(57)【要約】１つ又はそれ以上のキャビティに液晶分子を有するマルチステイブル液晶デバイスであって、各キャビティに少なくとも1個の高歪曲の液晶領域（１００，１１０）を備え、歪み領域（１００，１１０）は電界の印加により少なくとも２つの安定状態での切替が可能で、こうした安定状態のうち、少なくとも１つを反射モードとして使用できる液晶デバイス。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ又はそれ以上のキャビティに液晶分子を備えるマルチステイブル液晶デバイスであって、少なくとも１つの高歪液晶領域が各キャビティに形成されていて、前記高歪領域は、電界の印加により少なくとも２つの安定状態の間で切り替え可能であり、少なくとも１つの安定状態が反射モードを提供するマルチステイブル液晶デバイス。
【請求項２】
透明基板と反射基板との間に、液晶分子とキャビティとが介在している請求項１記載のマルチステイブル反射型液晶デバイス。
【請求項３】
少なくとも１つの安定状態にある液晶分子の大部分が、他の１つの安定状態にある液晶分子の大部分の方向に対して斜めの角度で並んでいる請求項１又は２記載のマルチステイブル反射型液晶デバイス。
【請求項４】
少なくとも１つの安定状態にある液晶分子の大部分が、他の１つの安定状態にある液晶分子の大部分の方向に対して実質的に４５度の角度で並んでいる請求項３に記載のマルチステイブル反射型液晶デバイス。
【請求項５】
１個又はそれ以上のキャビティが六角形の断面を有する請求項１〜４の何れかに記載のマルチステイブル反射型液晶デバイス。
【請求項６】
隣接キャビティの壁の間に、鮮明な遷移がある請求項１〜５の何れかに記載のマルチステイブル反射型液晶デバイス。
【請求項７】
キャビティを限定する壁がベース又は基板と実質的に垂直である請求項１〜６の何れかに記載のマルチステイブル反射型液晶デバイス。
【請求項８】
高歪領域がキャビティの角に位置する請求項１〜７の何れかに記載のマルチステイブル反射型液晶デバイス。
【請求項９】
安定状態にある液晶分子がキャビティのベースと実質的に平行な平面にある請求項１〜８の何れかに記載のマルチステイブル反射型液晶デバイス。
【請求項１０】
各キャビティ内の液晶が隣接キャビティ内の液晶から隔離されている請求項の１〜９何れかに記載のマルチステイブル反射型液晶デバイス。
【請求項１１】
少なくとも２個のキャビティが少なくとも１つの通路でリンクされている請求項１〜９の何れかに記載のマルチステイブル反射型液晶デバイス。
【請求項１２】
通路の幅が２０μm未満、好ましくは、５μm未満である請求項１１に記載のマルチステイブル反射型液晶デバイス。
【請求項１３】
前記液晶デバイスがネマチック液晶デバイスである請求項１〜１２の何れかに記載のマルチステイブル反射型液晶デバイス。
【請求項１４】
電界の少なくとも一部を液晶分子の少なくとも幾つかと平行な面で印加する手段を備える請求項１〜１３の何れかに記載のマルチステイブル反射型液晶デバイス。
【請求項１５】
電極がキャビティの壁に位置している請求項１〜１４の何れかに記載のマルチステイブル反射型液晶デバイス。
【請求項１６】
格納構造がフォトレジスト又はポリマー材料で形成されている請求項１〜１５の何れかに記載のマルチステイブル反射型液晶デバイス。
【請求項１７】
少なくとも１個の電極が１つ又はそれ以上のキャビティと関連付けられ、スイッチング素子に接続されている請求項１〜１６の何れかに記載のマルチステイブル反射型液晶デバイス。
【請求項１８】
スイッチング素子が１つ又は複数の薄膜トランジスタを含む請求項１６に記載のマルチステイブル反射型液晶デバイス。
【請求項１９】
少なくとも１つの偏光層を備えた前記請求項１〜１８の何れかに記載のマルチステイブル反射型液晶デバイス。
【請求項２０】
偏光層が少なくとも１つの安定状態で光をブロックし、少なくとも１つの別の状態で光を透過させる請求項１９に記載のマルチステイブル反射型液晶デバイス。
【請求項２１】
請求項１〜２０の何れかに記載のマルチステイブル反射型液晶デバイスを含む表示装置。
【請求項２２】
請求項１〜２０の何れかに記載のマルチステイブル反射型液晶デバイスを含む電気通信用位相装置。
【請求項２３】
請求項１〜２０の何れかに記載のマルチステイブル反射型液晶デバイスを含む光スイッチ。
【請求項２４】
請求項１〜２０の何れかに記載のマルチステイブル反射型液晶デバイスを含む可変位相格子。
【請求項２５】
格納構造のキャビティ内に液晶分子を含み、そのキャビティが少なくとも１つの局部的高歪領域を形成し、第１の状態及び第２の状態の少なくとも一方で光を反射することができる液晶デバイスの状態切り替え方法であって、高歪領域を第１の状態から少なくとも第２の状態に切り換えるために、液晶分子に電界を印加する工程を包含する前記の状態切り替え方法。
【請求項２６】
少なくとも１つの安定状態における液晶分子の大部分が、他の１つの安定状態における液晶分子の大部分の方向に対して、斜めの角度で並んでいる請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
少なくとも１つの安定状態における液晶分子の大部分が、他の１つの安定状態における液晶分子の大部分の方向に対して、実質的に４５度の角度で並んでいる請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
液晶分子が位置する平面と実質的に電界を印加する請求項２７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチステイブル反射型液晶デバイス及びこうしたデバイスを含む液晶ディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶材料（LCｓ）は、互いに平行に配向しやすい棒状の分子からなり、電界を印加することで分子配向を変えることができる。分子の局部的配向によって生じる長距離秩序により平均的な分子方向であるディレクタ(director)を定義できる。をこれらの分子の長軸および短軸は異なる光学特性を発揮するため、分子配向によって入射光の極性や強度を変えることができる。これらの再配列や極性効果を偏光層や反射層などの光学素子と組み合せて用いることで、光スイッチ、可変位相格子またはディスプレイなどの光学デバイスを生成できる。
【０００３】
従来のLCデバイスは、通常、2個の透明基板を備え、各透明基板の内側ピクセルにパターン化可能な半透明電極を設けて、液晶（LC）材料を挟むように構成されている。透過型ではなく、液晶層を透過した入射光の反射を利用するデバイスでは、1個の基板に反射層を設けてもかまわない。光学偏光子は、一般的に、片方または両方の基板の外面に設置する。液晶層と各電極／基板の間に配向膜を設けて、基板に近いLC分子の配向を特定するのに使用する。各ピクセルは、縦列と横列の電極を通して印加される電圧を使用して"受動的に"アドレスすることもできるし、単一のピクセルを通して電界を選択的に印加する薄膜トランジスタを使用して"能動的に"アドレスすることもできる。この電界を利用して液晶分子を２つの配向状態間で切替可能で、例えば、偏光子を介しての透過、または、偏光子によるブロックなど、それぞれの状態に応じて、LC層を通過する光に異なる効果をもたらす。
【０００４】
これを達成する方法の一つは、ねじれネマチック方式の使用である。これらのデバイスでは、互いに直交する方向に対向する基板に近いLC分子を配向するのに配向膜を使用しする。ピクセルを介して電界を印加していない状態では、表面から表面に移動するときの基板に近い直交方向のLC配列に、９０度のねじれが生じる。これは光の偏光を９０度回転させる効果を有する。偏光子を各基板の配向方向と平行に配置すると、入射光は初め、第１偏光子によって一方向に偏光し、さらに、光の偏光方向がLCによって９０度回転して、他方の基板の第２偏光子と一致し、ピクセルから出力される。ピクセルにカラーフィルタを設けて、カラーピクセルを生成しても構わない。電圧をピクセルの電極間に印加すると、LCは電界方向、すなわち、両方の基板平面と直交するように配向する。
この状態では、LC分子は光の伝達方向と平行に配向するので、LC構造による光の偏光に変化は起こらない。従って、第１偏光子で偏光した光は第２偏光子により、直交方向にブロックされる。この類のデバイスは、正面から見て、画面の後ろ側に置かれた光源（すなわち、バックライトによるディスプレイ）からの入射光がデバイスを透過するため、"透過型"と呼称される。
【０００５】
液晶デバイスを使って情報を表示する方法としては、この他、"反射型"液晶デバイスの使用がある。典型的な反射型デバイスは、見る側から最も離れた位置に配置した偏光子を反射素子と置き換えることを除いて透過型デバイスと同様に構成される。光は見る側と同じ正面側から入射し、偏光子によって、初めに一方向に偏光される。LC構造の一例としては、反射素子で反射させる前に、LCで光の偏光方向を４５度回転させ、さらに反射後にLCで再び４５度回転させる。光の偏光が９０度回転するということは、偏光子が光をブロックすることを意味する。電圧をピクセルの電極間に印加すると、LCが再配向し、LC構造による偏光への影響なしに、入射光を偏光させ、LCを透過させ、反射させ、偏光方向を変えずに再びLCを透過させることができる。これにより、偏光子が光をし放射し、観察できる。カラーフィルタをピクセルに設けて、カラーピクセルを生成することもできる。
【０００６】
LCディスプレイは、陰極線管などの他のディスプレイと比べて、平坦、軽量、頑丈などの利点がある。そのため、移動式電話やPDAｓなどの小型携帯用デバイスに理想的といえる。しかし、ピクセルを１つの状態に維持するために一定の電力を必要とし、消費電力が嵩むという難点がある。さらに、透過型ディスプレイは、典型的に、高コントラストで明るい画像を得るのに光源からのバックライトを必要とするため、消費電力がさらに嵩み、電池寿命が短くなる。また、これらのシステムは、電場が存在する場合、LC分子が基板の平面と垂直に配向する水平切替を使用しているため、複屈折効果により、脇から見るとコントラストを失うことがある。さらに、視差効果による色彩の歪み（color distortion）も起こりうる。
【０００７】
前述のデバイスに伴う課題のいくつかは、マルチステイブル、あるいは、特に、反射型双安定型液晶技術で対処している。マルチステイブル液晶デバイスでは、LCは複数の安定ディレクタ構造を有する。こうした構造では、いったん、安定状態に切替わると、電界が印加されて構造が変化するまでLCはその状態を保つ。このタイプの操作では、状態を切替える時だけ電力を供給し、状態を維持するための継続的な電力供給は必要ないので、消費電力が少なくてすむ。こうしたデバイスの反射技術は、バックライトを必要とせず、さらに電力消費を節減できる。
【０００８】
１９８０年刊行のThurston他著による電子工学デバイスIEEE会報（Thurston et al. IEEE Transactions on Electronic Devices）、２７版、１１号の２０６９から２０８０頁
は、多数の可能マルチステイブル・システムを有するLCデバイスを開示している。特に、基板から歪みを生じさせる天頂多重安定デバイス（zenithal multistable devices）を記載している。基板上のパターン化配列領域に依存する面内多重安定デバイスも記載されている。
【０００９】
米国特許第４３３３７０８は、デバイスの基板と平行に横たわる特異点、または、"回位"の動きを伴う多数のマルチステイブル・モードを有する双安定型LCデバイスの実施例を開示している。EP特許第０５１７７１５及びWO９２/００５４６は、表面処理（SiOの蒸発作用）を施して双安定表面配列層を生成する別のタイプの双安定型LCデバイスの実施例を開示している。この表面は、２個のディレクタ構造の可能性を示唆している。適当な電圧波長を印加して表面のディレクタを切替えることで、２つの状態間の切替が可能となる。
【００１０】
別の双安定デバイスの可能性が、米国特許第５７９６４５９に記載されている。これは表面処理した基板を備え、複回折格子（bigrating）が一方または両方の基板上に存在する。表面単回折格子（surface monograting）は、２個のディレクタ配向（director alignment arrangements）の調節にほぼ同等のエネルギーをもたらすような溝高／溝幅の比率を有する。ディレクタ配向の調節は、主に、基板の平面からのディレクタの角度によって互いに相違する。デバイスの切替は、適当な電圧パルスを使用して行う。
【００１１】
双安定型液晶デバイスを作成する別の手段によれば、基板の１つに１列の杭または孔を設ける。このタイプのデバイスは、EP特許第１２７１２２５及びEP特許１１３９１５１に記載されている。杭または孔を設けることで、複合的なディレクタ配向を安定させることができる。ディレクタ配向の違いは、主に、基板の主面からのディレクタの角度の相違による。これらの状態の切替は、分子双極子と結合した適当な電圧パルスを使用して行う。
【００１２】
上記の全デバイスでは、それぞれの安定状態が光の偏光にもたらす効果が異なり、これを適切に配向した偏光子と組み合わせ光を透過させたりブロックしたりできる。これらのシステムはデバイスを透過する光やデバイスの後ろの面から反射する光に使用できる。サブピクセルレベルでの表面処理を変えて、グレースケールを得ても構わない。こうしたデバイスが従来型のものより有利な点を備える一方、切替が面外になるため、斜めの角度から見たときにコントラストを失ったり、視差により色の歪みが生じたりすることがある。
【００１３】
上述したデバイスにはLC収差領域（LC defect regions）を含むものがある。LCを容器の収容すると、容器の表面が分子方向に影響を及ぼす。これが一定の領域でコンフリクトを起こし、収差を生じる。２００３年に刊行されたRepnik他著によるヨーロッパ物理学ジャーナル、２４巻、４８１〜４９２頁によれば、こうした収差領域では、分子自らの配列が起こり、その結果、分子秩序の減少に伴う高歪みエネルギー構造（high distortion energy structure）が形成される。容器のサイズや形状、表面的特長、温度、掛かかっている電場、壁の表面エネルギーなどの要素により、様々な液晶分子構造が可能である。各々の構造は、異なる収差位置と大容量の液晶分子配列を有する。収差はデバイス効率を減じるので、一般的に、好ましくないものと受け止められている。このため、従来型のデバイスは、こうした収差の除去、または、収差形成の回避を目指している。
【発明の概要】
【００１４】
本発明の一つの態様によれば、格納構造（containment structure）の個別キャビティに収容した液晶材料を備える反射型マルチステイブル液晶デバイスであって、前記キャビティにより、少なくとも1個の高歪領域、または、液晶分子秩序の収差領域を形成し、前記収差領域は電界を印加することで少なくとも2個の安定状態間で切替可能で、これらの状態の少なくとも１つでデバイスが反射式である反射型マルチステイブル液晶デバイスを提供する。
【００１５】
従来型の構成とは対照的に、収差の除去を目指す代わりに、本発明はこれをうまく利用して、マルチステイブル状態を作り出す。実際に、格納構造の壁を使って、収差構造の形成を促す。適当な電界を掛けることで、これらの状態間で歪み領域の切替が可能になる。これは実質的に面内で可能であり、そのため、斜めの角度から見たときのコントラストの喪失を回避または少なくとも軽減できる。
【００１６】
本発明の密閉型格納構造は、１９８０年刊行のThurston他著による電子工学デバイスIEEE会報（Thurston et al. IEEE Transactions on Electronic Devices）、２７版、１１号の２０６９から２０８０頁に開示されているような非密閉型のシステムでは得られない長所を備える。Thurston他著によるデバイスの切替え可能領域間のオープン領域はこうした非密閉型デバイスのコントラスト特性や反射率特性に悪影響を及ぼすが、本発明の格納構造は均質で、予測可能で安定した最小限の光学的効果を備える。
【００１７】
パルスとして電界を印加する手段を備えても構わない。パルスの大きさや持続時間を変化させる手段を備えても構わない。
【００１８】
液晶分子及び格納構造は、好ましくは、可撓性または非可撓性のガラスまたはプラスチックで形成可能な2つの透明基板の間に設ける。可撓性の基板においては、1個のキャビティに収めた液晶を周りのキャビティから隔離できるため、切り替えや光学特性を乱すフロー効果や液晶層の厚みのばらつきが最小限となり、特に好都合である。透明基板は、半透過型または透過型電極をいずれかの表面に備えることができる。
【００１９】
電極を１個または複数のキャビティと関連付けても構わない。電極を付加的または択一的にキャビティ壁に設けても構わない。これらの電極を、各々、切替装置に固定させても構わない。切替装置は１個または複数の薄膜トランジスタを備えても構わない。
【００２０】
デバイスは反射用バックプレートを有しても構わない。透明基板に偏光層を薄く被せても構わない。偏光層は入射光を偏光させる。偏光した光は液晶を透過するが、液晶分子の配向により、偏光を変えることも、変えないこともできる。反射用バックプレートは光を反射させ、液晶が引き起こす偏光の変化に応じて、偏光子が選択的に透過させたり、ブロックしたりできる。
【００２１】
少なくとも１つの安定状態における液晶分子の大半の方向が、少なくとも１つの別の安定状態における液晶分子の大半の方向と実質的に４５度になるように各キャビティを配列する。少なくとも一つの状態において、液晶配向はビューアー（viewer）に最も近い偏光子の方向とほぼ平行で、かつ、他方の状態では偏光方向に対して実質的に４５度の角度となるように配向できる。液晶の適当な厚みは、典型的に１〜５０μｍの間で、これら２つの液晶の構成状態を有することにより、入射光をデバイスから反射させるようにも、反射させないようにもできる。対照的に、安定状態間で９０度の切り替えを有する液晶デバイスは、反射に伴う９０度切り替えが光の方向を偏光子によって再配向し、反射光のブロッキングを妨げるため、反射用バックプレートと一緒に用いるには不安定といえる。
【００２２】
格納構造は、六角形またはその他の多角形断面を有するキャビティを備え、大容量の液晶分子はそれぞれの安定状態において、別の安定状態の液晶分子配列と斜角で、平面は透明基板と平行である。断面の角度を厳密に定義する必要はない。
【００２３】
キャビティ壁は、好ましくは、格納構造の基部または基板と実質的に直交する向きになっている。格納構造は、フォトリソグラフィを使用したフォトレジストまたはポリマーで形成してもかまわない。
【００２４】
格納構造のキャビティは、開口型で、透明基板または上記ラミネート層の何れかと同一平面上あるいは一体形に形成可能で、これにより、各キャビティの液晶を隣接するキャビティの液晶から分離する。
【００２５】
液晶分子の大多数は、透明基板の平面と実質的に平行な面に位置する。一実施例では、等しいエネルギーを有する複数の安定状態を形成し、基板と垂直の軸線に沿って回転させて、任意の安定状態から他の安定状態を得ることができる。
【００２６】
少なくとも2個のキャビティを少なくとも1つの通信路でリンクさせる。通信路の幅は２０μm未満で、好ましくは、５μm未満である。
【００２７】
本発明の別の実施例によれば、格納構造のキャビティ内に液晶分子を収容する液晶デバイスの切替方法を提供し、該キャビティに、少なくとも1個の高歪領域を形成し、第1安定状態から少なくとも第2安定状態に切替える為に、収差運動（motion of defects）によって電界を印加し、少なくもと2個の安定状態を備えることで、デバイスは異なる量の光を反射できる。
【００２８】
少なくとも第１安定状態における液晶分子の大多数の方向が、少なくとも１つの別の安定状態における液晶分子の大半の方向と実質的に４５度となるようにキャビティを配置して構わない。面内切り替えのために、電界は液晶分子と平行か、あるいは、液晶分子と平行な要素（component）を含むことができる。好ましくは、類似あるいは同一エネルギーを有する状態間で切り替えを行う。
【００２９】
本発明によるデバイス及び方法は、ディスプレイ基板、電気通信用の位相デバイス、光学式スイッチ、または可変位相格子を含むさまざまな態様で利用できる。
【発明の具体的開示】
【００３０】
図面を参照しながら本発明のさまざまな実施態様を説明する。
一定の形状とサイズを有する格納構造内に液晶を収容すると、液晶分子は多様な安定状態の１つに配列する傾向があり、各々の安定状態は、異なるディレクタ構造（director structures）を持ち、おそらくは異なる位置に高歪領域を有する。２００３年に刊行されたヨーロッパ物理学ジャーナル、２４巻、４８１〜４９２頁において、Repnikらが教示するように、高歪領域では、大半の部位と比較して、液晶分子の秩序がかなり低減し、大きな弾性ひずみが生じる。
【００３１】
図１（ａ）と１（ｂ）は、複数の開口部２１で規定された格納構造２０内に、液晶材料１０を収めた反射型液晶デバイスを示す。格納構造２０は、２つの透明基板３０，３５間に挟まれ、当該基板はこれが液晶材料１０と接する面に、配向調剤層（alignment layer preparations）４０，４５を接着させることができる。格納構造２０と基板３０，３５とによって、液晶材料１０が収容される複数のキャビティが規定される。各キャビティ内は、液晶分子材料１０で完全に満たされるため、液晶分子材料はキャビティの壁や表面の全てと直かに接触し、隣接するキャビティは、互いに完全に孤立している。
【００３２】
透明基板３０の外側には偏光子５０がラミネートされ、その上にカラーフィルタ７０を設けることができる。カラーフィルタ７０は、透明着色領域を一連の帯形又は方形に設けたものであって差し支えない。各々のキャビティは、自己と係わり合いを持つたカラーフィルタ７０の領域を持つことができる。各カラーフィルタは、幾つかのキャビティを覆うことができる。カラーフィルタ７０は、赤、緑、青の透明着色領域を持つことができる。デバイスの裏（後部）で基板３５にラミネートされているのは、反射層８５であって、この層は、反射バックプレートとして機能する。
【００３３】
図２と図３に示すように、格納構造２０のキャビティは、断面形状がほぼ六角形であって、透明基板３０，３５と平行な平面上に尖った又は丸い角１２０，１３０，１４０，１５０，１６０，１７０を持つ。キャビティの断面形状は、多角形の角（コーナー)において大半の液晶の配列が、他の安定状態にある液晶の配列に対して斜角になる形状であれば、六角形以外の任意の多角形であって差し支えない。キャビティの六角形断面の各辺の長さは、１０〜１００μmの範囲にあり、個々の長さは異なっていても差し支えない。しかし、キャビティの深さは、１〜５０μmの範囲とすべきである。キャビティの断面形状を六角形とすることで、２つ又はそれ以上の安定状態を得ることができる。
【００３４】
透明基板３０，３５が液晶１０と接する表面には、例えば、インジウムスズ酸化物のような導電性材料の薄層で形成されたパターン化透明電極７５，８０が設けられている。これらの電極７５，８０は、面内切り替えを実現するために、透明基板３０，３５と平行する平面での電界発生に使用することができる。これは、対極が作用電極の真下に来ないように、電極を例えばジグザクに配置することで達成できる。代替的または付加的に、基板と平行な電界を生じさせるために、キャビティ壁に電極を内蔵させることもできる。各電極は、１つ又はそれ以上のキャビティと係わり合いを持ち、２つまたはそれ以上の安定状態相互で切り替えが行えるように、１セット以上の電極が設けられる。
【００３５】
格納構造２０のキャビティと関連電極７５，８０は、表示された画像のピクセルと対応させることができ、また、幾つかのキャビティと電極７５，８０とを、グレースケール出力又はフルカラー出力の実現のために１ピクセルに対応させることもできる。
【００３６】
格納構造２０の壁上での液晶分子１０の配列は、多数のファクタによって決まる。例えば、格納構造２０がポリマー材料製である場合、ポリマーの方向が分子方向を左右する。あるいは、ＳＵ８のようなフォトレジスト材料を使って格納構造２０を形成した場合には、分子は表面と平行な方向に並びがちである。さらに、垂直配向の表面処理を行うことで、分子は透明基板３０，３５に平行に配列しつつ、キャビティ表面と垂直に並ぼうとする。
【００３７】
図２に示すように、六角形のキャビティにおいて、液晶分子１０が格納構造２０の壁並びに透明基板３０，３５において、平面配向すると、領域の大半の液晶分子１０は、キャビティの側壁に対して４５度の角度で、透明基板３０，３５に対しては平行な面に並ぶ傾向がある。液晶分子１０のこうした優先配列に順応して、キャビティの２つの対向角１２０，１５０に高歪領域１００，１１０が形成される。キャビティの隣接壁間に相対的に急激な遷移（sharp transition）があることは、局部的に高歪領域を形成させ、当該領域をキャビティのコーナー１２０，１５０に集中させる上で好都合である。これらの高歪領域１００，１１０での液晶分子１０の配向は、液晶分子１０の大多数の配向とは相違する。される。高歪領域から遠いほど、液晶分子の配向する角度は、キャビティ壁に対して４５度に近似してなる。
【００３８】
図３に示すように、液晶分子１０が配列している平面に適当な電界を印加すると、高歪領域が移動し、図示の例では、高歪領域１００，１１０がキャビティのコーナー１２０，１５０の位置からコーナー１４０，１７０の位置へと切り替わる。大部分の液晶分子１０は、高歪領域位置の変化に順応して再配向し、以前の方向と４５度の角度で並び、透明基板３０，３５の面に対しては、依然として平行に並ぶ。従って、この切り替えは面内にとどまり、大部分の液晶分子１０は、常に、基板３０，３５の面と平行な面に存在する。このことは、次のような利益をもたらす。すなわち、複屈折効果がないために、視角を広範囲とすることができ、４５度の角度で状態が切り替えられるので、高度のコントラストと反射率をえることができる。
【００３９】
本発明のデバイスは反射型であるため、使用中の光源９０は、観察者９５と同じ側に位置する。デバイスへの入射光は、初めに、偏光子５０によって第１の方向に偏光する。
液晶が取り得る安定な配置の一つは、光が反射素子８５にて反射される以前に、光の偏光方向が４５度回転し、次いで液晶によって再び４５度回転することである。光の偏光が合計で９０度回転することは、光が偏光子５０にてブロックされることを意味する。ピクセルの電極間に電圧を印加すると、液晶分子の大半は４５度だけ第２の安定状態に切り替わることができ、そこでは液晶分子１０が偏光子５０の方向に主として配列する。この第２安定状態に入射した光９０は、偏光され、液晶を通じて伝わり、反射素子８５で反射され、再び液晶を通じて伝わるが、いずれも偏光方向に変わりはない。この場合、偏光子５０は光が放出されることを許容し、その観察を可能にする。この手法により、光源９０と同じ側において、光を検出でき（符号９５参照）、また、絵柄を見ることができる。
【００４０】
キャビティの角（コーナー）の鋭さは、高歪領域が異なるコーナーに位置する様々な状態の安定性と、デバイスを様々な状態間で切り替えるのに必要な電圧の両方を決めている。鋭いコーナーでは、なだらかなコーナーに比べて、２つの異なる分子構造間の弾性エネルギー障壁が高い。エネルギー障壁の上昇は、２つの状態の安定性と２つの状態の切り替えに必要な電圧を増加させる。
【発明の効果】
【００４１】
本発明を具現化したデバイスは、多くの利点を持つ。液晶をキャビティに密閉することで、従来技術のデバイスよりノックや振動によるダメージを受けにくくなる。また、キャビティの正六角形の形状を変えることで、同一エネルギーを有する２つの均一な安定状態が利用できる。これにより、２つの状態間の切り替えが容易になる。
【００４２】
本発明を利用すると、コントラストと反射率に優れ、優良な光学特性を備えた広範囲な視野とグレースケールまたはフルカラーレンジを備え、状態間での光の４５度回転と低消費電力を実現するデバイスが提供できる。本発明のこれらの特性は、特に、光スイッチ、液晶表示、可変位相格子に役立つ。本発明による液晶表示は、優れたコントラスト、広視野角、低消費電力、受動アドレッシング（passive addressing）の使用能力を備え、従来型のデバイスより有意に多数のピクセルを使用できる為、携帯型デバイスの電子ペーパーまたは電子表示として特に有用である。
【００４３】
上述したデバイスは、各キャビティのコンテンツを好都合に隔離するが、別の状況では、例えば、液晶材料でのキャビティ充填補助など、液体キャビティ間で流体通信（liquid communication）を実行するのが好ましい場合がある。従って、図４に示す応用例では、２個又はそれ以上のキャビティを少なくとも１個の通信路１８０と関連付ける。通信路１８０のサイズが大きくなるにつれ、通信路１８０の方向に配向／配列する液晶１０の弾性選択（elastic preference）が強まる。通信路１８０の幅が広すぎると、液晶１０が通信路１８０と垂直に配向する安定状態の安定性が、潜在的にもはや安定状態でなくなるまで減少する。さらに、通信路１８０がデバイスの光学に影響を与える可能性もある。従って、これらの作用を最小限にするために、各通信路１８０の幅は、好都合に２０μｍ未満で、好ましくは、５μｍ未満とする。
【００４４】
変更例として、少なくとも１個の付加的安定状態を提供するために、通信路１８０のサイジングと位置決めを行うことで前述の通信路整列効果を好都合に利用しても構わない。偏光子５０の配向と通信路１８０の位置により、この付加的状態を単に明るい又は暗い状態ではなく、"中間的（grey）"状態にすることもできる。
【００４５】
図５（ａ）と５（ｂ）は、図４のデバイスのキャビティでの２つの異なる安定状態を
それぞれ示す。図５（ａ）に示すキャビティの液晶分子は、偏光子５０の偏光方向に配向する一方、図５（ｂ）に示すキャビティの液晶分子は、図５（ａ）の液晶と４５度に配向する。この実施例では、キャビティは、８０μｍの水平方向の広がりを有し、交差した偏光子の下に配置される。図５（ａ）の安定状態は図５（ｂ）の安定状態より黒いことが分かる。
【００４６】
上述したデバイスの切替は、スイッチング磁場を印加する時間と最大印加電圧による。この実施例を図６に示す。１０ｋＨｚの電界を異なる時間、最大印加電圧で掛けて切替を行った様子を示す。ライン１９０より上の領域におけるデバイス操作は安定状態間の切替となり、ライン１９０より下の領域では、切替は起こらない。同図から明らかなように、電場を掛ける時間が短いほど、切り替えに必要な最大印加電圧が高くなり、その逆もまた同様である。
【００４７】
当業者であれば、本発明から逸脱することなく本書で開示した実施例を応用できることは理解されよう。例えば、回折効果を最小限にするために、格納構造２０のキャビティを不規則に配置しても構わない。あるいは、回折効果が必要な場合、公知のように、Ｍ×Ｎ格子（M by N grid）などキャビティを秩序正しく配列して、必要な回折効果を得ることもできる。さらに、図２〜４で説明したデバイスでは、キャビティの壁に平面配向があり、透明基板３０，３５の材料を選んで、これと接触する液晶分子が平行に配向するようにしてあるが、キャビティに垂直配向技術を用いることができるのは理解されよう。
【００４８】
従って、上述した実施例は例示のみで本発明を限定するものではない。当業者であれば、開示した操作に有意な変更を加えずに変更が可能なことは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１ａ】液晶デバイスの拡大図
【図１ｂ】図１ａの断面図
【図２】図１のデバイスのキャビティでの安定状態の液晶分子配向
【図３】図１のデバイスのキャビティでの別の安定状態の液晶分子配向
【図４】液晶デバイスの変更例の平面図
【図５ａ】図4のデバイスのキャビティでの安定状態
【図５ｂ】図4のデバイスのキャビティでの別の安定状態
【図６】図4のデバイスを安定状態間で切替えるための電圧の大きさと切替電圧の印加時間
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図６】
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【国際調査報告】
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