JP4484422B2 - 双安定ネマティック液晶デバイス - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、双安定ネマティック液晶デバイスに関する。
【0002】
【従来の技術】
液晶デバイスは典型的には、液晶(「LC」)材料を間に挟んで向かい合って配置される、一対の離間された半透明セル壁を含む。これらのセル壁は、電界をかけて液晶材料を配向させるための、透明な配線電極のパターンを有する。
【0003】
液晶材料は、長軸と短軸に沿って異なる光学的性質を有する、棒状又は木摺状の分子である。これらの分子は、ある程度の長い範囲にわたって規則性を示し、従って局所的には、隣接する分子と同様の配向を取り入れる傾向がある。分子の長軸の局所的な配向は、ディレクタと呼ばれる。ディレクタがセル壁の平面に対して垂直に向けられるとき、それをホメオトロピック配向と呼ぶ。セル壁の平面に沿ったディレクタの配向、及びセル壁の平面に対してある角度をなすディレクタの配向はそれぞれ、平面ホモジニアス配向及び傾斜ホモジニアス配向と呼ばれる。
【0004】
液晶材料には3つの種類、すなわちネマティック、コレステリック(キラルネマティック)、及びスメクティックがある。本発明はネマティック液晶材料を用いるデバイスに関し、これは任意選択的に、キラルであるか、あるいはキラルにドープされることができる。
【0005】
ネマティック液晶材料を用いる典型的な液晶ディスプレイは単安定であり、電界をかけることによって液晶分子が「オン」状態に配列され、電界を取り除くと液晶分子は所定の「オフ」状態に戻る。そのような単安定モードの例には、ツイステッドネマティック(TN)、スーパーツイステッドネマティック(STN)及びハイブリッド配向ネマティック(HAN)の各モードがある。「オン」状態の各画素は、電界閾値より高いレベルに保持されねばならない。このことは、複雑なディスプレイをアドレス指定してマトリクス駆動する際に問題を生じうる。こうした問題は、薄膜トランジスタ(TFT)によって各画素を駆動することで解消可能であるが、大面積のTFTアレイを製造することは難しく、また製造コストの上昇を招く。
【0006】
多数の双安定液晶デバイスが提案されている。こうしたデバイスでは、ネマティック液晶は2つ以上の安定した配向のディレクタを有し、適当な波形によってアドレス指定されると、2つの安定状態の間で切り替わることができる。
【0007】
米国特許第4333708号は、安定した分子配列状態の間での切り替えが、電界に応じて回位を移動させることによりなされる、多安定液晶デバイスを開示する。
【0008】
WO91/11747及びWO92/00546には、SiOコーティングの厚み及び蒸発を注意深く制御することで、双安定表面を設けることが提案されている。ディレクタが平面状をなす第1の安定した配向と、ディレクタが、その表面の平面内において第1の配向に対して90°のアジマス角(表面の平面内で)をなすと共に約30°だけ傾斜した、第2の安定した配向とを得ることができる。
【0009】
英国特許第2286467号には、ディレクタが表面に対して平面状であり、回折格子の寸法を正確に制御することによって2つの表面配向を安定化させる、二重回折格子表面を用いることにより、アジマス双安定表面を達成することが提案されている。
【0010】
R.N.Thurston等による「機械的双安定液晶ディスプレイ構造」(IEEE Trans. on Elec. Devices, Vol. ED-27, No. 11, Nov. 1980)には、「垂直−水平」及び「水平−水平」と呼ばれる2つの双安定ネマティック液晶モードが記載されている。垂直−水平モードでは、両方のセル壁が大体45°の傾斜を与えるように処理され、そのデバイスの主たる面に垂直な平面内において、ディレクタが2つの状態間で切り替わることを可能にする。水平−水平モードでは、ディレクタは、そのデバイスの主たる面に平行な平面内において、2つの角度の間で切り替え可能である。
【0011】
WO97/14990及びWO99/34251は、ホメオトロピックな局所ディレクタを有する単一回折格子表面の利用を記載している。このディレクタは、同じアジマス平面内にあり、異なる傾斜角を有する2つの安定状態を有する。ホメオトロピック配向は、自発的なホメオトロピック配向を生じさせる材料の層内に単一回折格子を形成することにより、より具体的には、レシチンのようなホメオトロピック誘発配向剤で回折格子表面をコーティングすることにより達成される。WO01/40853は類似のディスプレイ技術を記載しており、そこでは局所的なホメオトロピック配向を有する小さな配向領域が、回折格子領域、突起、あるいは盲孔のような複数の表面造作によって形成され、またこれらは単安定配向の領域によって分離されてもよい。印加される電圧の大きさに応じて散乱量が異なるように、各領域内には段階的な変化を設けてもよく、それによりグレースケール効果が与えられる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、実質的に平面状の局所配列を誘発すると共に、ディレクタが実質的に同じアジマス方向で2つの傾斜角の何れかをとることができるような形状の孔のアレイを有する配向層を用いて、双安定ネマティック液晶デバイスを構成できることを見出した。セルは印加された電界により、2つの傾斜状態の間で切り替え可能であって情報を表示することができ、その情報は電界を取り除いた後も持続可能である。
【0013】
本明細書において、用語「アジマス方向」は以下のように用いられる。セルの壁がxy平面内に存在するものとし、セル壁に対する垂線をz軸とする。同じアジマス方向の2つの傾斜角とは、同じxz平面内におけるディレクタの2つの異なる向きを意味し、ここでxはxy平面上へのディレクタの射影として得られる。
【0014】
本発明の課題は、このような双安定ネマティック液晶デバイスを提供することである。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの側面によれば、双安定ネマティック液晶デバイスが提供され、そのデバイスは、
ネマティック液晶材料の層を挟む第1のセル壁及び第2のセル壁と、
この液晶材料の少なくとも一部を通して電界を印加するための電極と、
少なくとも第1のセル壁の内側表面上にあり、隣接する液晶分子に実質的に平面状の配列をとらせる化学的性質をもつ表面を有する材料からなる配向層とを含み、
配向層がその中に孔のアレイを有し、これらの孔は、各孔に隣接するディレクタが実質的に同一のアジマス方向において2つの異なる傾斜角度をとるようにする形状及び/又は向きを有し、
電極に適当な電気信号が印加された後に2つの安定な液晶分子配列状態が存在しうるように構成されている。
【0016】
本発明は、比較的高速に双安定状態を切り替えることができる、頑丈なディスプレイ装置を提供する。約50μsの持続時間を有する電圧パルスは、切り替えを生じさせるのに適当である。
【0017】
驚くべきことに、ディレクタの配向は、アレイ又は格子によってではなく、孔の幾何学的形状によってもたらされることが見出された。
【0018】
孔は、デバイスの主たる面に垂直か、又はこれに対して傾斜した、実質的に真直ぐな側面を有することができる。あるいは孔は、湾曲した又は不規則な表面形状又は構造を有することができる。
【0019】
ディレクタは局所的に、孔の特定の形状に応じた向きに配列する傾向がある。正方形の孔のアレイの場合、ディレクタは、正方形の2つの対角線のいずれか一方に沿って配列しうる。別の形状が選択された場合には、3つ以上のアジマス(方位)方向が存在する場合も、1つのアジマス方向しか存在しない場合もある。例えば等辺三角形の孔は、実質的に各々の角の二等分線に沿って、3つの方向をもたらすことができる。一方の軸が他方の軸より長い楕円形あるいはダイヤモンド形は、単一の局所的ディレクタ配向をもたらし、これがアジマス方向を規定する。こうした配向は、非常に広汎な種々の孔形状によってもたらされ得ることが理解されよう。さらに、対角線の一方に沿って正方形の孔を傾斜させることにより、1つの方向を、他の方向に優先して選択することができる。同様に、円筒形の孔を傾斜させることにより、傾斜方向の配列を誘発することができる。
【0020】
局所的なディレクタの配向は孔の幾何学的形状によって決定されるので、アレイは必ずしも規則的なアレイでなくてもよい。好ましい実施形態では、孔は規則的な格子ではなく、ランダムあるいは擬似ランダムなアレイに配列される。規則的な格子では、隣接する造作間の間隔は一定である。ランダムアレイでは、隣接する造作の任意の特定の一対の間の間隔は、そのアレイ内の他の何れかの造作の間隔から予測することができない。擬似ランダムアレイでは、隣接する造作の任意の特定の一対の間の間隔は、その間隔を生成するために用いられたプロセスに関する知識を持たない場合には、他の近隣の造作の間隔から容易に予測することはできないが、大きなスケールで見ると、繰返しパターンが存在する場合がある。所望の特性を有するランダム数及び擬似ランダム数の発生は、例えば暗号技術、統計学及びコンピュータプログラミングの技法においてよく知られている。擬似ランダムアレイを生成するためのプロセスの一例は、規則的な間隔で配置されるアレイから出発して、この規則的な間隔の擬似ランダムな分数を用いて、各造作を移動させることであろう。こうした配置は、規則的な構造を利用することに由来しうる回折色を排除するという利点を有する。そのようなアレイはディフューザとして動作しうるものであり、それにより、幾つかのディスプレイで必要とされている外部のディフューザを不要にすることができる。当然、ディスプレイに回折色が望まれる場合には、アレイは規則的に形成することができ、その場合に孔は、所望の干渉効果を生成する間隔でもって、離隔して配置される。こうしてこの構造は、必要とされる配列を与え、またテクスチャ加工された表面から生ずる光学的効果を緩和したり増強したりするように、個別に最適化することができる。
【0021】
配向層は連続的であっても断続的であってもよい。配向層は好ましくは、第1のセル壁上で隣接する電極パターン同士が導通するのを防ぐために、誘電材料から形成される。しかしながら配向層は、他の適当な材料、例えば導電性ポリマーや金属から形成されることもできる。以下の説明では便宜上、本発明は誘電材料から形成される配向層に関して記述される。
【0022】
配向層及び孔は、任意の適当な手段によって、例えばフォトリソグラフィ、エンボス加工、鋳造、射出成形、あるいはキャリア層からの転写によって形成することができる。ホメオトロピック配向を誘発するために、孔を画定する表面をコーティングで処理する必要はない。
【0023】
一実施形態では、液晶ディレクタに、ある程度のねじれがもたらされ、これによってデバイスの光学的特性を改善することができる。そのねじれは、キラルであるか、あるいはキラルにドープされた液晶材料を用いることによってもたらすことができる。加えて、或いは代替的に、ねじれは、平面配列、又は第1のセル壁上の造作によって生ずるアジマス方向に対して0でない角度をなす傾斜した平面配列を誘発するように、第2のセル壁の内側表面を処理することによりもたらしてもよい。
【0024】
第2のセル壁の内側表面は、任意の特定の種類の配向を生ずる傾向を殆ど又は全く示さないように、低い表面エネルギーを有することができる。これによりディレクタの配向は、本質的には第1のセル壁上の造作によって決定されるようになる。しかしながら、第2のセル壁の内側表面は、局所的なディレクタの所望の配向を誘発するような表面配向を与えられることが好ましい。この配向は、ホメオトロピック、平面あるいは傾斜配向の何れでもよい。この配向は、第1のセル壁のアレイに類似した孔のアレイによって、あるいは従来の手段、例えばラビング、光配向、単一回折格子、又はホメオトロピック配向を誘発する剤で壁表面を処理することによって与えることができる。第2のセル壁は好ましくは、実質的にホメオトロピックな局所配列を誘発するように処理される。ホメオトロピック配向は、レシチン、クロム錯体、又はホメオトロピックポリイミドのような、周知の表面処理剤によって達成することができる。このモードでは、大きく傾斜したエネルギーの低い状態から小さく傾斜したエネルギーの高い状態への切り替えを促進するように、負の誘電異方性を有するネマティック液晶を用いることも望ましい。本発明者らは、両方の内側セル壁表面上に孔のアレイがある場合に、双安定な切り替えが行われることを見出した。適当な電極配置が行われていれば、正の誘電異方性の液晶材料で切り替えを行うこともできるはずである。便宜上、以下では本発明は、負の誘電異方性を有する液晶材料と、第2のセル壁上におけるホメオトロピック配向に関して記述するが、本発明がこの実施形態に限定されないことは理解されねばならない。
【0025】
使用に際して本発明のデバイスには、液晶材料の切り替えられた状態を識別するための手段が設けられる。例えば偏光子及び解析子が、液晶デバイスの製造分野において当業者によく知られているようにして、液晶セルのそれぞれの側に取り付けられる。偏光子に対するアジマス配列方向が45°であるように交差された偏光子の間で観察した場合、傾斜の大きな状態は暗く見え、複屈折が増加するため傾斜の小さな状態は明るく見える。代替的には、多色性染料を液晶材料に溶解し、任意選択的に単一の偏光子をセル上に設けてもよい。しかしながら、本発明の装置は、偏光子その他の識別手段なしに製造し、販売することができる。
【0026】
孔は、液晶材料が2つの異なる傾斜状態をとることを可能にする、任意の深さからなることができる。この深さは、孔の形状や幅、液晶材料、及びセルの特性が異なれば異なるであろう。好ましい深さの範囲は0.5〜5μmであり、特に約3μmのセル間隔の場合には0.9〜1.5μmである。孔が浅い場合には、状態は自然とより平面的になり、孔が深い場合には、状態はよりホメオトロピックになる。
【0027】
孔は、任意の都合のよい幅(寸法)からなることができる。好ましい幅の範囲は0.2〜3μmである。孔は好ましくは、相互に0.1〜5μmだけ離して配置される。
【0028】
孔は一方のセル壁上のみに設けてもよく、また任意選択的に、両方のセル壁上に設けることもできる。
【0029】
配向層には任意選択的に、セル壁の間の間隔を与えるための柱(ピラー)その他の突起物を備えることができる。当分野においてよく知られている従来のスペーサ手段、たとえばガラスビーズやガラス繊維片を用いて、セル壁の間隔を設定することができる。配向層はそれ自体で間隔を設定してもよく、その場合にセルは本質的には第1のセル壁と第2のセル壁の間に配向層を挟んだ積重体からなり、液晶が孔に配置される。
【0030】
セル壁はガラスから形成してもよく、あるいは剛性又は剛性でないプラスチック材料、例えばPES、PET、PEEK、又はポリアミドから形成してもよい。
【0031】
1つの電極構造(典型的にはインジウムスズ酸化物のような透明導体)が、公知の仕方で各セル壁の内側表面上に設けられることが好ましい。例えば、第1のセル壁には複数の「行」電極を設け、第2のセル壁には複数の「列」電極を設ることができる。しかしながら、セル壁の一方又は両方に、好ましくは第1のセル壁だけに、平面状(インターディジタル構造)の電極構造を設けることもできる。
【0032】
孔と孔の間にある材料が連続した網状構造を形成する場合、欧州特許第1067425号に教示されているようにして、この微小構造の上側及び下側に電極を設けることもできる。
【0033】
孔の形状及び/又は向きは好ましくは、孔の造作に隣接するディレクタのアジマス配向をただ1つだけ優先するようになされる。この配向は各孔について同じであってもよく、或いはこの配向が孔によって変化し、2つの安定な液晶分子配列状態の一方において散乱効果が与えらるようにしてもよい。
【0034】
液晶に少量の界面活性剤オリゴマーを加えることにより、切り替えを改善可能であることが知られている。例えばWO99/18474、及びG.P.Bryan−Brown、E.L.Wood及びI.C.Sageによるネイチャー誌の論文(Vol. 399, p338, 1999)を参照されたい。本発明者らは、適当な界面活性剤の添加により、本発明によるデバイスの切り替えも改善することを意図している。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明を例示によって、さらに詳細に記載する。
【0036】
図1に概略的に示される双安定ネマティックセルは、第1のセル壁2と第2のセル壁4とを有し、それらは負の誘電異方性のネマティック液晶材料の層を挟み込む。各セル壁の内側表面は、公知のようにして、透明な配線電極のパターン(図示せず)を備える。例えば第1のセル壁2上に行電極が、第2のセル壁4上に列電極が設けられる。
【0037】
第1のセル壁2の内側表面には、誘電体材料の配向層6が設けられ、そこには正方形の孔8の規則的なアレイが形成されている。第2のセル壁4の内側表面は平坦である。孔8は約1μmの深さであり、セルギャップ(セル壁の間の間隔)は典型的には2〜4μmである。平坦な表面は、ホメオトロピック配向を与えるように処理される。孔8及び配向層6は、ホメオトロピック配向を与えるようには処理されない。この表面の化学的性質は、液晶がその表面に隣接して、実質的に平面状の配向をとるようなものとされる。配向層内の孔の実験用アレイのSEM顕微鏡写真が、図2及び図3に示されている。
【0038】
こうした正方形のアレイ状の孔は、孔の2つの対角線に沿って、アジマス平面内に2つの好ましい配向方向を有する。孔の内部でのこの配向は、孔の上方にある液晶の部分(バルク)に伝播され、平均的な配向が、この対角線に沿って行われるようになる。
【0039】
対角線の一方に沿って孔を傾斜させることにより、その配向方向を優先させることができる。この構造のコンピュータシミュレーションを通して、本発明者らは、方位的に見たアジマス配向方向は1つしか存在しないものの、類似のエネルギーを有し液晶の傾斜角度が異なる2つの状態が実際に存在することを見出した。図4及び図5は、孔を通る断面のコンピュータ生成モデルであり、液晶がこうした2つの状態で示されている。この断面はxz平面にある。楕円形で示したものは液晶分子であり、その長軸は局所的なディレクタに対応する。孔の深さは約1μmである。
【0040】
一方の状態(図4)では、液晶は傾斜が小さく、中間では実質的に平面状である。他方の状態(図5)では、液晶は大きく傾斜している。液晶の配列の正確なところは、その細かな構造に依存するが、ある範囲のパラメータについて、セルの垂線からの傾斜の大きさが異なる、2つの別個の状態が存在する。これら2つの状態は、偏光子12及び解析子10を通して視認することにより区別しうる。傾斜が小さい状態は高い複屈折性を有し、傾斜の大きい状態は低い複屈折性を有する。対角線に沿って孔に十分なブレーズ角を与えることにより、逆に傾斜した状態を排除できるようになる。好ましくは、ブレーズ角は少なくとも3°であり、液晶の性質及びセルギャップに応じて定まる。
【0041】
本発明の範囲を何ら制限するものではないが、本発明者らが考察するところによれば、上記した2つの状態は、液晶ディレクタが孔によって変形される態様に起因して生ずるものであろう。孔の内壁の近傍で変形される場合、方向が鋭く変化する孔の垂直な前縁及び後縁の部分において、高いエネルギー密度の領域が生ずる。このエネルギー密度は、液晶分子が傾斜した場合には低減されるが、これは方向の変化がより緩やかになるためである。このことは、孔全体を通じて分子がホメオトロピックになる一方の極限において明らかである。この場合には、孔の垂直な縁部(前縁及び後縁)に、歪の大きな領域は存在しない。それゆえ、傾斜が大きい状態では変形エネルギーは低減されるが、孔の底部、並びに孔と孔の間の上面部分にある平坦な表面からの移行部分において、曲げ/傾斜の変形エネルギーはより大きくなる。これらの表面と接触する液晶は傾斜されていないが、セルの大部分での液晶の傾斜を取り入れるに際して、鋭い方向変化を受けるようになる。
【0042】
傾斜が小さい状態では、逆の意味においてエネルギーの均衡がとられる。即ち傾斜は孔の内部でより一様になるため、孔の前縁及び後縁の辺りでの大きな変形は、孔の内部及び周囲の水平な表面における曲げ/傾斜による変形の欠如によって部分的にバランスされる。コンピュータシミュレーションが示唆するところによれば、ここで示す構成の場合、傾斜が大きい状態はエネルギーがより低い状態である。各状態における傾斜の正確な量は、液晶材料の弾性定数と、孔(配向層)の材料の定着エネルギーとの関数であろう。本明細書において、「水平」という用語は、セル壁の主たる面に実質的に平行な表面を指すように用いられ、「垂直」という用語は、かかる水平表面に垂直な方向を指すように用いられる。
【0043】
さて図6を参照すると、5μm厚(幅)のセルに沿った異なる距離についての、2つの状態についての傾斜分布のコンピュータ生成モデルが示されている。看取されうるように、傾斜の差は孔の上部に行くほど小さくなり、ホメオトロピック配向処理を有するものとしてモデル化した第2のセル壁4において、90°の傾斜角度に収束している。2つの状態間での切り替えは、適当な電気信号を加えることにより達成される。
【0044】
図9は、本発明の別の実施形態の場合の、孔の擬似ランダムアレイを示している。これは、干渉効果を生じることなしに、双安定な切り替えを提供する。正方形の孔の各々は約0.8×0.8μmであり、擬似ランダムアレイは56μmの繰返し距離を有する。
セルの製造
インジウムスズ酸化物(ITO)でコーティングされた清浄なガラス基板2に、適当なフォトレジスト(Shipley S1813)を1.4μmの最終膜厚までスピンコートした。スピンコート直後に、この基板をホットプレート上で1分間、95℃でソフトベーキングした。
【0045】
正方形の透過領域のアレイを正方形に配置して有するフォトマスク(Compugraphics International plc)を基板と強固に接触させた。適当な平行化されたUV光源を用いて、フォトレジストを60秒間、0.1mW/cm2で露光した。用いられたマスクは、0.7μm間隔で離れた1.5μm幅の正方形の穴(透過領域)を有していた。基板は約60秒間、脱イオン水で1:1に希釈された現像液Microposit Develperを用いて現像され、その後洗浄され、乾燥された。この基板を365nmのUV光源を用いて1分間、1mW/cm2でフラッド露光し、85°で1時間ベーキングした。基板はその後、254nmのUV光源を用いて1時間にわたり、〜50mW/cm2で強くUV硬化し、真空オーブンでハードベーキングした。オーブンの温度は、基板を入れた時点で85℃未満であった。その後、温度を毎分3℃で180℃まで上昇させ、その温度で1時間保持し、その後周囲温度までゆっくりと下げた。セル壁の平面に対する垂線に対してあるオフセット(逸れ)角をなして、UV光源を用いマスクを通して露光することにより、傾斜した孔を形成することができた。孔の対角線の一方に沿って約10°のオフセット角を用いた。傾斜角(あるいはブレーズ角)と、そのオフセット角は、スネルの法則によって関連付けられる。現像液への暴露も、孔の形状に影響を与える。最終的な孔はマスクの寸法よりも多少幅が広がったが、これはおそらく壁の領域へ光が幾らか漏れたためであろう。図3に示される配向層は、孔の形状をより明確に示すために切断してある。
【0046】
配線電極のパターンを有する第2の清浄なITO基板4を、公知の仕方でポリイミド(Nissan 1211)を用いて処理し、液晶のホメオトロピック配向をもたらすようにした。このポリイミドは、30秒間、4000rpmでスピンコートすることによって塗布された。1インチ(25.4mm)平方の基板の場合、基板が回転する間に約100μlが堆積された。基板はホットプレート上で1分間、95℃でソフトベーキングされ、その後1時間、180℃でハードベーキングされた。
【0047】
UV硬化接着剤(Norland Optical Adhesives N73)に適当なスペーサビーズ(Micropearl)が含有されたものを用い、365nmのUV光源を用いて硬化することにより、試験用の液晶セルを形成した。この接着剤は、デバイスのフォトレジストが存在しない領域に塗布され、セルギャップが第1の基板2上の露出したITOと第2の基板4上のポリイミドとの間で規定されるようにした。毛管作用により、セルをネマティック液晶混合物(Merck ZLI 4788−000)で充填した。この充填は、液晶がイソトロピック相にある95℃で達成され、その後急冷を行った。スペーシング、組立て、及び液晶セル充填の方法は、液晶デバイス製造分野の当業者に周知である。こうした在来の方法を、本発明によるデバイスのスペーシング、組立て、及び充填にも用いることができる。
実験結果
図7及び図8は、30℃で記録された双安定セルの切り替え応答を示す。このセルは以下の特性を有する。
セルギャップ: 3μm
孔の深さ: 1.4μm
孔の幅: 1.5μm
孔はそれぞれ0.7μmの間隔で、正方形の格子状に配置される。
オフセット角: 孔の対角線の一方に沿って8°
液晶: ZLI 4788−000(Merck)
セルに単極パルスを印加し、透過性に対する影響を記録した。各テストパルスは振幅V、持続時間τであった。各テストパルスをセルに印加する前に、リセットパルスを印加して、そのセルが常に同じ状態から開始されることを確実にした。次いで透過性を測定した。その後にテストパルスを印加し、透過性が再度測定され、最初の透過性と比較された。図7及び図8において、白い部分は透過性に変化を与えなかったパルスを示し、黒い部分はセルを切り替えたパルスの領域を示す。切り替えは符号に依存しており、閾値は1つである。
【0048】
2つの状態はいずれも非常に安定している。理論によって拘束されることを意図するものではないが、本発明者らが信ずるところでは、ミクロンスケールの孔の中に閉じ込められていると、液晶の微視的な流れは制限され、そのデバイスが機械的な変形を大きく容認できるようになるものと考えられる。
【0049】
0.7μm、1.5μm、2.0μm及び3.0μmといった、種々の異なる寸法(幅)の正方形の断面についても試験を行った(それぞれ正方形間に0.7μmの間隔を有する)。1.5μm幅のものが、テストされた中で最も良好に機能した。3μm及び5μmのセルギャップ(ITO−ITO間で測定)もテストされ、良好に機能することが判明した。
【0050】
【発明の効果】
本発明によれば、新規な、安定状態の良好な双安定ネマティック液晶デバイスを実現することができる。
【0051】
最後に本発明の実施態様を列記する。
1.ネマティック液晶材料の層を挟む第1のセル壁及び第2のセル壁と、
前記液晶材料の少なくとも一部を通して電界を印加するための電極と、
少なくとも前記第1のセル壁の内側表面上にあり、隣接する液晶分子に実質的に平面状の配列をとらせる化学的性質をもつ表面を有する材料からなる配向層とを含み、
前記配向層がその中に孔のアレイを有し、これらの孔は、各孔に隣接するディレクタが実質的に同一のアジマス方向において2つの異なる傾斜角度をとるようにする形状及び/又は向きを有し、
前記電極に適当な電気信号が印加された後に2つの安定な液晶分子配列状態が存在しうるように構成された、双安定ネマティック液晶デバイス。
2.前記液晶材料が負の誘電異方性を有する、上記1に記載のデバイス。
3.前記第2のセル壁が、前記ディレクタの実質的にホメオトロピックな局所配列を誘発する表面配向を有する、上記1又は2に記載のデバイス。
4.前記孔が0.5から5μmの範囲の深さを有する、上記1から3のいずれか1に記載のデバイス。
5.前記孔が0.9から1.5μmの範囲の深さを有する、上記4に記載のデバイス。
6.前記孔の側壁の少なくとも一部が、前記第1のセル壁の平面に対する垂線に関して傾斜している、上記1から5のいずれか1に記載のデバイス。
7.前記孔の各々が0.2から3μmの範囲の幅を有する、上記1から6のいずれか1に記載のデバイス。
8.前記孔が不規則なアレイに配置されている、上記1から7のいずれか1に記載のデバイス。
9.前記孔がランダム又は擬似ランダムなアレイに配置されている、上記8に記載のデバイス。
10.前記孔が相互に0.1から5μm離して配置されている、上記1から9のいずれか1に記載のデバイス。
11.前記孔が相互に0.5から1.5μm離して配置されている、上記10に記載のデバイス。
12.前記配向層がフォトレジスト又はプラスチック材料から形成される、上記1から11のいずれか1に記載のデバイス。
13.前記液晶材料が界面活性剤を含む、上記1から12のいずれか1に記載のデバイス。
14.前記孔の形状及び/又は向きが、前記孔に隣接するディレクタのアジマス配向をただ1つだけ優先するようになされ、この配向が各孔について同じである、上記1から13のいずれか1に記載のデバイス。
15.前記孔の形状及び/又は向きが、前記孔に隣接するディレクタのアジマス配向をただ1つだけ優先するようになされ、この配向が孔によって変化し、前記2つの安定な液晶分子配列状態の一方において散乱効果を与える、上記1から13のいずれか1に記載のデバイス。
16.前記ディレクタが、前記第1のセル壁と前記第2のセル壁の間でねじれる、上記1から15のいずれか1に記載のデバイス。
17.前記配向層が誘電体材料から形成される、上記1から16のいずれか1に記載のデバイス。
18.前記配向層が、前記第1のセル壁と前記第2のセル壁を隔てるスペーサとして機能する、上記17に記載のデバイス。
19.前記孔の断面が実質的に正方形である、上記1から18のいずれか1に記載のデバイス。
20.前記孔が規則的なアレイに配置されている、上記1に記載のデバイス。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による配向のための孔のアレイを有する双安定液晶デバイスの概略的な断面図である。
【図2】本発明において用いるのに適した配向層内の孔のアレイのSEM顕微鏡写真である。
【図3】本発明において用いるのに適した配向層内の孔のアレイのSEM顕微鏡写真である。
【図4】本発明による、孔の中で小さな傾斜状態を示す液晶配向のコンピュータ生成モデルを示す図である。
【図5】本発明による、孔の中で大きな傾斜状態を示す液晶配向のコンピュータ生成モデルを示す図である。
【図6】傾斜の小さい状態及び傾斜の大きい状態について、セル内の距離の関数としてモデル化された傾斜分布を示す図である。
【図7】傾斜の小さい状態から傾斜の大きい状態への切り替えについて、本発明による実験用セルの透過度の変化をパルス長及びパルス振幅の関数として示すグラフである。
【図8】傾斜の大きい状態から傾斜の小さい状態への切り替えについての、図7に類似のグラフである。
【図9】擬似ランダムアレイに配置された孔を有する、本発明によるデバイスの単位セルの平面図である。
【符号の説明】
2 セル壁
4 セル壁
6 配向層
8 孔
10 解析子
12 偏光子
Claims (18)
- 負の誘電異方性のネマティック液晶材料の層を挟む第1のセル壁(2)及び第2のセル壁(4)と、
前記液晶材料の少なくとも一部を通して電界を印加するための、第1のセル壁(2)上の行電極および第2のセル壁(4)上の列電極と、
少なくとも前記第1のセル壁(2)の内側表面上にあり、隣接する液晶分子に実質的に平行配列をとらせる化学的性質をもつ表面を有する材料からなる配向層(6)とを含み、
前記配向層(6)がその中に孔のアレイ(8)を有し、これらの孔は、各孔に隣接する前記液晶材料のディレクタが実質的に同一のアジマス方向(セル壁がx−y面内にあり且つセル壁に対する垂線をz軸とした場合のx−z面内における方向)において2つの異なる傾斜角度をとるように、x−y断面が実質的に正方形であり、
前記第2のセル壁(4)が、前記ディレクタが、前記ディレクタのホメオトロピックな、平面のあるいは傾斜の局所配列を誘発する表面配向を有し、
前記電極に適当な電気信号が印加された後に2つの安定な液晶分子配列状態が存在しうるように構成された、双安定ネマティック液晶デバイス。 - 前記第2のセル壁(4)が、前記ディレクタの実質的にホメオトロピックな局所配列を誘発する表面配向を有する、請求項1に記載のデバイス。
- 前記孔(8)が0.5から5μmの範囲の深さを有する、請求項1から2のいずれか1に記載のデバイス。
- 前記孔(8)が0.9から1.5μmの範囲の深さを有する、請求項3に記載のデバイス。
- 前記孔(8)の側壁の少なくとも一部が、前記第1のセル壁(2)の平面に対する垂線に関して傾斜している、請求項1から4のいずれか1に記載のデバイス。
- 前記孔(8)の各々が0.2から3μmの範囲の幅を有する、請求項1から5のいずれか1に記載のデバイス。
- 前記孔(8)が不規則なアレイに配置されている、請求項1から6のいずれか1に記載のデバイス。
- 前記孔(8)がランダム又は擬似ランダムなアレイに配置されている、請求項7に記載のデバイス。
- 前記孔(8)が相互に0.1から5μm離して配置されている、請求項1から8のいずれか1に記載のデバイス。
- 前記孔(8)が相互に0.5から1.5μm離して配置されている、請求項9に記載のデバイス。
- 前記配向層(6)がフォトレジスト又はプラスチック材料から形成される、請求項1から10のいずれか1に記載のデバイス。
- 前記液晶材料が界面活性剤を含む、請求項1から11のいずれか1に記載のデバイス。
- 前記孔(8)の形状及び/又は向きが、前記孔(8)に隣接するディレクタのアジマス配向(セル壁がx−y面内にあり且つセル壁に対する垂線をz軸とした場合のx−z面内における配向)をただ1つだけ優先するようになされ、この配向が各孔(8)について同じである、請求項1から12のいずれか1に記載のデバイス。
- 前記孔(8)の形状及び/又は向きが、前記孔(8)に隣接するディレクタのアジマス配向(セル壁がx−y面内にあり且つセル壁に対する垂線をz軸とした場合のx−z面内における配向)をただ1つだけ優先するようになされ、この配向が孔によって変化し、前記2つの安定な液晶分子配列状態の一方において散乱効果を与える、請求項1から13のいずれか1に記載のデバイス。
- 前記ディレクタが、前記第1のセル壁(2)と前記第2のセル壁(4)の間でねじれる、請求項1から14のいずれか1に記載のデバイス。
- 前記配向層(6)が誘電体材料から形成される、請求項1から15のいずれか1に記載のデバイス。
- 前記配向層(6)が、前記第1のセル壁(2)と前記第2のセル壁(4)を隔てるスペーサとして機能する、請求項16に記載のデバイス。
- 前記孔(8)が規則的なアレイに配置されている、請求項1に記載のデバイス。
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