(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の配向膜の間に配置されたキラルネマティック液晶材料の層を含み、該層は、該第１および第２の配向膜に誘発された９０°未満の捻れであって該層の非拘束材料と反対方向の捻れを有し、
ｄが前記層の厚さであり、ｐは液晶ディレクタの２πの回転に対する該層のピッチであり、φがラジアンで示した該層の捻れであって正の値をとるように定義されるとき、前記液晶材料のキラリティが、
【数２】
0003656817.tif 000013
を満たし、該層の少なくとも一つの光学的活性領域での捻れが、前記液晶装置の動作中に９０°未満に維持される、液晶装置。
【請求項２】
前記液晶装置の動作中に電界が最初から印加され、これにより前記層を（φ−π）ラジアンの捻れを有する状態から、φラジアンの捻れを有する状態に凝集する、請求項１に記載の液晶装置。
【請求項３】
前記少なくとも一つの光学的活性領域の前記捻れが重合体によって維持され、該重合体は、（φ−π）ラジアンの捻れを有する状態からφラジアンの捻れを有する状態に該層を凝集させた後、製造中において重合化される重合体である、請求項１に記載の液晶装置。
【請求項４】
前記層が複数の光学的活性領域を含み、該領域の捻れは、該領域間の間隙に配置される重合体によって維持され、該重合体は、該層を（φ−π）ラジアンの捻れを有する状態から、φラジアンの捻れを有する状態に凝集させた後、製造中において重合化される重合体である、請求項１に記載の液晶装置。
【請求項５】
前記層が複数の光学的活性領域を含み、少なくとも一つの第１および第２の配向膜が、該領域内よりも該領域外において、より大きな液晶ディレクタプレティルトを誘発するために配向された、請求項１に記載の液晶装置。
【請求項６】
前記層が複数の光学的活性領域を含み、少なくとも一つの第１および第２の配向膜が、該領域の外部に第１の配向方向を有し、該領域内部の第２の配向方向が該第１の配向方向と異なる、請求項１または５に記載の液晶装置。
【請求項７】
前記層が前記領域の外部に実質的にゼロの捻れを有する、請求項６に記載の液晶装置。
【請求項８】
前記層が複数の光学的活性領域を含み、前記領域の外部と該領域内部とで異なるｄ／ｐの臨界値を有する、請求項１に記載の液晶装置。
【請求項９】
前記層が、前記領域の外部において該領域内部よりも薄い、請求項８に記載の液晶装置。
【請求項１０】
前記材料がネマティック液晶およびキラル添加物を含む、請求項１から９のいずれかに記載の液晶装置。
【請求項１１】
前記層が、線形偏光板と反射板との間に配置され、該偏光板と該層との間に第１の配向膜が配置される、請求項１から１０のいずれかに記載の液晶装置。
【請求項１２】
前記第１の配向膜の前記配向方向が、前記偏光板の偏光または吸収方向に対して実質的に２５．６°の角度であり、前記層が印加電界の非存在下において実質的に３０°の捻れを有し、ｄが該層の厚さであり、ｐが該層のピッチであるとき、ｄ／ｐの大きさが０．１６６以下である、請求項１１に記載の液晶装置。
【請求項１３】
前記第１の配向膜の前記配向方向が、前記偏光板の偏光または吸収方向に対して実質的に平行であり、前記層が印加電界の非存在下において、実質的に５２°の捻れを有し、ｄが該層の厚さであり、ｐが該層のピッチであるとき、ｄ／ｐの大きさが０．１１以下である、請求項１１に記載の液晶装置。
【請求項１４】
前記偏光板と前記層との間に、少なくとも一つの固定抑制板が配置された、請求項１１に記載の液晶装置。
【請求項１５】
前記偏光板の偏光または吸収方向に対して１０°から２０°の間の角度における光学軸を有し、２４０ｎｍから３００ｎｍの間の抑制を有する第１の固定抑制板と、該第１の抑制板と前記層との間に配置され、前記偏光板の偏光または吸収方向に対して６５°から８５°の間の角度における光学軸を有し、９０ｎｍから１４０ｎｍの間の抑制を有する第２の固定抑制板と、を含む請求項１４に記載の液晶装置。
【請求項１６】
前記第１の配向膜の前記配向方向が、偏光板の偏光または吸収方向に対して３０°から５０°の間の角度であり、前記層が６０°から８０°の間の捻れを有し、ｄが該層の厚さであり、ｐが該層のピッチであるとき、ｄ／ｐの大きさが０．０５以下である、請求項１５に記載の液晶装置。
【請求項１７】
前記層が１８０ｎｍから２６０ｎｍの間の抑制を有する、請求項１６に記載の液晶装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶装置に関する。例えば、そのような装置は、単一偏光板型の反射ディスプレイとして使用され得る。
【０００２】
【従来の技術】
公知の型の捻れネマティック液晶装置は、直交配向方向を確立するために直交方向にラビングされた配向膜を有するセルを含む。このセルは、液晶ディレクタが一方の配向膜から他方の配向膜へ向かって９０ーのねじれを有するネマティック液晶層を含む。少量のキラル添加物を液晶に添加すると、配向膜によって誘発された捻れと同方向の捻れをもたらすことが知られている。これにより、装置内に反対方向の捻れ領域が形成されない。
【０００３】
超捻れネマティック液晶装置では、９０ー以上要求される捻れを形成するためにキラル添加物が添加され得る。しかしながら、例えば、「Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  Ｕｓｅｓ」，ｖｏｌ１，ｃｈ．１０，ｐ２５３，Ｗｏｒｌｄ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，１９９０，ＩＳＢＮ９８１−０２−０１１０−９に開示されているように、動作電圧を減少させ、電子光学曲線の勾配を増大させ、ストライプ形成の性癖を低減するために、ネマティック液晶に添加される添加物の量は、一般的に最小限に維持される。
【０００４】
９０ー以下の捻れの捻れネマティック構造は、要求される捻れが配向膜によってのみ形成されるので、キラル添加物を必要としないことが周知である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記を鑑みて達成されたものであり、その目的は、第１および第２の配向膜の間に配置され、層の非拘束材料の捻れと反対方向に第１および第２の配向膜によって誘発された９０ー以下の捻れを有するキラルネマティック液晶材料の層を含む液晶装置を提供することにより、液晶装置の動作電圧の低減をはかることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の液晶装置は、第１および第２の配向膜の間に配置されたキラルネマティック液晶材料の層を含み、該層は、該第１および第２の配向膜に誘発された９０°未満の捻れであって該層の非拘束材料と反対方向の捻れを有し、ｄが前記層の厚さであり、ｐは液晶ディレクタの２πの回転に対する該層のピッチであり、φがラジアンで示した該層の捻れであって正の値をとるように定義されるとき、前記液晶材料のキラリティが、
【数２】
0003656817.tif 000002
を満たし、該層の少なくとも一つの光学的活性領域での捻れが、前記液晶装置の動作中に９０°未満に維持され、それにより上記目的が達成される。
【０００９】
を満たしてもよい。
【００１０】
ｄが層の厚さであり、ｐは液晶ディレクタの２πの回転に対する層のピッチであり、φがラジアンで示した層の捻れであって正の値をとるように定義されるとき、材料のキラリティが、
【００１１】
【数４】
0003656817.tif 000003
【００１２】
を満たし、層の少なくとも一つの光学的活性領域での捻れが、液晶装置の動作中に９０°以下に維持されてもよい。
【００１３】
液晶装置の動作中に電界が最初から印加され、これにより層を（φ−π）ラジアンの捻れを有する状態から、φラジアンの捻れを有する状態に核発生してもよい。
【００１４】
少なくとも一つの光学的活性領域の捻れが重合体によって維持され、重合体は、（φ−π）ラジアンの捻れを有する状態からφラジアンの捻れを有する状態に層を核発生させた後、製造中において重合化される重合体であってもよい。
【００１５】
層が複数の光学的活性領域を含み、領域の捻れは、領域間の間隙に配置される重合体によって維持され、重合体は、層を（φ−π）ラジアンの捻れを有する状態から、φラジアンの捻れを有する状態に核発生させた後、製造中において重合化される重合体であってもよい。
【００１６】
層が複数の光学的活性領域を含み、少なくとも一つの第１および第２の配向膜が、領域内よりも領域外において、より大きな液晶ディレクタプレティルトを誘発するために配向されてもよい。
【００１７】
層が複数の光学的活性領域を含み、少なくとも一つの第１および第２の配向膜が、領域の外部に第１の配向方向を有し、領域内部の第２の配向方向が第１の配向方向と異なってもよい。
【００１８】
層が領域の外部に実質的にゼロの捻れを有してもよい。
【００１９】
層が複数の光学的活性領域を含み、領域の外部と領域内部とで異なるｄ／ｐの臨界値を有してもよい。
【００２０】
層が、領域の外部において領域内部よりも薄くてもよい。
【００２１】
材料がネマティック液晶およびキラル添加物を含んでもよい。
【００２２】
層が、線形偏光板と反射板との間に配置され、偏光板と層との間に第１の配向膜が配置されてもよい。
【００２３】
第１の配向膜の配向方向が、偏光板の偏光または吸収方向に対して実質的に２５．６°の角度であり、層が印加電界の非存在下において実質的に３０°の捻れを有し、ｄが層の厚さであり、ｐが層のピッチであるとき、ｄ／ｐの大きさが０．１６６以下であってもよい。
【００２４】
第１の配向膜の配向方向が、偏光板の偏光または吸収方向に対して実質的に平行であり、層が印加電界の非存在下において、実質的に５２°の捻れを有し、ｄが層の厚さであり、ｐが層のピッチであるとき、ｄ／ｐの大きさが０．１１以下であってもよい。
【００２５】
偏光板と層との間に、少なくとも一つの固定位相板が配置されてもよい。
【００２６】
偏光板の偏光または吸収方向に対して１０°から２０°の間の角度における光学軸を有し、２４０ｎｍから３００ｎｍの間の光路差を有する第１の固定位相板と、第１の位相板と層との間に配置され、偏光板の偏光または吸収方向に対して６５°から８５°の間の角度における光学軸を有し、９０ｎｍから１４０ｎｍの間の光路差を有する第２の固定位相板とを含んでもよい。
【００２７】
第１の配向膜の配向方向が、偏光板の偏光または吸収方向に対して３０°から５０°の間の角度であり、層が６０°から８０°の間の捻れを有し、ｄが層の厚さであり、ｐが層のピッチであるとき、ｄ／ｐの大きさが０．０５以下であってもよい。
【００２８】
層が１８０ｎｍから２６０ｎｍの間の光路差を有してもよい。
【００２９】
二つの平行面上にいくらかのプレティルトおよび捻れを伴って配向された液晶では、印加電界の非存在下において、液晶ディレクタがシステムの弾性エネルギーを最小化するディレクタ構成を想定している。配向面において等しいプレティルトを備えるシステムでは、液晶ディレクタは、層全体にわたり均一な割合の捻れを有する。二つの配向面におけるプレティルトが異なる場合、層を通じた捻れの変化の割合は、層内での位置に依存する。同様に電界が層に印加されたときは、ティルトおよび捻れディレクタのグラフは、ゼロ印加電界構成から歪み、層全体にわたり変化の割合は不均一である。層全体に内蔵される液晶の全体の捻れは、印加電界に関わらず等しいままであるが、ディレクタが配向面に対して垂直近くにティルトしている領域においては、捻れの割合が最大である。このことは、液晶技術の分野で周知である。従って本発明の場合、動作範囲全体を通じ、印加電界のすべての値に対して、液晶層の捻れが９０ー以下である。
【００３０】
キラルネマティック液晶材料は、二つの可能な捻れ方向のうち一つにおいて捻れる性癖を有する。従って、材料が対向する配向膜により拘束されない場合、液晶ディレクタは、ある程度の回転角で捻れる。しかしながら、配向膜は反対方向の捻れを誘発する。
【００３１】
材料のキラリティが、
【００３２】
【数５】
0003656817.tif 000004
【００３３】
満たしてもよい。ここで、ｄが層の厚さであり、ｐは液晶ディレクタの２πの回転に対する層のピッチであり、φがラジアンで示した層の捻れで、正の値をとるように定義される。ｄ／ｐの値は負であり、これは、拘束されない材料の捻れ度合いが、配向膜によって誘発された捻れに対して反対であることを示している。
【００３４】
材料のキラリティが、
【００３５】
【数６】
0003656817.tif 000005
【００３６】
を満たしてもよい。ここで、ｄが層の厚さであり、ｐは液晶ディレクタの２πの回転に対する層のピッチであり、φがラジアンで示した層の捻れで、正の値をとるように定義され、層の少なくとも一つの光学的活性領域での捻れが、装置の動作中に９０°以下に維持されてもよい。
【００３７】
装置の動作中に電界が最初から印加され、これにより層を（φ−π）ラジアンの捻れを有する状態から、φラジアンの捻れを有する状態に核発生（nucleate）させてもよい。
【００３８】
少なくとも一つの光学的活性領域の捻れが、（φ−π）ラジアンの捻れを有する状態からφラジアンの捻れを有する状態に層を核発生させた後、製造中において重合化される重合体によって維持されてもよい。
【００３９】
層が複数の光学的活性領域を含み、領域の捻れは、領域間の間隙に配置される重合体によって維持され、重合体は、層を（φ−π）ラジアンの捻れを有する状態からφラジアンの捻れを有する状態に核発生させた後、製造中において重合化される重合体であってもよい。
【００４０】
層が複数の光学的活性領域を含み、少なくとも一つの第１および第２の配向膜が、領域内よりも領域外において、より大きな液晶ディレクタプレティルトを誘発するために配向されてもよい。
【００４１】
層が複数の光学的活性領域を含み、少なくとも一つの第１および第２の配向膜が、領域の外に第１の配向方向を有し、領域内の第２の配向方向が第１の配向方向と異ってもよい。層が領域の外に実質的にゼロの捻れを有してもよい。
【００４２】
層が複数の光学的活性領域を含み、領域の外と領域内とで異なるｄ／ｐの臨界値を有してもよい。層が、領域の外において領域内よりも薄くてもよい。
【００４３】
材料がネマティック液晶およびキラル添加物を含んでもよい。
【００４４】
層が、線形偏光板と反射板との間に配置され、偏光板と層との間に第１の配向膜が配置されてもよい。
【００４５】
第１の配向膜の配向方向が、偏光板の偏光または吸収方向に対して実質的に２５．６°の角度であり、層が印加電界の非存在下において実質的に３０°の捻れを有し、ｄが層の厚さであり、ｐが層のピッチであるとき、ｄ／ｐの大きさが０．１６６以下であってもよい。
【００４６】
第１の配向膜の配向方向が、偏光板の偏光または吸収方向に対して実質的に平行であり、層が印加電界の非存在下において、実質的に５２°の捻れを有し、ｄが層の厚さであり、ｐが層のピッチであるとき、ｄ／ｐの大きさが０．１１以下であってもよい。
【００４７】
偏光板と層との間に、少なくとも一つの固定位相板が配置されてもよい。
【００４８】
偏光板の偏光または吸収方向に対して１０°から２０°の間の角度における光学軸を有し、２４０ｎｍから３００ｎｍの間の光路差を有する第１の固定位相板と、第１の位相板と層との間に配置され、偏光板の偏光または吸収方向に対して６５°から８５°の間の角度における光学軸を有し、９０ｎｍから１４０ｎｍの間の光路差を有する第２の固定位相板と、を含んでもよい。
【００４９】
第１の配向膜の配向方向が、偏光板の偏光または吸収方向に対して３０°から５０°の間の角度であり、層が６０°から８０°の間の捻れを有し、ｄが層の厚さであり、ｐが層のピッチであるとき、ｄ／ｐの大きさが０．０５以下であってもよい。
【００５０】
層が１８０ｎｍから２６０ｎｍの間の光路差を有してもよい。
【００５１】
従って、この装置においては、輝度または光吸収など、特定の電子光学効果を生成するのに要求される電圧を低減することが可能である。この低減は閾値を超えるすべての電圧に提供される。動作電圧の低減は、上記式により定義された臨界値を有するｄ／ｐの大きさの増加に伴って増加する。電圧の低減は比較的小さいように見え得るが、例えば、ディスプレイの画像要素（画素）に印加されるデータ電圧の結果である電力消費は、データ電圧の大きさの二乗に比例するので、電力消費の実質的な低減が達成できる。電力消費の大幅な低減は、電池寿命を増大させるために、例えば、反射単一偏光板ディスプレイを用いた携帯デバイスにおいて望まれる。
【００５２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、例示として、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００５３】
図面全体を通じて、同様の部位を同様の参照符号で表す。
【００５４】
図１に示す装置は、反射単一偏光板型であり、例えば、画素化された（pixellated）液晶ディスプレイに用いられ得る。この装置は、第１および第２の基板１および２を有する。基板１は、外側表面に線形偏光板３を有するが、偏光板３は、装置の製造に伴う条件に耐え得る場合、装置の内部に配置され得る。基板１の内側表面は、電極４と、例えば、ラビングされたポリイミドを含む配向膜５を備える。カラー表示を提供するためには、カラーフィルタ（図示せず）が、例えば基板１の内側表面に供給され得る。
【００５５】
基板２は、複合された電極および反射板６を内側表面に備えるが、代わりに個別の電極および反射板を備えてもよい。例えば配向膜５と同じ型であり得る配向膜７が、電極および反射板６上に形成される。基板１および２と、関連する層とは、液晶層８を含むセルを規定するために、例えばスペーサボール（図示せず）などにより間隙を伴って配置される。層８はネマティック液晶およびキラル添加物を有する。
【００５６】
図２に示すように、偏光板３は、線形偏向（即ち、透過）または吸収方向１０を有する。配向膜５は、偏向または吸収方向１０に対して時計回りの角度θで方向付けられた配向方向１１を有する。配向膜７は、偏向または吸収方向１０に対して時計回りの角度（θ＋φ）で方向付けられた配向方向１２を有し、これにより、液晶層８は、偏光板３から見て基板１から基板２へ向け、偏向または吸収方向１０に対して時計回り、即ち正の方向にφの捻れを有する。
【００５７】
層８のネマティック液晶に添加されたキラル添加物は、図１に示した装置において、反時計回り即ち負の方向における捻れ効果を有する。従って、層８の材料が配向膜５および７により拘束されていない場合、層８の材料は、キラル添加物のために、反時計回りの捻れを採り入れる。しかしながら、配向膜５および７は、層８の材料中に９０°以下の正の、即ち時計回りの捻れφを発生させる。
【００５８】
液晶に過剰なキラル添加物が添加されて、ｄを液晶層８の厚さ、ｐをピッチとしたときのｄ／ｐの値が大きくなり過ぎた場合、層８の捻れは、ｄ／ｐおよびφの値（sign）に応じて、φからφ±πに変化する。これが発生する前に添加され得るキラル添加物の量は、捻れ角に依存し、捻れ角が９０°に向かうにつれ０に向かう。０プレティルトのための臨界値ｄ／ｐは、
【００５９】
【数７】
0003656817.tif 000006
【００６０】
によって求められる。捻れネマティック液晶（ＬＣ）の閾値電圧Ｖcは、
【００６１】
【数８】
0003656817.tif 000007
【００６２】
と表され得、ここで、
【００６３】
【数９】
0003656817.tif 000008
【００６４】
であり、ｋiiは弾性定数であり、ΔεはＬＣの誘電異方性である。（２）から、（大抵のＬＣ材料の場合に当てはまる）ｋ33＞２ｋ22であるためには、βの負の値（捻りセンスまたは逆ドーピングに関して−ｄ／ｐに対応する）は、Ｖｃ2の大きさだけ減少する。一方、ｋ33＜２ｋ22であるならば、Ｖｃ2は、βの正の値（即ち「従来の」ドーピング）のために最小化される。しかしながら、これはＬＣ材料の通常の場合ではない。
【００６５】
ｋ33＞２ｋ22と見なして、（１）および（３）を（２）に代入し、Ｖｃ2の１回微分を行い、その結果を０に設定することで、Ｖｃ2が最小となるためのφの値が、
【００６６】
【数１０】
0003656817.tif 000009
【００６７】
より求められる。
これは、ＬＣがドープされていない場合（β＝０）と比較して臨界値までドープされている場合に、Ｖｃ2の変化が最大になるためのφの値である。明らかに、φmは、ｋ33／ｋ22が減少するにつれて増加しており、大抵のＬＣ材料にとって、φmは、π／１０とπ／３との間に位置すると予測される。Ｖｃ2、δ（Ｖｃ2)の実際の変化は、β＝０の値を有する（２）を（１）および（３）からのβと比較することにより求め得る。
【００６８】
【数１１】
0003656817.tif 000010
【００６９】
（４）からのφを上式と組み合わせた場合、結果は、
【００７０】
【数１２】
0003656817.tif 000011
【００７１】
となり、従って、式（２）および（６）からδ（Ｖｃ2)の組成変化は、
【００７２】
【数１３】
0003656817.tif 000012
【００７３】
となる。
【００７４】
最適なφおよびｄ／ｐ値、ならびに典型的な弾性定数のためには、（７）からの組成変化は、約０．０５から０．０８である。（７）を最大化するためには、可能な限りｋ11およびｋ33が減少し、ｋ22が増加すべきである。おそらく、逆ドーピングの最大効果は、ｋ33を最小化することにより達成される（もちろん、βにかかわらず、実際のＶC値を低減するには、ｋ11の低減が最大効果を有する）。
【００７５】
この方程式は、ＬＣの閾値電圧にのみ当てはまるが、ＶCにおける電圧の低減は、ＶCより大きな電圧に対しては、より大であり得る。
【００７６】
閾値電圧を超える電圧に対しては、電圧低減のための解析式を導くことは不可能なので、数値的計算が実行されなければならない。スイッチング電圧の２乗における分数の低減は、閾値電圧に対するより大であり得るが、光学的構成に依存する。スイッチング電圧が低減することは、任意の捻れを与えた液晶のティルト捻れについての形状を検討することにより、明確に示される。
【００７７】
この形状の例を図３および図４に示す。図３および図４は、３マイクロメートル厚で７０°の捻れを有し、３ボルトに相当する電界を印加した、ＭＪ９６５３８（Ｅ  Ｍｅｒｃｋから市販されている）で作製したネマティック液晶層の「正規化された」厚さに対するティルトおよび捻れのグラフである。曲線は、−０．２から０．２までの範囲のｄ／ｐの値を示している。ｄ／ｐの値が正から負に低減されるのにつれて、同電圧において、より高いミドプレーンティルト角および、より捻れた形状を生成する。従って、減少ｄ／ｐ値を伴う低電圧において、任意の所与の光学効果が発生する。
【００７８】
捻れネマティック液晶層の捻れ角がπにより変化するｄ／ｐの値は、対応する捻れ状態の弾性エネルギーを座標に取ることによってグラフ上に表せる。例えば、図５は、液晶材料ＭＪ９６５３８の７０°および−１１０°の捻れ状態のエネルギーを、ｄ／ｐの負の値の関数として座標に取っている。
【００７９】
０プレティルトに対しては、ｄ／ｐの値が−０．０５５に等しい点で曲線が交差し、これは、式（１）により予測された値である。しかしながら、プレティルトが増加するに従い、この値は減少し、１０°のプレティルトにおいて、ｄ／ｐは−０．０６５に減少した。これは、主にプレティルトが増加するにつれて、−１１０°の捻れ状態の広がりエネルギーが増加するためである。捻れネマティック液晶層に印加される電界にも同様の計算を適用し得る。例えば、図６は、２°のプレティルトを有する液晶ＭＪ９６５３８において、７０°と−１１０°との捻れ状態のギブズの自由エネルギーが等しくなる電圧をｄ／ｐの関数として示す。図６における曲線は、ある捻れ状態から別の捻れ状態への回位の生成および動きによる核発生された転移を、液晶が形成する電圧を示す。印加される電圧が増加するにつれて、負に傾いたｄ／ｐの値において、７０°の状態は安定化し始める。従って、動作前に低い捻れ状態を核発生し、ディスプレイ動作中においてこれを維持することにより、臨界ｄ／ｐ値を超える液晶のドープが、少なくとも理論上は可能である。
【００８０】
層８ならびに角度θおよびφのパラメータは、所望の動作を提供するために選択され得る。例えば、正常な黒色表示、即ち電極４と６との間に印加電圧が非存在下であるときに黒色または最大吸収的な表示を提供するためには、捻れおよび弾性の量が、φが３０°に等しく材料定数がΔε＝５．８、ｋ11＝１０ｐＮ、ｋ22＝５ｐＮ、ｋ33＝１５ｐＮである式（４）に従って選択され得る。この液晶は、ＭＪ９６５３８を含み得る。
【００８１】
ｄ／ｐの値は、前述の式（１）で定義された臨界値に近くあり得、例えば、−０．１６６に等しくあり得る。液晶層８の厚さは２．１５μｍであり得、偏光または吸収方向１０に対する、入力ディレクタまたは配向膜５の配向方向は、２５．６°である。
【００８２】
図７は、Ｄ６５照明のための輝度として計算された印加電界に対する反射率と、装置上に正常に光が入射する理想的な偏光板３および反射板６とを示す。破線の曲線は、ｄ／ｐ＝−０．１６６である本発明の実施形態を示し、実線の曲線は、キラル添加物を含まない、即ちｄ／ｐ＝０である点のみにおいて本発明と異なる装置の性能を示す。装置の閾値電圧は、前述の式（６）に従って低減される。しかしながら、δ（Ｖ2）／Ｖ2の大きさは、臨界電圧を超えた電圧に対しては増加する。例えば、この大きさは、４ボルトで約０．１１であり、そのような表示を駆動するのに必要なデータ電圧において、約１１％の電力節減に相当する。
【００８３】
図１に示す型の正常な白色表示を提供することも可能である。この場合、角度θは０であり、配向膜５の配向方向１１は、偏光または吸収方向１０に対して平行である。液晶層８の光路差は、Δｎ．ｄ／λ＝０．９５８であり、ここでΔｎは層８の材料の誘電異方性であり、λは装置が使用される光の波長であり、例えば可視光線スペクトルの中間に相当する。捻り角φは４９°であり、ｄ／ｐは−０．１１に等しい。層８の材料は、Ｅ  Ｍｅｒｃｋから市販されているＺＬＩ−４７９２を含み、Δε＝５．２、ｋ11＝１５ｐＮ、ｋ22＝７．４ｐＮ、ｋ33＝２０．８ｐＮであるパラメータを有する。層８は５．３６μｍの厚さを有する。
【００８４】
そのような装置に対して計算された性能を、図８の破線の曲線で示す。ここで、キラル添加物を含まず（ｄ／ｐ＝０）、５２°の捻りφを有する装置の性能を実線の曲線で示す。これによると、動作電圧は大幅に低減されており、暗状態（dark state）の電圧において、δ（Ｖ2）／Ｖ2の値は、約０．０８であり、８％の電力節減に相当する。
【００８５】
図２は、広がりなしで、望ましい角度φを達成するための、配向膜５および７のラビング方向を示す。液晶層に対する配向プロセスとしてラビングを使用するとき、液晶分子は、ラビング方向に、配向膜の表面からティルトして外れる。配向膜７が反対方向にラビングされた場合、液晶層８は、３０°の捻れ角を取り得るが、液晶ディレクタはゼロ電界状態で傾斜する。
【００８６】
一般的に、液晶がドープされなかった場合、ゼロのプレティルトに対して、液晶は、配向方向の間で、より小さな刃先角度に等しい捻れを採る。小さな有限のプレティルトに対して、液晶は、より小さな刃先角度に等しい捻れを採るが、印加電界がゼロであるときのディレクタ形状は、実際のラビング方向に依存して、ディレクタ形状が広がりを有するか有さないかのいずれかである。液晶ディレクタ形状が広がりを有する場合、液晶の弾性定数に依存するプレティルトが存在し、この状態では広がりエネルギーは十分大きくなるので、広がりを有さないφ−１８０°状態のエネルギーは、φ°捻れ状態よりも低い。そのような場合、液晶は、φ−１８０°の捻れ状態を採る方が、たとえ大きな捻れ角を引き起こすとしても、φ°の捻れ状態よりも好適である。従って、装置に採用された配向が、ゼロ印加電界の広がりのディレクタ形状を生み出す場合、プレティルトはこの臨界値より小さくなり、９０°以下の捻れを提供しなければならない。大抵の液晶ディスプレイにおいては、印加電界がゼロのとき、少しの広がりまたは広がりがないことが要求される。
【００８７】
図９および図１０は反射表示を示すが、偏光板３と液晶層８との間に光学的に配置された第１および第２の固定位相板２０および２１を含む点で、図１および２に示したものと異なる。
【００８８】
位相板２０が、偏光板３の偏向または吸収方向１０に対して角度αの光学軸２２を有するのに対して、位相板２１は、偏向または吸収方向１０に対して角度βの光学軸２３を有する。固定位相板２０および２１の設置は、向上した無彩色性能を有する表示の提供を可能にする。図９および図１０に示す型のディスプレイの例では、光学軸２２を偏向または吸収方向１０に対して１５°の角度で配向し、光学軸２３を偏向または吸収方向１０に対して７５°の角度で配向することによって、良好な無彩色性能を有する正常な白色表示が達成されている。位相板２０は２７０ｎｍの光路差を有するが、位相板２１は１１０ｎｍの光路差を有する。配向方向は１１は、偏向または吸収方向１０に対して４０°の角度である。液晶層８は、７０°の捻れおよび２００ｎｍの光路差を有する。適合する液晶材料は、前述のＭＪ９６５３８である。
【００８９】
液晶層８の比較的大きな捻れ角は、比較的少量の「逆ドーピング」のみが可能であり、ｄ／ｐ＝−０．０５の値が、実用的な最大値であると見られる。これは、臨界ｄ／ｐ値より少し隔たっているので、任意の厚さ不均一によりローカルまたはグローバルのいずれかでディスプレイ内に起こり得る逆方向捻れ領域が発生しないことを確実にする。例えば、単一偏光板反射表示は、しばしば大幅な表面放出を有する内部拡散反射板を用い、このことは液晶層８のローカル厚さ不均一を引き起こし得る。
【００９０】
図１１は、−０．２から０．２まで変化するｄ／ｐ値において、電圧に対する反射率を示す。臨界電圧よりも大きな電圧に対しては、所望である低捻れ状態を、臨界値より低いｄ／ｐ値のためのゼロ電界安定の高捻れ状態のｄ／ｐ値に核発生することが可能なので、広範囲のｄ／ｐ値が用いられる。臨界値よりも大きな印加電圧に対しては、特定の反射率を達成するのに必要な電圧は、同じパラメータの従来表示に比べて、逆性ドープディスプレイでは低減される。例えば、−０．０５のｄ／ｐ値で、暗状態に対しては、δ（Ｖ2）／Ｖ2の値が０．０９５に等しくなり、データ電圧の電力消費において、ほぼ１０％の低減の達成が可能である。
【００９１】
この理論を検証するため、図９および図１０に示す型のディスプレイを、図９および図１０を参照して説明した例に可能な限り同様であるように製造した。ただし、位相板は実際に入手できるものを用いた。偏光板３はＨＮ２２型であり、位相板２０は偏向方向に対して１５°に方向付けられたスロー光学軸および２５７ｎｍの光路差を有し、位相板２１は、偏向方向に対して７５°に方向付けられたスロー光学軸および９５ｎｍの光路差を有し、液晶層８は、７０°の捻れ、４０°のラビング方向１１、および２００ｎｍの光路差を有するＭＪ９６５３８であり、電極および反射板６はアルミニウム反射板を含む。この装置は、インジウム酸化錫（ＩＴＯ）と、約２°のプレティルトを付与するためにラビングされたポリイミドＰＩ２５５５の配向膜とでコーティングされたガラスから製造されている。液晶層の厚さは、スペーサボールを装置の末端シーラントに用い、３マイクロメーターに設定した。これにより、スイッチングの間において反転領域の形成を抑止するために、最小の核発生場所を確保するためのクリアアクティブ領域を供給する。ネマティック液晶材料ＭＪ９６５３８は、キラル添加物ＣＢ１５によりドープされ、螺旋状の捻れ力が、６．９μｍ-1と測定された。このことから、混合物は、０から−０．２までの範囲のｄ／ｐ値を伴って調整された。最低の温度依存ピッチを有するキラル添加物を用いることが望ましい。
【００９２】
７０°および−１１０°の捻れ状態は、７０°および３０°の偏光方向を有する偏光板の間の、装置の波長の関数として透過を測定することにより、光学的に容易に区別し得る。ｄ／ｐの値が臨界値以下の試料に対しては、電圧１０ボルトのゆっくり変化する正弦波を数秒間印加することにより、まず７０°の捻れ状態が核発生された。試料は、測定の間中その状態を維持した。
【００９３】
７０°状態が核発生されたすべてのセルにおいては、セルの末端のシーラントから、−１１０°の捻れ状態が７０°に戻り始めた（アクティブ領域の核発生場所の欠如による）。壁面速度は、ｄ／ｐ値に依存した。ｄ／ｐ＝−０．２のセルは、７０°捻れ状態の１００ｍｍ2領域から−１１０°捻れ状態に戻るのに約２分しか要さなかった。しかしながら、−０．０７５のｄ／ｐ値に対しては、装置は、同じ領域で−１１０°捻れ状態に戻るのに約２５分を要した。
【００９４】
図１２は、上述の例のｄ／ｐ値の様々な値での印加電圧に対する反射率を示す。正規化された反射率を、印加電圧を伴わないシステムに対して測定した。最小反射率は、実験誤差以内のｄ／ｐ値に関わらず、定常値を維持した。
【００９５】
前述のように、プレティルトを増加することは、ｄ／ｐの臨界値（ｄ／ｐ）Cの値を減少させ、予め所望の捻れ状態に核発生することを要さずに、大幅な逆ドーピングを可能にする。しかしながら、反対方向の捻れ状態が、予め所望の捻れ状態に核発生されており、表示に印加される電圧が、動作中において、核発生遷移電圧を超えて維持されているか、またはシステムに何らかの安定が供給されている場合、ディスプレイの特定のプレティルトに対する臨界値以下のｄ／ｐ値を使用し得る。
【００９６】
前者の場合、核発生電圧が、電気光学反応の閾値電圧以下のｄ／ｐ値のみが使用され得る。前述の特定の例では、臨界値以下の液晶をドープして、所望の捻れ状態を再核発生することを要さずに、長期間動作することは不可能であった。しかしながら、これは、異なる捻れと異なる液晶とを使用する他の表示構成に対しては可能である。上述の例の閾値電圧は、１ボルトよりも多少大きい値と、比較的低く、図６に示すように、臨界値とよりも低いｄ／ｐの値は、約１．２ボルトよりも大きい電圧に対する安定した７０°捻れの状態を付与するのみであり、全反射率へのアクセスを可能にしない。
【００９７】
後者の場合、一旦核発生されて、核発生状態の安定により、より低いエネルギー状態での再核発生が防止されれば、所望の捻れ状態を維持し得る。この目的のために、いくつかの安定技術が利用されるが、そのいくつかを以下に説明する。
【００９８】
ある技術では、液晶材料にプレポリマーが少量加えられる。ディスプレイが製造され、所望の捻れ状態が核発生されるとき、プレポリマーは、例えば紫外線放射または熱により重合化される。これがエネルギーバリアを生成し、低エネルギー捻れ状態の再核発生を行う。これを達成するのに必要なプレポリマーの量は、比較的少量であり、例えば、重量に対しほぼ数パーセント程度であるが、安定化ポリマーの存在により、結果としてディスプレイの動作電圧が増大しないことを確実にするため、最小限であるべきである。この種の技術は、欧州特許公開公報第０７６８５６２号に開示されており、その内容を参照として本願に援用する。
【００９９】
別の技術では、液晶ディスプレイの画素間ギャップを利用して、安定化効果を供給する。そのような技術のうち２つが、ＨｏｋｅおよびＢｏｓのＩＤＷ１９９８２０１のＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、ならびにＨｏｋｅおよびＢｏｓのＳＩＤ９８Ｄｉｇｅｓｔ、８５４において開示されている。所望の液晶状態が達成されるとき、液晶にプレポリマーが添加され、ディスプレイの画素間ギャップのみにおいて重合化される。どちらの場合も、プレポリマーとして反応性の液晶が用いられているが、非液晶性材料も等しく用いることができる。このタイプの安定化技術の利点は、プレポリマーを伴う液晶の比較的高い充填が可能である。これは、画素間ギャップの重合化される領域が、表示の光学的見かけに影響を及ぼすように作用しないからである。
【０１００】
さらなる別の技術によると、ディスプレイの画素領域間に画素領域内とは異なるプレティルトおよび配向方向を用いることで、所望の捻れ状態が安定化され得る。図５に示すように、表示の両面にプレティルトを増加することは、ｄ／ｐの臨界値を低下させる。画素間ギャップ、およびアクティブ画素領域を取り囲む表示領域のプレティルトが、主画素領域のプレティルトに比例して増加する場合、画素間領域は、アクティブ画素領域よりも低いｄ／ｐ値の所望の捻れ状態を維持する。液晶を、画素間ギャップにおける臨界ｄ／ｐ値に近いが、主画素領域の臨界ｄ／ｐ値を超えるレベルまでドーピングすることにより、画素間ギャップは所望の捻れ状態を採り入れるが、主画素領域は、反対方向の捻れ状態を採り入れる。適切な電圧の印加において、所望の捻れ状態が主画素領域内に核発生される。電圧の除去において、核発生場所が主画素領域内に存在しない場合、反対方向の捻れ状態が再核発生できないので、所望の捻れ状態を維持する。また、任意の画素領域内に反対方向の捻れ状態が再核発生する場合、画素間ギャップ内の絶縁領域が、画素領域近傍内への反対方向の捻れ状態の成長を防ぐ。ディスプレイの非アクティブ領域の両面のプレティルトを増大する代わりに、片面のみのプレティルトを増大し得る。これにより、異なる表示領域に異なるプレティルトを存在させるのに、一つの配向面のみパターン化すればよいので、製造上の複雑さを実質的に低減する。そのような製造方法は周知であり、例えば、特開平１０−１８２９８７号に開示されている多重ラビング技術、またはＮａｔｕｒｅ，１９９６，ｖｏｌ．３８１，２１２ページに記載されている紫外線露光による適切な配向膜のパターン化された配向を含み得る。片面のプレティルトを変化させることの効果は、両面のプレティルトを変化させることよりも小規模の効果しか生み出さない。これは、後者の場合、反対方向の捻れ状態の広がりが最大化されるのに対し、所望の捻れ状態の広がりエネルギーは殆ど変化しないからである。
【０１０１】
図１３は、７０°および−１１０°捻れ状態に対するｄ／ｐ値の関数としてのギブズエネルギーを示すグラフである。一つの配向面のプレティルトは、約２°に維持され、反対面には、２°から８０°までのプレティルトの範囲が提供される。図１４に示すように、ｄ／ｐの臨界値（７０°および−１１０°に相当する線が交わる点）は、プレティルトが増加するに従い低くなる。８０°および２°のプレティルトに対しては、（両配向面とも２°のプレティルトに対する−０．０５５から）ｄ／ｐの臨界値が−０．０９に減少する。
【０１０２】
別の技術では、配向方向を変化させて、画素間領域内に異なる捻れの領域を生成する。異なる捻れの領域を生成するためには、一つの配向面の配向方向をパターン化するだけでよい。パターン化された配向面を生成するための技術は、例えば前述のように公知である。捻れ角９０°の表示は、捻れの縮退のため、前述のように逆性ドープができない。同様に、方程式（１）から、（ｄ／ｐ）Cの負の最大値は、０°の捻れ角の値において発生し、−０．２５となる。
【０１０３】
捻れ絶縁の効果を最大化するためには、例えば、アンチパラレルラビングにより、広がり構造を提供しない０°捻れ角を伴って、ディスプレイの非アクティブ領域を製造し得る。プレティルトの非存在下において、−０．２５以下のｄ／ｐ値は−１８０°の捻れ状態を生成するので、液晶は０から−０．２５のｄ／ｐ値を有する。例えば、画素領域においては臨界値より低いが、他の領域では−０．２５よりも大きいｄ／ｐ値を有する液晶を備えて製造されたディスプレイは、最初の非アクティブ状態において、反対方向の捻れ（例えば、−１１０°）を有するが、非アクティブ領域は、捻れを付与されない。適切な電圧を印加することにより、非アクティブ領域は、所望の捻れ状態の核発生を反対方向の捻れ状態中に引き起こす。電圧の除去において、アクティブ領域に非核発生領域が存在する場合、０°状態のディレクタの形状は、反対方向の捻れ状態における捻れに似るので、所望の捻れ状態は安定したままである。同様に、１８０°状態も反対方向の捻れ状態に似る。また、反対方向の捻れ状態が、任意の画素の一つにおいて核発生した場合、画素間ギャップにおける絶縁領域が、隣接する任意の画素内に反対方向の捻れが成長するのを防ぐ。
【０１０４】
上述の２つの技術を組み合わせて、ティルトおよび捻れが画素領域と異なる非アクティブ表示領域を生成し得る。
【０１０５】
非アクティブ領域とアクティブ領域との間のｄ／ｐ臨界値を変化させることにより、表示の非アクティブ領域を安定化および絶縁領域として使用し得る。これは、非アクティブ領域の表示厚さを低減することにより達成し得る。そのような厚さ変化は、例えば、正または負のフォトレジストをパターン化することにより、片面または両面に凸部を形成することにより達成し得る。非アクティブ領域における液晶厚さは、画素領域におけるよりも、例えば５倍も実質的に低く、画素領域内におけるよりも同様の倍数低い(ｄ／ｐ）C値を生み出す。安定化および絶縁の効果も、可変ティルトおよび捻れ技術に対して前述したものと同様に働く。
【０１０６】
本発明の液晶装置は、第１および第２の配向膜５および７の間に配置されたキラルネマティック液晶材料の層８を含む。層８は、配向膜５および７により誘発された９０°以下の捻れφを有する。この誘発された捻れの状態は、層８の非拘束材料が有する状態と反対である。
【０１０７】
【発明の効果】
本発明によれば、第１および第２の配向膜の間に配置され、層の非拘束材料の捻れと反対方向に第１および第２の配向膜によって誘発された９０ー以下の捻れを有するキラルネマティック液晶材料の層を含む液晶装置が提供され、そのことにより液晶装置の動作電圧の低減をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を構成する液晶装置の断面図である。
【図２】図１に示す装置の光学要素の展開図である。
【図３】正規化された厚さに対する液晶ティルト角を、異なるパラメータｄ／ｐの値において表したグラフである。
【図４】正規化された厚さに対する液晶ディレクタの捻れを、異なるパラメータｄ／ｐの値において表したグラフである。
【図５】パラメータｄ／ｐに対する弾性エネルギーを、異なる捻れ状態およびプレティルトにおいて表したグラフである。
【図６】パラメータｄ／ｐの関数としての電圧と２種類の捻り状態の相対安定性を表した図である。
【図７】図１に示す装置の第１の例において、電圧で示した印加電界に対する任意のユニットの反射率のグラフである。
【図８】図１に示すデバイスの第２の例において、電圧で示した印加電界に対する任意のユニットの反射率のグラフである。
【図９】本発明の第２の実施形態を構成する液晶装置の断面図である。
【図１０】図９に示す装置の光学要素の展開図である。
【図１１】図９に示す型の装置において、パラメータｄ／ｐの異なる値での電圧に対する任意のユニットの反射率のグラフである。
【図１２】図９に示す型の装置の特定の例において、図１１のグラフと同様のグラフである。
【図１３】二つの逆捻れ状態の、異なるプレティルトにおけるギブズエネルギーを示す、パラメータｄ／ｐに対するエネルギーのグラフである。
【図１４】ｄ／ｐの臨界値を示す、角度で表したプレティルトに対するパラメータｄ／ｐのグラフである。
【符号の説明】
１、２  基板
３  偏光板
４  電極
６  反射板
８  液晶
２０、２１  位相板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003656817.tif 000021
【図９】
0003656817.tif 000022
【図１０】
0003656817.tif 000023
【図１１】
0003656817.tif 000024
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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