(57)【要約】本発明は、液晶バルク層（１０）と、キラル表面と呼ばれる少なくとも１つの表面に恒久的に結合する結果、バルク層（１０）中に不均一に分布するキラルドーパント（２０）とを含む液晶デバイスに関する。また、本発明は、液晶デバイスを製造する方法、並びに制御する方法にも関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶バルク層（１０）と、
キラル表面と呼ばれる少なくとも１つの表面に恒久的に付着する結果、バルク層（１０）中に不均一に分布するキラルドーパントであって、液晶バルク層（１０）に可溶なキラルドーパント（２０）と、
を含む液晶デバイス。
【請求項２】
前記キラルドーパント（２０）が前記キラル表面に隣接するバルク層（１０）のサブ体積（２２）内に１つ又は複数のキラリティ関連物性の局部変化を誘起している請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記キラルドーパント（２０）が前記キラル表面に隣接する前記バルク層（１０）のサブ体積（２２）内に１つ又は複数のキラリティ関連物性の局部増加を誘起して、前記キラル表面で最大であり、前記キラル表面（１８）から離れる方向に低下する、不均一な分布を有する自発分極の出現をもたらしている請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記バルク層（１０）に印加した電場（Ｅ）に対する前記サブ体積（２２）内での前記バルク層（１０）の応答が、強誘電性、反強誘電性、曲げ誘電性、及び常誘電性の１つ又はその任意の組み合わせである請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
ドープしない前記バルク層（１０）が強誘電性、反強誘電性、曲げ誘電性、及び常誘電性の１つの電場応答性を示し、前記ドーパント（２０）がその電場応答性を高めるように選択される請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記液晶バルク層（１０）をその間に拘束する２つの基板（１４）をさらに含み、前記キラル表面（１８）が前記基板（１４）の一方の上に位置している請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記キラル表面が前記バルク層（１０）の内部に位置する請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記液晶バルク層（１０）がアキラル液晶材料を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記液晶バルク層（１０）がアキラルなネマティック液晶材料又はアキラルなスメクティック液晶材料を含む請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記バルク層（１０）がキラル液晶材料を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記キラルドーパント（２０）が感光性分子を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記キラルドーパント（２０）がポリマー材料、オリゴマー材料、及びモノマー材料の少なくとも１つから製造される請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記ドーパント（２０）が有機材料を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記ドーパント（２０）が液晶の特性を示さない材料を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記ドーパント（２０）が液晶の特性を示す材料を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記キラルドーパント（２０）が前記表面（１８）に化学的に付着する請求項１に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記バルク層（１０）が前記キラル表面（１８）に対して実質上平行な、又は偏向した好ましい配向を有する表面ディレクターを示す請求項１に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記バルク層（１０）がドープしないバルク材料の表面ディレクターの切替を電場によって直接制御することのできない液晶材料を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記キラル表面（１８）に好ましい分子配向を提供するように配置された、別の整列層（３２）をさらに含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記別の整列層（３２）が非動的整列層（３２）である請求項１９に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記バルク層（１０）が前記バルク層（１０）内にねじれた形態のネマティックディレクターを有するネマティック液晶材料を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記バルク層（１０）が前記バルク層（１０）内にねじれない形態のネマティックディレクターを有するネマティック液晶材料を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項２３】
前記バルク層（１０）が前記バルク層（１０）内にねじれた形態のネマティックディレクターを有するスメクティック液晶材料を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記バルク層（１０）が前記バルク層（１０）内にねじれない形態のネマティックディレクターを有するスメクティック液晶材料を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項２５】
前記バルク層（１０）がディスコティック液晶材料を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項２６】
前記バルク層（１０）がバルク層（１０）の第１の側に配置された前記キラル表面（１８）と、前記バルク層（１０）の反対側に配置された非動的表面整列層（３２）の間に拘束される請求項１に記載のデバイス。
【請求項２７】
第１キラル表面（１８）と呼ばれる第１の前記キラル表面（１８）に加えて、やはりキラルドーパント（２０）を恒久的に付着した第２キラル表面（１８）をさらに含み、前記バルク層（１０）が前記第１のキラル表面と第２のキラル表面（１８）の間に拘束される請求項１に記載のデバイス。
【請求項２８】
前記第１キラル表面及び第２キラル表面（１８）が反対の符号（Ｐｓ＞０及びＰｓ＜０）の自発分極を誘起する請求項２７に記載のデバイス。
【請求項２９】
前記第１キラル表面（１８）が第１の対掌性を示すキラル材料を含み、第２キラル表面（１８）が第２の異なる対掌性を示すキラル材料を含む請求項２７に記載のデバイス。
【請求項３０】
前記第１キラル表面及び第２キラル表面（１８）が異なるねじれ力を示すキラル材料から作られる請求項２７に記載のデバイス。
【請求項３１】
前記バルク層（１０）内のディレクターの方向切替を光学的な可視効果に変換するように配置された手段（３４、３６）をさらに含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項３２】
キラルドーパント（２０）を液晶バルク層（１０）中に恒久的に不均一に分散させるステップを含み、前記キラルドーパント（２０）が、前記液晶バルク層（１０）に可溶である、液晶デバイスを製造する方法。
【請求項３３】
前記不均一な分布を維持するために、キラル表面と呼ばれる少なくとも１つの表面に前記ドーパントを恒久的に付着させるステップを含む請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記ドーパント（２０）を、前記バルク層（１０）の境界を画定する少なくとも１つの表面（１８）に恒久的に付着させる請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記ドーパント（２０）を、前記バルク層（１０）の内側に位置する少なくとも１つの表面に恒久的に付着させる請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記キラルドーパント（２０）が前記キラル表面（１８）に隣接する前記バルク層（１０）のサブ体積（２２）内の１つ又は複数のキラリティ関連物性の局部変化を誘起するように、前記バルク層（１０）中の材料及びドーパント（２０）が選択される請求項３３に記載の方法。
【請求項３７】
前記ドーパント（２０）が、少なくとも１つの拘束基板の内表面（１８）上に堆積される請求項３２に記載の方法。
【請求項３８】
前記ドーパント（２０）が、２つの拘束基板（１４）の内表面（１８）上に堆積される請求項３２に記載の方法。
【請求項３９】
前記キラル表面が、基板表面（１８）をキラル材料で被覆することによって製造される請求項３３に記載の方法。
【請求項４０】
非動的整列層（３２）を内側に配置した拘束基板（１４）を提供するステップをさらに含み、前記キラル表面が前記整列層（３２）をキラル材料で被覆することによって製造される請求項３３に記載の方法。
【請求項４１】
前記キラル表面（１８）の重合を行うために、ＵＶ光などの光を当てるステップを含む請求項３３に記載の方法。
【請求項４２】
前記キラル表面の重合を行うために、温度変化を加えるステップを含む請求項３３に記載の方法。
【請求項４３】
前記ドーパント（２０）を提供するために、
表面（１８）を、キラルで重合性で感光性のドーパント材料で被覆すること、
前記ドーパント材料を露光することによって、前記ドーパント材料内の分子を好ましい方向に整列させること、
このようにして整列したドーパント材料を重合させ、キラル表面層を形成することの各サブステップを含む請求項３２に記載の方法。
【請求項４４】
前記液晶バルク層（１０）に光反応性キラルモノマーを溶解し、前記バルク層（１０）中の１つ又は複数の面内で、溶解した光反応性キラルモノマーを光活性化するステップを含む、液晶バルク層（１０）中に１つ又は複数のキラル面を製造する方法。
【請求項４５】
液相バルク層（１０）の少なくとも１つのサブ領域（２２）中で電場応答特性の局部増加を誘起させるために、前記バルク層（１０）に可溶なキラルドーパント（２０）で前記バルク層（１０）をドープするステップと、前記サブ領域（２２）を介して前記バルク層（１０）を間接的に制御するために電場（Ｅ）を印加するステップとを含む、液晶バルク層（１０）を制御する方法。
【請求項４６】
液相バルク層（１０）の関連する副表面領域（２２）中に電場によって制御可能なディレクター方向を有する相を誘起して、前記バルク層（１０）と相互作用を行う少なくとも１つのキラル表面層を、前記バルク層（１０）と接触するように提供するステップと、前記副表面領域（２２）中に方向変化を起こすために、前記副表面領域（２２）に電場を印加し、それによって前記バルク層（１０）内に面内バルク切替（Ｍ１→Ｍ２）を起こすステップとを含む、液晶デバイスの液晶バルク層（１０）中に面内切替を達成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液晶の分野に関する。より詳細には、液晶のバルク層と、この層に不均一分散の形で溶解したキラルドーパントとを含む液晶デバイスに関する。また、本発明は液晶のバルク層に不均一に分布したキラルドーパントを含む液晶デバイスを製造する方法にも関する。また、本発明は液晶デバイスを制御する方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
現在表示装置デバイスにおいて電気光学媒体として広く使用されている液晶は、異方性の物性を有する有機材料である。液晶表示装置の動作は、印加された電場による表示装置の液晶の光学的外観の変化に基づく。
【０００３】
液晶表示装置及びデバイスの基本的動作原理のひとつは、液晶の誘電異方性に結合する（誘電結合）印加電場によって液晶分子の配向を切り替えることである。そのような結合は印加電場に対して二次の、すなわち、電場の極性に依存しない電気光学応答を生じる。
【０００４】
実際に重要な他の動作原理は、強誘電性液晶に存在する、印加電場と自発分極Ｐｓの間の線形結合を用いることである。
【０００５】
液晶の動作が誘電結合に基づく多数の異なる種類のＬＣＤ、特に動的散乱表示装置、ホメオトロピック配向ネマティック液晶の変形を用いる表示装置、シャット−ヘルフリッヒ（Ｓｃｈａｄｔ−Ｈｅｌｆｒｉｃｈ）ねじれネマティック（ＴＮ）表示装置、超ねじれネマティック（ＳＴＮ）表示装置、及び面内切替（ＩＰＳ）ネマティック表示装置が存在する。
【０００６】
他の種類のＬＣＤは、印加電場と自発分極Ｐｓ間の線形結合に基づいて動作する表面安定化液晶（ＳＳＦＬＣ）表示装置である。印加した電場は電場と線形に結合する自発分極を発生させることができよう。変形螺旋強誘電性（ＤＨＦ）液晶表示装置及び反強誘電性液体（ＡＦＬＣ）表示装置はこの原理に基づく。
【０００７】
現代の用途には、液晶は、高いコントラストと輝度、低消費電力、低動作電圧、短い切替時間、コントラストの視野角依存性の低さ、諧調性又は双安定性等、いくつかの重要な特性をもたなければならない。ＬＣＤは安価で製造が容易であり、動作させるのが容易でなければならない。先行技術のＬＣＤはどれも重要な特性に関して最適化されていない。
【０００８】
誘電結合に基づいて動作する大部分の従来のネマティック液晶表示装置では、電場は通常液晶のバルク層に印加される。これらの表示装置は通常遅く、初期の分子配向と印加した電場によって形成される面（いわゆる面外切替）で液晶分子が切り替えられるため、殆ど全てコントラストの角度依存性が不十分である。
【０００９】
また、面内切替を行う他の種類のＬＣＤがあり、電場は液晶のバルク層に平行に配向される。これらの表示装置は像コントラストの角度依存性が非常に少ないが、輝度及び切替時間は不十分である。
【００１０】
次に、印加電場と強誘電性液晶中の自発分極間の線形結合に基づいて動作する他の種類のＬＣＤは、強誘電性液晶及び表面安定化強誘電性液晶（ＳＳＦＬＣ）表示装置におけるそれらの用途を強調してスメクティック液晶を短く一般的に説明するものと考えられよう。
【００１１】
スメクティック液晶では、分子は隣接するスメクティック層に配向される。スメクティックＡ相とスメクティックＣ相は、液晶材料のこれらの「層化」された相の最も重要な２つの代表である。スメクティックＡ相では、分子はスメクティック層の垂線に沿って配向し（θ＝０°）、一方スメクティックＣ層では分子はスメクティック層に対して一般に２０°程度の角度に偏向する。さらに、スメクティック液晶はアキラル（例えばＡ若しくはＣ）又はキラル（例えばＡ＊若しくはＣ＊）とすることができ、用語のキラリティは鏡像対称性のないことを意味する。用語「キラル」は二次効果として生じ又は生じない螺旋状分子規則性の発生を指すものではないことを指摘すべきであろう。
【００１２】
キラリティ、すなわち構成分子の鏡像対称性が破壊されることは、スメクティックＣ＊などの偏向したスメクティック液晶中に、強誘電性、すなわち自発分極Ｐｓが出現するために必要不可欠である。Ｐｓはスメクティック層に沿って、すなわち分子の長軸に垂直に向き、分子と立体的に結合される。
【００１３】
強誘電性相はキラル分子で作られたスメクティック液晶材料だけではなく、キラルドーパントでドープしたアキラルスメクティックホスト材料にも現れる。入手可能な市場の強誘電性液晶材料の大部分はそれらの混合物である。これらの混合系では、選択されたアキラルＣホスト材料の広い温度範囲と低粘度を、選択されたキラルドーパントによって誘起された大きな分極と組み合わせることがより容易である。これらの材料のパラメーターの適切な組み合わせは、強誘電性液晶材料にとってきわめて重要なことである。
【００１４】
スメクティックＣ＊において、頂角β＝２θの円錐の周りを自由に回転する分子は、スメクティック層の垂線に沿う螺旋軸を有するキラリティのため、螺旋規則性をとる。しかし、Ｐｓは螺旋状になり、したがって局部分極は自己相殺される。したがって、スメクティックＣ＊のバルクの中には巨視的な分極は存在しないであろう（Ｐｓ＝０）。しかし、電場が螺旋状のスメクティックＣ＊バルクのスメクティック層に沿って印加されるならば、電場は永久双極子に結合してそれらを電場に平行に整列するであろう。結果として、電場は螺旋状規則性を巻き戻し、スメクティックＣ＊液晶バルクの巨視的な分極を誘起するであろう。
【００１５】
スメクティックＣ＊中に自発分極Ｐｓを得るための、螺旋状分子規則性を抑制する他の方法がある。これは、外部電場の替わりに固体表面／液晶相互作用を用いて行われる。これはいわゆる表面安定化強誘電性液晶（ＳＳＦＬＣ）の概念であり、これによれば、スメクティックＣ＊バルクは本棚幾何形状、すなわちスメクティック層が拘束面に垂直に整列される。
【００１６】
ＳＳＦＬＣ表示装置では、スメクティック層に沿って、すなわち基板に垂直に印加された外部電場が、スメクティック円錐上の２つの位置の間の強誘電性液晶の分子を切り替える。これらの２つの位置は異なる電場の極性でのＰｓの方向に一致する。重要な特徴は、「フリップ−フロップ」機構（ゴールドストーンモード）が、従来のねじれネマティック液晶表示装置など、永久分極をもたない液晶材料を切り替えるやや遅い誘電結合機構よりもはるかに速いことである。さらに、固体表示装置基板の適切な表面処理によって、ＳＳＦＬＣ表示装置における液晶分子の切替を双安定化することができる。ＦＬＣ混合物と同様に単一成分のＦＬＣでは、これらの材料のバルク中に均一なＰｓ分散を示す。
【００１７】
ＦＬＣの代替として、液晶材料はいわゆる反強誘電性（ＡＦＬＣ）液晶相であることができ、これは電場がないとき、隣接するスメクティック層中の分子が反対側に偏向することを意味する。ＡＦＬＣ表示装置では、スメクティック層に対してそれぞれ平行及び直角に設定した交差する偏光板の組の間に表示装置を置くとき、暗い状態が得られる。この配置で電場が印加されないとき、ＡＦＬＣ表示装置は暗い状態である。印加された電場の下では、−Ｅと＋Ｅの両方とも同じ明るい状態を与える。したがって、ＡＦＬＣ表示装置は３つの状態の切替挙動を示す。
【００１８】
表面安定化ＦＬＣ及びＡＦＬＣ表示装置の欠点は、キラルスメクティック相を配向し、その配向を維持するのが難しいことを含む。さらにＦＬＣ表示装置は表面電荷層の形成による像の固着問題がある。これらの表示装置の消費電力も比較的高い。さらに他の欠点は、これらの材料の巻き戻されない状態を得るためにこれらのデバイスの液晶層の厚さが１〜１．５μｍ程度でなければならないことである。この薄い厚さの要求はＦＬＣとＡＦＬＣ表示装置の製造を複雑、繊細にし、かつ非常に高価にする。
【００１９】
上で論じた表示装置では、液晶層の所望の整列は、拘束する固体表面を有機又は無機層などで処理すること、同様に機械的研磨を用いることによって達成される。外部の電場がないとき、初期の液晶整列は固体表面／液晶相互作用によって定まる。
【００２０】
固体表面の液晶分子の配向は弾性力によってバルク中の液晶分子に転写される。例えば、基板表面近くでは、一般に液晶分子は基板表面に対して直角（ホメオトロピック）又は平行（面状）に配向することができ、これは液晶のバルクの中に同じ分子整列を強制する。液晶は強い複屈折性があり、その整列のいかなる変化も、適切な偏光板の間で見えるように、その光学性能にある種の変化をもたらす。
【００２１】
先行技術では、液晶中に初期の整列とは異なる新しい配向を形成することによって液晶の光学性能を変化させる、原理的に３種類の異なる技術がある。
【００２２】
１．外部電場の印加による再配向
第１に、分子の再配向に広く使用される技術の大部分はバルクの液晶層に外部電場を印加することである。電場と誘電異方性及び自発分極などいくつかの液晶材料のパラメーターの間が直接結合されるので、それらの当初の整列が電場といくつかの液晶材料のパラメーターとの相互作用の最小エネルギーに一致しないならば、電場は液晶分子を新しい方向に再配向するであろう。しかし、場合によって、上記の表面液晶相互作用のため、固体表面近くの液晶分子を電場によって再配向することは難しいが、一方、表面からより離れた「バルク分子」は全く自由であり、したがって電場によって再配向することが容易である。
【００２３】
２．光制御指令表面による再配向
液晶相の分子を再配向するための第２の知られた技術は、拘束する整列表面の１面又は両方を光制御された「指令表面（ｃｏｍｍａｎｄ  ｓｕｒｆａｃｅ）」として設計することである。それらの光制御指令表面は、例えばＵＶ露光すると、表面に接触する液晶分子上の、表面によって強制された整列の方向を変えることが可能である。
【００２４】
「光指令表面」の概念は、Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗｓ、１００、１８４７頁、（２０００年）の中で概観された多数の報文にＫ．Ｉｃｈｉｍｕｒａによって述べられている。より具体的には、ネマティック液晶相を含むサンドイッチセルの内部基板表面上にアゾベンゼンの単分子層が堆積される。アゾベンゼン分子はＵＶ光の照射下でその配座を「トランス」から「シス」に変化させる。アゾベンゼン分子はトリエトキシシリル基によって基板表面の横方向に固定する。アゾベンゼンのトランス−異性体はネマティック液晶のホメオトロピック整列（基板表面に垂直に配向された液晶分子）を強制するが、一方、シス−異性体は液晶分子の面状配向（基板表面に平行）を与える。したがって、ＵＶ照射による整列層中の分子配座の変化は、ネマティック液晶分子の整列の変化をもたらす。試料をＶＩＳ光で照射することによって、又はそれを単純に等方性状態に加熱することによって当初の整列に対する緩和が得られる。
【００２５】
２つの状態間の液晶の整列を切り替えるために、光指令整列表面を用いることの欠点は速度が遅いことである。さらに、今のところ、光指令整列表面はネマティック液晶デバイスにのみ有効であることが判っている。他の欠点は、光指令整列表面を有するデバイスの寿命が、ＵＶ照射のために起きる劣化プロセスによって短くなることである。さらに、光を液晶の整列切替のための外部要因として使用することは、特に液晶表示装置には都合が悪い。
【００２６】
したがって、液晶表示装置の性能は光の替わりに外部電場で制御されるように選択される。電場はバルクの液晶と直接結合して整列を変化させ、それによって光透明性、異なる波長での吸光、光散乱、複屈折性、光活性、環状光二色性などの液晶表示装置の特性を変える。
【００２７】
３．電気的に支配された表面ＥＣＳによる再配向
液晶を再配向する第３の知られた原理は、いわゆる電気的に支配された表面（ＥＣＳ）の使用を含む。この原理は公開された国際特許出願第ＷＯ  ００／０３２８８号に記載されている。
【００２８】
より速いＥＣＳの原理は、主として強誘電性液晶ポリマー層を制御するのに使用される。上記のように、強誘電性液晶の自発分極と拘束基板に垂直な印加電場の間の線形結合に基づくＬＣＤは、誘電結合に基づくＬＣＤよりも多くの利点を有する。より具体的には、強誘電性ＬＣＤはより速く、それらは視野角依存性のより少ない像コントラストを備える光学軸の平面内切替を可能にし、強誘電性ＬＣＤは、適切な固定条件の下で双安定性のある切替を可能にする。しかし、既に指摘したように、強誘電性液晶を表示装置に使用することに関していくつかの問題がある。
【００２９】
ＥＣＳ原理によれば、別の薄い強誘電性液晶ポリマー層は、液晶のバルク材料を従来のサンドイッチセル中に拘束するガラス基板の内表面上に堆積される。強誘電性液晶ポリマー層は、隣接する液晶のバルク材料上に面状整列を強制する動的整列層として働く。より具体的には、セルを横断する外部電場を印加し、それによって動的整列層を横断して印加するとき、別の強誘電性液晶ポリマー層中の分子は切替を行う。続いて、別のポリマー層中のこの分子の切替は、別の整列層とバルク層の境界の弾性力によってバルク体積中に転写され、したがってバルク体積分子の比較的速い面内切替がもたらされる。
【００３０】
ＥＣＳ原理は強誘電性液晶の全ての利点を有し、同時にそれらの重大な問題の殆どを回避するように見える。しかし、やはりＥＣＳ材料が満足すべきいくつかの必要条件があり、ＥＣＳの調製をかなり要求の厳しいものにしている。
ＥＣＳ層は非常に薄く（１００〜２００ｎｍ）なければならない。
ＥＣＳ層は好ましくは本棚幾何形状、すなわちスメクティック層が、拘束する基板に垂直に、良好に配向されていなければならない。
ＥＣＳ層とその動作を完全に維持するにはＥＣＳ層の材料は液晶のバルク材料に不溶性でなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３１】
上記の液晶デバイスの所望の特性、及び上述の既知の液晶表示装置の異なる欠点に鑑て、本発明の全体的な目的は改善された液晶デバイス、液晶デバイスの改善された製造方法、及び液晶デバイスの改善された制御方法を達成することである。本発明は表示装置だけに向けたものではなく、他の多くの液晶の用途に有用である。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
本発明の第１の態様によれば、液晶のバルク層と、キラル表面と呼ぶ少なくとも１つの表面に恒久的に結合している結果としてバルク層中に不均一に分布するキラルドーパントとを含み、前記キラルドーパントが液晶のバルク層中に可溶である液晶デバイスが提供される。
【００３３】
これは、別の不溶性ＥＣＳ層を有する先行技術の解決策とは明らかに対照的である。
【００３４】
本発明は、前記キラル表面に隣接するバルク層の制限された体積（本明細書では「サブ体積」又は「サブ領域」と呼ぶ）内に、１つ又は複数のキラリティ関連物性（本明細書ではキラリティ効果とも呼ぶ）の局部変化、特に１つ又は複数のキラリティ効果に関する物性の局部増加を誘起することを可能にする。したがって、誘起されたキラリティ効果の変化又は増加はバルク層の体積全体には生じず、１つ又は複数の制限された領域だけに生じ、本発明の大部分の実施においてそれは非常に薄い。それらのサブ領域の各々が、関連のキラル表面の近くに位置することを考えて、それらのサブ領域は「表面のサブ領域」と呼ぶこともできよう。
【００３５】
ドーパント材料及び液晶のバルク材料は、サブ体積内に誘起されたキラリティ効果の局部変化／増加が前記サブ体積中に自発分極の増加をもたらすように選択することができる。それらの誘起された自発分極の増加は通常不均一な分布を示し、前記キラル表面で最大であり、前記キラル表面から離れる方向に低下する。したがってそれらの自発分極は強誘電特性を提供し、外部電場に直接電気的に結合することが可能になる。
【００３６】
本明細書で使用される用語「可溶」はドーパントが液晶のバルク層に溶解可能であることを意味する。
【００３７】
本発明によれば、キラルドーパントは表面に恒久的に付着している。これは、ドーパントが自由にバルクの体積中を動くことを妨げられているように表面に結合しているものと解釈すべきである。したがって、均一な分散が起きないであろう故に、ドーパントのバルク体積中での不均一な分布は「恒久的」性質である。明らかに、これは外部電場を印加することによってドーパントを液晶バルク体積内部に一時的に再配置する、知られた技術とは異なる。
【００３８】
ドーパントは表面に「恒久的に付着」しているが、それらはやはり限られた可動性、特にドーパント分子が例えば外部電場の印加による切替の間に表面に再配向することが可能になる可動性を示す。
【００３９】
バルク層に均一に分散していないが、ドーパントはバルク層中に（局部的に）溶解していると言うことができる。
【００４０】
本発明の範囲内において、デバイスは、単一のキラル表面、又は代替として、各々そのキラルドーパントが恒久的に表面に付着した、２つ又はそれ以上のそれらのキラル表面を示すことができる。より具体的には、デバイスは２つ又は複数の本質的に類似したキラル表面、又は２つ又はそれ以上の異なるキラル表面、又はその組み合わせを含むことができる。例えば、２つのキラル表面は、異なる符号の自発分極を誘起することができ、それらは異なるねじれ力、異なるドーパント材料、ドーパントの異なる表面分散等を示すことができる。
【００４１】
上記の「キラル表面」を参照するときの用語「表面」は、バルク層の境界に位置する表面、又は境界を画定する表面を含むだけではなく、バルク層の内部に位置する表面又は面を含むものと考えるべきである。したがって、用語「表面」は、ドーパント材料を経由して直接又は間接にバルク層の材料と接触している任意の物理的又は幾何形状的表面又は面を含むことができる。
【００４２】
バルク層が２つの基板の間に拘束される実施形態では、キラル表面は一方又は両方の基板上に配置することができる。代替として、又は補足として、１つ又は複数のキラル表面はバルク層の内部、すなわちバルク層の境界から距離を置いて位置することができる。内部キラル層又は面を有する実施形態は、例えば以下に述べるレーザ活性化重合プロセスによって実施することができる。
【００４３】
表面に恒久的に結合するドーパント材料又は分子は「キラル表面層」を画定するものと考えることができる。それらの「キラル表面層」は通常非常に薄く、例えば２０〜１００Å程度であろう。特に、キラル表面層（バルク層の中に延びる）の厚さは、１層のドーパント分子だけを含む「単分子層」として形成することができる。
【００４４】
この意味で、目的とする効果を達成するためにはＥＣＳ層は好ましくは非常に薄くなければならないことを考えると、キラルドーパントを表面に結合させる原理は「ボーナス効果」を与えることに留意すべきである。例えば、キラルドーパントは前記表面に単分子層を形成することができる。
【００４５】
本発明によるデバイスにおいて、液晶のバルク層に可溶なドーパントは、少なくとも１つの表面に恒久的に結合される結果、バルク体積中に不均一に分布する。しかし、前記表面上のドーパントの分散に関しては多くの可能性がある。好ましい一実施形態では、ドーパントは表面上又は各表面上に均一に分散される。しかし、特定の又は予め定めたパターンに従って前記基板上に、例えば予め定めた面積内にドーパントを分散することが可能であろう。
【００４６】
実証例だけであるが、バルク層はアキラルスメクティックＣ材料などのアキラル（非キラル）液晶材料を含むことができる。サブ体積中又はサブ領域中ではアキラルスメクティックＣはアキラルスメクティックＣに可溶なキラルドーパントでドープされ、キラル表面に恒久的に付着する。ドーパントはキラリティを誘起し、したがってサブ体積内の液晶バルク材料中にキラリティ効果の変化を誘起する。続いて、誘起されたキラリティはサブ体積内に自発分極Ｐｓを発生させ、このサブ体積に強誘電特性を与える。ドーパント分子がドーパントからのある距離にもキラリティを誘起するので、ドープされるサブ領域の実際の体積と、キラリティ及び増加した自発分極を示す体積はわずかに異なる。この実証例ではデバイス上に電場を印加することによって（すなわちバルク体積の残りと同様にドープされたサブ体積上に）、ドーパントの結果強誘電特性を示す領域中の分子は印加した電場に直接強誘電性応答又は結合するため、非常に速く切替を行う。この速い強誘電性切替は、表面サブ領域の分子とバルク体積の隣接する分子の間の弾性カップリングのため、今度はサブ体積外部のバルク分子を急速に切り替えさせる。
【００４７】
上記の例では、バルク体積はアキラル液晶材料を含む。しかし、例えば、その非ドープ条件で限られた自発分極を示すキラルバルク材料を最初に使用することも可能である。その実施形態では、ドーパントを選択してサブ体積内の自発分極の変化を達成し、サブ体積内のバルク材料の（例えば強誘電性）応答を増加させることができる。初期キラリティは、誘起されたキラリティ効果の増加を「バイアス」すると言えよう。
【００４８】
ドープされたサブ体積の外部と同様に内部のバルク材料の電場応答は、強誘電性、反強誘電性、曲げ誘電性、及び常誘電性、又は、その任意の組み合わせであることができる。また、ドープされないバルク材料の電場応答も誘電性だけ（すなわち電場と直接の線形結合がない）とすることができる。
【００４９】
バルク層材料の初期キラリティについては、バルク層は、アキラルネマティック液晶材料、キラル液晶材料、又はその組み合わせなどのアキラル液晶材料を含むことができる。バルク材料がアキラルであれば、キラリティはドーパントによって誘起することができる。バルクが最初にキラルであれば、キラリティ効果の増加はドーパントによって誘起することができる。
【００５０】
したがって、バルク層を形成する液晶材料は、本発明の範囲内で大きく変化することができる。使用される電場によって、バルク層の材料は、前記バルク層内にネマティックディレクターのねじれ又は非ねじれ構成を有するネマティック液晶材料、前記バルク層内にネマティックディレクターのねじれ又は非ねじれ構成を有するスメクティック液晶材料、ディスコティック液晶材料の１種又は複数のものから選択することができる。
【００５１】
バルク層は実質上前記キラル表面に平行な好ましい配向を有する表面ディレクターを示すことができる。特に、バルク層は、バルク層の前記表面ディレクターの切替が印加電場によって直接制御可能ではない液晶材料を含むことができる。その実施形態では、ドープされた面積は印加電場（一次切替）に直接応答を示し、一方、残りのバルク層は弾性結合（二次切替）に応答するであろう。
【００５２】
デバイスは別の整列層をさらに含んで、前記ドーパント表面に好ましい分子配向、例えば非動的整列層を提供することができる。
【００５３】
キラルドーパントは感光性分子を含むことができ、感光性は、デバイスの製造中に、そこに付着したドーパントを有するキラル表面を形成するために使用される。
【００５４】
キラルドーパントは少なくとも１種のポリマー材料、オリゴマー材料、及びモノマー材料から製造することができる。
【００５５】
本発明による液晶デバイスは多くの構造的に異なる方法で実施することができる。１つだけのドーパント表面を有する実施形態では、バルク層は、一方で、バルク層の第１の側に配置された単一ドーパント層の間に拘束することができ、他方では、バルク層の反対側に配置された非動的表面整列層の間に拘束することができる。非動的表面整列層は予め定めた好ましい方向を確立し、これはデバイスの意図する用途によって選択することができる。
【００５６】
また、バルク層は、各々そこに恒久的に付着したキラルドーパントを有する２つのキラル表面の間に拘束することができる。しかし、ドーパントはやはりバルク層中に恒久的に不均一に分布され、すなわちキラル表面に高い「濃度」を示すであろう。その両面の実施形態では、２つのキラル表面は、同一又は反対の符号（Ｐｓ＞０及びＰｓ＜０）の自発分極を誘起することができる。第１のキラル表面は第１の対掌性を示すキラル材料を含むことができ、一方、第２のキラル表面は第２の異なる対掌性を示すキラル材料を含むことができる。さらに、複数のキラル表面は異なるねじれ力を有するキラル材料から作ることができる。
【００５７】
上記のように、２つのキラル層は、（ｉ）自発分極の符号、（ｉｉ）対掌性の符号、及び／又は（ｉｉｉ）ねじれ力に関して互いに異なることができる。同じ考えが一方でキラル層間に当てはまり、他方でバルクの特性に当てはまる。したがって、例として、バルク材料の特性はドープされたサブ領域内のドーパントによって妨げられ、又は実質上消失することがあり得る。
【００５８】
本発明の液晶デバイスは、ドーパント表面でサブ体積上に電場を印加するための表面電極などの手段を含むことができる。その電場の印加手段は、電場が、バルク層と同様前記ドーパント表面上に印加されるように配置することができる。それらの電場の印加手段は、マトリックス呼び出しデバイスを作るための２つの交差する電極群を含むことができ、デバイスの各ピクセルはアクティブ呼び出しを行うための薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を含むことができる。
【００５９】
本発明の液晶デバイスは、バルク層内のディレクターの方向切り替えを検出可能な効果に変換するように配置された手段を含むことができる。例として、それらの手段は、偏光板、リターダー、反射板、バルク層にドープされた染料、及びその組み合わせの１個又は複数の素子を含むことができる。
【００６０】
一実施形態において、キラルドーパントは、ネマティックバルク層のサブ領域中にキラル表面に垂直又は平行な螺旋軸を有する螺旋分子規則性を誘起することができる。ピッチの勾配はデバイス中で変化し得る。
【００６１】
本発明の他の態様によれば、液晶バルク層に可溶なキラルドーパントを液晶バルク層中に恒久的に不均一な状態で分散するステップを含む、液晶の製造方法が提供される。
【００６２】
方法は、拘束面（例えば基板上の表面）、又は内表面（例えばバルク層内で面を画定する）、又はその組み合わせなどの少なくとも１つのキラル表面と呼ばれる表面に、ドーパントを恒久的に付着させるステップを含むことが好ましい。
【００６３】
バルク層中の材料及びドーパントは、キラルドーパントが、前記キラル表面に隣接するバルク層のサブ体積又はサブ領域内に、１つ又は複数のキラリティ関連物性の局部変化、特に１つ又は複数のキラリティ関連物性の増加を誘起するように選択することができる。
【００６４】
キラル表面は基板表面をキラル材料で被覆することによって製造することができる。一実施形態において、キラル表面は基板表面に既に堆積された整列層上に配置することができる。ドーパント表面は光及び／又は温度を加えてドーパント表面の重合を行うことによって製造することができる。
【００６５】
一実施形態において、ドーパントは、前記表面をキラルの重合性で感光性のあるドーパント材料で被覆すること、ドーパント材料に光を当てることによってドーパント内の分子を好ましい方向に整列させること、キラル表面層を形成するためにこのようにして整列させたドーパント材料を重合させること、のサブステップによって提供することができる。
【００６６】
誘起されたキラリティ効果を有する関連のサブ領域を提供するために、１つ又は複数の内部キラル表面若しくは面を製造すべき実施形態では、光反応性ドーパントモノマーを液晶バルク層に溶解することができる。次いでこのようにして溶解された光反応性キラルモノマーは、それらの内部キラル面を製造するために、前記バルク層中の１つ又は複数の面を光活性化することができる。これを実施するにはマスク、又は干渉パターンを使用することができよう。
【００６７】
また、本発明は、バルク層の少なくとも１つのサブ領域に局部的な好ましくは恒久的な電場応答特性の増加を誘起するために、液晶バルク層に可溶なキラルドーパントで液晶バルク層をドープするステップと、前記サブ領域によってバルク層を間接的に制御するために電場を印加するステップとを含む、液晶バルク層を制御する方法を提供する。
【００６８】
具体的には、本発明は、前記バルク層の関連する副表面領域中にディレクターの方向を有する電場によって直接制御可能な相を誘起し、前記バルク層と相互作用する、前記バルク液晶層に接触する少なくとも１つのキラル表面層を提供するステップと、前記副表面領域の方向変化を起こさせ、それによってバルク層内に面内バルク切替を行わせるために前記副表面領域に電場を印加するステップとを含む、液晶デバイスの液晶バルク層中で面内切替を達成する方法を提供する。
【００６９】
したがって、本発明は、自発分極、ピッチ、光学活性等、ドープ領域によって間接的にバルク層を制御するのに使用することのできる、液晶ホスト材料の１つ又は複数のキラリティ関連物性（本明細書ではキラリティ効果とも呼ぶ）の局部変化を達成することを可能にする。
【００７０】
上記の及び他の本発明の特徴並びに実施形態は添付の請求項に記載されている。
【００７１】
ここで、付随する図面を参照して、本発明を非制限的な例示によってより完全に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７２】
図１は本発明による液晶デバイスの一実施形態の一部を示している。液晶バルク分子１２を含むバルク層１０は、ガラス板などの２つの対向する基板１４（その内の１つだけが図１には示されている）の間に拘束される。非制限的な、実証例として、バルク材料１２はアキラルスメクティックＣ材料とすることができる。
【００７３】
液晶バルク層に可溶なキラルドーパント２０は、例えば化学結合として実施される結合又は連結１６で図示したように、基板１４に恒久的に付着（結合）される。したがって、ドーパントはバルク層に可溶であるが、ドーパント２０は残りのバルク層１０（２４）中に動き出す自由さはなく、基板１４の表面１８に付着したまま保たれる。しかし、ドーパント２０は、印加された電場に応答して再配向することがやはり可能である。
【００７４】
キラルドーパント２０は基板１４に近いバルク層１０のサブ体積又はサブ領域２２中のキラリティ効果を誘起する。この表面サブ領域の厚さは、とりわけ基板表面１８を覆うキラル層の性質に依存するが、通常非常に薄いであろう。その結果、デバイスは、キラリティ効果の増加を示す、バルク層１０のドープされたサブ体積又はサブ領域２２と、キラリティ効果が実質上ゼロ又はそれ以下のドープされない実質上より大きなバルク体積２４とを示す。
【００７５】
図１に示したように、ドーパント２０は、バルク分子１２がドープされた領域内の基板１４近くに位置するような表面１８からの距離に位置することができる。ドーパント２０が恒久的に付着する基板１４の表面１８は「キラル表面」と呼ぶことができ、そこに付着したキラルドーパントを示すことを表す。表面に付着したドーパントは「キラル表面層」と呼ぶことができる。しかし、それらのドーパントは、例えば化学結合によって表面から限られた距離に位置することができることに留意すべきである。通常、サブ領域はドーパント材料／分子とバルク層分子の両方を含むであろう。
【００７６】
ここで、サブ領域２２に誘起されたキラリティ効果は、この領域２２に誘起された自発分極Ｐｓである。次いで、これはサブ領域２２内に液晶材料の強誘電性電気光学応答をもたらすであろう。
【００７７】
図１による構造を含むデバイスの動作を、図２Ａを参照して説明する。電場Ｅが液晶セル全体に加えられるとき、強誘電性サブ領域２２中の液晶分子の配向方向は、領域中に自発分極Ｐｓが存在し、したがって、強誘電性サブ領域２２中の液晶材料と印加電場Ｅの間の直接電気的結合のため変化する。図２Ａにおいて、この分子配向の変化は点線Ｄ０（Ｅ＝０で可能性のある初期方向）と実線Ｄ２（切り替わった方向、Ｅ≠０）で図２に示されている。これは「一次切替」と呼ぶことができよう。
【００７８】
サブ領域２２中の液晶分子１２の一次切替Ｄ０→Ｄ２は、次いで弾性力によってアキラルスメクティックＣ液晶材料１２のバルク２４中に浸透するであろう。
【００７９】
２つの基板１４の内表面１８の１つだけがキラルになるので、サブ領域２２中の分子切替Ｄ０→Ｄ２はバルク中に電場誘起のねじれ状態をもたらし、図２Ａには分子の面内切替Ｍ１→Ｍ２（二次切替）によって図示されている。バルク液晶材料１２の誘電異方性Δεの符号によって、電場Ｅとバルク材料間の誘電結合はこの面内切替Ｍ１→Ｍ２を安定化させ（Δε＜０）、又は不安定にする（Δε＞０）ことができる。
【００８０】
ここで、基板１４の１つだけがキラル層２０で被覆されている、図２Ａによるセルを示す図２Ｂを参照する。
【００８１】
この実施形態では、バルクアキラルスメクティック材料１２は約４５度の分子ねじれを有する。他の基板１４の表面は、一方向にこすり付けられたポリイミドで被覆されており、非動的表面整列層３２をもたらす。整列層３２はこの基板１４に位置するバルク分子１２’の非動的表面整列方向Ｄ３を確立する。整列方向Ｄ３は、他の基板表面１４におけるＥ≠０での分子（Ｍ１）の好ましい整列方向Ｄ１と一致する。Ｄ１は強誘電性サブ領域の２つの切替状態の１つを表すことに留意すべきである。
【００８２】
「オフ状態」（Ｅ＝０）において、バルク液晶材料１２は、図２Ｂの点線の分子で示された方向Ｍ１（Ｄ１と平行）に沿う光学軸で均一に配向される。セルは、光学軸Ｍ１に沿う偏光板３６の透過方向に配向された交差偏光板３４、３６の間に配置される。この配置では、入射光はデバイスを通る光路の下で消去されるであろう。しかし、約５Ｖ／μｍのＥの電場の印加は、キラル表面１８で強誘電性サブ領域２２中の分子の直接で急速な９０度切替（Ｄ１→Ｄ２）を誘起する。この急速な切替Ｄ１→Ｄ２は、次いでバルク液晶材料中に誘起された９０度分子ねじれＭ１→Ｍ２をもたらす。この切り替えられた「オン状態」において、デバイスは光透過性である。
【００８３】
偏光板３４、３６の他の適切な設定によって、「オフ状態」は代りに透過性になることができる。
【００８４】
図３は、２つのキラル固体基板１４を含む液晶デバイス又はセルの断面を示すもので、各々キラルに作られた内表面１８を示している。セルは、（上から始めて）、第１のガラス又はプラスチック（ポリマー）基板１４、第１の透明伝導性ＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）膜３０、第１の受動（非動的）整列膜又は層３２、比較的薄い（非常に薄いことが好ましい）キラル分子の第１の層２０、液晶バルク材料１２のバルク層２４、比較的薄いキラル分子の第２の層２０、第２の受動整列膜３２、第２の透明な伝導性ＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）膜３０、及び第２のガラス又はプラスチック基板１４の素子を含む。２つの基板１４はスペーサー１７によって予め定めた互いの距離に固定される。この間隔は数μｍ程度である。
【００８５】
図３に示したセルは、バルク層２４の両側にキラル分子２０の２つの薄膜を含む、本発明の両面実施形態である。図４に示したセルは、キラル分子の１つだけの薄膜を含む、すなわち図２Ａ及び２Ｂに示した実施形態による片面実施形態である。
実施例１
【００８６】
調製の方法
図３又は４に示したキラル表面層の調製の一実施形態において、ガラス又はプラスチック基板１４の内表面は最初に透明な伝導性ＩＴＯ膜３０で被覆され、その後、例えば通常の垂直入射で蒸着した薄いＡｕ膜の整列層３２で被覆される。整列層３２は受動整列層とすることができる。
【００８７】
次いで、整列層３２は、この実施例ではキラル分子２０を含む感光性有機材料を含む薄膜２０で被覆される。このキラル材料２０は、硫黄含有基によってＡｕ膜に付着した、オルト−又はメタ位置にキラル部が側部結合する型のものとすることができる。有機キラル材料２０の分子構造は、次式、
【化１】
2005521101.tif 000003
とすることができる。
【００８８】
感光性キラル材料２０の薄い層で被覆された基板１４は、一方向性で面状の、キラル分子２０の予め定めた整列を得るために、線形に偏光させたＵＶ露光される。キラル分子２０のこの整列は、弾性力によって、接触する液晶バルク分子１２に転写される。光で活性化する整列はバルク層１０を加えた前と同様、後で行うことができる。
実施例２
【００８９】
調製の方法
第２実施例において、キラル表面は実施例１と同じ種類のキラル分子の混合物を含む有機材料の薄膜で調製することができるが、この場合、それらは下図に示すような異なる長さの結合基を有する。
【化２】
2005521101.tif 000004
【００９０】
結合基の長さはキラルドーパント分子と基板間の最大距離を定めるであろう。しかし、キラルドーパント分子は表面に向かう方向に自由に動くことができる。
実施例３
【００９１】
調製の方法
実施例３によれば、例えば図４に描かれたキラル分子２０の第１の薄膜を形成するキラル表面を調製するために、ガラス基板１４の透明な伝導性ＩＴＯ膜３０は、例えば垂直入射で蒸着させた、バフ掛けしたＳｉＯｘ膜の受動整列層３２で被覆される。良く知られているように、この受動整列層は殆どの液晶材料の一方向性面状整列を与える。同じ種類の整列は、基板に関して入射角α〜６０°でＳｉＯｘを蒸着させることによって得ることができる。その後、受動整列層３２は実施例１で述べた種類の感光性有機キラル材料２０の薄膜で被覆される。この材料の分子は、例えばシリル化を用いることによってシリカ表面に恒久的に結合させることができる。
実施例４
【００９２】
調製の方法
実施例４によれば、ガラス基板１４の透明な伝導性ＩＴＯ膜３０は、例えば基板表面１８に関して約８５°の入射角αで蒸着させた、ＳｉＯｘ膜の受動整列層３２で被覆される。この受動整列層３２は、知られているように、殆どの液晶材料の偏向した整列を提供する。その後、受動整列層３２は、シリカ表面に恒久的に付着した、実施例１で述べた種類の感光性有機キラル材料２０の膜で被覆される。
実施例５
【００９３】
調製の方法
実施例５によれば、接触表面１８は、例えば次式、
【化３】
2005521101.tif 000005
【化４】
2005521101.tif 000006
の１つの構造を有するキラル側鎖液晶ポリマーの堆積によってキラル化される。
実施例６
【００９４】
調製の方法
実施例６によれば、キラル表面を形成するキラルドーパント２０は次式、
【化５】
2005521101.tif 000007
の構造を有するデンドリマー型である。
【００９５】
デンドリマー分子は、硫黄又はシリコン含有架橋基のいずれかによって受動整列層に恒久的に結合する。図１５はデンドリマー分子２０によって形成されたキラル層を図示している。
実施例７Ａ
【００９６】
調製の方法
実施例７Ａによれば、液晶バルク層１０中の恒久的に不均一なキラルドーパント２０の分散は、液晶バルク層２４内に少なくとも１つのキラル面を内部的に形成することによって実施される。これは感光性キラルモノマーと架橋剤の使用によって実施され、その構造は、次式
【化６】
2005521101.tif 000008
とすることができる。
【００９７】
最初に、感光性キラルモノマーがバルク液晶ホスト材料中に溶解される。次いで、その内側１８にＩＴＯ膜３２を予備被覆し、受動整列層３０をその上に堆積した２つのガラス基板を含むサンドイッチセルは、その中に溶解したキラルモノマーを有する液晶バルク材料１２で充填される。その後、バルク１２と溶解したキラルモノマーを含むセルは露光される。光は感光性キラルモノマー分子の光重合を開始させる。光の波長は光重合プロセスを促進するために通常ＵＶ光スペクトル内である。この重合プロセスの間に、ポリマーは液晶ホスト１２から相分離する。
【００９８】
上記の原理を用いることによって、液晶バルク１０中に相別のキラルポリマー２０の良好に画定された面（すなわち表面）を、例えばＡｒレーザからの干渉、又はマスキング技術によって達成することができる。
【００９９】
１つ又は複数のそれらのキラル面４０は、図５Ａ及び５Ｂにそれぞれ示したように、固体基板１４に垂直又は平行に配向することができる。それらの組み合わせも可能であり、同様に、内部キラル面４０と基板１４の１つ又は２つのキラル副表面層との組み合わせが可能である。
実施例７Ｂ
【０１００】
調製の方法
実施例７Ｂによれば、図１４Ａ及び１４Ｂに図示したように、基板１４は、キラルドーパント又は分子２０との化学的結合を与えることのできる官能基を含むポリマーの薄い層１５で被覆される。ドーパント２０の結合の前に（図１４Ａ）、ポリマー１５層を一方向性の機械的ラビングをかけて、後続で加えられるドーパント分子２０、同様に液晶バルク材料１２の好ましい整列方向を得ることができる。したがって、前記ポリマー層１５は受動整列層の役割を果たすことができる。
【０１０１】
ポリマー１５の材料は光応答性とすることができ、したがって偏光したＵＶ光で照射することによって光整列が可能である。この場合、ドーパント材料２０は整列プロセスの前又は後に加えることができる。
【０１０２】
一例として、ドーパント２０はキラル分子又はキラルポリマー又はキラル液晶ポリマーの形とすることができる。
【０１０３】
バルク液晶の面内切替
ここで、誘起された面内切替を得るための本発明の原理の用途を実証例で示す。
【０１０４】
以下の実施例に使用されるキラル表面を備える液晶デバイスは、ミクロンサイズの間隙を形成して、その内表面１８がＩＴＯ電極で被覆されている、２つの平行な固体基板１４を含んでいた。１つ又は両方の電極基板の内表面を薄いキラル膜２０で被覆した。実験デバイスの構造は図３及び４に示したものであった。
【０１０５】
実験セルの電気光学応答は図６にその概略を描いた装備によって検出した。
【０１０６】
発生器３８で供給される電場Ｅが試料に印加されるときに透過光の最大光変調が得られるように、その光軸を偏光板の１つの透過方向に関して２２．５度の角度に配向して、試料Ｓを２つの交差した偏光板３４、３６（分析器及び偏光板）の間に挿入した。必要ならば、印加電圧は差動電圧増倍器４２で増幅することができる。透過した光の強度Ｉは検出器４４によって検出した。オシロスコープ４６を電源３８、及び光検出器４４に接続し、印加した電圧と対応するセルＳの電気光学応答を視覚化した。
実施例８
【０１０７】
片面実施例
実施例８では、デバイスの内表面の１つを実施例１によるキラル有機層で予備被覆した。バルク液晶層１０を製造するために、デバイスは、相順序
Ｃ  １０℃  ＳｍＣ  ６３℃  ＳｍＡ  ６４℃  Ｉ
を有するアキラル液晶材料２０（Ｈｏｅｃｈｓｔ  ９０８）で充填した。
【０１０８】
セルを、その光軸を１つの偏光板に関して２２．５度の角度に配向して、図６の装備の交差偏光板３４、３６の間に挿入した。ここで、この液晶材料を充填し、内部基板表面上に堆積したキラル層をもたない「従来の」先行技術セルは、印加した外部電場Ｅへの誘電性応答だけを示すであろうことに留意すべきである。しかし、薄いキラル層で予備被覆した内表面の１つを有する本発明のセルでは、セル間隙３μｍのセルに約Ｅ＝５Ｖ／μｍの電場を印加すると、スメクティック相において明らかな極性電気光学応答が見出された。
【０１０９】
実施例８によるセルの電気光学応答は図７に描かれており、応答が極性であることを明らかに示している。試料Ｓの光学軸は、試料Ｓを単に４５度回転することによって試料の面内で切り替わり、次いで図８に描いた電気光学応答を１８０度相シフトさせることが実証された。
実施例９
【０１１０】
円偏光の対掌性の切替
この実施例９では、円偏光の対掌性を切り替えるために使用することのできる液晶デバイスの実施形態が開示される。実施形態は図９Ａに示されている。図２Ｂに示した片面実施形態とは対照的に、図９Ａの実施形態は両方の基板１４にドーパント材料２２のキラル表面を示す。したがって、誘起された強誘電特性を示す薄い層がＬＣバルク層の両側に形成された。
【０１１１】
図９Ａにおいて、デバイスのパラメーターは、λ／４波プレートの条件を満たすように選択した。バルクアキラルスメクティック液晶材料２０は４５度の分子偏向角を有するように選択した。デバイスは、切替状態（Ｄ１／Ｄ２）が図示したように偏光板３４、３６の透過方向の周りで対称的であるようにして、交差偏光板３４、３６の間に挿入した。
【０１１２】
電場Ｅの印加は、強誘電性相２２中の急速な（直接）切替と、弾性結合による、バルク層２４中の対応する面内切替を提供するであろう。２つの一次切替層２２が配置され、これらはこの実施形態では同じ方向に切り替えるので、バルク層内のバルク分子１２の螺旋ねじれは本質的にないであろう。したがって、デバイスの出力での円偏光の対掌性は印加した電場Ｅの極性に依存する。このように、円偏光の対掌性の急速な切替を行うことができる。
【０１１３】
上で指摘したように、誘電結合は面内切替を安定化させ（Δε＜０）、又は不安定にする（Δε＞０）ことができる。
実施例１０
【０１１４】
バルク液晶の面内切替
この実施例１０では、実施例１によって調製したデバイスを、
ＳｍＣ  ４８℃  ＳｍＡ  ５７℃  Ｉ
の相順序を有するラセミ液晶混合物ＷＩＬＣ  ４８（Ｈｏｅｃｈｓｔ）で充填した。
【０１１５】
上で示したものと同じＳｍＣ相中の極性電気光学応答が、３μｍの間隙を有するセルに電場Ｅ〜４Ｖ／μｍを印加して検出された。
実施例１１
【０１１６】
両面実施形態−アキラルバルク
図９Ｂに示したこの実施例１１では、液晶デバイスの両方の基板１４に実施例１によるキラル有機層２２を予備被覆した。デバイスはアキラル液晶材料Ｈｏｅｃｈｓｔ  ９０８で充填した。
【０１１７】
次いで、セルを、その光軸Ｍ１（切替状態の１つに該当する）を偏光板の１つの透過方向と平行に配向させて、交差偏光板３４、３６の間に挿入した。電場Ｅを液晶セルに印加することによって、両方のサブ領域２２でＤ１→Ｄ２の移動で示すような、２つの表面サブ領域２２中の分子の配向性変化が起きる。キラリティを誘起されたこのサブ領域２２中の表面分子の一次切替Ｄ１→Ｄ２は、次に弾性力によって、アキラルバルク分子１２のバルク層１０の残り（２４）内に分子１２の切替（二次切替）をもたらすであろう。この誘起されたバルク分子の切替は、初期の分子配向Ｍ１（点線）が新しい方向Ｍ２（実線）に切り替える形で図示されている。バルクの光軸の誘起されたバルク切替は、実際に、面内切替（図２Ｂのように）であり、例えばＭ１からＭ２への切替は基板１４に平行な面内で起きる。
【０１１８】
約３μｍのセル間隙を有するセルに約Ｅ〜５Ｖ／μｍの電場を印加すると、上記と同様の極性応答がスメクティック相に見出された。
実施例１２
【０１１９】
両面実施形態−キラルバルク
実施例１１で述べたものと同様に、この実施例では両方の基板が実施例１による薄いキラル有機層で予備被覆された内表面を有する。
【０１２０】
デバイスを非常に小さな自発分極Ｐｓを有する強誘電性液晶で充填した。この場合、基板表面に付着したキラル分子はサブ領域におけるＰｓの大きさを増加させた。限られた初期のキラルバルク材料を有するこの実施形態では、印加した電場Ｅもバルク液晶材料と直接結合するであろう。キラリティがバルク材料の初期のキラリティによって「バイアス」されているので、キラル表面での切替はより効率的であろう。
実施例１３
【０１２１】
諧調
この実施形態は本発明がどのように諧調機能を実施するのに使用できるかを説明する。セルは図２Ｂに示した実施形態によって調整した。セルの一方向性転位によって得られる互いの機械的せん断は、液晶のバルク中と同様に表面サブ領域中の分子の予備偏向をもたらす。予備偏向がスメクティックＣ中の分子偏向と等しければ、透過光の線形変調（諧調）を得ることができる。この実施形態におけるセルの諧調の能力は図１０に示されており、ｙ軸は任意のユニットの透過光の強度を示している。
実施例１４
【０１２２】
誘起されたスメクティックＣ＊
この実施例１４によれば、セル間隙は負の誘電異方性（Δε＜０）を有するネマティック液晶と下地のスメクティックＣ相で充填される。液晶分子の面状整列を誘電結合によって安定化するために、Δε＜０の液晶材料を選択した。セル基板１４の内表面１８に付着したキラル分子２０は基板のサブ領域２２中にスメクティックＣ＊相を誘起する。誘起されたスメクティックＣ＊相は強誘電性である。
【０１２３】
外部電場を印加することによって、表面サブ領域中の好ましい配向方向を電場との直接結合によって切り替えることができる。表面サブ領域中の分子の切替は、弾性力によって、液晶のバルク中の分子に転写される。
実施例１５
【０１２４】
両面実施形態、電場誘起ねじれ
ここで、本発明による液晶デバイスの実施形態を図示する図１１を参照すれば、第１キラル表面は、正の自発分極（Ｐｓ＞０）を有する関連のサブ領域２２中にスメクティックＣ＊相を誘起し、一方、第２キラル表面は負の自発分極（Ｐｓ＜０）を有する関連のサブ領域２２中にスメクティックＣ＊相を誘起する。両方の表面サブ領域２２中の分子偏向は２２．５度程度であった。
【０１２５】
図１１のデバイスを負の誘電異方性（Δε＜０）を有するネマティック液晶と下地のスメクティックＣ相で充填した。その後、デバイスを、その光軸（Ｅ＝０で）を偏光板の透過方向に関して４５度に配向させて、平行な偏光板３４、３６の間に配置した。印加電場の符号を逆にすると、２つの表面サブ領域２２の異なるＰｓ符号のため、デバイスは透過性の非ねじれ状態と非透過性（暗い）のねじれ状態の間で切り替えるであろう。
実施例１６
【０１２６】
光誘起Ｐｓ変化
実施例１６によれば、デバイスは実施例１４に従って調製した。しかしこの場合、内部基板表面の１つに堆積したキラル層は、光照射で表面サブ領域中の誘起されたＰｓの符号を変える能力のある感光性分子を含む混合物である。
【０１２７】
また、両方のキラル表面を被覆するキラル有機材料が、光照射の下で表面サブ領域中の誘起されたＰｓの符号を変える能力のある感光性分子を含む混合物であるデバイスを提供することも可能である。デバイスは、例えばアキラル液晶材料のＨｏｅｃｈｓｔ  ９０８で充填することができる。セルはマスクを通してＵＶ光で照射される。電場を印加することによって、セルの照射された領域中のセル光軸は、光から保護したセル領域とは反対方向に切り替えるであろう。
実施例１７
【０１２８】
選択的反射
ここで図１２を参照する。この場合、キラル材料２０は高いねじれ力を有するように選択される。デバイスはΔε＞０を示すネマティック液晶混合物Ｅ７（Ｍｅｒｃｋ）で充填した。２つのキラル表面は、参照番号５０で示すように、関連する表面サブ領域２２中に非常に小さなピッチの螺旋分子規則性を誘起する。この螺旋規則性は、参照番号５２で示すように、基板から遠ざかるほど連続的にピッチ長さを増加させながら、液晶材料１２のバルク２４中に浸透する。
【０１２９】
したがって、セル中には勾配をもつピッチを示す螺旋分子規則性があるであろう。この原理又は効果を用いることによって、非常に広いスペクトルで入射光の選択的反射を得ることが可能であろう。キラル材料及びセル間隙を適切に選択することにより、デバイスからの白色光の効率的な選択的反射を得ることが可能であり、したがって白色に見えるであろう。
【０１３０】
ここで、デバイスを吸光黒色背景の上に置くと、黒い背景はセルを通して見えないであろう。さらに、セルへの電場の印加は、電場に沿って、すなわち基板１４に垂直に液晶分子を配向し、セルは透明になり、黒い背景が見えるであろう。したがって、それぞれ選択的光の反射及び光の吸収を図示する図１３Ａ及び１３Ｂのように、「電場がオンの状態」でセルは黒く見え、一方、「電場がオフの状態」で白くなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】本発明の原理を示す図である。
【図２Ａ】本発明による液晶デバイスの片面実施形態における電場で活性化された分子の再配向を示す図である。
【図２Ｂ】交差偏光板間に挿入された図２Ａのデバイスの動作を示す図である。
【図３】本発明による液晶デバイスの両面実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明による液晶デバイスの片面実施形態を示す断面図である。
【図５Ａ】バルク層中に内部キラル面を有する本発明の実施形態を示す斜視図である。
【図５Ｂ】バルク層中に内部キラル面を有する本発明の実施形態を示す斜視図である。
【図６】本発明による液晶デバイス又はセルの電気光学応答を分析するための装備を示す図である。
【図７】本発明による実施形態の電気光学応答を示す図である。
【図８】本発明による実施形態の電気光学応答を示す図である。
【図９Ａ】本発明による液晶デバイスの両面実施形態における、電場で活性化された分子再配向を示す図である。
【図９Ｂ】本発明による液晶デバイスの両面実施形態における、電場で活性化された分子再配向を示す図である。
【図１０】本発明による実施形態の諧調電気光学効果を示す図である。
【図１１】誘起された自発分極が反対の符号を有する、本発明による液晶デバイスの両面実施形態を示す図である。
【図１２】勾配のあるピッチを示す本発明による実施形態を示す図である。
【図１３】図１２の実施形態の動作を示す図である。
【図１４Ａ】キラル層調製の例を示す図である。
【図１４Ｂ】キラル層調製の例を示す図である。
【図１５】キラルデンドリマー分子を示すキラル表面を示す図である。
【図１】
2005521101.tif 000009
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年4月19日(2004.4.19)
【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】
液晶バルク層（１０）と、
キラル表面と呼ばれる少なくとも１つの表面に恒久的に付着する結果、バルク層（１０）中に不均一に分布するキラルドーパントと、
を含む液晶デバイスであり、
前記キラルドーパントによって、前記キラル表面に隣接する前記バルク層（１０）のサブ体積（２２）内に１つ又は複数のキラリティ関連物性の局部変化を誘起し、
前記キラルドーパント（２０）は、液晶バルク層（１０）に可溶である、
液晶デバイス。
【請求項２】
前記キラルドーパント（２０）が前記キラル表面に隣接する前記バルク層（１０）のサブ体積（２２）内に１つ又は複数のキラリティ関連物性の局部増加を誘起して、前記キラル表面で最大で、前記キラル表面（１８）から離れる方向に低下する、不均一な分布を有する自発分極の出現をもたらす請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記バルク層（１０）に印加した電場（Ｅ）に対する前記サブ体積（２２）内での前記バルク層（１０）の応答が、強誘電性、反強誘電性、曲げ誘電性、及び常誘電性の１つ又はその任意の組み合わせである請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
ドープしない前記バルク層（１０）が強誘電性、反強誘電性、曲げ誘電性、及び常誘電性の１つの電場応答性を示し、前記ドーパント（２０）がその電場応答性を高めるように選択される請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記液晶バルク層（１０）をその間に拘束する２つの基板（１４）をさらに含み、前記キラル表面（１８）が前記基板（１４）の一方の上に位置している請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記キラル表面が前記バルク層（１０）の内部に位置する請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記液晶バルク層（１０）がアキラル液晶材料を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記液晶バルク層（１０）がアキラルなネマティック液晶材料を含む請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
前記液晶バルク層（１０）がアキラルなスメクティック液晶材料を含む請求項７に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記バルク層（１０）がキラル液晶材料を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記キラルドーパント（２０）が感光性分子を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記キラルドーパント（２０）がポリマー材料、オリゴマー材料、及びモノマー材料の少なくとも１つから製造される請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記ドーパント（２０）が有機材料を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記ドーパント（２０）が液晶の特性を示さない材料を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記ドーパント（２０）が液晶の特性を示す材料を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記キラルドーパント（２０）が前記表面（１８）に化学的に付着する請求項１に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記バルク層（１０）が前記キラル表面（１８）に対して実質上平行な、又は偏向した好ましい配向を有する表面ダイレクターを示す請求項１に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記バルク層（１０）がドープしないバルク材料の表面ダイレクターの切替を電場によって直接制御することのできない液晶材料を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記キラル表面（１８）に好ましい分子配向を提供するように配置された、別の整列層（３２）をさらに含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記別の整列層（３２）が非動的整列層（３２）である請求項１９に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記キラルドーパント（２０）が前記非動的整列層（３２）に化学的に結合する請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記バルク層（１０）が前記バルク層（１０）内にねじれた形態のネマティックダイレクターを有するネマティック液晶材料を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項２３】
前記バルク層（１０）が前記バルク層（１０）内にねじれない形態のネマティックダイレクターを有するネマティック液晶材料を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記バルク層（１０）が前記バルク層（１０）内にねじれた形態のネマティックダイレクターを有するスメクティック液晶材料を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項２５】
前記バルク層（１０）が前記バルク層（１０）内にねじれない形態のネマティックダイレクターを有するスメクティック液晶材料を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項２６】
前記バルク層（１０）がディスコティック液晶材料を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項２７】
前記バルク層（１０）がバルク層（１０）の第１の側に配置された前記キラル表面（１８）と、前記バルク層（１０）の反対側に配置された非動的表面整列層（３２）の間に拘束される請求項１に記載のデバイス。
【請求項２８】
第１キラル表面（１８）と呼ばれる第１の前記キラル表面（１８）に加えて、やはりキラルドーパント（２０）を恒久的に付着した第２キラル表面（１８）をさらに含み、前記バルク層（１０）が前記第１と第２のキラル表面（１８）の間に拘束される請求項１に記載のデバイス。
【請求項２９】
前記液晶バルク層をその間に拘束する２つの基板をさらに含み、前記第１キラル表面が前記基板の一方の上に位置し、前記第２キラル表面が前記基板の他方に位置する請求項２８に記載のデバイス。
【請求項３０】
前記第１キラル表面及び第２キラル表面（１８）が反対の符号（Ｐｓ＞０及びＰｓ＜０）の自発分極を誘起する請求項２８に記載のデバイス。
【請求項３１】
前記第１キラル表面（１８）が第１の対掌性を示すキラル材料を含み、第２キラル表面（１８）が第２の異なる対掌性を示すキラル材料を含む請求項２８に記載のデバイス。
【請求項３２】
前記第１キラル表面及び第２キラル表面（１８）が異なるねじれ力を示すキラル材料から作られる請求項２８に記載のデバイス。
【請求項３３】
前記バルク層（１０）内のダイレクターの方向切替を光学的な可視効果に変換するように配置された手段（３４、３６）をさらに含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項３４】
キラルドーパント（２０）を液晶バルク層（１０）中に恒久的に不均一に分散させるステップを含み、前記キラルドーパント（２０）が、前記液晶バルク層（１０）に可溶である、液晶デバイスを製造する方法。
【請求項３５】
前記不均一な分布を維持するために、キラル表面と呼ばれる少なくとも１つの表面に前記ドーパントを恒久的に付着させるステップを含む請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記ドーパント（２０）を、前記バルク層（１０）の境界を画定する少なくとも１つの表面（１８）に恒久的に付着させる請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記ドーパント（２０）を、前記バルク層（１０）の内側に位置する少なくとも１つの表面に恒久的に結合させる請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記キラルドーパント（２０）が前記キラル表面（１８）に隣接する前記バルク層（１０）のサブ体積（２２）内の１つ又は複数のキラリティ関連物性の局部変化を誘起するように、前記バルク層（１０）中の材料及びドーパント（２０）が選択される請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記ドーパント（２０）が、少なくとも１つの拘束基板の内表面（１８）上に堆積される請求項３４に記載の方法。
【請求項４０】
前記ドーパント（２０）が、２つの拘束基板（１４）の内表面（１８）上に堆積される請求項３４に記載の方法。
【請求項４１】
前記キラル表面が、基板表面（１８）をキラル材料で被覆することによって製造される請求項３５に記載の方法。
【請求項４２】
非動的整列層（３２）を内側に配置した拘束基板（１４）を提供するステップをさらに含み、前記キラル表面が前記整列層（３２）をキラル材料で被覆することによって製造される請求項３５に記載の方法。
【請求項４３】
前記キラル材料を非動的整列層に化学的に結合させることを含む請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記キラル表面（１８）の重合を行うために、ＵＶ光などの光を加えるステップを含む請求項３５に記載の方法。
【請求項４５】
前記キラル表面の重合を行うために、温度変化を加えるステップを含む請求項３５に記載の方法。
【請求項４６】
前記ドーパント（２０）を提供するために、
表面（１８）を、キラルで重合性で感光性のドーパント材料で被覆すること、
前記ドーパント材料を露光することによって、前記ドーパント材料内の分子を好ましい方向に整列させること、
このようにして整列したドーパント材料を重合させ、キラル表面層を形成することの各サブステップを含む請求項３４に記載の方法。
【請求項４７】
前記液晶バルク層（１０）に光反応性キラルモノマーを溶解し、前記バルク層（１０）中の１つ又は複数の面内で、溶解した光反応性キラルモノマーを光活性化するステップを含む、液晶バルク層（１０）中に１つ又は複数のキラル面を製造する方法。
【請求項４８】
液相バルク層（１０）の少なくとも１つのサブ領域（２２）中で電場応答特性の局部増加を誘起させるために、前記バルク層（１０）に可溶なキラルドーパント（２０）で前記バルク層（１０）をドープするステップと、前記サブ領域（２２）を介して前記バルク層（１０）を間接的に制御するために電場（Ｅ）を印加するステップとを含む、液晶バルク層（１０）を制御する方法。
【請求項４９】
液晶デバイスの液晶バルク層（１０）中に面内切替を行う方法であって、
電場によって制御可能であり、かつ、前記バルク層（１０）と相互作用を行うダイレクター方向を有する相を、前記バルク層（１０）のサブ表面領域（２２）に関連して、誘起して、少なくとも１つのキラル表面層を前記バルク層（１０）と接触するように提供するステップと、
前記サブ表面領域（２２）中に方向変化を起こすために、前記サブ表面領域（２２）に電場を印加し、それによって前記バルク層（１０）内に面内バルク切替（Ｍ１→Ｍ２）を起こすステップと、
を含む、方法。
【国際調査報告】
2005521101.tif 000029
2005521101.tif 000030
2005521101.tif 000031