JP2021527855A - 液晶混合物、その液晶混合物を製造する方法、およびその液晶混合物を含む装置 - Google Patents

Abstract

液晶装置に配置されたときに特定の回転方向を有し、液晶装置から取り外されたときに逆の回転方向を有する液晶混合物を開示する。この液晶混合物は、例えば、高コントラストを達成し、潜在的な欠陥やズレを低減する目的で、液晶ディスプレイに採用され得る。

Description

本発明は、液晶（ＬＣ）混合物、その液晶混合物を製造する方法、およびその液晶混合物を含む装置に関する。特に、本発明は、ＬＣ材料とカイラル剤とを含むＬＣ混合物、そのＬＣ混合物を製造する方法、およびそのＬＣ混合物を含む装置に注目する。

液晶ディスプレイ技術により、ディスプレイのサイズはフルスクリーンからミニディスプレイへと縮小された。液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）ディスプレイなどのマイクロディスプレイは、半導体集積回路（ＩＣ）技術を利用して製造され得る。

ＬＣｏＳマイクロディスプレイは、反射面を有するシリコン基板バックプレーンと、カバーガラスと、その間に介在する液晶層とを含んでもよい。

ＬＣｏＳマイクロディスプレイは、複数の行列に配列された画素のマトリクスとして配列されてもよく、行と列の交点がマトリクス内の画素位置を画定する。

入射光に対して、各画素は反射鏡上の液晶セルである。液晶の分子配向は、層内のあらゆる点における液晶ダイレクタのチルト角および／またはねじれ角によって特徴付けられるが、この層内の液晶の分子配向を変化させることによって、入射光はその偏光状態を変化させることができる。

シリコンバックプレーンは画素の配列であり、そのピッチは通常、３〜２０マイクロメートル（μｍ）である。

画素はそれぞれ、画素面積の大部分を占めるミラー面を有する。ミラー面は、液晶ディスプレイのカバーガラス電極と画素コンデンサを形成する導電体でもある。液晶ディスプレイのカバーガラス電極は、カバーガラスの内面（液晶側）の透明導電膜である。この透明導電膜は通常、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）である。

各画素コンデンサが一定電圧値まで充電されると、画素コンデンサのプレート間の液晶流体が分子配向を変化させ、画素に入射した光の偏光状態に影響を及ぼす（画素ミラーからの反射）。

反射型ＬＣｏＳマイクロディスプレイは開口率が高く、そのため透過型液晶ディスプレイより高い輝度を達成できる。こうしたＬＣｏＳマイクロディスプレイの主な用途としては、プロジェクターや、前面投影テレビおよび背面投影テレビ（大画面）などのホームシアターとしての用途が挙げられる。これらの用途には、高コントラストが極めて重要である。

さらに、拡張現実（ＡＲ）や、複合現実（ＭＲ）や、仮想現実（ＶＲ）のアプリケーションでは、極めて暗い「オフ」状態を得るために、垂直配向型ネマティック（ＶＡＮ）光学モードを採用した液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）ディスプレイを使用して、高コントラスト比を実現する。

［高コントラスト―ＶＡＮモード］
高コントラストは、液晶ディスプレイに使用される液晶光学モードに依存する。一般的に、垂直配向型ネマティック（ＶＡＮ）モードは、極めて高いコントラストを達成できる光学モードの１つであり、多くの液晶ディスプレイメーカーがこの特定の光学モードを自社のディスプレイに採用し始めている。

プレチルト角は、境界面における液晶ダイレクタ（面接触ダイレクタ）のチルト角として定義される。ＶＡＮモード液晶ディスプレイにおいて、ディスプレイの全面にわたって電界が印加されていない場合、プレチルト角は小さく、したがって液晶流体の分子の配向は基板表面に対してほぼ垂直となる。よって、ディスプレイ基板に対して垂直に入射する直線偏光は、層を通過する際に、わずかに複屈折する。このため、この垂直入射直線偏光は、液晶流体を通過するとき、例えばディスプレイの底部反射基板から反射して戻ってくる場合を含めて、ほとんど位相遅延を受けない。これにより、交差偏光子（例えば、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ））を使用する場合、暗い「オフ」状態が得られて、高コントラストを達成できる。

液晶流体の全体にわたって電界を印加すると、液晶流体の大部分における分子は、基板表面上の配向層によって定義される方向に自身を配向し、その結果、液晶流体層の位相遅延が増加する。したがって、直線偏光された入射光は、液晶流体に進入し、ディスプレイの底部反射基板から反射して戻ってくるとき、位相遅延を受け始める。この結果、出射光（反射光）の偏光状態は楕円形になり、一部の光が交差偏光子を通過し始める。電界が増えると、最大輝度状態が達成されるまでこの効果は増加する。

［配向層とプレチルト角］
一般的なＶＡＮモードでは、基板表面上の液晶流体の分子の配向は、各基板表面上の配向層によって定義される。この配向はプレチルト角および表面方位角によって表されるが、表面接触液晶ダイレクタの基板面上に対する射影に平行である。最上配向層に近接する液晶流体の分子の方位角は、最下配向層に近接する液晶流体の分子の方位角とは逆、すなわち逆平行である。配向層によって定義される方位角は、入ってくる直線偏光された入射光の偏光方向に対して４５度の角度となる。

通常、ＶＡＮモードディスプレイにおける分子のプレチルト角は、極めて暗い「オフ」状態、すなわち高コントラストを達成するために、小さい角度、例えば４度未満に維持する必要がある。このプレチルト角は、ディスプレイにおける逆チルトドメインを防止するには十分な大きさだが、隣接する画素間のフリンジ電界によって生じる欠陥を克服することは不可能である。

すなわち、コントラスト比は、液晶のプレチルト角の影響を受ける可能性がある。さらに、プレチルト角が過度に低角度だと、隣接する画素の電圧が同一でない場合に、隣接する画素間のフリンジ電界によって画素間ギャップ付近で液晶ダイレクタの欠陥やズレが生じる可能性がある。

こうした欠陥やズレによって表示された画像の品質が低下するおそれがあり、画素ピッチの大きさが液晶（ＬＣ）層の厚み（すなわち、セルギャップ）と同等または液晶層の厚みよりも小さい場合、特定の液晶ディスプレイではフリンジ電界によるこうした欠陥やズレが顕著になる可能性がある。画素ピッチの大きさが小さくなると、ＬＣｏＳディスプレイで達成できる解像度は上昇するものの、欠陥やズレが発生し得る。

こうした欠陥やズレを軽減するために、ＬＣプレチルト角を大きくする試みが通常行われている。しかし、プレチルト角を大きくすると、ディスプレイにおける残留遅延の増加につながる。この遅延によって、ＶＡＮモードＬＣｏＳディスプレイのコントラスト比が低下する可能性がある。

米国特許第８，７２４，０５９号（特許文献１）および第９，５５１，９０１号（特許文献２）（これらの特許は参照により本明細書に組み込まれるものとする）に記載の通り、ＶＡＮモードにねじれ構造を追加してねじれ垂直配向ネマティック（ＴＶＡＮ）モードを形成することにより、この低コントラストの問題を克服する試みがなされてきた。このＴＶＡＮモードは、ＶＡＮモードと比較して全体的なコントラスト比を上昇させる可能性があるものの、一部の用途ではさらに高いコントラスト（およびより多くの階調）が要求されている。

米国特許第８７２４０５９号明細書 米国特許第９５５１９０１号明細書

添付図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれるものであり、本明細書に組み込まれてその一部を構成し、本明細書と共に本発明の原理を説明するために用いられる。

図１は、本発明によるＬＣ混合物を含むディスプレイの概略図である。 図２は、本発明による図１のディスプレイにおけるＬＣ混合物の概略図である。 図３は、図２のＬＣ混合物が本発明による図１のディスプレイから切り離され、独立していることを示す、ＬＣ混合物の概略図である。 図４は、例示的な方法を示すフローチャートである。 図５は、本発明によるディスプレイのコントラスト比とｄ／Ｐｏ比とを比較したシミュレーションをグラフで表した図である。 図６は、本発明による一連の異なるディスプレイを対象に、コントラスト比とｄ／Ｐｏ比とを比較した計測結果をグラフで表した図である。 図７は、本発明による、一連のｄ／Ｐｏ比に対するディスプレイのＬＣ混合物を通過する距離とゼロ電圧ダイレクタのチルト角とを比較したシミュレーションをグラフで表した図である。 図８は、本発明によるディスプレイに電圧が印加されていない場合のＬＣ混合物のｄ／ＰｏとＬＣ混合物の中央におけるダイレクタチルト角とを比較したシミュレーションをグラフで表した図である。 図９は、本発明によるディスプレイに電圧が印加された場合のｄ／Ｐｏとスループットとを比較したシミュレーションをグラフで表した図である。

ここで、本発明の実施形態を詳細に参照する。

［図１−ディスプレイ構造］
図１を参照し、液晶（ＬＣ）ディスプレイ装置１００の一部を概略的に示す。ＬＣディスプレイ装置１００は、反射型液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）ディスプレイ装置、または透過型ディスプレイ装置であってもよい。ＬＣディスプレイ装置１００には、例えば約４．０μｍ以下の画素ピッチを有する複数の画素要素が含まれる。

ディスプレイ装置１００では、ガラス（透明）の第１基板１３０と反射型（ミラー）の第２基板１４０（すなわち、基板上の反射画素）とが互いに平行となり、その間にＬＣ混合物１２０を含み得る。さらに、ガラス基板上に薄膜トランジスタを搭載したアクティブマトリクスディスプレイでは、画素が透過性を有することが可能になる。

セル間隔、すなわちセルギャップは、配向膜１７０と１８０との間の距離（ｄ）であって、ＬＣ混合物１２０の厚みｄである。配向膜１７０および１８０は、境界面１５０および１６０を、Ｚ軸に垂直となるｚ＝０およびｚ＝ｄにそれぞれ画定する。例えば、ＬＣ混合物１２０層は、反射型ディスプレイの場合は０．５〜３μｍの範囲、また透過型ディスプレイの場合は最大６μｍの範囲の厚みｄを有してもよい。

種々の膜（図示せず）を基板１３０および１４０に蒸着させてもよい。ガラス第１基板１３０は、透明電極膜（図示せず）と、ＬＣ混合物１２０に接する配向膜１７０とを含む。第２基板１４０は、ＬＣ混合物１２０に接するＬＣ配向膜１８０を含む。電極膜は、例えばインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）からなり、配向膜は、例えばラビング処理したポリイミドや、斜方蒸着されたＳｉ０_２であってもよい。

本願明細書において、液晶材料とは、単一の化合物またはネマティック液晶を構成する複数の化合物の組み合わせを指す。液晶材料には、内在性の本来備わったねじれは含まれない。

本願明細書において、カイラル剤とは、その分子構造を鏡像と重ね合わせることができない、単一の化合物または複数の化合物の組み合わせを指す。カイラル剤を液晶材料に追加することにより、切り離された混合物におけるダイレクタフィールドに、内在性の本来備わったねじれが誘導されて、混合物は右回りまたは左回りのいずれかの回転方向を有し得る。切り離された混合物とは、電界や磁界などのダイレクタフィールドに作用する外力または境界配向力から切り離されていることを意味する。

本願明細書において、液晶混合物とは、少なくとも１つの液晶材料と、内在性の本来備わったねじれを有するカイラル剤との混合物を指す。これは、カイラルネマチック液晶混合物とも呼ばれる。

ＬＣ混合物１２０は、負の誘電異方性を有する。

［図２：ディスプレイにおけるＬＣ混合物のプレチルト角と、構造上のねじれ角と、回転方向］
図２を参照し、ＬＣ混合物１２０のねじれたＬＣ構造を概略的に示す。ねじれたＬＣ構造は、ダイレクタフィールド２１０を含む。ダイレクタフィールド２１０には、配向膜１７０と１８０との間に拘束されたダイレクタ２１２と２１４と２１６とが含まれる。ダイレクタ２１４は（例えば、配向膜１７０および１８０からは離間している）ＬＣ混合物１２０層の大部分を占めており、ダイレクタ２１２および２１６は（例えば、境界面１５０および１６０における）表面接触ダイレクタである。

例えば、図１および図２を参照すると、透明な第１基板１３０は、透明導電性電極膜（図示せず）と、（図示されたフィールドにおいて表面接触ダイレクタ２１２によって表示された）表面接触液晶ダイレクタの第１プレチルト角θ１および第１方位角（図２における正のｘ軸）を生成する第１液晶配向膜１７０とを含む。第２基板１４０は、画素化された反射膜（例えば、バックプレーン）（図示せず）と、（図示されたフィールドにおいて表面接触ダイレクタ２１６によって表示された）表面接触液晶ダイレクタの第２プレチルト角θ２および第２方位角（図２における負のｙ軸）を生成する第２液晶配向膜１８０とを含む。

図２の例を参照すると、第１配向膜１７０上の表面接触ダイレクタ２１２はｘ−ｚ面に位置し、第２配向膜１８０上の表面接触ダイレクタ２１６はｙ−ｚ面に位置する。

プレチルト角
表面接触ダイレクタ２１２および２１６のプレチルト角θ１およびθ２はそれぞれ、配向膜１７０および１８０における表面接触ダイレクタ２１２および２１６と、境界面１５０および１６０に対する法線（例えばｚ軸）との極角として定義される。

例示的な実施形態によれば、第１基板１３０および第２基板１４０におけるプレチルト角θ１およびθ２は２〜１５度の範囲内である。

構造上のねじれ角および回転方向
ＬＣ構造の構造上のねじれ角Ｆは、（ｚ＝ｄの場合のｘ軸に沿った）第１配向膜１７０におけるＬＣダイレクタ２１２の方位角と、（ｚ＝０の場合の負のｙ軸に沿った）第２配向膜１８０におけるＬＣダイレクタ２１６の方位角との差である。

上記のように、構造上のねじれ角Ｆはディスプレイ装置１００の設計上の構造によって定義される。具体的には、ディスプレイ装置１００におけるＬＣ混合物１２０の構造上の回転方向２２０（例えば、ねじれ方向）は、第１基板１３０および第２基板１４０における配向膜１７０および１８０の設計によって、例えば、表面接触ＬＣダイレクタ／分子２１２および２１６の方位角（ｘ軸およびｙ軸）の操作に起因してもよい（例えば、米国特許第８，７２４，０５９号および第９，５５１，９０１号で実施されており、これらは参照により本明細書に組み込まれるものとする）。

図２の例示的な実施形態では、構造上の回転ねじれ感覚２２０は右回りで、構造上のねじれ角Ｆは９０度である。本発明の実施形態では、構造上のねじれ角Ｆは７５〜１３０度の範囲内である。

［図３ ＬＣ混合物］
図３を参照して、ＬＣ混合物１２０について詳細に説明する。ＬＣ混合物１２０には、ＬＣ材料３００に溶解したカイラル剤３１０が含まれる。具体的には、ＬＣ混合物１２０の分子は、ＬＣ混合物１２０がディスプレイ装置１００から独立し、（例えば、ジャー内の）配向膜１７０および１８０に従属しない状態で概略的に示されている。

ＬＣ混合物１２０はカイラルネマチック液晶と呼ばれることもある。カイラルネマチック液晶分子は、仮想平面３４０、３４１、３４２、３４３、３４４、３４５、３４６内の位置秩序はないが、１つの仮想平面３４０、３４１、３４２、３４３、３４４、３４５、３４６から次の平面へと回転するダイレクタ軸３７０を有して、仮想平面３４０、３４１、３４２、３４３、３４４、３４５、３４６上に組織化されている。図３において、ＬＣ材料３００の分子とカイラル剤３１０の分子は、カイラル軸３５０に対して垂直な仮想平面３４０、３４１、３４２、３４３、３４４、３４５、３４６上に示されている。

本発明の実施形態によれば、ＬＣ材料３００、例えばネマティックＬＣ物質は一般的に、ＬＣ材料３００の全分子を緩やかな並列配置に並べる。しかし、カイラル剤３１０をＬＣ材料３００に加えると、ＬＣ材料３００の分子はカイラルネマチック相に入り、同相ではＬＣ材料３００の分子は平行な仮想平面３４０、３４１、３４２、３４３、３４４、３４５、３４６上に配置され、隣接する仮想平面３４０、３４１、３４２、３４３、３４４、３４５、３４６はＬＣ混合物１２０の内在性回転方向３６０に従ってわずかに回転する。図３を参照すると、ＬＣ混合物１２０の内在性回転方向３６０は左回りであり、ＬＣ材料３００の分子およびカイラル剤３１０の分子が、１つの仮想平面３４０、３４１、３４２、３４３、３４４、３４５、３４６からカイラル軸３５０に沿って次の平面まで移動し方向を変更する（すなわち、回転する）様子が図示されている。

内在性回転方向
カイラル剤３１０は内在性の（すなわち、本来備わった）ねじれを有し、図３に示すように、ＬＣ混合物１２０がディスプレイ装置１００の外的配向力による作用を受けていない場合、ＬＣ混合物１２０に対してねじれ（内在性回転方向３６０、すなわち特定の配向、例えば右回りまたは左回りの配向）をもたらす。

カイラル剤３１０は、ＬＣ混合物１２０の左右傾向（カイラル性）を決定する。カイラル性は、１つの仮想平面３４０、３４１、３４２、３４３、３４４、３４５、３４６から次の平面への方位角の有限ねじれ３６０を誘導し、これにより分子軸が層法線に沿って螺旋状にねじれる。ＬＣ混合物１２０の内在性回転方向３６０は、ＬＣ材料３００の分子およびカイラル剤３１０の分子のカイラル軸３５０に沿ったねじれ方向である。

カイラル剤３１０によって、ＬＣ混合物１２０の内在性ピッチＰｏおよび内在性回転方向３６０が決定する。カイラル剤３１０をＬＣ材料３００に加えると、ＬＣ混合物１２０の内在性回転方向３６０と関連付けられた内在性ピッチＰｏを有するＬＣ混合物１２０がもたらされる。

内在性ピッチＰｏ
具体的には、ＬＣ材料３００の分子とカイラル剤３１０の分子は、仮想平面３４０、３４１、３４２、３４３、３４４、３４５、３４６内の位置秩序なく仮想平面３４０、３４１、３４２、３４３、３４４、３４５、３４６上に組織化されるが、１つの仮想平面３４０、３４１、３４２、３４３、３４４、３４５、３４６から次の平面へと変化するダイレクタ軸３７０に沿って並ぶ。例えば、各仮想平面３４０、３４１、３４２、３４３、３４４、３４５、３４６における分子のダイレクタ軸３７０はカイラル軸３５０に対して垂直である。ダイレクタ軸３７０がカイラル軸３５０に沿って移動する変化は、本質的に周期性を有する傾向がある。この変化の周期（３６０度の全回転が完了する距離）は、ピッチＰｏとして知られている。図３において、ピッチＰｏはＬＣ混合物１２０の内在性ピッチＰｏと見なされる。これは、ＬＣ混合物１２０が、ディスプレイ装置１００の配向膜１７０および１８０の配向影響をまったく受けていないからである。

カイラル剤３１０の濃度を定義する業界の標準的な方法としては、ＬＣ混合物１２０の内在性ピッチＰｏの値を示す方法がある。内在性ピッチＰｏ（１ピッチ長）は、図３に示すように、ＬＣ材料３００の分子およびカイラル剤３１０の分子を３６０度完全に回転させたとき、螺旋軸（例えば、カイラル軸３５０）に沿った距離である。

螺旋ピッチＰｏは、カイラル剤３１０の螺旋ねじり力（ＨＴＰ）と、ＬＣ混合物１２０におけるカイラル剤３１０の濃度（Ｃ）との関数である。内在性ピッチＰｏは、Ｐｏ＝［ＨＴＰ・Ｃ］^−１の式で算出でき、同式において螺旋ねじり力（ＨＴＰ）はμｍ^−１の単位で、濃度（Ｃ）はｗｔ％でそれぞれ表される。濃度（Ｃ）および螺旋ねじり力（ＨＴＰ）が高いほど、内在性ピッチＰｏは短くなる。

この関係に基づいて、ピッチ値Ｐｏが異なる複数のＬＣ混合物１２０を用意できる。さらに、ＬＣ混合物１２０の回転方向３６０は、カイラル剤３１０を選択することで決定できる。内在性ピッチＰｏは、右回りの内在性回転方向３６０の場合は正の値、左回りの内在性回転方向３６０の場合は負の値となる。図３の例では、内在性回転方向３６０は左回りである。

［ＬＣ混合物用カイラル剤の選択］
ＬＣ混合物１２０には、本発明に従って、少なくとも一種類のＬＣ材料３００と少なくとも一種類のカイラル剤３１０とが含まれる。例えば、ＬＣ混合物１２０は、他のＬＣ材料または物質を含む、または組み合わせた、または混ぜ合わせたＬＣ材料３００を含んでもよい。

回転方向
本発明の実施形態において、ＬＣ混合物１２０の構造上の回転方向２２０は、配向膜１７０および１８０に少なくとも部分的に起因する。ディスプレイ装置１００は、ＬＣ混合物１２０をディスプレイ１００に配置するとき、ＬＣ混合物１２０を右回りまたは左回りにねじる、すなわち回転させる。ただし、説明を分かりやすくするため、ディスプレイ由来の回転方向２２０は、ディスプレイ装置１００におけるＬＣ材料３００とともに記述する。

ＬＣ材料３００または物質が、例えばディスプレイ装置１００の基板１３０および１４０上の配向膜１７０および１８０を介して、ディスプレイ装置１００に配置されている場合（すなわち、ディスプレイ由来の回転方向）、ＬＣディスプレイ装置１００は、ディスプレイ由来の回転方向２２０に応じて、ＬＣ材料３００または物質を右回りまたは左回りにねじる、すなわち回転させるように設計される。

カイラル剤３１０は、ディスプレイ装置１００から独立したＬＣ混合物１２０が、ディスプレイ由来の回転方向２２０とは逆の内在性回転方向３６０を有するように選択される。

カイラル剤３１０は、ＬＣ材料３００に対して、右回りまたは左回りのいずれかを誘導するため、結果として得られるＬＣ混合物１２０は、カイラル剤３１０の追加によって内在性回転方向３６０を有する。例えば、メルク社（Ｍｅｒｃｋ ＫＧａＡ）が製造するカイラル剤Ｓ−８１１、Ｒ−８１１、Ｓ−１０１１、Ｒ−１０１１は、「Ｓ−」および「Ｒ−」がそれぞれ、左回りおよび右回りの螺旋ねじり力を表している。本発明の実施形態では、メルク社のカイラル剤Ｓ−８１１、Ｒ−８１１、Ｓ−１０１１、Ｒ−１０１１のうち少なくとも１つを採用する。

ただし、当業者は、その他のカイラル剤やカイラル剤の混合物を採用してもよいことを理解すべきであろう。

ＬＣディスプレイ装置１００においてＬＣ混合物１２０（すなわち、少なくとも１つのＬＣ物質またはＬＣ材料３００と、カイラル剤３１０または物質とを含むＬＣ混合物）を採用する場合、例えば、ＬＣディスプレイ装置１００における配向膜１７０および１８０によってＬＣ混合物１２０に課せられた力が、ディスプレイ装置１００外にあるときのＬＣ混合物１２０の内在性回転方向３６０とは逆の、かつ内在性回転方向３６０を圧倒し、変化させ、または修正する構造上の回転方向２２０を、ＬＣ混合物１２０上に誘導する。

［図４ 方法］
例示的な方法４００の第１ステップ４１０により、ディスプレイ装置１００の構造上の回転ねじれ角Ｆおよび感覚２２０を、配向膜１７０および１８０の方位角とプレチルト角θ１およびθ２とによって決定する。例示的な方法４００の第２ステップ４２０により、逆の内在性回転方向３６０を有するカイラル剤３１０をＬＣ材料３００に追加して、ＬＣ混合物１２０を形成する。

例えば、ディスプレイ装置１００におけるＬＣ材料３００の構造上の回転方向２２０が右回りの場合、本発明の実施形態では、左回りのカイラル剤３１０（例えば、Ｓラベル付きのカイラル剤）をＬＣ材料３００に追加して、ＬＣ混合物１２０を形成する。

別の例では、ディスプレイ装置１００におけるＬＣ材料３００の構造上の回転方向２２０が左回りの場合、本発明の実施形態では、右回りのカイラル剤３１０（例えば、Ｒラベル付きのカイラル剤）をＬＣ材料３００に追加して、ＬＣ混合物１２０を形成する。

ＬＣ材料３００に追加するカイラル剤３１０の左右傾向が決定すると、方法４００の第３ステップ４３０により、カイラル剤３１０をその左右傾向を有するカイラル剤３１０群から選択できる。

内在性ピッチＰｏおよびｄ／Ｐｏ比
カイラル剤３１０を選択すると、例示的な方法４００の第４ステップ４４０により、カイラル剤３１０の濃度（Ｃ）を、ＬＣ混合物１２０の所望の内在性ピッチＰｏに基づいた、より具体的には所望のｄ／Ｐｏ比に基づいた、螺旋ねじり力ＨＴＰから決定できる。

ｄ／Ｐｏ比は、ＬＣ混合物１２０がディスプレイ装置１００内にある場合のＬＣ混合物１２０の厚み（ｄ）（すなわち、ディスプレイ装置１００のセルギャップ、すなわちセル間隔）の、ＬＣ混合物１２０の内在性ピッチＰｏに対する比率である。そのため、ｄ／Ｐｏ比は、ディスプレイ装置１００におけるＬＣ混合物１２０の厚み（ｄ）、すなわちディスプレイ装置１００のセルギャップとＬＣ混合物１２０の内在性ピッチ（Ｐｏ）との両方を表す。

一般的には、厚み（ｄ）および内在性ピッチ（Ｐｏ）のいずれかまたは両方を選択することで、所望のｄ／Ｐｏ比を達成できる。例示的な方法４００によれば、ディスプレイ装置１００における所定の厚みｄに対して、カイラル剤３１０の濃度（Ｃ）を選択することで、ｄ／Ｐｏ比が所望の範囲内に収まる内在性ピッチＰｏを有するＬＣ混合物１２０を提供できる。具体的には、選択したカイラル剤３１０の螺旋ねじり力（ＨＴＰ）を把握することで、カイラル剤３１０の濃度（Ｃ）をＣ＝（ｄ／Ｐｏ）［ｄ・ＨＴＰ］^−１にしたがって決定し、所望のｄ／Ｐｏ比を達成できる。以下でより詳しく説明するように、所望のｄ／Ｐｏ比には−０．２〜−０．４の範囲のｄ／Ｐｏ比が含まれ、負の値はディスプレイ装置１００外のＬＣ混合物１２０の内在性回転方向３６０がディスプレイ装置１００内のＬＣ混合物１２０の構造上の回転方向２２０とは逆であることを表している。

図５〜９ コントラスト比、チルト角、スループットに対するｄ／Ｐｏ比の影響
図５〜６を参照して下記に説明するように、所望のｄ／Ｐｏ比では、ディスプレイ装置１００のコントラスト比が向上する。具体的には、図７〜８および図２のＬＣダイレクタフィールド２１０を参照して下記に説明するように、ＬＣ混合物１２０層の大部分を占めるＬＣダイレクタ２１４のＬＣチルト角θが大幅に低角度となる一方、表面接触ダイレクタ２１２および２１６のプレチルト角θ１およびθ２は高角度に維持される。ＬＣ混合物１２０層の大部分を占めるＬＣダイレクタ２１４の低チルト角θによってコントラスト比が上昇する一方、同時に配向膜１７０および１８０における表面接触ダイレクタ２１２および２１６の高プレチルト角θ１およびθ２によって画素間の欠陥およびズレが抑制される。

図５〜９ ディスプレイにおけるＬＣ混合物のグラフ表示
図５〜９は、上記のＬＣ混合物１２０を含む種々のＬＣ混合物１２０を取り込み、結果として多様なｄ／Ｐｏ比を有する、種々のディスプレイ装置１００のコントラスト比、チルト角、スループットなどの性能測定値を示す。

図５〜９において、正のｄ／Ｐｏ比値は、ディスプレイ装置におけるＬＣ混合物の回転ねじれ感覚と、（カイラルを含む）ＬＣ混合物の内在性ねじれ感覚とが同一の左右傾向、すなわち感覚を有することを示している。なお、上記の方法４００によれば、左右傾向が同一であることから、正のｄ／Ｐｏ値は使用しない。ただし、これらのｄ／Ｐｏ比は、逆の左右傾向に対するコントラスト比の向上を示すのに用いられる。

負のｄ／Ｐｏ比値は、本発明によれば、左右傾向が逆の場合に対応する。つまり、ＬＣ混合物１２０がＬＣディスプレイ装置１００の力、すなわち要素（例えば、配向膜１７０および１８０）を受けて、ＬＣ混合物１２０の内在性回転方向３６０が構造上の回転方向２２０とは逆になる場合に対応する。

図５および６：コントラスト比対ｄ／Ｐｏ比
一般的に、所望のｄ／Ｐｏ比とは、ディスプレイ装置１００のコントラスト比を大幅に上昇させる値である。図５は、ＬＣｏＳディスプレイ（例えば、ＬＣディスプレイ装置１００）のコントラスト比とｄ／Ｐｏ比とを比較したシミュレーションを示すグラフである。図５には２つの曲線が示されている。１つの曲線は、ｆ／３．２光学系で動作する、本発明による投射光学設計などの光学設計のものであり、もう１つの曲線は、ｆ／２．４光学系で動作する、本発明による投射光学設計などの光学設計のものである。

図５では、負のｄ／Ｐｏ比、特に−０．３の値付近でコントラスト比が大きいことが明らかである。ｄ／Ｐｏ比が０から＋０．５まで上昇するにつれて、コントラスト比が低下する。

また、ｄ／Ｐｏ比が−０．４４７を下回るのは望ましくない。その理由としては、この時点で、ＬＣ混合物１２０の内在性ねじれ感覚３６０が９０度の構造上のねじれＦを圧倒し、ディスプレイ装置１００は、間違った構造上のねじれ感覚（すなわち、構造上のねじれ感覚２２０の逆であり、ＬＣ混合物１２０の内在性ねじれ感覚３６０と同一の構造上のねじれ感覚）で、２７０度の構造上のねじれＦに移行するからである。

同様に、図６は、（４つの異なる製造ロットの）一連の異なるディスプレイを対象に、コントラスト比とｄ／Ｐｏ比とを比較した計測結果を示すグラフである。これらの実験では、異なるロットの、一連の構造上右回りのディスプレイセル１００に、さまざまな量の左回りのカイラル剤３１０を含むＬＣ混合物１２０を充填した。その結果、ディスプレイ装置１００は負のｄ／Ｐｏ比の範囲を含んでいる。

図６からわかるとおり、左回りのカイラル剤３１０を追加することによって、ディスプレイ装置１００のコントラスト比を上昇させる（例えば、２〜６倍）ことが可能になる。ただし、ｄ／Ｐｏ比が約−０．３３より大幅に負になると、例えば、間違った構造上のねじれ感覚への移行が始まり、欠陥が生じ始める。

９０度の構造上のねじれを有する本発明の一実施形態において、ｄ／Ｐｏ比の値は−０．１０〜−０．３３の範囲内であり、その結果、コントラスト比が上昇する。例えば、図５〜９は９０度のねじれ角を表している。

そのほかの実施形態では、構造上のねじれ角は７５〜１３０度の範囲内、または８２〜９８度の範囲内である。構造上のねじれ角が小さくなると、好ましいｄ／Ｐｏ比も比例して小さくなり、構造上のねじれ角が大きくなると、好ましいｄ／Ｐｏ比も比例して大きくなる。例えば、７５度の場合、ｄ／Ｐｏ比の値は−０．２７〜−０．０８の範囲内であり、１３０度の場合、ｄ／Ｐｏ比の値は−０．４８〜−０．１４の範囲内である。

図７および図８：ｄ／Ｐｏに対するＬＣ層内のチルト角
前述のとおり、ＬＣ混合物１２０層の大部分を占めるＬＣダイレクタ２１４のＬＣチルト角θは大幅に低角度となる一方、表面接触ダイレクタ２１２および２１６のプレチルト角θ１およびθ２は高角度に維持される。

例えば、表面接触ダイレクタ２１２および２１６は、配向膜１７０および１８０において２度以上のプレチルト角θ１およびθ２を有する。配向膜１７０および１８０におけるプレチルト角θ１およびθ２が高角度になることで、画素境界において画素間欠陥およびズレが低減する。

例えば、ＬＣダイレクタ２１４のチルト角θは、ＬＣ混合物１２０の大部分において１〜８度の範囲内である。

図７は、ディスプレイ装置１００に電圧が印加されていない場合のｄ／Ｐｏ比の種々の値に対する、ＬＣダイレクタフィールド２１０（同図においてｘ軸値は、ＬＣ混合物１２０の厚みｄを通過する距離の割合である）内の（例えば、ダイレクタ２１２、２１４、２１６の）チルト角θのプロファイルを示すシミュレーションである。同図では、チルト角θがＬＣ混合物１２０の厚みｄを通してｄ／Ｐｏ比によってどう変化するのか、ｄ／Ｐｏ比が同一の場合、前述のように、ＬＣ混合物１２０の低チルト角θが高コントラスト比にどう対応するのかが見てとれる。

引き続き図７を参照して、２つの配向膜１７０および１８０における表面接触ダイレクタ２１２および２１６のプレチルト角θ１およびθ２（ｘ軸上の０．０および１．０の小数値で示される）は、１０度に固定され、ｄ／Ｐｏ比に依存しない。チルト角θは、ｄ／Ｐｏ比の値に応じて、１０度境界プレチルト角θの値からＬＣダイレクタフィールド２１０の中央における最大値または最小値（ｘ軸上では０．５）まで増減する。

前述のとおり、上記の方法４００によれば、左右傾向が同一であることから、正のｄ／Ｐｏ値は使用しない。ただし、これらのｄ／Ｐｏ比は、逆の左右傾向に対する低チルト角を示すのに用いられる。

カイラル剤３１０（すなわち、ｄ／Ｐｏ＝０）を追加せずに、ＴＶＡＮモードの場合は、米国特許第８，７２４，０５９号および第９，５５１，９０１号に記載のとおり（これらの特許は参照により本明細書に組み込まれるものとする）、中間層ダイレクタ２１４のチルト角θは約７．１５度であり、配向膜１７０および１８０における１０度の値よりも２．８５度低い。ＴＶＡＮモードの中層ダイレクタ２１４のチルト角θが小さいほど、全体的な残留遅延が減少して、暗状態の光漏れが少なくなり、ＶＡＮモードよりもコントラスト比は高まる。残留遅延とは、表面接触ダイレクタが配向膜に対して完全に垂直ではなく、わずかなプレチルト角を形成することから発生する遅延である。

図７に示すとおり、ｄ／Ｐｏ比が０未満に低下すると、中間層ダイレクタ２１４のチルト角θがさらに低角度になり、残留遅延がさらに減少し、コントラスト比はさらに上昇する。最終的に、中間層ダイレクタ２１４のチルト角θは、ｄ／Ｐｏ＝−０．４４７のときに０になる。ｄ／Ｐｏ比が−０．４４７未満に低下すると、間違った構造上のねじれ感覚を有する構造上のねじれ角に移行する。

ｄ／Ｐｏ比を０より大きくすると、中間層ダイレクタ２１４のチルト角θが大きくなり、ｄ／ｐｏ値が０．３、０．４、および０．５のとき、中間層ダイレクタ２１４のチルト角θは境界１３０および１４０におけるプレチルト角θを実際には上回ることになる。これにより、残留遅延およびそれに伴う光漏れが増加し、コントラスト比は低下する。

図４および図５に示すコントラスト比とｄ／Ｐｏ比の挙動との比較は、チルト角θのｄ／Ｐｏ比の変化に対する応答によって、定性的に説明できる。チルト角θが小さくなると、コントラスト比が高まる。

図８は、ディスプレイ装置１００に電圧が印加されていない場合の中間層ダイレクタ２１４のチルト角θのｄ／Ｐｏ比への依存性を示す。同図では、約１〜４．５度の範囲の中間層ダイレクタ２１４のチルト角θは、約−０．４〜−０．２の範囲のｄ／Ｐｏ比を用いて達成し得る。前述のとおり、上記の方法４００によれば、左右傾向が同一であることから、正のｄ／Ｐｏ値は使用しない。ただし、これらのｄ／Ｐｏ比は、逆の左右傾向に対する低チルト角を示すのに用いられる。

図９：スループットに対するｄ／Ｐｏの影響
図９は、ディスプレイ装置１００に電圧が印加される場合のｄ／Ｐｏ比に対するスループットまたは偏光変換効率の依存性を示す。１００％に近いＬＣｏＳスループットは、−０．４以上かつ−０．２以下の範囲内のｄ／Ｐｏ比を用いて達成し得る。前述のとおり、上記の方法４００によれば、左右傾向が同一であることから、正のｄ／Ｐｏ値は使用しない。ただし、これらのｄ／Ｐｏ比は、逆の左右傾向に対するスループットの向上を示すのに用いられる。

［結論］
本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく、様々な修正および変更が本発明においてなされ得ることは、当業者にとって明らかであろう。したがって、このような修正および変更も、添付の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内である限り、本発明に含まれることが意図される。

Claims (20)

1. 液晶ディスプレイ装置であって、
   第１配向膜を有する第１基板と、
   第２配向膜を有する第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板との間に位置し、前記第１配向膜と前記第２配向膜との間の距離によって画定された厚みを有する液晶混合物とを備え、
   前記液晶混合物は、
   液晶材料と、
   カイラル剤とからなり、
   前記第１配向膜および前記第２配向膜は、前記液晶混合物が第１ねじれ構造を採用するように構成され、前記第１ねじれ構造は構造上のねじれ角と構造上の回転方向とを有し、
   前記カイラル剤は螺旋ねじり力を有し、前記液晶混合物は、前記液晶混合物が前記第１配向膜および前記第２配向膜から独立し、前記構造上の回転方向とは逆の内在性回転方向を有するように前記カイラル剤の濃度を有する、液晶ディスプレイ装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、前記カイラル剤の前記濃度および前記螺旋ねじり力によって、前記液晶混合物の内在性ピッチを決定し、
   前記厚みを前記内在性ピッチで除した値が−０．１〜−０．４５の範囲内である装置。
3. 請求項１に記載の装置であって、前記第１ねじれ構造が、前記第１配向膜における第１表面ダイレクタと、前記第２配向膜における第２表面ダイレクタと、前記第１表面ダイレクタと前記第２表面ダイレクタとの間の中間層ダイレクタを含む複数の中間ダイレクタとを備えており、
   前記第１表面ダイレクタは第１プレチルト角と第１方位角とを有し、前記第２表面ダイレクタは第２プレチルト角と第２方位角とを有しており、
   前記構造上のねじれ角は前記第１方位角と前記第２方位角との間の角度である装置。
4. 請求項３に記載の装置であって、前記構造上のねじれ角が７５〜１３０度の範囲内である装置。
5. 請求項３に記載の装置であって、前記構造上のねじれ角が８２〜９８度の範囲内である装置。
6. 請求項５に記載の装置であって、前記構造上のねじれ角が９０度である装置。
7. 請求項３に記載の装置であって、前記第１プレチルト角および前記第２プレチルト角がそれぞれ、２〜１５度の範囲内である装置。
8. 請求項３に記載の装置であって、前記第１プレチルト角および前記第２プレチルト角がそれぞれ、８〜１２度の範囲内である装置。
9. 請求項３に記載の装置であって、前記中間層ダイレクタのチルト角が１〜５度の範囲内である装置。
10. 請求項３に記載の装置であって、前記複数の中間ダイレクタがそれぞれ、１〜８度の範囲内である装置。
11. 請求項２に記載の装置であって、前記厚みを前記内在性ピッチで除した前記値が−０．２〜−０．４の範囲内である装置。
12. 請求項１に記載の装置であって、画素ピッチがそれぞれ４．０μｍ以下である複数の画素要素を備えた装置。
13. 請求項１に記載の装置であって、前記厚みが２．０μｍ以下である装置。
14. 請求項１に記載の装置であって、スループットが９９％を超える装置。
15. 液晶ディスプレイ装置における液晶混合物の構造上の回転方向を決定するステップであって、前記液晶ディスプレイ装置が
    第１配向膜を有する第１基板と、
    第２配向膜を有する第２基板と、
    前記第１基板と前記第２基板との間に位置し、前記第１配向膜と前記第２配向膜との間の距離によって画定された厚みを有する前記液晶混合物とを備えたステップと、
    前記構造上の回転方向とは逆の回転方向を有するカイラル剤であって、螺旋ねじり力を有するカイラル剤を選択するステップと、
    前記液晶混合物の前記厚みを決定するステップと、
    液晶材料および前記カイラル剤を含む前記液晶混合物の内在性ピッチで除した前記厚みの値を決定するステップであって、前記値が−０．１〜−０．４の範囲内であるステップと、
    前記厚みおよび前記値に応じて前記内在性ピッチを決定するステップと、
    前記内在性ピッチおよび前記螺旋ねじり力に応じて前記カイラル剤の濃度を決定するステップと、
    前記カイラル剤と前記液晶材料とを混合して、前記決定した濃度のカイラル剤を含む前記液晶混合物を形成するステップとからなる方法。
16. 請求項１５に記載の方法であって、前記第１配向膜および前記第２配向膜は、前記液晶混合物が第１ねじれ構造を採用するように構成され、前記第１ねじれ構造は構造上のねじれ角と前記構造上の回転方向とを有する方法。
17. 請求項１６に記載の方法であって、前記第１ねじれ構造が、前記第１配向膜における第１表面ダイレクタと、前記第２配向膜における第２表面ダイレクタと、前記第１表面ダイレクタと前記第２表面ダイレクタとの間の中間層ダイレクタを含む複数の中間ダイレクタとを備えており、
    前記第１表面ダイレクタは第１プレチルト角と第１方位角とを有し、前記第２表面ダイレクタは第２プレチルト角と第２方位角とを有しており、
    前記構造上のねじれ角は前記第１方位角と前記第２方位角との間の角度である方法。
18. 請求項１７に記載の方法であって、前記構造上のねじれ角が７５〜１３０度の範囲内であって、
    前記第１プレチルト角および前記第２プレチルト角がそれぞれ、２〜１５度の範囲内であって、
    前記中間層ダイレクタのチルト角が１〜５度の範囲内であって、
    前記複数の中間ダイレクタがそれぞれ、１〜８度の範囲内である方法。
19. ディスプレイに配置される液晶混合物であって、
    液晶材料と、
    カイラル剤とからなり、
    前記液晶材料は、前記ディスプレイによって前記液晶混合物上に課せられる前記構造上の回転方向とは逆方向の内在性回転方向を有する液晶混合物。
20. 請求項１９に記載の液晶混合物であって、前記液晶混合物は、ディスプレイの第１配向膜および第２配向膜の影響下で第１ねじれ構造を採用するように構成され、前記第１ねじれ構造は構造上のねじれ角と前記構造上の回転方向とを有し、
    前記カイラル剤は螺旋ねじり力を有し、前記液晶混合物は、前記液晶混合物が前記第１配向膜および前記第２配向膜から独立し、前記構造上の回転方向とは逆の前記内在性回転方向を有するように前記カイラル剤の濃度を有する、液晶混合物。
    

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