(57)【要約】【課題】単層型コレステリック多色ディスプレイの動作所要電圧を現状より低くし低消費電力で実用的な多色電子ペーパを実現する。【解決手段】可視スペクトル領域内の光を反射するコレステリック液晶１０と、コレステリック液晶１０内に混合されている有限混和性乃至有限溶解度ダイポーラドーパント１８とにより、コレステリックディスプレイ構造を形成する。このコレステリック構造はダイポーラドーパント１８を液晶ディスプレイウェル１２，１４間でコレステリック液晶１０内に溶解させることによって形成する。電界を印加するとコレステリック液晶１０はダイポーラドーパント１８の回転によって強制的にプレーナ状態（θ＝０）から遠ざかる方向へと回転させられる。この回転の度合いは印加電界強度の関数となる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）可視スペクトル領域内の光を反射するコレステリック液晶と、
（ｂ）コレステリック液晶内に混合されている有限混和性ダイポーラドーパントと、
を有するコレステリックディスプレイ構造。
【請求項２】
（ａ）コレステリック液晶を準備するステップと、
（ｂ）有限混和性ダイポーラドーパントをコレステリック液晶内に溶解させてコレステリック液晶構造を形成するステップと、
（ｃ）コレステリック液晶構造を液晶ディスプレイウェルに被着させるステップと、
を有するコレステリックディスプレイ形成プロセス。
【請求項３】
コレステリック液と、コレステリック液内にある有限溶解度ダイポーラドーパントと、を有する液晶構造を備え、
電界印加によって液晶構造内の液晶ドメインがプレーナ状態から遠ざかる方向へと回転し、またこの回転の角度が印加電界強度の関数となるデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）に関し、特にコレステリック多色ＬＣＤに関する。
【背景技術】
【０００２】
コレステリックＬＣＤは、電子ペーパ（ｅペーパ）型ディスプレイ装置として近年注目を集めており、特に高効率で安価な多色ｅペーパを実現するのに有利であるとされている。コレステリックＬＣＤの一種に赤、緑及び青の各原色反射層をスタックした三層型のコレステリックディスプレイがあるが、この種のディスプレイについてはこれまでのところ好適な表示が得られたという例が現れていないし、また不都合なことに割合に高価格で大電力を消費するこの種のディスプレイは、低価格であることと電池電力で動作させられることとが求められる携帯型ディスプレイには適していない。これに対して、単層型のコレステリック多色ディスプレイは、より安価に製造できより多色電子ペーパに適していて、より動作所要電力が少なく、そしてより可撓性及び耐久性に優れたディスプレイになる可能性を有している。
【０００３】
単層型コレステリックディスプレイによる表示色を変化させる方法としては、既に、３００Ｖ台の電圧によって電界をスイッチングするという方法が知られているけれども、電池電力で動作させたい携帯型ディスプレイでは、そのような高電圧を使用することは好ましくもないし現実的でもない。既に知られている別の方法としては、光化学的に表示色を変化させるという方法があるが、画像を表示させるプロセスに「時間」単位の時間がかかるし、また外光によって画像が事後汚損劣化してしまうという問題を有している。更に別の方法としては、不活性液中に浮遊させたポリマー性コレステリックフレークを印加電界によって回転させるという方法があるが、そのためのポリマー性コレステリックフレークに対してはそのサイズばらつき範囲が非常に狭いことが求められ、そのようにすることは非常に困難であるし、フレークサイズが違うとそれを回転させるのに必要な電圧レベルも違うため、フレークサイズが大きくばらついていると表示をうまく制御できなくなる。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５６９１７９８号明細書
【特許文献２】米国特許第６７６７４８０号明細書
【特許文献３】米国特許第６８２４７０８号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００４／１１５３６６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
こうしたことから、単層型コレステリック多色ディスプレイの動作電圧を現状より低くし、それによって更に現状より消費電力が少ない実用的な多色電子ペーパを実現できるようにすることが、求められているといえよう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態に係るコレステリックディスプレイは、コレステリック液晶と、コレステリック液晶内に溶解している有限溶解度ダイポーラドーパント（dipolar dopant having limited solubility）と、を有する。
【０００７】
本発明の他の実施形態に係るコレステリックディスプレイ構造形成プロセスは、有限混和性ダイポーラドーパント（dipolar dopant having limited miscibility）をコレステリック液晶素材内に溶解させるステップを有する。
【０００８】
本発明の更に他の実施形態に係るデバイスは、コレステリック液と、コレステリック液内に溶解している有限溶解度ダイポーラドーパントと、を有する液晶構造を備え、電界印加によってこの液晶構造内の液晶ドメインがプレーナ状態から遠ざかる方向へと回転し、またこの回転の度合いが印加電界強度の関数となるデバイスである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下説明する実施形態においては、その対液晶溶解度が有限なダイポーラドーパントの分子即ちダイポーラ分子を、可視光を反射できるよう選択されているコレステリック液晶混合物内に分散等により導入している。こうして導入されたダイポーラ分子に対し電界が印加されるとそれらのダイポーラ分子が回転し、ダイポーラ分子が回転するとコレステリック液晶ドメインが回転を強いられ、コレステリック液晶ドメインの回転によって反射波長が変化する。従って、反射波長即ち反射色は印加電界に対して関数的に変化する。
【００１０】
本発明に係るプロセス及び装置に関しより完全に理解できるようにするため、ここでは別紙図面を参照しながら説明を行う。参照する図面は本発明を簡明に示すための模式的な図であり、そもそも、ディスプレイデバイス乃至その構成部分の寸法を正しい比率で描くことを意図したものではなく、また本発明の技術的範囲の画定乃至限定を意図したものでもない。
【００１１】
図２に示すように、本発明の一実施形態におけるコレステリック液晶１０は螺旋体であり、プレーナ状態で整列しているとき即ちその軸が基板１２及び１４に対して直交しているときに光を反射する。この状態での反射色はコレステリック混合物の螺旋体ピッチに応じた色である。螺旋体ピッチとは、コレステリック液晶１０のダイレクタが３６０°回って元に戻る位置的周期のことである。また、ダイレクタとは、液晶相（メソフェーズ：中間相）における任意配向分子方向である。
【００１２】
本実施形態においては、基本的には、ダイポーラ分子１８を含むドメイン１６を回転させ、それによってその近くにありコレステリック液晶１０を含みプレーナ状態にある微小ドメインを強制回転させることによって、反射色を変化させる。例えば、この液晶セルの初期反射色が赤であるとする。この状態から透明電極１３及び１５に所定電圧を印加すると図３に示すような電界ＥＦ（２０）が加わり、この電界によって螺旋体が角度θ（２２）回転し、反射波長が短くなり、その結果このセルの外観色が例えば緑になる。
【００１３】
プレーナ状態におけるコレステリックディスプレイからの反射色は看取角の関数になる。即ち、上述した例でいえば、反射色即ち反射波長λreflectedは螺旋軸方向とディスプレイ基板１２，１４鉛直方向とがなす角度θ（２２）の関数であり、次の式
（数１）
λreflected＝λ0・ｃｏｓθ
で与えられる。この式中、λ0はθ＝０のときの反射波長である。
【００１４】
図１に示すダイポーラ分子は、電子の通り道となる共役架橋部分（共役パス）の一端に電子アクセプタ部分（原子又は基）をまた他端に電子ドナー部分（原子又は基）をそれぞれつなげた構成であり、従ってその一般構造式は「ドナー−共役パス−アクセプタ」となる。電子ドナーとは負のハメットパラメータを有する原子又は原子団（基）のことをいい、電子アクセプタとは正のハメットパラメータを有する原子又は原子団（基）のことをいう。ダイポーラ分子における電子ドナー部分はＮ、Ｏ、Ｓ及びＰのうち何れかの原子又はこれを含む基であって、その原子の結合の腕（valence）が、ダイポーラ分子の他の構成部分のうち少なくとも１個（moiety or moieties）、例えば水素原子や短めの炭化水素基（例えば約１〜約３個の炭素原子を含むアルキル直鎖等）との結合によりふさがっているものをいう。
【００１５】
ダイポーラ分子の構成部分のうちの共役架橋部分（Ｃ）は、同電子ドナー部分（Ｄ）から同電子アクセプタ部分（Ａ）に至る電子の通り道となり得る限り、どのような基であってもよい。実施形態では、（ａ）フェニル環か（ｂ）縮合芳香族環（例えば１，４−Ｃ10Ｈ6や１，５−Ｃ10Ｈ6のように約１０〜約５０個の炭素原子を含むもの）から選んで共役架橋部分（Ｃ）としている。
【００１６】
電子アクセプタ部分（Ａ）は、電子を好適に受け入れられる限りどのような原子や基であってもよい。実施形態における電子アクセプタ部分（Ａ１，Ａ２）は電子を引っ張り込む能力を有しており、且つハメットの式に従い正のハメット定数を有している。電子アクセプタ部分（Ａ）は、例えば、（ａ）アルデヒド基（−ＣＯ−Ｈ）、（ｂ）ケトン基（−ＣＯ−Ｒ）、（ｃ）エステル基（−ＣＯＯＲ）、（ｄ）カルボン酸基（−ＣＯＯＨ）、（ｅ）シアン基（−ＣＮ）、（ｆ）ニトロ基（−ＮＯ2）、（ｇ）ニトロソ基（−Ｎ＝Ｏ）、（ｈ）硫黄を含む基（例えば−ＳＯ2−ＣＨ3、−ＳＯ2−ＣＦ3等）、（ｉ）弗素原子、並びに（ｋ）硼素原子の中から選択できる。但しＲは例えば１〜３個の炭素原子を含む例えば直鎖状のアルキル基（メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基等）である。
【００１７】
図４にダイポーラ分子の例を示す。これらの分子はその双極子モーメントを最大限大きくした小規模な分子であり、また留意すべきことに格段色を付与していない。こうした分子をダイポーラ分子として使用すれば、本発明の実施形態にておける色スイッチング方法を好適に実現することができる。
【００１８】
ダイポーラ分子としては、液晶が沸騰開始する温度以下の融点を有するものを選択する。これは、ダイポーラ分子の溶融によって液晶が蒸発するとその液晶の組成が変化してしまうからである。好ましくは、ダイポーラドーパントが液晶内に完全に溶解乃至混和する温度では液晶が既に等方性液体になっていて液晶として動作しないよう、また室温まで冷やすとダイポーラドーパントが液晶から相分離（phase separation）するようにする。
【００１９】
液晶とは、中間相乃至液晶相、即ち固相と液相との中間状態になっている有機化合物のことであり、加熱によって懸濁液乃至液晶になるまでは結晶性固体である。懸濁液乃至液晶になったものを更に加熱すると等方性液体になり、基板をさませばこれとは逆方向の変化が生じる。商業的に入手できる液晶の多くは通常の周囲環境下で液晶である。こうした挙動を示す有機化合物は数多く知られており、また電気乃至電子ディスプレイ、温度計、ＬＣＤテレビジョンセット、電子時計、電子計算機等、温度依存性を有するデバイスにおいて数多く且つ広範に用いられている。分子レベルでいうと、液晶にはネマティック、スメクティック、コレステリック等の種類がある。
【００２０】
ここに、コレステリック（cholesteric）はある種の液晶に散見される分子構造であり、そう呼ばれるのは当初コレステリルアルコール（cholesteryl alcohol）から採録された構造であることによる。コレステリックな構造が生じるのは、ある種の光学的に活性な化合物や、キラル化合物とネマティック液晶との混合物においてである。
【００２１】
本発明の実施に当たり好適に使用できるコレステリック液晶素材としては、例えば、アメリカ合衆国ニューヨーク州ホーソン所在のEM Industries, Inc.から入手できるＢＬミクスチャ、例えばＢＬ０８８、ＢＬ９０、ＢＬ９４、ＢＬ１０８等がある（但し使用できる素材はこれ以外にも数多くある）。螺旋体ピッチが所望範囲内に入るようにするための調整は、こうしたコレステリック液晶混合物にネマティック液晶を混入することにより行う。EM Industries, Inc.から入手できるネマティック液晶ＢＬミクスチャには例えばＢＬ００１（Ｅ７）、ＢＬ００２（Ｅ８）、ＢＬ０３３（ＢＬ００２の一バージョン）、ＢＬ０８７等があり、またSigma-Aldrichから商業的に入手できるものには５ＣＢがある。このように調整することによって、プレーナ状態に整列したときに可視領域（約４００〜約７３０ｎｍ）内の光を反射させるコレステリック液晶構造が得られる。
【００２２】
ディスプレイ製造方法としては、例えば、Merck Ltd.から入手できるコレステリック液晶ＢＬ０８８にＮ，Ｎ−ジメチルベンゾニトリル（N,N-dimethyl benzonitrile）（図４中の２４）を１７％混ぜた混合物を、液晶ディスプレイウェル間、例えばＩＴＯ（indium-tin-oxide）１３，１５により被覆されている２枚のガラススライド１２，１４間で溶融させる、という方法を採る。こうして得られる液晶セルは、冷間時例えば室温時には赤色光を反射する。なお、コレステリック液晶に対するダイポーラドーパントの重量比は約０．１〜約３０％とするとよく、約１５〜約２０％にするとなおよい。
【００２３】
電界発生器により直流電圧を印加すると基板間に電界が発生し、反射波長偏倚が観測される。印加する電圧を高めるとこの反射波長偏倚は大きくなる。またこの反射波長偏倚はコレステリック液晶ドメイン内の螺旋体の回転と一致する。図５に、ダイポーラドーパントとして上掲のＮ，Ｎ−ジメチルベンゾニトリル（２４）を用い三通りの相異なる電圧を印加した場合における波長３２と反射率（％）３０との関数的関係を示す。反射波長曲線のピークは、印加電圧が０Ｖのときは６３０ｎｍであるが（３４）、３０Ｖのときは６１０ｎｍになり（３６）、更に６０Ｖのときは５８０ｎｍになっている（３８）。
【００２４】
印加電圧を高くすると、螺旋体回転に伴い液晶１０がフォーカルコニック状態に移行するに連れて透明状態が得られ、更に高い電圧を印加するとホメオトロピック状態に到達する。ディスプレイ背面が黒色吸収層４０（図３参照）によって被覆されているため、透明状態では患者の目にはこのディスプレイが黒色に見える。なお、もしダイポーラドーパント（例えば２４）がなければ偏倚は起こらず、その代わりに何れも透明なホメオトロピック状態又はフォーカルコニック状態への急変が観測されるのみである。
【００２５】
図５から理解できるように、三通りの反射率曲線の何れにおいても、４００〜５００ｎｍの波長領域にて比較的強い反射が観測されている。先に述べたようにダイポーラドーパント２４が色を有していないのであるから、この反射はダイポーラドーパント自体のせいではなく、むしろ、ダイポーラ分子２４が入っているドメイン１６（図３参照）の回転によるものであろう。恐らくは、それらのドメイン１６はドーパントが存在していないドメインに比べ大きく回転するのであろうし、またこの副次的作用は液晶１０に混和しうるダイポーラ分子２４の量が少ないという有限混和性乃至有限溶解度によるものであろう。含有するメチル基がより少ない素材をドーパントとして用いれば、この副次的作用が減少するものと期待される。
【００２６】
また、電極表面上を何層かのプレーナ配列層（planar alignment layer）で被覆してもよい。そのようにすれば、色反射状態における螺旋体のプレーナ配列は度を増し、それによって反射色の彩度が増す。プレーナ配列用表面配列層は既知のものである。その一種としては例えば日産化学工業株式会社等で製造されている熱架橋可能なポリイミド等があり、これを用いてプレーナ配列を改善するには当該ポリイミドにより被覆した基板をこすればよい。
【００２７】
良質な多色ディスプレイを製造する上で重要なポイントとしては、コレステリック液晶に対するダイポーラドーパントの混和性を割合に貧弱なものにしておくこと（有限混和性乃至有限溶解度の条件）と、ダイポーラ分子を含むドメインを本質的に透明なドメインとして形成することとがある。ディスプレイが光を散乱させて白目の外見となってしまうことを避けるには、大きなドーパント結晶が生じないようにすべきである。
【００２８】
認められるべきことに、ディスプレイ上の任意部位とその周辺部位とを別々にスイッチング可能な構成とすることもできる。そのようにすればディスプレイ上に画像を形成することができる。また、ディスプレイ上の個別エリアを、必要に応じて必要な色或いは透明状態（黒色）へとスイッチングすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】ダイポーラ分子を示す模式図である。
【図２】その液晶がプレーナ状態であるときの本発明の一実施形態に係るＬＣＤを示す概略立面図である。
【図３】その液晶が回転状態であるときの本発明の一実施形態に係るＬＣＤを示す概略立面図である。
【図４】本発明を実施するのに適したダイポーラドーパントを示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る液晶デバイスについて、印加電圧を変えて波長と反射率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３０】
１０  コレステリック液晶、１６  ドメイン、１８  ダイポーラ分子、２０，ＥＦ  印加電界、２２，θ  回転角度、２４，４２，４４  ダイポーラドーパント。
【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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