(57)【要約】      （修正有）【課題】高コントラスト、広視野角の画像特性、及び面内の高速スイッチングを示し、動画表示を可能にする液晶デバイスを提供する。【解決手段】電極パターン４１、４２に隣接するバルク層４４の第１サブ容積部に対して、電極パターン４１、４２によって発生される均一でない面内電界と前記第１サブ容積部内および／または電極パターン４１、４２上に塗布された配向膜４３内に含まれる分極状態にある液晶との間の線型結合、例えば強誘電結合および／またはフレクソエレクトリック結合によって駆動される液晶デバイスであって、前記分極は、（ｉ）前記第１サブ容積部、配向膜４３の外部および、（ｉｉ）他方の基板の内側表面に隣接するバルク層の第２サブ容積部、または第２配向膜、もしくはその上に塗布された第２電極パターンの外部における、バルク層のいかなる液晶分極よりも強力であることを特徴とする。【選択図】図４５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２閉じ込め基板と、
前記基板の間に配置された液晶バルク層と、
前記第１基板の内側表面に塗布された第１電極パターンと、
前記バルク層のバルク表面において、前記バルク層と相互作用するように配置されており、前記第１電極パターン上に塗布された第１配向膜とを備え、
前記第１電極パターンは、前記第１配向膜に隣接する前記バルク層の第１サブ容積部に対して、均一でない電界を発生するように配置されており、前記電界は電気力線の方向および電界強度に関して均一でなく、前記電界は前記第１配向膜に対しても成生される液晶デバイスにおいて、
前記第１サブ容積部内および／または前記第１配向膜内に含まれる、分極状態にある液晶を更に備え、前記液晶の分極は、（ｉ）前記第１サブ容積部および／または前記第１配向膜の外部、および（ｉｉ）前記第２基板および／または前記第２基板上に配置された第２配向膜に隣接した前記バルク層の第２サブ容積部の外部の前記バルク層のどのような起こり得る同様な液晶分極よりも強力であり、前記第１サブ容積部内および／または前記第１配向膜内に含まれる分極した状態の前記液晶は、前記電界と前記分極との間の結合により少なくとも部分的にスイッチングされ、弾性力により前記バルク層の液晶のスイッチングが達成されることを特徴とする液晶デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の液晶デバイスであって、前記第２電極パターンに隣接する前記バルク層の前記第２サブ容積部に対しても均一でない電界を発生するよう、前記第２基板の前記内側表面に第２電極パターンが塗布されており、前記電界は電気力線の方向および電界の強度に関して均一でなく、前記第２電極パターン上には第２配向膜が塗布されている、液晶デバイス。
【請求項３】
請求項１または２に記載の液晶デバイスであって、前記第１サブ容積部内および／または前記配向膜内の前記分極は、前記第１サブ容積部および／または前記配向膜の外の前記バルク層のどのような起こり得る同様な液晶の分極よりも強力である、液晶デバイス。
【請求項４】
請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載のデバイスであって、分極状態にある前記液晶と前記電界との間の結合は、強誘電結合、反強誘電結合、常誘電結合、フレクソエレクトリック結合およびこれらの任意の組み合わせから成る群から選択されたものである、液晶デバイス。
【請求項５】
請求項４に記載の液晶デバイスであって、分極状態にある液晶と前記電界との間の結合は強誘電結合である、液晶デバイス。
【請求項６】
請求項５に記載の液晶デバイスであって、前記配向膜は自発分極を生じる液晶性材料を含む、液晶デバイス。
【請求項７】
請求項６に記載の液晶デバイスであって、前記配向膜は、カイラルスメクチックＣ、ＳｍＣ＊、液晶性材料を含む、液晶デバイス。
【請求項８】
請求項４に記載の液晶デバイスであって、自発分極を生じる前記液晶性材料は、前記電界と強誘電結合、反強誘電結合および／または常誘電結合できる液晶性ポリマーである、液晶デバイス。
【請求項９】
請求項５に記載の液晶デバイスであって、前記サブ容積部は誘導された自発分極を示す液晶性材料を含む、液晶デバイス。
【請求項１０】
請求項９に記載の液晶デバイスであって、カイラルドーパントが前記第１サブ容積部内の少なくとも１つの表面に永続的に付着される結果、バルク層内に均一的でないように分布しており、それによって前記第１サブ容積部内の１つ以上のカイラル性に関連する物理的性質の局部的増加を生じさせ、前記表面で最大となり前記表面から離間するにつれ減少する不均一分布を有する自発分極を発生させ、前記カイラルドーパントは前記液晶バルク層内で可溶性である、液晶デバイス。
【請求項１１】
請求項４に記載の液晶デバイスであって、分極状態にある液晶と前記電界との間の結合は、フレクソエレクトリック結合である、液晶デバイス。
【請求項１２】
請求項１１に記載の液晶デバイスであって、前記カイラルドーパントが、前記第１サブ容積部内の少なくとも１つの表面に永続的に付着される結果、バルク層内に均一的でないように分布しており、それによって前記第１サブ容積部内の１つ以上の物理的性質の局部的増加を促進させ、前記表面で最大となり前記表面から離間するにつれ減少する不均一分布を有する自発分極の発生を促進し、前記カイラルドーパントは前記液晶バルク層内で可溶性である、液晶デバイス。
【請求項１３】
請求項１２に記載の液晶デバイスであって、前記ドーパントは、バナナ形状、ドロップ形状、ドロップ−バナナ複合形状のドーパント、およびこれらの２つ以上の任意の混合物から成る群から選択されたものである、液晶デバイス。
【請求項１４】
請求項１１に記載の液晶デバイスであって、分極状態にある液晶と前記電界との間の結合は、フレクソエレクトリック結合と誘電結合の組み合わせである、液晶デバイス。
【請求項１５】
請求項１１に記載の液晶デバイスであって、前記液晶バルク層は、弾性変形下でフレクソエレクトリック分極を生じるネマチック液晶性材料を含む、液晶デバイス。
【請求項１６】
請求項１５に記載の液晶デバイスであって、前記第１サブ容積部の液晶の分極は、変化したアンカー特性および／または前記第１サブ容積部内に延びる突起を有する前記配向膜によって生じる液晶バルク層内の斜向変形および／または屈曲変形によって生じる、液晶デバイス。
【請求項１７】
請求項１５に記載の液晶デバイスであって、前記液晶バルク層は、斜向・屈曲複合変形を示し、ｅｂはフレクソエレクトリック分極の主要フレクソエレクトリック係数であり、前記第１サブ容積部の前記液晶は、屈曲変形を生じる、液晶デバイス。
【請求項１８】
請求項１５に記載の液晶デバイスであって、前記液晶バルク層は斜向・屈曲複合変形を生じ、ｅｓはフレクソエレクトリック分極の主要フレクソエレクトリック係数であり、前記第１サブ容積部の前記液晶は斜向変形を生じる、液晶デバイス。
【請求項１９】
請求項１５に記載の液晶デバイスであって、前記液晶バルク層は正の誘電異方性および斜向変形を生じ、前記基板の各々の内側表面には電極パターンが塗布されており、この電極パターンに隣接するバルク層の各サブ容積部に対して均一でない電界を発生させるようになっている、液晶デバイス。
【請求項２０】
請求項１５に記載の液晶デバイスにあって、前記液晶バルク層は負の誘電異方性および屈曲変形を生じ、前記基板の各々の内側表面には電極パターンが塗布されており、この電極パターンに隣接するバルク層の各サブ容積部に対して均一でない電界を発生させるようになっている、液晶デバイス。
【請求項２１】
請求項１〜２０のうちのいずれか１項に記載の液晶デバイスであって、電極パターンは互い違いに配置された電極を含む、液晶デバイス。
【請求項２２】
請求項１〜２０のうちのいずれか１項に記載の液晶デバイスであって、前記電極パターンはフリンジ電界発生電極を含む、液晶デバイス。
【請求項２３】
請求項２２に記載の液晶デバイスであって、前記電極パターンは、前記基板に配置された第１導電層と、前記第１導電層に配置された絶縁層と、前記絶縁層の頂部に配置された第２導電層とを備え、前記第２導電層は櫛歯状形状を有する、液晶デバイス。
【請求項２４】
請求項２２に記載の液晶デバイスであって、前記電極パターンは、前記基板に配置された第１導電層と、前記第１導電層に配置された絶縁層と、前記絶縁層の頂部に配置された第２導電層とを備え、前記第２導電層は開口部を有する、液晶デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的には液晶の技術分野に関し、より詳細には、本発明は、分極状態にありかつ印加された面内電界内にある液晶の間で、線型結合、例えば強誘電結合および／またはフレクソエレクトリック（ｆｌｅｘｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）結合により駆動される液晶デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
（技術的背景）
一般に、ネマチック液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）は、誘電結合、例えば液晶の誘電異方性（Δε）および電気光学的応答を生じさせる印加された電界に基づき作動する。この応答は印加される電界の二次式で表される。すなわち有極性ではなく、電界による液晶分子のスイッチングから生じる。従来のネマチックＬＣＤでは、液晶分子のスイッチングは印加される電界の方向を含む面内で生じる。これにより、液晶サンドイッチセルを横断するように印加される電界が、分子を面外、すなわちセル基板に直交する面内での分子のスイッチングを生じさせる。しかしながら、この種のスイッチングは、視野角に大きく依存するコントラストを有する電気光学的応答を生じさせる。更に、応答の全時間（τ）、すなわち立ち上がり時間（τｒ）と降下時間（電界オフ）時間（τｆ）との合計であるスイッチング時間は、通常、動く画像を表示するには十分短い時間とは言えない。
【０００３】
他方、基板のうちの１つの内側表面に堆積される（面内電界を発生させる）電極が互い違いに配置されたパターンを有するＬＣＤは、光軸の面内スイッチング（ＩＰＳ）を生じさせるので、コントラストが視野角度にあまり依存しない画像を提供する。改良されたバージョンであるＳ−ＩＰＳ（スーパー面内スイッチング）では、ヘリンボーン電極構造が使用されている。それにもかかわらず、このＩＰＳ−モードで作動するディスプレイのスイッチング時間は、高品位の動く画像を発生するには十分短い時間とは言えない。
【０００４】
フリンジ電界を発生する櫛歯状電極構造体により、面内電界を効果的に発生することができる。しかしながら、これらいわゆるフリンジ電界スイッチング（ＦＦＳ）デバイスでも一般に誘電結合が使用されており、従って上記電界オフ時間が長くなるという問題は解決されていない。
【０００５】
上記の場合では、電界オフ時間（τｆ）は印加される電界の大きさに依存しないが、立ち上がり時間（τｒ）は印加された電界の大きさに依存する。従って、立ち上がり時間は電界によって効率的に制御できるが、電界オフ時間は電界と無関係である。この電界オフ時間は、セルの特性、例えばセルギャップだけでなく液晶材料のパラメータ、例えば粘性および固体基板に対するアンカー強度によっても決定される。
【０００６】
異なる光学的状態となるようにネマチック液晶をスイッチングするための公知の別の方法は、最初に変形されたネマチック液晶のフレクソエレクトリックバルク分極と、印加された電界との間の線型結合を利用している（ドゾフ他著、「ネマチック液晶におけるフレクソエレクトリック的に制御されたツイストテクスチャー」、ジャーナル・デ・フィジック・レター４３号（１９８２年）、Ｌ−３６５〜Ｌ−３６９（非特許文献１）、およびコミトフ他著、「弱いアンカリングを有する可逆的にプレチルトされたネマチック液晶層における新規な有極電気光学的効果」、第３回国際ディスプレイ研究会議の議事録、１９８３年１１月、神戸、日本（非特許文献２））。
【０００７】
国際特許出願第２００５／０７１４７７号（特許文献１）は、互い違いに電極が配置されたパターンにより、基板に実質的に平行な方向の均質でない電界が発生する、フレクソエレクトリック液晶バルク層を含む液晶デバイスについて述べている。電界オフ状態において基板に平行な方向の平均的分極方向は、電界を発生すべき方向に直交することが好ましい。この場合、立ち上がり時間と降下時間の双方は電界によって決まり、全応答時間は短くなる。
【０００８】
米国特許第６，１６０，６００号（特許文献２）は、２つの基板のうちの１つにディスプレイ電極および共通電極が配置された液晶ディスプレイデバイスについて述べている。この液晶材料の向きはＨＡＮ（ハイブリッド配向ネマチック）タイプである。このデバイスでは、電極が設けられた基板の近くの液晶材料を電界に対する誘電結合によりスイッチングするので、誘電率の大きい液晶材料が必要である。更に、このモードのスイッチングはスイッチングの指向性の制御を可能にするものではない。
【０００９】
櫛歯状電極を含む強誘電性液晶（ＦＬＣ）ディスプレイデバイスも公知である（日本国公開特許ＪＰ１０−１６１１２８号、特許文献３）。
【００１０】
最近、電気的に命令される表面（ＰＣＳ）を使用することにより、セル基板の両端に電界を印加することにより、ネマチック液晶の面内スイッチングが実現されている。公開された国際特許出願第ＷＯ００／０３２８８号（特許文献４）は、いわゆる電気的に命令される表面（ＥＣＳ）原理について述べている。
【００１１】
ＥＣＳ原理によれば、従来のサンドイッチセル内に液晶バルク材料を閉じ込める基板の一方または双方の内側表面に、別個のカイラルスメクチック液晶薄膜、好ましくは強誘電性（カイラルスメクチックＣ相、ＳｍＣ＊）液晶性ポリマー膜が堆積される。
【００１２】
このカイラルスメチック液晶性ポリマー層は、隣接する液晶バルク材料に平面または実質的に平面に配向させる表面誘導配向層として働く。より詳細には、セルの両端に、よって表面誘導配向膜の両端に外部電界を印加すると、別個のカイラルスメクチック液晶性層内の分子がスイッチングされる。この電界に応答するダイナミック表面誘導配向膜の変化は、「一次表面スイッチング」と称す。この一次表面スイッチングの結果、弾性力（ステリック結合）を介し、基板の間に閉じ込められている液晶バルク材料のバルク容積部内で、好ましい分子の配向のスイッチングが次に生じる。この二次スイッチングは、「誘導バルクスイッチング」と称される。この誘導バルクスイッチングは面内スイッチングである。従って、ダイナミックな表面誘導配向膜内の分子のスイッチングは、別個の表面誘導配向膜とバルク層との間の境界において、弾性力を介しバルク容積部内へ伝えられるので、この結果、ダイナミックな表面誘導配向膜によって伝達されるバルク容積部分子の比較的高速の面内スイッチングが生じる。
【００１３】
カイラルスメクチック液晶性層、すなわちダイナミックな表面誘導配向膜は、シンクリニックまたはアンチクリニック・カイラルスメクチック、例えばスメクチックＣ（ＳｍＣ＊またはＳｍＣＡ＊）材料、またはいわゆるランダムなＳｍＣ＊を含むカイラルスメクチックＡ（ＳｍＡ＊）材料でよい。したがって、印加された電界に対するダイナミックな表面誘導配向膜の応答は、それぞれ強誘電性、反強誘電性または常誘電性となり得る。
【００１４】
公開された国際特許出願第ＷＯ２００３／０８１３２６号（特許文献５）は、液晶バルク層と、少なくとも１つの表面に永続的に付着された結果、バルク層内に均質でないように分布したカイラルドーパントとを含み、このドーパントが、前記表面に隣接するバルク層のサブ容積部内で自発分極を誘導するような液晶デバイスについて述べている。バルク層に印加される電界に対する前記サブ容積部内のバルク層の応答は、強誘電性、反強誘電性または常誘電性となり得る。
【００１５】
液晶デバイス内でＥＣＳ層／サブ容積部を使用すると、高速の面内スイッチングおよび画像の比較的高いコントラストが得られる。しかしながら、コントラストを更に均一に改善することが望ましく、更に必要となる電圧はかなり高くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】国際特許出願第２００５／０７１４７７号
【特許文献２】米国特許第６，１６０，６００号
【特許文献３】日本国公開特許ＪＰ１０−１６１１２８号
【特許文献４】国際特許出願第ＷＯ００／０３２８８号
【特許文献５】国際特許出願第ＷＯ２００３／０８１３２６号
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】ドゾフ他著、「ネマチック液晶におけるフレクソエレクトリック的に制御されたツイストテクスチャー」、ジャーナル・デ・フィジック・レター４３号（１９８２年）、Ｌ−３６５〜Ｌ−３６９
【非特許文献２】コミトフ他著、「弱いアンカリングを有する可逆的にプレチルトされたネマチック液晶層における新規な有極電気光学的効果」、第３回国際ディスプレイ研究会議の議事録、１９８３年１１月、神戸、日本
【非特許文献３】Ｄ  フランダーズ、Ｄ  シェイバーおよびＨ  スミス著の論文、アプライド・フィジックス・レターズ、５５、２５０６（１９７８年）
【非特許文献４】Ｊ  チェンおよびＧ  ボイド著の論文、アプライド・フィジックス・レターズ、３５、４４４（１９７９年）
【非特許文献５】Ｇ  Ｐ  ブライアン−ブラウン、Ｃ  Ｖ  ブラウン、Ｉ  Ｃ  セージおよびＶ  Ｃ  ハル著の論文、ネイチャー、Ｖ３９２、３６５（１９９８年）
【非特許文献６】Ｃ  ブラウン、Ｍ  トウラー、Ｖ  フイおよびＧ  ブライアン−ブラウン著の論文、リキッド・クリスタルズ、２７、２３３（２０００年）
【非特許文献７】Ｒ  カプート、Ｌ  ドシオ、Ａ  Ｖ  スハフ、Ａ  ヴェルトリおよびＣ  ウメトン著の論文、オプティクス・レターズ、２９、１２６１（２００４年）
【非特許文献８】Ｇ  ストランギ、Ｖ  バーナ、Ｒ  カプート、Ａ  ドルカ、Ｃ  ヴェルサーチ、Ｎ  スカラムッツァ、Ｃ  ウメトンおよびＲ  バルトリーノ著の論文、フィジカル・レビュー・レターズ、９４、６３９０３（２００５年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明の一般的な目的は、上記問題を解消し、改良された液晶デバイスを提供することにある。特に本発明の目的は、コントラストが大きく視野角が広い画像を成生し、面内の高速スイッチングを示す能力を有し、よってより詳細には、電気光学的応答の降下時間を短くし、よって全スイッチング時間を短縮し、動画の満足できる表示を可能にする液晶デバイスを提供することにある。
【００１９】
本発明の別の目的は、液晶バルクのスイッチングを伝達するための閾値電圧の大きさを小さくし、すなわち液晶デバイスの駆動電圧を下げることにある。このことは特にポータブル用途、例えば携帯電話で重要である。
【００２０】
本発明は、ディスプレイだけに関するものではなく、他の多くの液晶デバイスでも有効となり得る。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の第１の態様によれば、本発明は、第１および第２閉じ込め基板と、
前記基板の間に配置された液晶バルク層と、前記第１基板の内側表面に塗布された第１電極パターンと、前記バルク層のバルク表面において、前記バルク層と相互作用するように配置されており、前記第１電極パターンに塗布された第１配向膜とを備え、前記第１電極パターンは、前記第１配向膜に隣接する前記バルク層の第１サブ容積部に対して均一でない電界を発生するように配置されており、前記電界は電気力線の方向および電界強度に関して均一でなく、前記電界は前記第１配向膜に対しても発生される液晶デバイスを提供するものである。このデバイスは、前記第１サブ容積部内および／または前記第１配向膜内に含まれる分極状態にある液晶を更に備え、前記液晶の分極は、（ｉ）前記第１サブ容積部および／または前記第１配向膜の外部、および（ｉｉ）前記第２基板に、および／または前記第２基板上に配置された第２配向膜に隣接した前記バルク層の第２サブ容積部の外部の、前記バルク層の起こり得る同様な液晶分極よりも強力であり、前記第１サブ容積部内および／または前記第１配向膜内に含まれる分極した状態の前記液晶は、前記電界と前記分極との間の結合により、少なくとも部分的にスイッチングされ、弾性力により前記バルク層の液晶のスイッチングが達成される。
【００２２】
本発明の次の説明から、本発明のその他の態様、特徴および利点が明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明によるデバイス内で実現するための、電極が互い違いにされたパターンの略図である。
【図２】図１に示された、電極が互い違いにされたパターンによって発生される面内電界の略横断面図である。
【図３】本発明によるデバイス内でフリンジ電界を発生するための櫛歯状電極を含む電極構造の略横断面図である。
【図４】本発明によるデバイス内で表面トポロジーおよび／または配向膜のアンカー特性により、基板表面のうちの１つでフレクソエレクトリック分極をどのように誘導できるかを示す略横断面図である。
【図５】本発明によるデバイス内で表面トポロジーおよび／または配向膜のアンカー特性により、基板表面のうちの１つでフレクソエレクトリック分極をどのように誘導できるかを示す略横断面図である。
【図６】本発明によるデバイス内で表面トポロジーおよび／または配向膜のアンカー特性により、基板表面のうちの１つでフレクソエレクトリック分極をどのように誘導できるかを示す略横断面図である。
【図７】本発明によるデバイス内で表面トポロジーおよび／または配向膜のアンカー特性により、基板表面のうちの１つでフレクソエレクトリック分極をどのように誘導できるかを示す略横断面図である。
【図８】本発明によるデバイス内で表面トポロジーおよび／または配向膜のアンカー特性により、基板表面のうちの１つでフレクソエレクトリック分極をどのように誘導できるかを示す略横断面図である。
【図９】本発明によるデバイス内で表面トポロジーおよび／または配向膜のアンカー特性により、基板表面のうちの１つでフレクソエレクトリック分極をどのように誘導できるかを示す略横断面図である。
【図１０】本発明によるデバイス内で表面トポロジーおよび／または配向膜のアンカー特性により、基板表面のうちの１つでフレクソエレクトリック分極をどのように誘導できるかを示す略横断面図である。
【図１１】本発明によるデバイス内で表面トポロジーおよび／または配向膜のアンカー特性により、基板表面のうちの１つでフレクソエレクトリック分極をどのように誘導できるかを示す略横断面図である。
【図１２】本発明によるデバイス内で表面トポロジーおよび／または配向膜のアンカー特性により、基板表面のうちの１つでフレクソエレクトリック分極をどのように誘導できるかを示す略横断面図である。
【図１３】本発明によるデバイス内で表面トポロジーおよび／または配向膜のアンカー特性により、基板表面のうちの１つでフレクソエレクトリック分極をどのように誘導できるかを示す略横断面図である。
【図１４】本発明によるデバイス内で表面トポロジーおよび／または配向膜のアンカー特性により、基板表面のうちの１つでフレクソエレクトリック分極をどのように誘導できるかを示す略横断面図である。
【図１５】本発明によるデバイス内で表面トポロジーおよび／または配向膜のアンカー特性により、基板の各々の内側表面でフレクソエレクトリック分極をどのように誘導できるかを示す略横断面図である。
【図１６】本発明によるデバイス内で表面トポロジーおよび／または配向膜のアンカー特性により、基板表面のうちの１つでフレクソエレクトリック分極をどのように誘導できるかを示す略横断面図である。
【図１７】本発明によるデバイス内で表面トポロジーおよび／または配向膜のアンカー特性により、基板表面のうちの１つでフレクソエレクトリック分極をどのように誘導できるかを示す略横断面図である。
【図１８】本発明によるデバイスにおいて、多数のセル内のデバイスのギャップを分割する壁により、フレクソエレクトリック分極をどのように誘導できるかを示す略横断面図である。
【図１９】本発明によるデバイスにおいて、多数のセル内のデバイスのギャップを分割する壁により、フレクソエレクトリック分極をどのように誘導できるかを示す略横断面図である。
【図２０】ハイブリッド配向（ＨＡＮ）を有するネマチックバルク層と、互い違いに配置された電極とを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図２１】ハイブリッド配向（ＨＡＮ）を有するネマチックバルク層と、互い違いに配置された電極とを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図２２】ハイブリッド配向（ＨＡＮ）を有するネマチックバルク層と、互い違いに配置された電極とを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図２３】ハイブリッド配向（ＨＡＮ）を有するネマチックバルク層と、互い違いに配置された電極とを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図２４】ハイブリッド配向（ＨＡＮ）を有するネマチックバルク層と、互い違いに配置された電極とを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図２５】ハイブリッド配向（ＨＡＮ）を有するネマチックバルク層と、互い違いに配置された電極とを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図２６】反転されたハイブリッド配向（ＨＡＮ）を有するネマチックバルク層と、互い違いに配置された電極とを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図２７】反転されたハイブリッド配向（ＨＡＮ）を有するネマチックバルク層と、互い違いに配置された電極とを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図２８】反転されたハイブリッド配向（ＨＡＮ）を有するネマチックバルク層と、互い違いに配置された電極とを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図２９】反転されたハイブリッド配向（ＨＡＮ）を有するネマチックバルク層と、互い違いに配置された電極とを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図３０】反転されたハイブリッド配向（ＨＡＮ）を有するネマチックバルク層と、互い違いに配置された電極とを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図３１】反転されたハイブリッド配向（ＨＡＮ）を有するネマチックバルク層と、互い違いに配置された電極とを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図３２】強誘電性配向膜と、互い違いに配置された電極とを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図３３】強誘電性配向膜と、互い違いに配置された電極とを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図３４】強誘電性配向膜と、互い違いに配置された電極とを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図３５】強誘電性配向膜と、互い違いに配置された電極とを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図３６】強誘電性配向膜と、互い違いに配置された電極とを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図３７】反転されたハイブリッド配向（ＨＡＮ）を有するネマチックバルク層およびフリンジ電界を発生する電極パターンを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図３８】反転されたハイブリッド配向（ＨＡＮ）を有するネマチックバルク層およびフリンジ電界を発生する電極パターンを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図３９】反転されたハイブリッド配向（ＨＡＮ）を有するネマチックバルク層およびフリンジ電界を発生する電極パターンを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図４０】反転されたハイブリッド配向（ＨＡＮ）を有するネマチックバルク層およびフリンジ電界を発生する電極パターンを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図４１】反転されたハイブリッド配向（ＨＡＮ）を有するネマチックバルク層およびフリンジ電界を発生する電極パターンを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図４２】反転されたハイブリッド配向（ＨＡＮ）を有するネマチックバルク層およびフリンジ電界を発生する電極パターンを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図４３】反転されたハイブリッド配向（ＨＡＮ）を有するネマチックバルク層およびフリンジ電界を発生する電極パターンを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図４４】反転されたハイブリッド配向（ＨＡＮ）を有するネマチックバルク層およびフリンジ電界を発生する電極パターンを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図４５】強誘電性配向膜と、フリンジ電界を発生する電極パターンを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図４６】強誘電性配向膜と、フリンジ電界を発生する電極パターンを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図４７】強誘電性配向膜と、フリンジ電界を発生する電極パターンを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図４８】強誘電性配向膜と、フリンジ電界を発生する電極パターンを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図４９】強誘電性配向膜と、フリンジ電界を発生する電極パターンを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図５０】強誘電性配向膜と、フリンジ電界を発生する電極パターンを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図５１】強誘電性配向膜と、バルク全体にわたって電界を発生する電極構造とを備えるデバイスの構造および性能を示す。
【図５２】強誘電性配向膜と、バルク全体にわたって電界を発生する電極構造とを備えるデバイスの構造および性能を示す。
【図５３】強誘電性配向膜と、フリンジ電界を発生する電極パターンを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図５４】強誘電性配向膜と、フリンジ電界を発生する電極パターンを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図５５】強誘電性配向膜と、フリンジ電界を発生する電極パターンを備える、本発明によるデバイスの構造および性能を示す。
【図５６】本発明に係わるデバイスにおいて、フリンジ電界を発生する電極パターンで使用する頂部電極構造の例を示す。
【図５７】本発明に係わるデバイスにおいて、フリンジ電界を発生する電極パターンで使用する頂部電極構造の例を示す。
【図５８】本発明に係わるデバイスにおいて、フリンジ電界を発生する電極パターンで使用する頂部電極構造の例を示す。
【図５９】基板に対して垂直に配向した他ネマチックで満たされたフリンジ電界を発生する電極パターンを含むデバイスの一例を示す。
【図６０】本発明によるデバイスにおいて、フリンジ電界を発生する電極パターンで使用する頂部電極構造の例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
（発明の詳細な説明）
本発明は、第１および第２閉じ込め基板と、
前記基板の間に配置された液晶バルク層と、
前記第１基板の内側表面に塗布された第１電極パターンと、
前記バルク層のバルク表面において、前記バルク層と相互作用するようになっており、前記第１電極パターンに塗布された第１配向膜とを備え、
前記第１電極パターンは、前記第１配向膜に隣接する前記バルク層の第１サブ容積部にわたり均質でない電界を発生するように配置されており、前記電界は電界線の方向および電界強度に関して均質でなく、前記電界は前記第１配向膜に対しても成生される液晶デバイスであって、
前記第１サブ容積部内および／または前記第１配向膜内に含まれる、分極状態にある液晶を更に備え、前記液晶の分極は、（ｉ）前記第１サブ容積部および／または前記第１配向膜の外部、および（ｉｉ）前記第２基板および／または前記第２基板上に配置された第２配向膜に隣接した前記バルク層の第２サブ容積部の外部の前記バルク層のどのような起こり得る同様な液晶分極よりも強力であり、前記第１サブ容積部内および／または前記第１配向膜内に含まれる分極した状態の前記液晶は、前記電界と前記分極との間の結合により少なくとも部分的にスイッチングされ、弾性力により前記バルク層の液晶のスイッチングが達成される液晶デバイスに関する。
【００２５】
上記デバイスが前記（第１）電極パターンに塗布された前記（第１）配向膜を備える場合、前記第１サブ容積部は前記（第１）配向膜に隣接することが理解できよう。
【００２６】
電界が存在しない場合（すなわち無電界状態）において、前記サブ容積部の分極および／または配向が存在することが望ましい。
【００２７】
本明細書で使用するように、サブ容積部および／または配向膜の内部での分極の強度と前記第１および第２サブ容積部および配向膜の外部のバルク層における分極強度とを比較するときの「同様な分極」なる用語は、同じ種類の電気結合、例えば強誘電性結合またはフレクソエレクトリック結合を生じさせる分極を意味する。
【００２８】
本明細書で使用するように、基板に隣接する液晶バルク材料のサブ容積部に関連する「〜に隣接する」なる用語は、サブ容積部が基板の最も近くに位置するバルク材料の部分を含むことに関連している。この用語は、本発明のデバイスの追加構成要素、例えば電極パターンおよび配向膜をかかるサブ容積部と基板との間に配置できる可能性を排除するものではない。
【００２９】
この配向膜は、パッシブ配向膜またはダイナミック配向膜のいずれかである。
【００３０】
前記配向膜に分極状態にある前記液晶が含まれる場合、前記配向膜は前記印加された電界と結合し前記液晶のスイッチングを行うので、配向膜をダイナミック配向膜と称すことができる。本発明によるデバイスは、それに追加しまたはその代わりに、基板表面の一方または双方に塗布されたパッシブな配向膜を含むことができる。
【００３１】
電界は、同じ基板表面に塗布された電極を含む電極パターンにより発生されるので、この電界は電極パターンを支持する基板表面の近くで実質的に局所化される。従って、電界は液晶性バルク層内で指数関数的に消滅する。更に、電界は基板表面に実質的に平行な方向の電界線（電気力線）を含む。すなわち面内電界が成生される。
【００３２】
前記電界は、互い違いに配置された電極またはフリンジ電界を発生する電極、例えば櫛歯状電極構造体を含む電極パターンのいずれかを含む電極パターンによって成生することが望ましい。
【００３３】
前記第１サブ容積部内および／または前記（ダイナミック）配向膜内に含まれる分極状態にある液晶分子が強力な誘電率（Δε）を有するとき、スイッチングは電界と分極との間の結合に加えて電界に対する誘電結合の成分を有することができるが、必ずそうでなくてもよい。
【００３４】
図１には、基板３のうちの１つの内側表面に塗布された互い違いに配置された電極１および２を含む電極パターンが示されている。図２に示されるように、互い違いに配置された電極１および２によって発生される電界Ｅは、電極１および２を支持する基板表面３で実質的に局所化されている。電界（Ｅ）は、電極１および２が上部に塗布されている基板表面３に実質的に平行な方向の電界線を主に含む。しかしながら、電界（Ｅ）は電極１および２が上部に塗布されている基板表面３に平行でなく、この表面に実質的に垂直な方向を含む方向の一部の電界線も含む。電界線の方向は、ある電極ギャップから次の電極ギャップまで移動すると交互に変化する。したがって、電界は電界線の方向（および電界の強度）に関して不均一である。
【００３５】
当業者であれば理解できるように、互い違いに配置された電極を含む電極パターンは、図１に示された構造以外の他の多くの構造も含むことができる。互い違いに配置された電極を含むすべての電極パターンに対する共通する特徴は、電極が同じ幾何学的平面に配置されていることである。
【００３６】
図３には櫛歯状電極構造を含む電極パターンが示されている。この電極パターンは、（共通電極または底部電極とも称される）第１導電性層４、例えば基板表面５の上に配置される酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）の層と、前記第１導電層の上に配置される通常ＳｉＯｘの絶縁層６と、（頂部電極とも称される）第２導電層７、例えば前記絶縁層の頂部に配置される酸化インジウム・スズの層とを備え、前記第２導電層７は櫛歯状の櫛に類似した形状を有する。図３には、配向膜８も示されている。この電極構造体によって発生される電界（フリンジ電界）は、電極４および７を支持する基板表面５の近くで実質的に局所化される。電界（Ｅ）は、（電極４および７が塗布されている基板表面５に基本的に平行な方向（ＥＸ）および垂直な方向（Ｅｚ）の）双方の電界線を含む（すなわちフリンジ電界は基板表面５に沿った電界成分と基板表面５に垂直な電界成分とを含む）。電界線および電界強度の分布は、電極４および７の幾何学的形状およびそれらの相互の位置に応じて決まる。
【００３７】
別のタイプのフリンジ電界発生電極パターンは、基板表面に配置された第１導電性層（底部電極）と、前記第１導電性層に配置された絶縁層と、前記絶縁層の頂部に配置され、開口部を有する第２導電性層（頂部電極）とを備える。前記第２導電性層は、図５６に示されるような構造または同様な構造を有することができる。図５６ａは、六角形の形状の開口部を有する頂部電極構造を示し、図５６ｂは、円形スポット形状の開口部を有する頂部電極構造を示し、図５６ｃは、正方形の形状の開口部を有する頂部電極構造を示す。当業者であれば理解できるように、前記頂部電極は図５６に示した形状以外の多くの別の形状ともなり得る。このタイプの電極パターンは、視野角の広い画像を表示するのに有利である。図５６における実施形態のいずれかによる電極パターンによって得られる電界は、基板表面に対する垂線に沿って延び、かつ開口部の中心を貫通する複数の対称軸線を有する。電界の局部的な対称性、従って液晶配向の局部的な対称性により、かかる電極パターンを有するデバイスは視野角がより広く、視野角が方向に無関係となっている。
【００３８】
図５７および図５８は、ホメオトロピック配向を促進する配向膜（図示せず）と、正の誘電異方性を示すネマチック液晶バルク層６２と、フリンジ電界発生電極パターンを備える液晶デバイスの１つの基板表面６３での電界オフ状態および電界オン状態の液晶バルク分子６２の向きをそれぞれ示し、前記フリンジ電界発生電極パターンは、前記基板表面６３上に配置された底部電極６４と、前記底部電極に配置された絶縁層６４と、円形スポットの形状の開口部を有する頂部電極６６とを備える。
【００３９】
図５７および５８のデバイス構造は、負の誘電異方性を示すネマチック液晶バルク層と共にも動作するであろう。
【００４０】
図５９ａは液晶バルク分子のホメオトロピック配向を示す側面図である、図３８の櫛歯状電極構造体を使用するデバイスを示す。
【００４１】
図５９ｂは電界オン状態における電気力線の均一でない電界分布も示す図３８および図５８における電極構造の側面図を示す。
【００４２】
図５９ａには、基板（６８）の内側表面に形成された電極構造を含むデバイスが示されている。液晶バルク層の分子は、基板（６３）および（６９）に堆積された配向膜（７０）および（６８）により、基板表面に対して垂直に配向している。電極構造は、均質でない電界（フリンジ電界）（図５９ｂ）を発生する。セルに電界が加えられると、液晶バルクの中の分子は、液晶材料が正の誘電異方性を有する場合（Δε＞０）、電界線に沿って配向する性質がある。しかしながらこの結果、電極パターンの近くのサブ容積部内で、周期的な斜向・屈曲弾性変形が生じ、次にこの変形は、液晶バルク材料がフレクソエレクトリック分極可能性を有する場合、フレクソエレクトリック分極を生じさせる。加えられる電界が適当な形状でありかつ適当な極性である場合、電界とフレクソエレクトリック分極との間の結合は、セルのスイッチング時間を短縮し得る。
【００４３】
図５９ａに示されたデバイスは、負の誘電異方性Δε＜０を有するネマチック液晶バルク層と共にも動作するであろう。
【００４４】
図６０は両面デバイスにおける電界オン状態にある液晶バルク分子の向きを示す。
【００４５】
本発明によるデバイスは、片面でもよいし両面でもよいと理解すべきである。
本発明による片面実施形態では、基板の一方だけがその内側表面に塗布された電極パターンを有する。
【００４６】
本発明によるデバイスの両面の実施形態では、双方の基板はその内側表面の各々に塗布された電極パターンを備える。従って、かかるデバイスでは、前記第２電極パターンに隣接するバルク層の第２サブ容積部に対して均一でない電界を発生させるよう、他方の基板の内側表面に第２電極パターンが塗布されるか、または他方の基板の内側表面に第２配向膜が塗布され、この場合、前記電界は電気力線の方向およびその強度が不均一になる。
【００４７】
双方の基板に同じタイプの互い違いに配置された電極を含む、本発明によるデバイス（両面実施形態）では、基板に塗布された電極の第１基板表面に沿った向きは、第２基板に塗布された電極の第２基板表面に沿った向きに対して角度をなすことが特に好ましい。このタイプの配置はデバイスの視野角を実質的に広くする。
【００４８】
双方の基板に塗布された、図１に示されるようなタイプの互い違いに配置された電極を含む本発明によるデバイスでは、第２基板表面に沿って配置された電極の方向に対して基本的には垂直な方向に、基板表面に沿って第１基板表面上の電極を配置することが特に有利である。
【００４９】
更に、本発明によるデバイスの両面実施形態では、前記電極パターンに隣接する各サブ容積部（第１および第２サブ容積部）および／または前記電極パターンに塗布された各配向膜は、印加された電界との強誘電性結合またはフレクソエレクトリック結合を示す、分極状態にある液晶を含むことが好ましい。この場合、前記サブ容積部および／または配向膜の各々は、前記サブ容積部および／または配向膜の外側のバルク層の起こり得る同様な液晶の分極よりも強い。しかしながら、サブ容積部および／または配向膜における分極強度は、比較すると互いに異なることがあると理解すべきである。
【００５０】
より詳細には、前記サブ容積部および／または前記配向膜に含まれる分極状態の前記液晶は、自発誘導分極を含む自発分極または誘導分極のいずれかを示す。
【００５１】
特に、サブ容積部および／または前記配向膜における前記分極と、前記印加された電界との間の結合は、強誘電性、反強誘電性、常誘電性、またはフレクソエレクトリック結合のいずれかとなる。
【００５２】
本発明の実施形態の第１グループでは、前記配向膜は、例えばＳｍＣ＊、ＳｍＣＡ＊またはＳｍＡ＊のようなカイラルスメクチック（Ｓｍ＊）液晶性材料を含む。
【００５３】
スメクチック液晶性構造は、隣接するスメクチック層内に配置された液晶分子を含む。スメクチックＡおよびスメクチックＣ相は、これら「層状」の液晶の２つの最も重要な代表例である。更に、スメクチック液晶分子はアカイラル（例えばＳｍＡ、ＳｍＣまたはＳｍＣＡ）またはカイラル（例えばＳｍＡ＊、ＳｍＣ＊またはＳｍＣＡ＊）でよく、この場合、カイラルなる用語は鏡面対称性がないことを意味する。
【００５４】
傾斜したカイラルスメクチック液晶は、あるスメクチック層から次のスメクチック層に進む際に円錐体内で回転する誘導層を有する。この円錐体の頂点の角度θ＝２βは、一般に４５°のオーダーであり得る。よってスメクチック層に垂直でありかつ前記円錐体の軸線に平行な螺旋軸で層を横断した螺旋テクスチャーが形成される。しかしながら、誘導層に結合する局部的な自発分極（ＰＳ）は、同じ周期またはピッチで螺旋状にも回転する。かかる局部的な分極の螺旋構造は、局部的な分極を自ら解消できる、すなわちバルク液晶は巨視的な分極を生じないことを意味する。
スメクチックＡ相構造では、分子の平均方向はスメクチック層の垂線に対して直交する（β＝０°）。すなわち分子はスメクチック層の垂線に沿って向く。カイラルスメクチックＡ（ＳｍＡ＊）液晶性構造に電界が印加された場合、この印加された電界に対する応答は、いわゆる常誘電性応答となる。
【００５５】
スメクチックＣ相構造体では、分子はスメクチック層の垂線に対して角度β（一般に２２．５°のオーダー）で傾斜する。
【００５６】
シンクリニックスメクチック、例えばスメクチックＣの液晶性構造体では、２つの隣接するスメクチック層の分子は、スメクチック層の垂線に対して同じ方向に傾斜する。シンクリニックカイラルスメクチック、例えばスメクチックＣ＊（ＳｍＣ＊）液晶性構造に電界を印加した場合、印加される電界に対する応答はいわゆる強誘電性応答となる。
【００５７】
アンチクリニックスメクチック（例えばスメクチックＣＡ）液晶性構造では、隣接する２つのスメクチック層の分子は、スメクチック層の垂線に対して反対方向に傾斜する。アンチクリニックカイラルスメクチック（例えばスメクチックＣＡ（ＳｍＣＡ＊））液晶性構造に電界が印加された場合、いわゆる反強誘電性応答が生じる。しかしながら、印加された電界が所定のスレッショルドよりも高ければ、アンチクリニック構造はシンクリニック構造に変化する。すなわち印加された電界に対して強誘電性応答が生じる。
【００５８】
したがって、本発明によるデバイスの実施形態のこの第１グループでは、配向膜における前記分極と印加された電界との間の結合は、強誘電性、反強誘電性、または常誘電性となり得るが、より好ましくは強誘電性となる。導入部で説明したように、このカイラルスメクチック配向膜における分子の一次スイッチングの結果、弾性力（ステリック結合）を介してバルク層内の液晶の分子の向きの誘導されたスイッチングが生じる。
【００５９】
本発明によるデバイスの実施形態のこのグループにおけるカイラルスメクチック配向膜は、シンクリニックカイラルスメクチック、例えばスメクチックＣ（ＳｍＣ＊）液晶性材料、特に強誘電性液晶性ポリマー（ＦＬＣＰ）とも称されるシンクリニックカイラルスメクチックＣ（ＳｍＣ＊）液晶性ポリマーを含む。
【００６０】
配向膜のカイラルスメクチック液晶性材料（例えばＦＬＣＰ）は、バルク層の液晶性材料に不溶性であることが好ましい。特に配向膜の液晶性材料は、バルク層の液晶性材料の物理的性質に影響を与えてはならず、逆に、バルク層の液晶性材料が配向膜の液晶性材料の物理的性質に影響を与えてもいけない。
【００６１】
この第１グループの実施形態では、バルク層はカイラルまたはアカイラルネマチックまたはスメクチック液晶性材料を含むことが好ましく、０または極めて小さい正もしくは負の誘電異方性、すなわちΔε≒０となっているネマチックまたはスメクチック液晶性材料であることがより好ましい。従って、液晶性材料は印加された電界との誘電結合を基本的には示さない。
【００６２】
バルク層がアカイラルスメクチック液晶性材料を含む場合には、バルク層のスメクチック層が配向膜のスメクチック層に対して実質的に平行となっていることが適当である。
【００６３】
更に、配向膜のスメクチック層は基本的には印加された電界に対して平行に向いていることが望ましい。
【００６４】
本発明のこの第１グループの実施形態の上で開示した配向膜は、印加された電界に影響され、この印加された電界に結合するので、ダイナミック配向膜と称すことができる。
【００６５】
本発明のこの第１グループの実施形態によるデバイスは、上記の他に前記ダイナミック配向膜を下層とするパッシブ配向膜を含み、よって前記ダイナミック配向膜に対する好ましい配向方向を提供できる。
【００６６】
例３および４に説明したように、カイラルスメクチック液晶性材料、例えばＦＬＣＰを含む配向膜により、本発明によるデバイスでは、フレクソエレクトリックバルク分極が誘導される。
【００６７】
更に、このグループの実施形態では、上部に前記配向膜が塗布されている電極パターンを支持する基板表面に隣接する液晶バルク分子が、反対の基板表面に隣接する液晶バルク分子よりも大きい分子プレチルト角を有することが有利であることが分かっている。
【００６８】
自発分極を示す、上で開示した配向膜の製造方法に関する更なる情報については、国際特許出願第ＷＯ００／０３２８８号（特許文献４）を参照されたい。
【００６９】
第２グループの本発明の実施形態では、前記第１サブ容積部内の少なくとも１つの表面に永続的に付着された結果カイラルドーパントは液晶バルク層内に不均一的に分布し、それによって前記第１サブ容積部内で１つ以上のカイラル性に関連する物理的性質（本明細書ではカイラル性の効果とも称す）の局部的な増加を誘導し、それが前記表面において最大となり前記表面から離間する方向に低下する不均一性の分布を有する自発分極を引き起こし、前記カイラルドーパントは前記液晶バルク層内で可溶性である。
【００７０】
本明細書で使用するように、「可溶性」なる用語はドーパントが液晶バルク層内に溶解できることを意味する。
【００７１】
前記カイラル性の効果の誘導された増加は、バルク層の全容積部内では起こらず、表面に近いバルク層の限られた領域（サブ領域）でしか起こらない。
【００７２】
この第２のグループの実施形態では、バルク層は、アカイラルまたはカイラルネマチックまたはスメクチック液晶性材料、好ましくはアカイラルスメクチック（例えばＳｍＣ）液晶性材料、およびより好ましくは０または極めて小さい正または負の誘電異方性（すなわちΔε≒０）を有するアカイラルスメクチック（例えばＳｍＣ）液晶性材料を含むことができる。
【００７３】
このグループの実施形態の説明の例として、バルク層はアカイラルスメクチックＣ液晶材料を含むことができる。サブ領域では、アカイラルスメクチックＣは、アカイラルスメクチックＣに可溶性のカイラルドーパントをドープされ、前記サブ容積部内の表面に永続的に付着される。このドーパントはカイラル性を誘導し、よってサブ容積部内の液晶バルク材料内でカイラル性の効果の増加を誘導する。次に、この誘導されたカイラル性は今度はサブ容積部内で自発分極を生じさせ、強誘電特性を付与する。ドープされているサブ領域の実際の容積部と、カイラル性を示し自発分極を生じるサブ容積部とは若干異なることがある。それは、ドーパント分子はドーパントから所定の距離でもカイラル性を誘導するからである。前記誘導された自発性分極を示すよう、サブ容積部に対して前記電界を印加することにより、分子は印加された電界との直接強誘電結合のために、極めて高速でスイッチングされる。次に、この高速強誘電スイッチングの結果、今度は表面のサブ領域内の分子とバルク容積部の隣接する分子との間の弾性結合により、サブ容積部の外部でバルク分子の高速スイッチングが生じる。
【００７４】
カイラルドーパントは永続的に表面に付着されている。このことは、ドーパントがバルク容積部内で自由に移動することが阻止されるように、表面に結合していると解釈すべきである。ドーパントは表面に永続的に付着されているが、これらドーパントは限られた移動性を示すことができる。特に例えば印加された外部電界によるスイッチング中に、表面においてドーパント分子が再配向できるような移動性を示すことができる。
【００７５】
ドーパントが付着されている表面はバルク層の境界に位置するか、またはその境界を定める表面を含むだけでなく、サブ容積部内部に位置する表面または平面も含むと考えるべきである。従って、これに関連し、「表面」なる用語は直接またはドーパント材料を介して間接的に、前記サブ容積部内のバルク層材料と接触する任意の物理的または幾何学的表面または平面を含むことができることを意味する。
【００７６】
ドーパントは、バルク層の液晶と相互作用し、従って液晶材料の好ましい分子配向を提供するように配列されている前記電極パターンの表面または前記配向膜に付着されていることが好ましい。
【００７７】
本発明によるデバイスのこの第２のグループの実施形態では、前記第１のサブ容積部内の前記分極と印加された電界との間の結合は、上記記載から理解できるように、強誘電性、反強誘電性または常誘電性とすることができ、強誘電性であることがより好ましい。
【００７８】
誘導される自発分極を示すこれまで開示したサブ容積部の製造方法に関する更なる情報を得たい場合には、国際特許出願第ＷＯ２００３／０８１３２６号（特許文献５）を参照されたい。
【００７９】
本発明によるデバイスの第３のグループの実施形態では、前記第１のサブ容積部の液晶の分極は、サブ容積部内の液晶の斜向および／または屈曲変形によって誘導され、それによって前記第１サブ容積部における分極状態にある液晶と電界との間のフレクソエレクトリック結合を生じさせる。
【００８０】
液晶におけるフレクソエレクトリック効果は、固体材料におけるピエゾ電気効果に類似しているがその性質は全く異なる。フレクソエレクトリックとは、弾性変形、例えば屈曲変形および／または斜向変形の結果として生じる液晶材料の分極を意味する。永久純双極モーメントの他に、「形状極性」も有する分子から成る液晶材料でこのフレクソエレクトリックは顕著である。全フレクソエレクトリック分極Ｐｆｌｅｘｏは、Ｐｆｌｅｘｏ＝ｅｓＳ＋ｅｂＢで示され、ここで、ｅｓは斜向フレクソエレクトリック係数であり、ｅｂは屈曲フレクソエレクトリック係数である。これら係数は、フレクソエレクトリック分極の強度を定める極めて重要なパラメータである。
【数１】
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は、それぞれ斜向変形および屈曲弾性変形である。一般に、弾性変形がより強くなればなるほどＰｆｌｅｘｏも大きくなる。フレクソエレクトリックは液晶のユニバーサルな物理的性質であるが、異なる符号のＰｆｌｅｘｏを示す、そしてゼロのＰｆｌｅｘｏを有するような液晶材料も存在する。
【００８１】
当業者に知られているように、斜向および／または屈曲変形を生じる液晶性材料は、印加された電界に対するフレクソエレクトリック結合（フレクソエレクトリック効果）を生じさせる分極を誘導できる。
【００８２】
本発明によるデバイスのこの第３のグループの実施形態では、高いフレクソエレクトリック分極性を有する液晶性材料、すなわち弾性変形下で高いフレクソエレクトリック分極を示す液晶性材料を使用することが好ましい。一般にかかる液晶性材料はフレクソエレクトリック係数ｅｓおよびｅｂのうちの少なくとも１つの高い値を有する。弾性変形下でもフレクソエレクトリック分極を示さない液晶性材料も存在するので、デバイスのこの第３の実施形態で使用するための液晶性材料は、任意に選択できないと理解すべきである。
【００８３】
一般に、斜向変形、屈曲変形および非対称の複合（斜向＋屈曲）変形が存在する。
本発明による所望する効果を得るには、前記第１サブ容積部内のフレクソエレクトリック効果は、前記サブ容積部（第１サブ容積部および第２サブ容積部）の外部のバルク層の任意の起こり得るフレクソエレクトリック効果よりも強力であることが重要である。
【００８４】
例えばこの効果は、例えば配向方向および／またはサブ容積部内に延びる突起に影響を与えるような変化するアンカー特性を有する整合層を、基板表面の一方または双方に塗布することにより、局部的な斜向変形および／または屈曲変形を生じさせることによって得ることができる。前記突起の結果として生じる表面トポロジーは、単独でまたは変化するアンカー特性と組み合わせられ、隣接する液晶のフレクソエレクトリック分極を生じさせる。
【００８５】
かかる片面実施形態では、他方の基板の内側表面に、例えばプレーナーまたはホメオトロピックのような所定の配向方向を示す追加の（第２）配向膜を塗布することが望ましい。
【００８６】
固体基板表面を閉じ込める適当な表面処理により、例えば前記液晶バルクに向いた閉じ込め基板表面上に、いわゆる（表面誘導）配向層を塗布することにより、一般に電界のない状態で液晶層の所望する初期配向を得ることができる。この初期液晶配向は、固体の表面と液晶との相互作用によって定められる。閉じ込め表面に隣接する液晶分子の向きは、弾性力を介しバルク内の液晶分子に伝えられるので、すべての液晶バルク分子に基本的には同じ配向を課すことができる。閉じ込め基板表面近くの液晶分子の誘導層は、所定の方向、例えば閉じ込め基板表面に垂直な方向（ホメオトロピック方向または垂直方向とも称す）または閉じ込め基板表面に平行（プレーナー方向とも称す）に指向させるように制限される。ある場合には、更に基板に対し所定の傾斜した配向角（プレチルト角）に液晶バルク分子を向けると有利となり得る。
【００８７】
本発明のこの第３のグループの実施形態では、フレクソエレクトリック分極を促進するドーパントは、前記第１サブ容積部内の少なくとも１つの表面に永続的に付着させられ、それによって前記第１サブ容積部内の１つ以上の物理的性質の局部的な増加を促進し、前記表面で最大となり前記表面から離間する方向に低下する不均一な分布を有するフレクソエレクトリック分極が発生する結果、バルク層内に不均一に分布することができ、前記ドーパントは液晶バルク層内で可溶性である。
【００８８】
サブ容積部内の強誘電分極を促進するのに利用できるドーパントは、例えば異方性形状に起因する望ましい効果を有する、バナナ形状、ドロップ形状、ドロップ−バナナ複合形状のドーパント、およびそれらの２つ以上の混合物から成る群から選択されたドーパントを含む。かかるドーパントは、より大きいフレクソエレクトリック係数を与えることが当業者には知られている。かかるドーパントはメソジェニック化合物でよいが、これらだけに限定されるものではない。
【００８９】
ホメオトロピック配向を生じさせるための方法の一例は、表面活性剤、例えばレシチンまたはヘキサデシルトリメチル・アンモニウム・ブロマイドのような表面活性剤で閉じ込め基板表面をコーティングすることを含む。次に、電界誘導された液晶分子のプレーナー配向が所定のラビング方向に向くよう、コーティングされた基板表面を所定方向にラビングすることも好ましい。
【００９０】
プレーナー配向を生じさせるための方法の一例として、基板表面に例えばポリイミドの有機被膜を塗布する、いわゆる有機膜ラビング方法を挙げることができる。その後、膜に接触する液晶分子がラビング方向に向くように、布を使って所定方向に有機被膜をラビングする。
【００９１】
図４〜１９は、配向膜の表面トポロジーおよび／または（配向方向を含む）アンカー特性により、上記のように電極パターン（この電極パターンは図には示されていない）を支持する基板表面に隣接するサブ容積部内でフレクソエレクトリック分極をどのように誘導できるかを例示するものである。フレクソエレクトリック分極の方向は、図では矢印で示されており、点線が液晶分子の配向方向を示している。
【００９２】
図４〜１７は、ピラミッド状または長方形の表面幾何学的形状、および異なるタイプの配向方向、例えばホメオトロピックおよびプレーナー配向を示す配向膜によって誘導されるフレクソエレクトリック分極を示している。この種の周期的表面トポロジーを形成するための方法は、Ｄ  フランダーズ、Ｄ  シェイバーおよびＨ  スミス著の論文、アプライド・フィジックス・レターズ、５５、２５０６（１９７８年）（非特許文献３）；Ｊ  チェンおよびＧ  ボイド著の論文、アプライド・フィジックス・レターズ、３５、４４４（１９７９年）（非特許文献４）；Ｇ  Ｐ  ブライアン−ブラウン、Ｃ  Ｖ  ブラウン、Ｉ  Ｃ  セージおよびＶ  Ｃ  ハル著の論文、ネイチャー、Ｖ３９２、３６５（１９９８年）（非特許文献５）；およびＣ  ブラウン、Ｍ  トウラー、Ｖ  フイおよびＧ  ブライアン−ブラウン著の論文、リキッド・クリスタルズ、２７、２３３（２０００年）（非特許文献６）に開示されている。
【００９３】
図４、７および８の各々は、（ピラミッド状突起に塗布された）ピラミッド状幾何学的形状およびホメオトロピック配向を有する配向膜を示す。図４では、前記ピラミッド突起内およびそれらの間の基板表面もホメオトロピック配向を示している。反対の基板表面はプレーナー配向を示す追加の配向膜を含む。
【００９４】
図５は、（ピラミッド状突起に塗布された）ホメオトロピック配向およびピラミッド状突起内およびそれらの間のプレーナー配向を備えたピラミッド状幾何学的形状を有する配向膜を示す。
【００９５】
図６、１３および１４の各々は、（ピラミッド状突起に塗布された）ピラミッド状幾何学的形状およびプレーナー配向を有する配向膜を示す。図６では、前記ピラミッド突起内およびそれらの間の基板表面もプレーナー状配向を示している。反対の基板表面はプレーナー配向を示す追加の配向膜を含む。
【００９６】
図９は、（ピラミッド状突起に塗布された）ピラミッド状幾何学的形状およびプレーナー配向を有する配向膜を示す。反対の基板表面は、ホメオトロピック配向を示す追加の配向膜を含む。
【００９７】
図１０は、（非対称のピラミッド状突起に塗布された）ピラミッド状幾何学的形状およびプレーナー配向を有する配向膜を示す。反対の基板表面は、ホメオトロピック配向を示す追加の配向膜を含む。
【００９８】
図１１は、（ピラミッド状突起に塗布された）プレーナー配向およびピラミッド状突起内およびそれらの間のホメオトロピック配向を備えたピラミッド状幾何学的形状を有する配向膜を示す。
【００９９】
図１２は、（ピラミッド状突起に塗布された）プレーナー配向とホメオトロピック配向とが交互に配置されたピラミッド状幾何学的形状を有する配向膜を示す。反対の基板表面はプレーナー配向を示す追加の配向膜を含む。
【０１００】
図１５は、基板の各々の内側表面において、フレクソエレクトリック分極が局所化されている、図４に示された片面実施形態が両面に設けられている両面実施形態である。
【０１０１】
図１６は、（長方形の突起に塗布された）プレーナー配向とホメオトロピック配向とが交互に配置された、長方形の幾何学的形状を有する配向膜を示す。
【０１０２】
図１７は、（長方形の突起に塗布された）プレーナー配向を備えた長方形の幾何学的形状を有する配向膜を示す。
【０１０３】
図１８および図１９は、多数のセル内でデバイスギャップを分割するポリマー壁により、フレクソエレクトリック分極が成生される、本発明に係わるデバイスの略横断面図である。このタイプのポリマー壁を製造するための方法は、Ｒ  カプート、Ｌ  ドシオ、Ａ  Ｖ  スハフ、Ａ  ヴェルトリおよびＣ  ウメトン著の論文、オプティクス・レターズ、２９、１２６１（２００４年）（非特許文献７）；およびＧ  ストランギ、Ｖ  バーナ、Ｒ  カプート、Ａ  ドルカ、Ｃ  ヴェルサーチ、Ｎ  スカラムッツァ、Ｃ  ウメトンおよびＲ  バルトリーノ著の論文、フィジカル・レビュー・レターズ、９４、６３９０３（２００５年）（非特許文献８）に記載されている。
【０１０４】
上記方法とは異なり、本発明によるデバイス内の全バルク（すなわちバルク分極）において、斜向および／または屈曲変形を行うこともできる。
【０１０５】
従って、本発明によるデバイスは、非対称の斜向−屈曲複合変形を有するバルク層を含むことができ、このバルク層では、
第１サブ容積部の液晶がベンド変形を実質的に示し、屈曲フレクソエレクトリック係数ｅｂが、フレクソエレクトリック分極の主要フレクソエレクトリック係数である（すなわち｜ｅｂ｜＞｜ｅｓ｜である）（かかるケースでは前記第１サブ容積部ａの液晶は、負の誘電異方性を示す（Δε≦０）、前記第１サブ容積部は屈曲変形を実質的に示す液晶を含むことが好ましい）か、または
第１サブ容積部の液晶が斜向変形を実質的に示し、斜向フレクソエレクトリック係数ｅｓが、フレクソエレクトリック変形の主要フレクソエレクトリック係数である（すなわち｜ｅｓ｜＞｜ｅｂ｜である）（かかるケースではバルク層の液晶は、正の誘電異方性を示し（Δε≧０）、前記第１サブ容積部は斜向変形を実質的に示す液晶を含むことが好ましい）。
【０１０６】
これらの場合では、前記第１サブ容積部におけるフレクソエレクトリック効果のほうが、前記第１サブ容積部の外部でのバルク層のフレクソエレクトリック効果よりも強力となる。
【０１０７】
本発明に係わるデバイスのこの第３グループの実施形態では、斜向フレクソエレクトリック係数ｅｓがフレクソエレクトリック分極の主要フレクソエレクトリック係数となっている（典型的にはバルク層の液晶が正の誘電異方性を示す（Δε≧０））斜向変形を有するバルク層を使用することも可能である。この場合では、基板の両面に本発明による電極パターンが適切に塗布され、前記電極パターンに隣接するバルク層の強く分極した各サブ容積部にわたって均一でない電界が与えられる。
【０１０８】
同じように、上記態様とは異なり、屈曲フレクソエレクトリック係数ｅｂがフレクソエレクトリック分極の主要フレクソエレクトリック係数となっている（典型的にはバルク層の液晶が負の誘電異方性を示す（Δε≦０））屈曲変形を、この第３のグループの実施形態によるデバイスのバルク層が示すこともできる。この場合には、基板の両面に電極パターンが適切に塗布される。
【０１０９】
上記のような本発明によるデバイスが、対称的な斜向または屈曲変形を有するバルク層、および基板の片面だけに塗布された電極を含む場合（片面実施形態）、前記第１サブ容積部内のフレクソエレクトリック分極は、電極パターンを有さないが上部に配向膜を有する基板の内側表面に隣接する第２サブ容積部内のフレクソエレクトリック分極と等しい強度となる。
【０１１０】
この第３のグループの実施形態では、バルク層がネマチック（カイラルまたはアカイラル）液晶性材料を含むことが好ましい。更に、弾性変形によってバルク層の液晶性材料が変形するときに、この材料が顕著なフレクソエレクトリック分極を示すことが適当である。従って、バルク層の液晶性材料はフレクソエレクトリック分極を示すことが望ましい。
【０１１１】
フレクソエレクトリック分極の強度は、フレクソエレクトリック係数の大きさおよび符号だけでなく弾性変形の度合いによっても決定され、例えば液晶デバイス内のセルギャップが狭くなると、フレクソエレクトリック分極が増加することに留意すべきである。
【０１１２】
更に、この第３のグループの実施形態では、前記第１サブ容積部内の電界オフ状態にあるフレクソエレクトリック分極の平均方向が、上部に電極パターンが塗布されている前記基板に対して平行または９０°よりも小さい角度で傾斜しているとき、好ましくは基本的には面内電界を発生すべき方向に直交しているとき、バルク層の液晶の面内スイッチングが達成される。
【０１１３】
更に本発明は、本発明による上記液晶デバイスを製造するための方法にも関する。この方法は、
ある基板の内側表面に電極パターンを塗布するステップであって、この電極パターンはこの電極パターンに隣接する液晶バルク層の第１サブ容積部にわたって均一でない電界を発生でき、この電界は、電気力線の方向およびその強度に関して均一でないステップと、
前記電極パターンに配向膜を塗布して、この配向膜を超えて前記電界が成生されるステップと、
前記電極パターンおよびその上部に塗布された配向膜を有する前記電極基板と第２基板との間にセルギャップを形成するステップと、
液晶バルク層を形成する液晶性材料で前記セルギャップを満たすステップと、前記第１サブ容積部内および／または前記配向膜内に、分極状態にある液晶を供給するステップとを含み、前記分極は、前記第１サブ容積部、前記配向膜の外部および／または、前記第２基板の内側表面または第２配向膜またはこの第２配向膜に塗布された随意の第２電極パターンに隣接するバルク層の第２サブ容積部の外部のバルク層の、いかなる起こり得る同様な液晶の分極よりも強力であり、前記電界と結合して前記液晶のスイッチングを実行し、弾性力を通してバルク層の液晶のスイッチングを達成できる。
【０１１４】
要約すれば、本発明は、電極パターンに隣接するバルク層の第１サブ容積部にわたり、前記電極パターンによって成生された不均一な面内電界と前記第１サブ容積部内および／または前記電極パターンに塗布された配向膜内に含まれる分極状態にある液晶との間の線型結合、例えば強誘電結合および／またはフレクソエレクトリック結合により、少なくとも部分的に駆動される液晶デバイスに関連し、前記分極は、（ｉ）前記第１サブ容積部、前記配向膜の外部、および（ｉｉ）他方の基板の内側表面または第２配向膜またはこの第２配向膜に塗布された随意の第２電極パターンに隣接するバルク層の第２サブ容積部の外部のバルク層の、いかなる起こり得る同様な液晶の分極よりも強力である。
【０１１５】
本発明による液晶デバイスのこれまでの説明から、上記方法の他の好ましい特徴について理解できよう。
以下、次の非限定的な実施例により本発明について説明する。
【０１１６】
実施例１：
複合配向（ＨＡＮ）を有するバルク層と、互い違いに配置された電極を備えるセル
【０１１７】
約２μｍのセルギャップを形成する、２つの平行なガラス基板９および１０を含むサンドイッチセル（図２０）を使用した。基板９の一方の内側表面に（図１に示されている）互い違いに配置された電極パターン１１を設けた。隣接する電極間の距離は約２０μｍであった。
【０１１８】
電極パターン１１上にニッサンＳＥ−２１７０から成る第１配向膜１２を堆積し、セルギャップ内に設けられた液晶分子１３を含む液晶バルク層の均一なプレーナー配向を促進するよう、この第１配向膜１２を電極パターン１１に対して平行にラビングした。
【０１１９】
ホメオトロピック配向を促進する、ニッサンＳＥ−１２１１から成る第２配向膜１４を、他方の基板１０の内側表面に堆積した。
【０１２０】
正の誘電異方性（Δε＞０）を有する（メルク社から供給された）ネマチック液晶性材料ＭＬＣ１６０００−０００でセルギャップを充填した。
【０１２１】
配向膜１２および１４の向きのために、ネマチックバルク１３は複合配向（ＨＡＮ）状態となった。すなわち電極パターン１１を支持する基板９において配向はプレーナー状であるが、他方の基板１０ではホメオトロピック状である（図２０および２１）。ネマチックバルク層１３のかかる弾性変形はフレクソエレクトリック分極を生じさせる（Ｐｆｌｅｘｏ）。図２１〜２３における両側矢印はサンプルの光軸の方向を示す。
【０１２２】
斜向変形は電極パターン１１を支持する基板９に局所化されており、かつＭＬＣ１６０００−０００は正の誘電異方性を示すので、斜向変形が支配的な場所、すなわち電極１１を支持する基板９に、最も強力なフレクソエレクトリック分極が局所化される（図２０）。
【０１２３】
弾性変形およびフレクソエレクトリック分極は電極パターン１１に平行であり、かつセル基板９および１０に直交する同一平面内に存在する。フレクソエレクトリック分極は印加された電界Ｅに線型に結合し、液晶１３の高速スイッチングを行う。測定された全スイッチング時間τｒｉｓｅ＋τｆａｌｌは２５Ｖの印加電圧で約８〜１２ｍｓであった。従来のＩＰＳ液晶デバイスでは、同じ条件の全スイッチング時間は約２８〜３４ｍｓである。
【０１２４】
図２２および２３は、単一電極ギャップにおけるネマチック液晶１３のスイッチングをそれぞれ略図で示す。これら２つの図から分かるように、スイッチングの方向は電界Ｅの極性によって決まる。２つの隣接する電極ギャップ内のネマチックＬＣ分子１３は、図２４および２５にそれぞれ示されるように時計回り方向および反時計回り方向にスイッチングする。これらの図は、印加された電界（Ｅ）の異なる電界極性に対応するセルの２つの状態を示している。このセルは、交差した偏光器の間で見られたものであり、その間にλ−赤色光学プレートが挿入されている。λ−赤色光学プレートの光軸に対して、（図２４および２５で矢印で示される）誘導層ｎの異なる位置に異なる色が対応している。
【０１２５】
実施例２：
複合配向（ＨＡＮ）を有するバルク層と、互い違いに配置された電極を備えるセル
【０１２６】
この実施例では、実施例１と同じタイプのサンドイッチセルを使用したが、ＨＡＮテクスチャーを反転させた（図２６）。従って、図２６および２７に示されるように、電極パターン１７を支持する基板１５において、第１配向膜１８によって誘導される配向はホメオトロピックであり、反対の基板１６において、第２配向膜２０によって誘導される配向はプレーナー状であった。
【０１２７】
更に、負の誘電異方性（Δε＜０）を有する（メルク社から供給された）別のネマチック液晶性材料１９、ＭＤＡ−０５−１８７でセルギャップを充填した。
【０１２８】
斜向変形は、電極パターン１７を支持する基板１５に局所化されており、かつＭＤＡ−０５−１８７は負の誘電異方性を示すので、屈曲変形が支配的な場所、すなわち電極１７を支持する基板１５に、最も強力なフレクソエレクトリック分極（Ｐｆｌｅｘｏ）が局所化される（図２６）。図２７〜２９内の両側矢印はサンプル光軸の方向を示す。
【０１２９】
ネマチックのスイッチング（スイッチング時間を含む）は、実施例１に記載されたスイッチングに類似していることが分かっており、このスイッチングは図２８および２９に略図で示されている。しかしながら、フレクソエレクトリック結合（Ｐｆｌｅｘｏ）と誘電結合とが同じ方向となっている実施例１に記載のスイッチングと異なり、この実施例ではこれらの結合は反対方向となっている。弱い、または中程度の電界では、電界（Ｅ）と誘電異方性との間の誘電結合に対して、このフレクソエレクトリック結合（Ｐｆｌｅｘｏ）が支配的となる。しかしながら、強力な電界（Ｅ）および高周波では誘電結合が支配的である。従って、電極にまずｄｃ電圧を印加することにより、フレクソエレクトリック結合のために、ネマチック分子１９は対応する電極ギャップ内の印加電界（Ｅ）の極性に応じて、時計回り方向および反時計回り方向にそれぞれスイッチングする。強力な高周波パルスは、誘電結合のためにネマチック分子１９を元に戻すようにスイッチングさせる。従って、ＤＣ電圧を印加することによりネマチック分子１９はオン状態にスイッチング（図３０ａ、３０ｂおよび３０ｃ）され、他方高周波パルスは、ネマチック分子１９を実施例１の場合のように電極１７に平行（図３１ａおよび３１ｂ）な、（図３０および３１において両側矢印によって示される）配向の初期の電界オフの好ましい方向にネマチック分子１９を戻すようにスイッチングする。
【０１３０】
実施例３：
カイラルスメクチック配向膜および互い違いに配置された電極を含むセル
この実施例（図３２）で使用されるセルは、実施例１で使用された構造と同じ構造を有していた。しかしながら、この実施例ではプレチルト角θａを有する準プレーナー配向を促進するよう、電極２３に沿って単一方向にラビングしたニッサンＳＥ−２１７０を含む配向膜（図示せず）で基板２１および２２の双方の内側表面をコーティングした。
【０１３１】
電極パターン２３を被覆する配向膜の頂部には、強誘電性液晶ポリマー（ＦＬＣＰ）、より詳細には強力な誘電性側鎖ポリシロキサンの薄膜（図示せず）を堆積した。このＦＬＣＰ膜は分子チルト角θｂを有し、本棚のような幾何学的形状に配向していた。すなわち基板表面２１に垂直なスメクチック層と配向状態にあった。
【０１３２】
負の誘電異方性（Δε＜０）を有しＦＬＣＰ内で不混和性（不溶性）である、社内で調製したネマチック液晶性材料２４でセルギャップを充填した。
【０１３３】
この実施例における印加電界（Ｅ）は、負の誘電異方性のためにネマチック分子２４を直接スイッチングすることはない。しかしながら、電界Ｅは、ＦＬＣＰ材料の自発分極のためにＦＬＣＰの分子をスイッチングし、このことは次に、弾性力を介してバルク層のネマチック液晶性分子２４をスイッチングする（国際特許出願第ＷＯ００／０３２８８号（特許文献４）参照）。従って、電界の極性（Ｅ）を変えることにより、基板２１および２２の面内でネマチックバルク２４の配向の好ましい方向をスイッチングする（すなわち面内スイッチング）。
【０１３４】
図３２から分かるように、一方の電界特性（Ｅ）では分子のプレチルト角はネマチックバルク２４にわたって一様な分布を有するが、他の電界極性（Ｅ）ではネマチックバルク２４は斜向変形を生じさせ、この変形は図３３に示されるようなフレクソエレクトリック分極（Ｐｆｌｅｘｏ）を生じさせる。しかしながら、ＦＬＣＰ層の自発分極（Ｐｓ）と同様に、フレクソエレクトリック分極（Ｐｆｌｅｘｏ）は電界（Ｅ）に線型に結合し、面内スイッチングを生じさせる。
【０１３５】
実施例１および２と同様に、総スイッチング時間（τｒｉｓｅ＋τｆａｌｌ）は２５Ｖの印加電圧で約８〜１２ｍｓとなることが分かった。
【０１３６】
電極２３を有しない基板２２におけるプレチルト角θａが、電極パターン２３を支持する電極２１におけるプレチルト角θｂよりも小さい場合、最大のフレクソエレクトリック分極（Ｐｆｌｅｘｏ）が基本的には電極パターン２３を支持する表面に局所化され、よって印加された電界（Ｅ）への結合がより強力となり、ネマチックバルク２４のより効率的なスイッチング（すなわちより短いスイッチング時間）を可能にする。
【０１３７】
実施例４：
カイラルスメクチック配向膜と、互い違いに配置された電極とを備えるセル
【０１３８】
この実施例で使用されるセル（図３４）は、実施例３で使用された構造体と同じ構造体を有していた。しかしながら、この例では９０°未満のプレチルト角（θ）を有する準ホメオトロピック配向を促進するよう、電極パターン２７に沿って単一方向にラビングした配向膜（２６）で、基板２５および２６の双方の内側表面をコーティングした（図３４）。更に、ＦＬＣＰ層（図示せず）を基板２５に平行なスメクチック層と配向させた。
【０１３９】
図３４から分かるように、一方の電界極性（Ｅ）では分子プレチルト角はネマチックバルク２８にわたって均一な分布を有するが、他方の電界極性（Ｅ）ではネマチックバルク２８は屈曲変形を生じ、この変形は図３５に示されるようなフレクソエレクトリック分極（Ｐｆｌｅｘｏ）を生じさせる。この分極（Ｐｆｌｅｘｏ）は電界（Ｅ）に線型に結合し、面内スイッチングを生じさせる。
【０１４０】
図３６ａおよび３６ｂにはＦＬＣＰ層のスイッチングが略図で示されている。
【０１４１】
ネマチックバルク２８のスイッチング（スイッチング時間を含む）は、実施例３で説明したスイッチングと同様であることが分かった。
【０１４２】
実施例５：
複合配向（ＨＡＮ）を有するバルク層と、フリンジ電界を発生する櫛歯状電極とを備えるセル
【０１４３】
この実施例では、約２μｍのセルギャップを形成する２つの平行なガラス基板２９および３０を備えるサンドイッチセルを使用した（図３７）。基板２９のうちの１つの内側表面上に、第１導電層３１と、約３００ｎｍの厚さを有する絶縁層３２と、櫛歯形状の第２導電層３３を備えた電極パターンを設けた（片面デバイス）（図３７）。図３には、この電極パターンによって発生されるフリンジ電界の成分の分布が示されている。
【０１４４】
実施例のように、櫛歯状電極３３を支持する基板２９の上に、セルギャップ内に設けられた液晶バルク層３５のホメオトロピック配向を促進するニッサンＳＥ１２１１から成る第１配向膜３４を堆積した。
【０１４５】
実施例２のように、他方の基板３０の内側表面にニッサンＳＥ２１７０から成る第２配向膜３６を堆積し、電極３１および３３に平行にラビングし、セルギャップ内に設けられた前記液晶バルク層３５の均一なプレーナー配向を促進した。
【０１４６】
図２のように、負の誘電異方性（Δε＜０）を有するネマチック液晶性材料ＭＤＡ−０５−１８７でセルギャップを充填した。
【０１４７】
従って、セルギャップを充填するネマチック液晶３５はＨＡＮ構造（図３７および３８）となり、櫛歯状電極３３を支持する基板２９の近くに、最強のフレクソエレクトリック分極（Ｐｆｌｅｘｏ）が局所化する。図３８〜４０内の両側矢印はサンプルの光軸の方向を示す。
【０１４８】
図３９および４０に示されるように、フリンジ電界（Ｅ）の平行成分は、櫛歯状電極３３の２つの平行な側面に隣接するフレクソエレクトリック分極（Ｐｆｌｅｘｏ）を面内でそれぞれ時計回り方向および反時計回り方向にスイッチングさせ、実質的な電気光学的応答を生じさせる。
【０１４９】
しかしながら、図４１および４２に示されるように、フリンジ電界（Ｅ）の垂直成分は櫛歯状電極３３の２つの平行な側面の間の中間におけるフレクソエレクトリック分極（Ｐｆｌｅｘｏ）を面外でスイッチングするが、このことは電気光学的応答を生じさせない。
【０１５０】
このデバイスの表示画像は高いコントラストを有することが示された。図４３は電界オン状態を示し、図４４は電界オフ状態を示している。
【０１５１】
更に、面内スイッチングのためにデバイスは広い視野角も有する。
【０１５２】
更に、このデバイスにおいて、ネマチックバルク３５のスイッチングを駆動するために必要な電圧は約６Ｖであり、この電圧は従来のＩＰＳディスプレイに必要な電圧（１５〜２０Ｖ）よりもかなり低い。
【０１５３】
このデバイスの全スイッチング時間（τｒｉｓｅ＋τｆａｌｌ）は約３ｍｓであることが分かった。立ち上がり時間（τｒｉｓｅ）は約２ｍｓであり、立ち下がり時間（τｆａｌｌ）は約０．９ｍｓであった。従って、スイッチング時間は従来のＩＰＳディスプレイの場合の時間よりもかなり短くなった。
【０１５４】
実施例６：
複合配向（ＨＡＮ）を有するバルク層と、フリンジ電界を発生する櫛歯状電極とを備えるセル
【０１５５】
実施例５と同じように、この実施例では同じタイプのサンドイッチセルを使用したが、ＨＡＮテクスチャーを反転させた。従って、電極を支持する基板における配向はプレーナー状であり、反対の基板における配向はホメオトロピックとなっていた（すなわち実施例１に同様であった）。
【０１５６】
更にセルギャップを別のネマチック液晶性材料、すなわち正の誘電異方性（Δε＞０）を有する（メルク社によって供給された）ＭＬＣ１６０００−０００で充填した。この材料は実施例１でも使用されたものである。
【０１５７】
実施例１のように、ネマチック液晶はＨＡＮ構造となり、櫛歯状電極を支持する基板の近くで最強のフレクソエレクトリック分極（Ｐｆｌｅｘｏ）が局所化する。
【０１５８】
ネマチック材料のスイッチング（スイッチング時間を含む）は実施例５で説明したスイッチングと同様であることが分かった。
【０１５９】
実施例７：
カイラルスメクチック配向膜と、フリンジ電界を発生する櫛歯状電極とを備えるセル
【０１６０】
この実施例で使用されるセル（図４５）は実施例５で使用された構造と同じ構造を有していた。しかしながら、この実施例では、単一方向のプレーナー配向を促進するよう、櫛歯状電極４１に平行にラビングしたニッサンＳＥ−２１７０で基板３７および３８の双方の内側表面を被覆した。
【０１６１】
電極４１および４２をカバーする配向膜の頂部には、強誘電性液晶ポリマー（ＦＬＣＰ）、より詳細には強力誘電性側鎖ポリシロキサンの薄膜４３を堆積した。このＦＬＣＰ膜４３は本棚のような幾何学的形状に配向状態にあった。すなわち基板表面３７に垂直なスメクチック層と配向状態にあった。負の誘電異方性（Δε＜０）を有し、ＦＬＣＰ４３内で不混和性（不溶性）である社内で調製したネマチック液晶性材料４４でセルギャップを充填した。
【０１６２】
実施例３のように、印加電界（Ｅ）は負の誘電異方性に起因し、ネマチック分子４４を直接スイッチングすることはない。しかしながら、電界（Ｅ）はＦＬＣＰ材料４３の自発的分極により、ＦＬＣＰ４３の分子をスイッチングし、このことは次に、弾性力を介してバルク層のネマチック液晶性分子４４をスイッチングする（国際特許出願第ＷＯ００／０３２８８号（特許文献４）参照）（図４７および４８）。
【０１６３】
フリンジ電界（Ｅ）を印加することによるＦＬＣＰ分子４３のスイッチングは、図５１に示されるように、バルク全体に対する電界（すなわち別個の基板の表面に塗布される電極間に成生される電界）を印加するよりもより効率的であることが分かった。図５１に示されるデバイスは、基板表面４７および４８の各々にそれぞれ塗布されたＩＴＯ電極４５および４６と、前記ＩＴＯ電極４５および４６に塗布されたＦＬＣＰ層４９および５０とを含む。スペーサ５１によって分離されたセルギャップは、アカイラルネマチック液晶性材料５２によって満たされる。
【０１６４】
フリンジ電界を有するデバイスの表示された画像のコントラストは、全バルク層（図５２）にわたって電界が発生されるデバイスの画像よりも、より高いコントラストを有することが示された（図４９および５０参照）。
【０１６５】
更にフリンジ電界を有するデバイスの約６．７Ｖの駆動電圧は、全バルク層にわたって電界が成生されるデバイスの約５０Ｖの駆動電圧よりもかなり低かった（オシロスコープに表示されるボルトは、測定デバイスの特性のため、１０倍だけ乗算しなければならない）。
【０１６６】
実施例８：
カイラルスメクチック配向膜と、フリンジ電界を発生するための櫛歯状電極とを含むセル
【０１６７】
実施例７を繰り返すが、ネマチック液晶性材料は正の誘電異方性（Δε＞０）を示す。
【０１６８】
実施例９：
カイラルスメクチック配向膜と、フリンジ電界を発生するための櫛歯状電極とを含むセル
【０１６９】
実施例７を繰り返すが、ＦＬＣＰ層は基板表面に平行なスメクチック層と配向状態にある。図５３および５４にはＦＬＣＰの予想されるスイッチングが示されている。
【０１７０】
実施例１０：
カイラルスメクチック配向膜とフリンジ電界を発生するための櫛歯状電極とを備えるセル（両面デバイス）
【０１７１】
実施例７を繰り返すが、基板５３および５４の双方の近くでフリンジ電界を発生するため、基板５３および５４の各内側表面は上に開示した電極パターン５５および５６をそれぞれ支持している（両面デバイス）（図５５）。更に、各基板表面５３および５４はパッシブな配向膜５７および５８をそれぞれ備え、更に各電極パターン５５および５６にそれぞれ堆積され、アカイラルネマチック液晶性バルク層６１に向いたＦＬＣＰ層５９および６０を備える。
【０１７２】
実施例１１：
カイラルスメクチック配向膜とフリンジ電界を発生するための櫛歯状電極とを備えるセル（両面デバイス）
【０１７３】
実施例８を繰り返すが、基板の双方の内側表面は、双方の基板表面の近くでフリンジ電界を発生するための、上に開示した電極パターンを支持している（両面デバイス）。
【０１７４】
実施例１２：
カイラルスメクチックサブ容積部とフリンジ電界を発生するための櫛歯状電極とを備えるセル（両面デバイス）
【０１７５】
実施例７を繰り返すが、基板の各内側表面は、上に開示した電極パターンを支持しており（両面デバイス）、各基板表面はパッシブな配向膜を含む。しかしながら、各配向膜をＦＬＣＰ層で被覆する代わりに、配向膜にカイラル分子（カイラルドーパント）が付着されている。更にセルギャップは、アカイラルスメクチック液晶性材料で充填されており、カイラル分子はアカイラルスメクチックバルク層のサブ容積部内、よって櫛状電極を支持する基板の近くに位置するスイッチング可能な強誘電性サブ容積部内に、カイラル性を誘導する。
【０１７６】
以上で、本発明の特定の実施形態を参照し、本発明について詳細に記述したが、当業者であれば、発明の要旨および範囲から逸脱することなく種々の分極および変形を行うことができることは明らかであろう。
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年8月6日(2014.8.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２閉じ込め基板と、
前記基板の間に配置された、液晶がフレクソエレクトリックに分極可能なネマチック液晶である液晶バルク層と、
前記第１基板の内側表面に塗布された第１電極パターンと、
前記バルク層のバルク表面において、前記バルク層と相互作用するように配置されており、前記第１電極パターン上に塗布された第１配向膜と、
前記バルク層のバルク表面において、前記バルク層と相互作用するように前記第２基板上に配置された第２配向膜とを備え、
前記第１及び第２配光膜のいずれか一方は、前記バルク層のホメオトロピック配向を促進させ、前記第１及び第２配光膜の他方は、前記バルク層の均一プレナー配向を促進させ、
前記第１電極パターンは、前記第１配向膜に隣接する前記バルク層の第１サブ容積部に対して、均一でない電界を発生するように配置されており、前記電界は電気力線の方向および電界強度に関して均一でなく、前記第１基板の内側表面に実質的に平行な方向および、前記バルク層の分極方向に実質的に垂直な方向の電気力線を含み、前記電界は前記第１配向膜に対しても形成される液晶デバイスにおいて、
前記第１サブ容積部内に含まれる、分極状態にある液晶を更に備え、当該第１サブ容積部内の液晶の分極は、前記第１サブ容積部および第２基板に隣接した前記バルク層の第２サブ容積部、を除いた部分の、前記バルク層のどのような起こり得る同様な液晶分極よりも強力であり、
前記第１サブ容積部内に含まれる分極した状態の前記液晶は、前記電界と前記分極との間の結合により少なくとも部分的にスイッチングされ、弾性力により前記バルク層の液晶の面内のスイッチングが達成されることを特徴とする液晶デバイス。
【請求項２】
第１および第２閉じ込め基板と、
前記基板の間に配置された、液晶がフレクソエレクトリックに分極可能なネマチック液晶である液晶バルク層と、
前記第１基板の内側表面に塗布された第１電極パターンと、
前記バルク層のバルク表面において、前記バルク層と相互作用するように配置されており、前記第１電極パターン上に塗布された第１配向膜と、
前記バルク層のバルク表面において、前記バルク層と相互作用するように前記第２基板上に配置された第２配向膜とを備え、
前記第１及び第２配光膜のいずれか一方は、前記液晶バルク層内に延びる突起を有し、当該突起は、前記液晶バルク層に、斜向変形および／または屈曲変形を生じ、当該斜向変形および／または屈曲変形が前記液晶の分極を誘導し、
前記第１電極パターンは、前記第１配向膜に隣接する前記バルク層の第１サブ容積部に対して、均一でない電界を発生するように配置されており、前記電界は電気力線の方向および電界強度に関して均一でなく、前記第１基板の内側表面に実質的に平行な方向および、前記バルク層の分極方向に実質的に垂直な方向の電気力線を含み、前記電界は前記第１配向膜に対しても形成される液晶デバイスにおいて、
前記第１サブ容積部内に含まれる、分極状態にある液晶を更に備え、当該第１サブ容積部内の液晶の分極は、前記第１サブ容積部および第２基板に隣接した前記バルク層の第２サブ容積部、を除いた部分の、前記バルク層のどのような起こり得る同様な液晶分極よりも強力であり、
前記第１サブ容積部内に含まれる分極した状態の前記液晶は、前記電界と前記分極との間の結合により少なくとも部分的にスイッチングされ、弾性力により前記バルク層の液晶の面内のスイッチングが達成されることを特徴とする液晶デバイス。
【請求項３】
請求項１または２に記載の液晶デバイスであって、第２電極パターンに隣接する前記バルク層の前記第２サブ容積部に対しても均一でない電界を発生するよう、前記第２基板の前記内側表面に前記第２電極パターンが塗布されており、前記電界は電気力線の方向およびその強度に関して均一でなく、
前記第２基板の内側表面に実質的に平行な方向と、前記バルク層の分極の方向に実質的に垂直な方向の電気力線とを含み、
前記第２電極パターン上には前記第２配向膜が塗布されている、液晶デバイス。
【請求項４】
請求項１または２に記載の液晶デバイスであって、前記第１サブ容積部内および／または前記配向膜内の前記分極は、前記第１サブ容積部および／または前記配向膜の外の前記バルク層のどのような起こり得る同様な液晶の分極よりも強力である、液晶デバイス。
【請求項５】
請求項１または２に記載の液晶デバイスであって、前記配向膜は自発分極を生じる液晶性材料を含む、液晶デバイス。
【請求項６】
請求項５に記載の液晶デバイスであって、前記配向膜は、カイラルスメクチック液晶性材料を含む、液晶デバイス。
【請求項７】
請求項５に記載の液晶デバイスであって、自発分極を生じる前記液晶性材料は、前記電界と強誘電結合、反強誘電結合および／または常誘電結合できる液晶性ポリマーである、液晶デバイス。
【請求項８】
請求項１または２に記載の液晶デバイスであって、分極状態にある液晶と前記電界との間の結合は、フレクソエレクトリック結合である、液晶デバイス。
【請求項９】
請求項８に記載の液晶デバイスであって、ドーパントが、前記第１サブ容積部内の少なくとも１つの表面に永続的に付着される結果、前記バルク層内に均一的でないように分布しており、それによって前記第１サブ容積部内の１つ以上の物理的性質の局部的増加を促進させ、前記表面で最大となり前記表面から離間するにつれ減少する不均一分布を有するフレクソエレクトリック分極の発生を促進し、前記ドーパントは前記液晶バルク層内で可溶性である、液晶デバイス。
【請求項１０】
請求項９に記載の液晶デバイスであって、前記ドーパントが異方性形状のドーパント、およびこれらの２つ以上の混合物から成る、液晶デバイス。
【請求項１１】
請求項１または２に記載の液晶デバイスであって、分極状態にある液晶と前記電界との間の結合は、フレクソエレクトリック結合と誘電結合の組み合わせである、液晶デバイス。
【請求項１２】
請求項８に記載の液晶デバイスであって、前記液晶バルク層は、弾性変形下でフレクソエレクトリック分極を生じるネマチック液晶性材料を含む、液晶デバイス。
【請求項１３】
請求項１２に記載の液晶デバイスであって、前記液晶バルク層は、斜向・屈曲複合変形を示し、ｅｂがフレクソエレクトリック分極の主要フレクソエレクトリック係数であるとき、前記第１サブ容積部の前記液晶は、屈曲変形を生じる、液晶デバイス。
【請求項１４】
請求項１２に記載の液晶デバイスであって、前記液晶バルク層は斜向・屈曲複合変形を生じ、ｅｓがフレクソエレクトリック分極の主要フレクソエレクトリック係数であるとき、前記第１サブ容積部の前記液晶は斜向変形を生じる、液晶デバイス。
【請求項１５】
請求項１２に記載の液晶デバイスであって、前記液晶バルク層は正の誘電異方性および斜向変形を生じ、前記基板の各々の内側表面には電極パターンが塗布されており、この電極パターンに、前記配向膜を介して隣接する前記バルク層の各サブ容積部に対して、均一でない電界を発生させるようになっている、液晶デバイス。
【請求項１６】
請求項１２に記載の液晶デバイスにあって、前記液晶バルク層は負の誘電異方性および屈曲変形を生じ、前記基板の各々の内側表面には電極パターンが塗布されており、この電極パターンに、前記配向膜を介して隣接する前記バルク層の各サブ容積部に対して、均一でない電界を発生させるようになっている、液晶デバイス。
【請求項１７】
請求項１または２に記載の液晶デバイスであって、電極パターンは互い違いに配置された電極を含む、液晶デバイス。
【請求項１８】
請求項１または２に記載の液晶デバイスであって、前記電極パターンはフリンジ電界発生電極を含む、液晶デバイス。
【請求項１９】
請求項１８に記載の液晶デバイスであって、前記電極パターンは、前記基板に配置された第１導電層と、前記第１導電層に配置された絶縁層と、前記絶縁層の頂部に配置された第２導電層とを備え、前記第２導電層は櫛歯状形状を有する、液晶デバイス。
【請求項２０】
請求項１８に記載の液晶デバイスであって、前記電極パターンは、前記基板に配置された第１導電層と、前記第１導電層に配置された絶縁層と、前記絶縁層の頂部に配置された第２導電層とを備え、前記第２導電層は開口部を有する、液晶デバイス。
【外国語明細書】
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