは、ダイレクタの向きが不連続に変化したのではなく、単にツイスト角が再定義されただけである。

モデリングから分かることは、閾値で、スプレイ−ツイストモードはスプレイ−ベンド変形（ねじれなし状態）からスプレイ−ツイスト変形（ねじれあり状態）に変化するということである。スプレイ−ツイストモードをカイラルドープすることによって、スプレイ−ベンド変形からスプレイ−ツイスト変形へ変化させる閾電圧を低くすることができる。また、カイラルドープはスプレイ−ツイスト変形における、左回り、右回りツイスト状態の間で起こるエネルギー縮合を壊し、それゆえ、逆のツイスト領域が形成されるのを防ぐためにも使用できる。ドープされていないスプレイ−ツイストモードでのツイストの発生は配向条件によるものである。スプレイ−ツイストモードの配向条件は、わずかではあるが、ＨＡＮモードおよびＣＨＡＮモードと異なる。具体的には、スプレイ−ツイストモードにおいて、適切な電界印加時のねじれ構造の発生は、低プレチルト配向層と高プレチルト配向層の、平行ラビング条件によって発生する。ＨＡＮモードでねじれ構造が発生しないのは、高プレチルト配向層がラビングされていないか（プレチルトθ＝９０°）、もしくは低プレチルト配向層に対して、ラビング方向が非平行になるようにラビングされているからである。

図８は、スプレイ−ツイストモード（ＳＴＭ）、ＨＡＮモードおよびカイラルＨＡＮ（ＣＨＡＮ）モードのミッドプレーンツイスト角を示した図である。ダイレクタの詳細は、液晶数値モデリングソフトウェア（ＤｉＭＯＳ，Autronic Melchers）によって生成した。セルモデルの厚さはすべて４０ミクロンであった。ＣＨＡＮモードでは、カイラルピッチ（ｐ）に対するセルの厚さ（ｄ）の比は０．１（すなわちｄ／ｐ＝０．１）であった。スプレイ−ツイストモードは互いに平行ラビング条件を有しているが、ＨＡＮモードおよびＣＨＡＮモードは非平行ラビング条件を有している。高プレチルト基板上のプレチルトの大きさは、３つのモデルですべて同様である。低プレチルト基板上のプレチルトの大きさは、３つのモデルですべて同様である。図８は、適切な大きい電圧（＞９ｖｏｌｔｓ）を印加したときに、スプレイ−ツイストモードにおいて、ミッドプレーンツイスト角の大きさが不連続に、急激に変化していることを示している。この不連続な変化がおきるのは、ダイレクタ構造がスプレイ−ベンド変形からスプレイ−ツイスト変形に変化するためである。しかし、ＨＡＮモードの場合、電圧を印加してもミッドプレーンツイスト角に変化は見られない。ＣＨＡＮモードの場合、電圧をかけると、ミッドプレーンツイスト角が変化はするが、なだらかで連続的な変化であり、スプレイ−ツイストモードとは似ていない。したがって、非平行ラビング条件は、平行ラビング条件とはまったく異なる電気光学的応答をもたらす。それゆえ、スプレイ−ツイストモードはＨＡＮモードおよびＣＨＡＮモードと明確に区別される。

図９ａから図９ｉは、スプレイ−ツイストモードを使用してアクセス可能な、３つの光学型を示している。結果は液晶モデリングソフトウェア（Autronic Melchers）を使用して得られた。正規化された輝度プロットはすべて、プライバシーが最大である面からとられ、０°はシステムの軸上の視点（基板に垂直方向）を示している。図９ａはパブリック（広視野）モード（光学型１）の正規化された輝度を示しており、図９ｂおよび９ｃにはこれに対応するダイレクタチルト分布およびダイレクタツイスト分布が示されている。図９ｄは、ミラーモードおよび／または裸眼立体３Ｄモード（光学型２）の正規化された輝度を示しており、図９ｅおよび図９ｆにはこれに対応するダイレクタチルト分布およびダイレクタツイスト分布が示されている。図９ｇはプライベート（狭視野）モード（光学型３）の正規化された輝度を示しており、図９ｈおよび図９ｉにはこれに対応するダイレクタチルト分布およびダイレクタツイスト分布が示されている。光学型１の結果はΔε＝−３、４０ボルト時に得た。光学型２の結果はΔε＝−３、６．７５ボルト時に得た。光学型３の結果はΔε＝＋３、４ボルト時に得た。このモデリングの作用を実際に実現するためには、２周波ＬＣが必要である。

図１０はスプレイ−ツイストモードから、パブリック（広視野）モード、プライベート（狭視野）モード、裸眼立体３Ｄモード、およびミラーモードを実現するために必要な電極構成を示している。電極１１ａは一般的な電極（通常、接地電極）であり、電極１１ｂおよび１１ｃは交互嵌合した電極で、それぞれ電圧Ｖ１と電圧Ｖ２を別々に与えることが可能である。パブリック（広視野）モードを実現するためには、電極１１ｂおよび１１ｃは同じ電圧に設定される（光学型１）。プライベート（狭視野）モードを実現するためには、電極１１ｂおよび１１ｃは同じ電圧に設定されるが、パブリック（広視野）モードで必要な電圧とは異なる電圧である（光学型３）。ミラーモードを実現するためには、電極１１ｂおよび１１ｃは同じ電圧に設定されるが、パブリック（広視野）モードに必要な電圧、およびプライベート（狭視野）モードに必要な電極とも異なる電圧である（光学型２）。裸眼立体３Ｄモードを実現するためには、交互嵌合した電極のうちの一つ、例えば１１ｂは、互い違う柱（もしくは列）をパブリック（広視野）モードに切り替えるために電圧Ｖ１を供給し、交互嵌合した電極のうちのもう一つの電極１１ｃは、残りの柱（もしくは列）を光学型２に切り替えるために電圧Ｖ２を供給する。平行な偏光子の間にスプレイ−ツイストモードが配置されるとき、光学型１はほとんどすべての入射角度で透明に見える。一方、光学型２はほぼ軸上の角度では黒く（不透明）に見える。それゆえに、ストライプの視差バリヤが実現される。この視差バリヤは、図２に示されるような従来の画像ＬＣＤパネル６の頂上に位置している。この従来の画像ＬＣＤパネル６上に適切な画像が表示され、視差バリヤが作動されると、裸眼立体３Ｄ画像を実現できる。

この様式の装置は、例えば、ユーザーが機密情報を見ることを希望するが、だれに見られるか制御できない装置に適用することができる。例としては、携帯情報端末（ＰＤＡｓ）、ラップトップパーソナルコンピューター（ＰＣｓ）、デスクトップモニター、現金自動預払機（ＡＴＭｓ）、電子ＰＯＳ機器（ＥＰＯＳ）などがある。

Claims (25)

1. ９０°より小さく、４５°より大きい角度であり、所定の方向に向いた第１配向面と平行な成分を有する第１プレチルトをもたらすように構成される上記第１配向面と、
   ０°より大きく、４５°より小さい角度であり、上記所定の方向に向いた第２配向面と平行な成分を有する第２プレチルトをもたらすように構成される第２配向面と、
   上記第１配向面と、上記第２配向面との間に位置する液晶材料層とを備えていることを特徴とする液晶装置。
2. 上記第１プレチルトは６５°より大きいことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 上記第１プレチルトは７５°より大きいことを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 上記第１プレチルトは８５°より大きいか、もしくはほぼ等しいことを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 上記第１プレチルトは８５°とほぼ等しいことを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 上記第２プレチルトは２０°より小さいことを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 上記第２プレチルトは１５°より小さいことを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 上記第２プレチルトは５°より小さいか、もしくはほぼ等しいことを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 上記第２プレチルトは５°とほぼ等しいことを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 上記第１面および上記第２面は、上記所定の方向にラビングされていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
11. 上記材料はネマティック液晶材料であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
12. 上記材料はカイラルドーパントを含んでいることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. カイラルピッチに対する上記層の厚さの比が０．７５より小さいことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 上記比が０．３とほぼ等しいことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 上記材料は２周波液晶材料であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
16. 上記層に場を印加する構成を備えている請求項１に記載の装置。
17. 上記場は電界であることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
18. 場を印加する上記構成は、上記層の互いに反対となる側の上に第１電極構成と第２電極構成とを備えていることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
19. 上記第１電極構成と、上記第２電極構成のうち、少なくとも一つがパターン化された電極を備えていることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
20. 場を印加する上記構成が、スプレイ−ベンドダイレクタ構成を構築する、少なくとも一つの第１場を選択的に印加し、また、スプレイ−ツイストダイレクタ構成を構築する、少なくとも一つの第２場を選択的に印加するように構成されていることを特徴とする請求項１６のいずれか一つに記載の装置。
21. 第１直線偏光子および第２直線偏光子を、上記層の互いに反対となる面上に備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
22. 上記第１偏光子と、上記第２偏光子のうち、少なくとも一つが反射偏光子であることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
23. 上記第１偏光子と、上記第２偏光子がそれぞれ、上記所定の方向に対して平行もしくは垂直な透過軸を有していることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
24. 画像ディスプレイとともに使用される、請求項１から２３のいずれかに記載の装置を備えていることを特徴とする表示装置。
25. 上記装置は、プライベート視野モード、パブリック視野モード、ミラーモード、および裸眼立体モードのうち、少なくとも２つ以上から、複数の表示動作モードのうちのいずれか一つを選択できるように制御が可能な装置であることを特徴とする請求項２４に記載の装置。

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