(57)【要約】  本発明は重合した液晶層を有するシャッター素子を有する機械的シャッター(601)に関する。重合した液晶は異方的に配向している。一の主要面で配向は異方的である。反対側の主要面に向かって変動するとき、配向は熱膨張係数が変化するように変化する。熱のような非機械的手段を受けるとき、シャッター素子は変動する。たとえばスプレイ配向又はツイステッド・ネマティック配向が使用されるとき、素子は非機械的手段に応じて曲がる及びまっすぐになる。電極(604,605,606)は任意で素子上及び支持基板上に形成可能であり、素子が電極間に印加された電場により生じる静電力によって制御可能となる。本発明はさらにそのような機械的シャッターをその場重合を使用して製造する方法をも提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャッター素子による制御が可能な光路を有する機械的シャッターであって、
前記シャッター素子は配向した重合液晶層を有し、
前記重合液晶層はその少なくとも一の主要面近くで異方的に配向し、かつ前記少なくとも一の主要面から前記面と反対側にある主要面へ変動するときに、配向及び/又は濃度変化を示し、
前記変化は当該シャッター素子の横方向の伸張に沿った熱膨張係数が、前記のシャッター素子の横方向伸張に垂直な深さの関数であるようなものであり、
第1温度において前記シャッター素子は基本的には平坦なため前記光路を閉じ、かつ、第2温度において前記シャッター素子は曲がるため前記光路を開ける、
ことを特徴とする機械的シャッター。
【請求項２】
前記シャッター素子は重合した液晶層を有し、
前記変化は、前記熱膨張係数が前記シャッター素子の横伸張方向に沿って前記横方向の伸張と垂直な前記シャッター素子の深さの連続関数となるように連続的である、
ことを特徴とする、請求項1に記載の機械的シャッター。
【請求項３】
前記重合した液晶はスプレイ配向であることを特徴とする、請求項1に記載の機械的シャッター。
【請求項４】
前記重合した液晶はツイステッド・ネマティック配向であることを特徴とする、請求項1に記載の機械的シャッター。
【請求項５】
前記重合した液晶は光吸収する二色性色素を有することを特徴とする、請求項1に記載の機械的シャッター。
【請求項６】
前記シャッター素子はさらに前記の重合した液晶層上に配置されている光遮断層を有することを特徴とする、請求項1に記載の機械的シャッター。
【請求項７】
ベース基板；
前記光路が通り抜ける前記ベース基板上に供されている透明ベース電極；及び、
前記シャッター素子上に供されているシャッター電極；
をさらに有し、
前記シャッター素子が前記ベース基板に対して浮いた状態で設けられ、
前記シャッター素子が前記電極間に生じる静電力によって制御可能となる、
ことを特徴とする、請求項1に記載の機械的シャッター。
【請求項８】
前記光遮断層及び前記シャッター電極は、単一、光遮断性及び導電性の材料で形成されることを特徴とする、請求項6及び7に記載の機械的シャッター。
【請求項９】
独立した電極によって個別的に制御可能なシャッター素子のアレイを有する、請求項7に記載の機械的シャッター。
【請求項１０】
前記の重合した液晶層は互いが空間的に分離している第1部分及び第2部分を有し、
前記変化は前記の第1部分及び第2部分で相互に異なる、
ことを特徴とする、請求項1に記載の機械的シャッター。
【請求項１１】
請求項7に記載の機械的シャッターを有するディスプレイ素子。
【請求項１２】
前記シャッター素子は不透明であって、かつ、
カラーフィルタが前記光路中に供されている、
ことを特徴とする、請求項11に記載の機械的シャッター。
【請求項１３】
前記シャッター素子はある色の光を反射し、かつ、
光を吸収する基本的に黒色の面が前記光路中に供されている、
ことを特徴とする、請求項11に記載の機械的シャッター。
【請求項１４】
基板上に配向層を成膜する工程；
前記配向層上に重合可能な液晶層を成膜する工程；
前記重合可能な液晶層を配向させ、かつ重合することで配向した重合液晶層を有する少なくとも1つのシャッター素子を画定する工程；及び、
過剰な重合可能な液晶を除去する工程；
を有する機械的シャッターの製造方法。
【請求項１５】
透明ベース基板上に透明電極層を提供する工程；及び、
前記シャッター素子上に導電性材料層を成膜し、シャッター電極を画定する工程；
をさらに有する、請求項14に記載の機械的シャッターの製造方法。
【請求項１６】
前記シャッター素子上に導電性材料層を成膜する工程は前記シャッター素子上にアルミニウムをスパッタする工程を含むことを特徴とする、請求項15に記載の方法。
【請求項１７】
重合の工程は光重合を含むことを特徴とする、請求項14に記載の方法。
【請求項１８】
前記の光重合の工程に先だって前記液晶混合物を120℃より高温で少なくとも30分間アニーリングする工程が行われることを特徴とする、請求項17に記載の方法。
【請求項１９】
前記重合可能な液晶は、空気と接しているときに重合可能な液晶モノマーのホメオトロピック配向を促進するサーファクタントを有し、かつ、
前記の重合工程は前記重合可能な液晶層を空気に露出させながら実行される、
ことを特徴とする、請求項14に記載の方法。
【請求項２０】
さらに前記重合可能な液晶中で所望の配向を誘起し、前記重合可能な液晶と接している第2の暫定基板を提供する工程を有し、かつ、
前記の重合可能な液晶を重合する工程は、前記第2の暫定基板が前記重合可能な液晶と接した状態で実行される、
ことを特徴とする、請求項14に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は機械的シャッター、そのようなシャッターを有するディスプレイ素子及びそのようなシャッターを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロメカニカルサーモ構造はたとえば特許文献1から既知となっている。そこで説明されている技術は以下の手順に従って製造されたロールアップ装置に基づいている。厚さが1μmから5μmのオーダーのポリエステル膜を薄いアルミニウムコーティングで被覆する。そのような被覆された膜はキャパシタフィルム用に販売されている。膜は伸張し、交互にITO対向電極が供されている基板に局所的にストライプパターンで接合する。続いてレーザー切断によって、パターニングされた回転ブラインド(rolling blind)は所望の形状に切り分けられる。膜にかかる機械的応力のため、フラップ（ぱたぱたと動くもの）の制動機の独立部分は基板から剥離する。場合によっては付加的機械的応力及び/又は加熱工程、及び切断中のロールアップによっても剥離される。各素子はシャッターとして振る舞い、電極構造（フラップの上にAl電極、基板上にはITO電極）に電場を印加することで制御可能である。電場は各対応するフラップに静電力を誘起する。従ってフラップはかかっていた応力がなくなることで、曲がった状態からまっすぐな状態になることで、他の透過光を遮断する。
【特許文献１】米国特許公開第4235522号明細書
【特許文献２】国際公開第05/075604号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
たとえこれが優れた方法でマイクロメカニカルシャッターを製造するとしても、この方法には多くの欠点に苦しんでいる。
-レーザー切断手段はその分解能の限界により、典型的には100μm以上で切断幅20μm以上の比較的大きな構造に限定される。これをさらに微細化するのは不可能ではないにしても難しい。
-金属ミラーを被覆した超薄膜ポリエステルの積層プロセスは難しい。膜は非常に薄いために取り扱いが難しく、そして膜が長い距離を邪魔されることなく均等に広がるのは特に難しい。これもまた、所望の特定機能に最適化される膜の厚さを選択する自由を制限する。薄ければ薄いほど取り扱いが困難になる。
-ブラインドを開閉する方向は制御できない。ブラインドはすべて同じ方向に変動する。プラスチックフィルムを小さく切断し、それらを局所的にそれぞれ異なる方向である、各対応する配向軸に設置しなければ、異なる方向への変動を最適化するのは不可能である。
【０００４】
よって、上述の問題を克服し、多くの異なる設計で容易に製造できるように光ビームを変調させる機械的シャッターを改良することが必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的のため、本発明は温度差及び/又は静電力に応答する機械的シャッターについて説明する。
【０００６】
よって本発明の一の態様に従うと、シャッター素子による制御が可能な光路を有する機械的シャッターは、
-当該シャッター素子は配向した重合液晶層を有し、当該重合液晶は当該層の一の主要面近くで異方的に配向し、当該少なくとも一の主要面から当該面と反対側にある主要面へ変動するときに、配向及び/又は濃度変化を示す；
-当該変化は、当該シャッター素子の横方向に沿った熱膨張係数が当該横方向の伸張に垂直な当該シャッター素子の深さの関数であるようなものである；
-第1温度において当該シャッター素子は基本的には平坦なため当該光路を閉じ、かつ、第2温度において当該シャッター素子は曲がるため当該光路を開けることを特徴とする。
【０００７】
そのような光シャッターは製造の容易さだけでなく、優れたシャッター機能を提供する。シャッター素子は配向状態にある重合可能な液晶（たとえば液晶モノマー）を重合することで形成が可能である。
【０００８】
機械的シャッターは如何なるサイズを有して良い。たとえば層は約1cm2から約1m2の表面領域を有して良いが、たとえば約10mm2からそれ以下、たとえば10μm2のように小さくもできる。後者のような大きさの機械的シャッターはマイクロメカニカルシャッターとも呼ばれる。液晶混合物の配向及び/又は濃度変化を起こすため、重合中での外部配向層の手段、及び/又はサーファクタントの液晶混合物への付加によって層中の液晶モノマーの平均配向を重合前に制御することができる。
【０００９】
重合中、重合可能液晶の配向は高分子層に固定される。
【００１０】
基本的には、深さの関数となる熱膨張係数を生じさせる配向及び/又は濃度変化をシャッター素子の一の特定横方向で示せば十分である。たとえば、シャッター素子は基本的には長方形であり、ベース基板（又はそれと同様のもの）の外側端部の一に沿い、基板に対して浮いた状態で設けられているのが好ましい。そのような場合、浮いた端部に垂直な横方向で深さに依存する熱膨張係数を有すれば十分である。
【００１１】
実際重合した液晶層は、各層が独立した配向を有する2層以上の積層構造を補助することが可能である。
【００１２】
しかし一の有利な実施例に従うと、シャッター素子は重合した液晶層を有する。当該液晶層の配向及び/又は濃度変化は連続的であり、その際熱膨張係数は、シャッター素子の横伸張方向に沿って当該横方向の伸張と垂直な当該シャッター素子の深さの連続関数である。これは製造が容易なため有利である。液晶混合物の付加的層は如何なる層であっても付加的堆積工程を必要とする。
【００１３】
重合した液晶層の熱応答の基本は、液晶分子が長軸に沿った方向とそれに垂直な方向でそれぞれ異なる熱膨張係数を有するということである。それによって、熱応答は分子の平均配向に依存する。
【００１４】
配向及び/又は濃度の変化を引き起こす方法はたくさんある。その点については、本願と同日出願の特許文献1を参照してほしい。
【００１５】
特に一の実施例に従うと、重合した液晶はツイステッド・ネマティック構造を有する。ねじれは90°が好ましい。そのねじれにより、層の少なくとも一の主要面での異方的配向がその面の反対側の面での異方的配向に対して垂直となり、中間状態の分子が2つの垂直な極限的配向の間で漸進的に配向を変化させる。
【００１６】
別な実施例に従うと、重合した液晶はスプレイ配向を有する。そのような場合、層の少なくとも一の主要面での異方的配向は層に平行であり、当該一の面の反対側の面での異方的配向は層と垂直である（つまり分子配向は反対側面でホメオトロピックである）。
【００１７】
そのような重合した液晶配向を含む層は、たとえば平坦基板上でのスピンコーティングによって薄膜として堆積されている重合可能な液晶を重合することで作製可能である。そのような場合、混合物は溶解し、それに続いて溶媒が蒸発するのが好ましい。
【００１８】
基板はラビング配向層とともに供されて良い。配向層を結合させる分子は配向層のラビング方向と平行に配向する。配向層はポリイミドで形成されて良い。商用ポリイミド溶液はたとえばJSR製AL3046（商標）が入手可能である。ポリイミド溶液をたとえばスピンコーティングによって堆積し、引き続いて200℃でベーキングすることで薄膜として成膜することが可能である。その後、その層はポリエステル繊維によって無向的に擦られて良い。しかし擦られたポリビニルアルコールをポリイミドに代わる配向層として使用することも可能である。ポリビニルアルコールを使用する利点は、液晶混合物の堆積及び処理後水に溶けることである。よって分子配向を維持しながら基本的に如何なる力をかけることなく、重合した層を基板から除去することが可能となる。
【００１９】
重合した液晶は典型的には可視領域での電磁スペクトルで透明なため、液晶それ自体は、たとえば重合した液晶の複屈折特性を利用した偏光子を使用しない限りシャッター素子の光遮断特性を与えない。しかし液晶モノマー混合物が可視光を吸収するように、少量の色素を液晶モノマー混合物に溶かすのはより都合がよい。よって、一の実施例に従うと、液晶混合物は光吸収する色素を有する。大部分の可視スペクトルをカバーし、モノマー混合物に十分可溶である都合の良い色素は、典型的には2質量%周辺の濃度で混入される以下のアゾ色素である。
【００２０】
【化１】
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可視光を遮断する他の好適方法は独立した光遮断層を液晶膜にコーティングすることである。よって一の実施例に従うと、シャッター素子はさらに重合した液晶層とは独立の光遮断層を有する。この層は吸収特性（有色又は黒色）又は散乱特性（不透明）を有する有機物層であって良い。しかし好適実施例では、アルミニウムのような光反射金属層である。光遮断層は膜の力学的特性（つまり曲げ特性）に影響しない程度に十分薄く成膜するのが好ましい。一のシャッター素子面が基板に対向するように配置されている場合、独立した光遮断層はシャッター素子の反対側上に供されるのが好ましい。
【００２１】
シャッター素子は熱変化によって制御されて良い。これはたとえば、周辺温度に反応する自動光シャッターが望ましいような応用において有利となる。しかし、たとえば電子機器制御ユニット応答する形式で、熱信号を使用して思いのままにシャッター素子を制御するのは少々難しいだろう。このことは特に多数のシャッター素子を有する光シャッターについて当てはまる。そのシャッター素子は個別的に制御されなくてはならず、よって個々の素子は独立し、かつ制御可能な熱源が必要となる。
【００２２】
この目的のため、一の実施例ではマイクロメカニカルシャッターはさらに、シャッター素子が基板に対して浮いた状態で設けられているベース基板、当該光路上にあるベース基板上に供されている透明ベース電極及び、当該シャッター素子上に供されているシャッター電極を有する。それによりシャッター素子は当該電極間に働く静電力によって制御可能となる。この実施例は各対応する電極に印加される電圧の結果として表れる電気力によって直接的にシャッターを制御できるようになるので、実際有利な実施例である。透明ベース電極はたとえばインジウムスズ酸化物によって形成されて良い。
【００２３】
当然のことではあるが、シャッター素子が静電力によって制御可能な場合、熱膨張係数は実際動作においてそれほど重要ではなくなる。その代わりとなる物は、静電力への応答支配するシャッター素子の曲げ抵抗（柔軟性）である。
【００２４】
シャッター素子が独立した光遮断層とともに供される場合、シャッター電極が組み込まれることが好ましい。よって一の実施例では、光遮断層及びシャッター電極は単一の光遮断特性を有する電気伝導性材料で形成される。それによって製造は単純になる。材料はたとえばアルミニウムであって良く、そのような場合シャッター素子へスパッタによって蒸着して良い。
【００２５】
上述のように、光シャッターはただ1つのシャッター素子のみを有して良い。しかしほとんどの応用で必要な全アパーチャー領域は単一シャッター素子カバーできる領域より大きい。加えて大抵の場合、たとえば各シャッター素子が独立した画素（ピクセル）の画定及び制御に使用可能であるようなディスプレイ応用では、全アパーチャー領域のうちの異なる領域の動的制御が可能であることが望ましい。従って一の実施例に従うと、光シャッターは独立した電極によって個別的に制御可能なシャッター素子のアレイを有する。
【００２６】
もちろん、たとえシャッター素子が電極とともに供されなくてもシャッター素子のアレイを提供して良い。
【００２７】
シャッター素子全体で熱膨張係数が同じようにして深さに依存するように、配向は全シャッター素子で同一であって良い。そのような場合、シャッター素子は典型的にはU字に曲がった状態とまっすぐ、基本的には平坦状態との間で制御可能である。
【００２８】
しかし、ある実施例に従うと重合した液晶層は空間的に分離した第1部分及び第2部分を有する。各部分の変化は相互に異なっている。
【００２９】
たとえば一の部分で深さと共に増大して別な部分で深さと共に減少する熱膨張係数を有するシャッター素子は典型的にはS字で曲がる。よってシャッター素子の異なる部分の配向を適切に選択することで、それぞれ異なる方法で温度変化に対応して曲がる素子の提供が可能となる。
【００３０】
マイクロメカニカルシャッターは多くの用途での使用が可能である。本発明の一の態様に従うと、マイクロメカニカルシャッターを有するディスプレイ素子が提供される。ディスプレイ素子は複数のシャッター素子を有し、各シャッター素子は独立した画素を画定することが好ましい。ディスプレイ応用では、上述のように独立した電極と共に配列するシャッター電極のアレイを提供するのは特に利点がある。
【００３１】
一の実施例に従うと、各シャッター素子は不透明で、ディスプレイはさらに各光路に設けられるカラーフィルタ素子を有する。この構成は透過型ディスプレイのみならず反射型ディスプレイに使用することも可能である。ディスプレイが透過型の場合、カラーフィルタはある色を透過して残りの色を吸収するのが好ましい。シャッター素子が開いているときに対応する画素はバックライトからの有色光を放出し、シャッター素子が閉じているときに対応する画素は黒になる。ディスプレイが反射型の場合、カラーフィルタはある色を反射して残りの色を吸収するのが好ましい。
【００３２】
別な実施例に従うと、シャッター素子はある色を反射し、基本的には黒色の光吸収面が光路中に供されている。この構成は、シャッター素子が閉じている（まっすぐな状態）ときに画素が有色で、シャッター素子が開いているときに画素が黒色になるような反射型ディスプレイにおいて特に有利となる。
【００３３】
そのような光シャッターの利点に加えて、光シャッターはさらに従来の製造装置及び方法を用いても単純に製造できる。重合可能な液晶層はたとえばスピンコーティング、ドクターブレーディング又はダイ押し出し塗布方式(slot die extrusion coaters)での形成が可能であり、電極層はたとえば蒸着又はスパッタコーティングで形成可能である。混合物の光重合は、マスクを用いたリソグラフィ露光を可能にする。露光によってマスクのネガのパターンが与えられ、露光された部分が重合して硬くなって不溶性となる一方で、露光されない部分は重合せずにメチルエチルケトン、キシレン又はテトラヒドロフランのような通常の有機溶媒に可溶となる。しかし、その場重合を行うのに光重合以外の方法を使用することも可能である。
【００３４】
よって本発明の別な態様に従うと、マイクロメカニカルシャッターを製造する方法が提供される。当該方法は：
-基板上に配向層を成膜する工程；
-当該配向層上に重合可能な液晶層を成膜する工程；
-当該重合可能な液晶層を配向させ、かつ重合することで配向した重合液晶層を有する少なくとも1つのシャッター素子を画定する工程；及び、
-過剰な重合可能な液晶を除去する工程；
を有する。
【００３５】
製造過程には当該基板及び当該電極層上に配向層を成膜する工程が含まれる。配向層をたとえば処理されたポリイミドで形成し、引き続いてポリエステル繊維で擦って良い。その後、重合可能な液晶層を当該配向層上に成膜し、重合可能な液晶層は配向及び重合し、それによって少なくとも1つのシャッター素子が画定される。ネガの像をポリマーに与えるマスクを用い、紫外光の選択的な露光による光重合を起こすことが可能である。最終的には、過剰な重合可能な液晶（たとえばマスクの不透明領域の下にある液晶）は除去される。
【００３６】
層が高温で重合する場合、その高温で重合した液晶のガラス転移温度間近で重合した層はおおよそ平坦（まっすぐすなわち曲がっていない状態）となる。しかし、膜が室温に冷却されるときに膜は応力を有するようになる。その理由は横方向に沿って測定すると膜の上部は底部よりも高い熱膨張係数を有するからである。膜が基板に接合している限り、膜は平坦状態を維持する。しかし、膜が基板から離れるとすぐに力が膜を曲げられた状態にする。
【００３７】
機械的シャッターが電極を有する場合、製造過程にはさらに液晶混合物を堆積する前に基板上に透明電極層を提供する工程が含まれて良い。電極層はたとえばインジウムスズ酸化物(ITO)で形成することが可能である。インジウムスズ酸化物は、フォトレジスト材料を堆積し、化学作用線でマスクを通した露光をすることでITOの溶解度が変化するような方法を含む通常のリソグラフィ法でのパターニングが可能である。パターニング後、レジストを現像し、エッチング液によって透明電極を局所的に溶解することで電極パターンが得られる。製造方法はさらにシャッター素子上に導電性材料層を成膜してシャッター電極を画定する工程をも含む。シャッター電極はたとえばアルミニウムで形成することが可能であり、シャッター電極を成膜する工程はシャッター素子上にスパッタしたアルミニウムを堆積する工程を含んで良い。
【００３８】
一の実施例に従うと、重合の工程はマスクを用いた光重合を含む。当該光重合には当該液晶混合物を120℃より高温で少なくとも30分間アニーリングする工程を先行させることが好ましい。
【００３９】
スプレイ配向が望ましい場合、液晶混合物はサーファクタントを含んで良い。サーファクタントは、分子の長軸を空気との接触面に垂直な配向（つまりホメオトロピック配向）にすることで自由エネルギーを最小にしようとする。基板上のラビング配向層と組み合わせられるそのようなサーファクタントは実際分子がスプレイ配向（基板に平行でかつ反対側である空気と接触する面で垂直な配向）をとるように作用する。
【００４０】
よって一の実施例に従うと、重合可能な液晶はサーファクタントを有し、サーファクタントは空気と接しているときに重合可能な液晶モノマーのホメオトロピック配向を促進し、重合の工程は重合可能な液晶層を大気に露出するときに実行される。
【００４１】
その代わりに、垂直な分子配向はサーファクタントによって修飾された第2の暫定基板に対してモノマーを重合することで実現可能である。そのような場合、混合物は溶媒を含む必要がないが、その代わりに配向層でコーティングされた（永久的）基板の一の側及び、たとえばオクタデシルトリメトキシシランのように垂直分子配向を誘起するサーファクタントで改質される暫定基板の他の側で画定されたスリットを埋めることで堆積可能である。満たす工程はたとえば80℃の高温で、自然に生じる毛管力が作用している環境下で実行されるのが好ましい。
【００４２】
よって一の実施例に従うと、その方法はさらに第2の暫定基板を有し、暫定基板は当該重合可能な液晶と接触していて、重合可能な液晶は当該重合可能な液晶中での所望の配向を誘起し、当該第2の暫定基板が当該重合可能な液晶と接触する一方で当該の重合可能な液晶を重合する工程は実行されることを特徴とする。
【００４３】
しかし溶融液晶混合物は毛細管であって良い、毛細管は上記に似た2つの基板間で満たされている、たとえツイステッド・ネマティック配向が望ましい場合でも。そのような場合、両方の基板（永久的基板及び暫定基板）はお互い垂直な方向を有するラビング配向層とともに供されるべきである。各対応する界面付近の液晶分子の配向は各対応するラビング配向層の方向に従う。両基板の間では、平均分子配向は第1配向から、第1方向とは垂直な第2方向へ連続的に変化する。異なるねじれ回転方向を有するドメインの形成を妨げるため、少量の、たとえば0.1質量%のカイラルドーパント(chiral
dopants)を系に加えて良く、それで回転方向を制御する。S811（メルク社、ダルムシュタット、独国）（商標）の名前で販売されている左回り回転を誘起する、適したカイラルドーパントは以下のような構造式で表されるものである。
【００４４】
【化２】
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【実施例】
【００４５】
以下では例を示す添付の図を参照しながら本発明の詳細について説明する。
【００４６】
機械的応答は特定の分子配向を起源とする。分子はたとえば図1で概略的に図示されているようにスプレイ配向を有して良い。よって、図1は上部主要面101及び下部主要面102を有する重合した液晶層100を図示している。下部面近くの重合した液晶層112は異方的に配向しており、配向は基本的には下部面102に平行である。上部面近くの液晶分子もまた異方的に配向しているが、基本的には上部面101に垂直である。中間にある液晶分子110はほぼ平行な配向からほぼ垂直な配向へ漸進的に傾きを変化させることで配向が連続的に変化する。
【００４７】
重合した液晶の熱膨張係数はそこに含まれる重合した液晶ユニットの配向に依存する。熱膨張係数は典型的には液晶ユニットの軸に沿った方向での値よりもそれに垂直な方向での値の方が高い。しかし円盤状液晶では反対の結果となる。しかし熱膨張係数が軸に沿った方向で小さくなるとすると、図1で図示された層は加熱したときに下部面102で収縮して上部面101で伸張する（矢印で示されているように）。正味の結果は加熱されたときに上に凸になるように曲がり、冷却されたときに下に凸になるように曲がる。
【００４８】
図2は別な設計を図示している。その設計では、層200での分子配向は一の領域から他の領域で異なる。よって第1部分201では、液晶分子は下部で平行かつ上部で垂直な第1配向を有する。しかし第2部分202での分子配向は上部面で平行配向及び下部面で垂直配向になっており、第1部分とは反対になっている。そのような層を加熱（又はその代わりに冷却）するとき、その層は矢印で示されているようにS字に曲がる。
【００４９】
その代わりにツイステッド・ネマティック分子配向を使用することが可能である。そのような場合、分子は90°のねじれ角を有するのが好ましい。そのような配向は結果として温度変化に対する応答と似たような応答となる。スプレイ配向とツイステッド・ネマティック配向には線形の熱膨張における差異が生じる。ツイステッド・ネマティック配向では膜上部及び下部での2つの方向における線形膨張に差異がある。その理由は下部では液晶配向が異方的だからである。この結果として図3で図示されているように上部及び下部で反対に曲がるようになる。しかしツイステッド・ネマティック配向は結果として幾何学的に禁止されている状況となり、従って結果として生じる曲がりは多少不規則になるだろう。高アスペクト比の場合、つまり長さ(l)が幅(w)よりも非常に長い（典型的にはl/w>5）場合のみ、試料は制御された方法で曲がる。
【００５０】
従ってスプレイ配向は多くの応用に対して好適である。熱膨張の差異は一方向でのみ示し、層の上部面及び下部面は同等の熱膨張係数を反対方向に有している。この結果として図4に図示されたような曲げの状況が生じる。
【００５１】
換言するとツイステッド・ネマティック配向では以下の関係が成立する。
【００５２】
αxtop>αxbottom αytop<αybottom αxtop=αybottom αytop=αxbottom
一方でスプレイ配向では以下の関係が成立する。
【００５３】
αxtop>αxbottom αytop=αybottom αytop=αxbottom
よってこれらの組の方程式はスプレイ配向がより制御された方法で曲がるということを示している。
【００５４】
シャッター素子のマトリックスアレイを有する機械的シャッターは以下の製造工程によって製造可能である。これらの工程を図5に図示する。
[工程1]
ガラス基板501がストライプパターン502のインジウムスズ酸化物と共に供される。この目的のため、ITOコーティングされたガラス基板はフォトレジストで被覆されてマスクを用いて露光される。その後ITOはエッチングされ、レジストは剥離される。当然のこととしてこの工程は電極を必要としない特定用途における場合には省略することができる。
[工程2]
ITOパターンは除去可能な配向層503の構造によるパターニング方法でコーティングされる。都合良くポリビニルアルコールはオフセット印刷され、引き続いてITOストライプ502に平行な方向に擦られる。
【００５５】
しかし、けい皮酸ポリビニルを配向層の代わりとして使用することも可能である。この材料は成膜及び、ネガのマスクを用いた偏光紫外光による局所的な架橋が可能である。このようにしてそれぞれ異なる局所的配向を有するパターンの提供が可能となる。非露光領域は溶媒によって洗い流すことが可能である。露光領域は液晶分子の配向を偏光のEベクトル（電場ベクトル）に垂直な方向に配向させることが可能である。
[工程3]
工程2から生成される合成物は重合可能な液晶層504によってたとえばスピンコーティング法で被覆されている。配向層の場所では、重合可能な液晶は配向層界面と平行に整合している、つまり面配向が得られる。モノマー-空気界面では重合可能な液晶は代わりに図1に図示されているように界面に垂直に配向する、つまりホメオトロピック配向が得られる。スピンコーティングはキシレンを溶媒とする40質量%モノマー溶液によって行って良い。700rpmの回転ステップによって溶媒蒸発後に厚さ3.2μmの膜が得られる。適切な重合可能な液晶はたとえば以下のような成分を有する。
【００５６】
【化３】
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【００５７】
【化４】
2007524867.tif 000006
【００５８】
【化５】
2007524867.tif 000007
LCモノマー1:LCモノマー2:LCモノマー3の比は6:2:2（質量/質量/質量）であることが好ましい。重合に対する紫外光の感度を増大させるには光開始剤を2質量%加える。都合の良い光開始剤はチバガイギー社から販売されているIrgacure651（商標）である。この重合可能な液晶は基板上のラビングポリイミド配向層上で融解可能である。その代わりに溶液からの重合可能な液晶を基板上にコーティングすることも可能である。その目的のため、混合物はたとえばキシレンに溶解可能である。この溶液のスピンコーティングでは、モノマーの濃度は約40質量%であることが好ましい。キシレン蒸発後膜の典型的な厚さは約4μmである。重合可能な液晶は隣接する面配向の配向層を配向層のラビング方向に平行な分子の平均状態での長手軸の配向と整合させる。液晶層（一般的に面は空気と接している）の反対側での長手軸の方向はその面と垂直な平均状態での方向である。膜の断面では分子の平均配向は面配向から垂直配向（つまり分子はスプレイ配向を有する）へと漸進的に変化する。
【００５９】
所望の分子配向を促進するため、ホメオトロピック配向（つまり分子の平均配向が面に垂直な配向）を促進、又は面配向（つまり分子の平均配向が面に平行な配向）を促進するサーファクタントを重合可能な液晶に加えることが可能である。サーファクタントは反応性で液晶モノマーと共重合するのが好ましい。サーファクタントが液晶構造全体に寄与するように液晶になるのもまた利点である。ホメオトロピック配向を促進することが知られている反応性の液晶サーファクタントの例には一の端部にシアノ基及び、他の端部にたとえばアクリル酸のような重合可能な基によって修飾されたアルキレン基を含む液晶モノマーがある。そのようなサーファクタントの一例には上で示した“液晶モノマー2”が実際ある。他の例としては以下がある。
【００６０】
【化６】
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[工程4]
ツイステッド・ネマティック配向又はスプレイ配向における秩序の不完全さを除去するため、重合可能な液晶は高温である程度の時間アニーリングされる。配向した重合液晶は引き続いてたとえば100℃の高温でネガのマスクを用いたUV露光（たとえば波長365nm）によって光重合される。このマスクは電極線間の領域及びスイッチングホイル素子505がお互い分離する必要のある領域でのUV光を遮断する。重合後、まだ反応していない重合可能な液晶はTHF（テトラヒドロフラン）によって溶解、すなわち除去される。
【００６１】
配向は、重合層のリタデーションを測定し、面配向での分子の既知の屈折率と比較することでチェック可能である。
[工程5]
続く工程では、ポリビニルアルコール配向層は水に溶解すなわち除去される。この過程は少量（体積で10%相当）のアルコールを水に加えることで促進される。ポリビニルアルコールが溶解するとき、独立している膜から形成される素子505は曲がろうとして、下地の基板に張り付くのを防ぐ働きをする。そうでなければこれは毛管力によって起こりうる。これは毛細管の張り付きがよく生じ、修復の難しい現象なので、重要な利点である。
【００６２】
フラップが曲がるのもまたポリビニルアルコール（犠牲層の役割を果たす）の迅速な除去にも寄与する。この理由は、非常に狭い毛細管で除去が起こる場合と比較して曲がるとすぐに比較的大きな溶媒（水）の体積が存在してポリマーと接触するからである。
【００６３】
しかしさらなる素子の処理が必要な場合、曲線の形状は大抵の場合適さない。たとえば付加的な層を成膜する工程は平坦状態で行われることが好ましい。これを実現するには、素子は再度高温で加熱される必要がある。典型的には最初重合したときの温度又は少なくともそれに近い温度である。
[工程6]
シャッター電極が望ましい場合、引き続いて行われる工程はたとえばアルミニウムのような薄い金属膜506を素子505上に蒸着する工程を含んで良い。従って試料は重合温度（たとえば100℃）まで加熱される。そのときに独立している素子505（フラップ）はまっすぐになる。十分な距離（蒸着ビームを平行とみなせる）での蒸着源からの蒸着によってフラップが金属ミラーによって被覆されるだけではなく、フラップが被覆していない基板の露出部分をも被覆する。この利点は素子が閉状態のとき、フラップ間の非接触開口部は光透過では開かずに基板上の金属ストライプによって遮断することで光シャッターのコントラストが改善するということである。静電力は様々な素子の切り替えに利用することが可能である。それに加えて、フラップ上部のITO線は列電極を、そしてアルミニウム線は行電極をそれぞれ形成して良い。それぞれの電極は電気回路に接続している。図6はただ1つの光路601を有する機械的シャッターを図示している。機械的シャッターはシャッター素子部分602及びシャッター素子部分603で被覆され、基板に対して浮いている。シャッター素子部分はそれぞれお互いに電気的に相互接続するアルミニウム電極604及びアルミニウム電極605を有し、単一電極素子を形成する。基板は透明電極606で被覆されている。シャッター素子が室温で曲がっているような場合、光路は開いている。しかし電極に電圧（たとえば60[V]）が印加される場合、シャッター素子はまっすぐになり、光路は閉じられる。
【００６４】
光が背面から透過されるとき典型的な単一素子の電気光学応答を図7に示す。材料は行電位と列電位との差の絶対値に応答する。図7から分かるように、シャッターが基本的に透明（約68%透過）となる閾値電圧が存在し、背面からの射出光は大きい。閾値電圧は膜材料つまり重合した液晶の静電特性に依存する。たとえば架橋体の量は非常に重要である。この特別な場合では、閾値電圧は約30[V]である。
【００６５】
閾値電圧は、従来のパッシブマトリックスディスプレイで行われているように行を選択するのに使用することが可能である。図8は可能なパッシブアドレス指定プログラムを図示している。このプログラムに従うと、列信号が-30[V]から30[V]の範囲を取る（-30[V]がオン状態で+30[V]がオフ状態である）一方で60[V]の行選択電圧が使用されている。選択された行が30[V]から90[V]まで変化可能なのに対して、行が選択されない場合画素のバイアスは30[V]（これは閾値電圧未満である）が最大値である。
【００６６】
シャッター素子はまた、下地の情報を開状態では見えるようにして閉状態では隠すようにするのに使用するのも可能である。実際、マイクロメカニカルシャッターはそれによってディスプレイ素子として動作することが可能である。ほとんどの単純な構成では、シャッター素子の構成はたとえば薄膜アルミニウムのような反射層を有し、シャッターの閉状態で高い反射面を提供し、シャッターが開状態のときに有色状態を与えるカラーフィルタとともに光路が供される。アルミニウム層は当然のこととして反射面としてもシャッター電極としても動作可能である。アルミニウム層はさらに鏡面反射というよりは拡散反射であって良い。それによってシャッターが閉状態のときに見た目が紙のような面を与える。図9は基板901上に配列している赤(R)、緑(G)及び青(B)の3つの副画素(sub-pixel)を有するディスプレイ素子900の可能な構成を図示している。よって各副画素は透明電極902、カラーフィルタ903、シャッター素子904（重合した液晶層）及び反射電極905を有する。それぞれ異なる色（赤、緑及び青のように）のフィルタが同一ディスプレイでの異なるシャッター素子（副画素）に使用されるとき、有色画像は画素を形成する方法で切り替え素子（副画素）の開閉によって構築可能である。
【００６７】
別な構成に従うと、シャッター素子はカラーフィルタに交互に被覆されている反射層によって被覆される。
【００６８】
カラーディスプレイを提供するさらに一の別な方法は基板上にカラーフィルタを配置して、切り替え素子が光を吸収する（つまり黒）ようにすることである。そのようなディスプレイは透過型ディスプレイで使用され、黄色、マゼンタ及びシアンのカラーフィルタが光路に提供されることでそれぞれ異なる有色副画素を提供することが可能となる。しかしそのようなディスプレイが反射型ディスプレイで使用される場合には、赤、緑及び青のカラーフィルタが使用されて良い。明るい像及び良好な視野角を与えるため、カラーフィルタは拡散反射ミラー上に配置されて良い。
【００６９】
換言すると、本発明は機械的特に重合した液晶で形成される602及び重合した液晶で形成される603を有するマイクロメカニカルシャッター601に関する。重合した液晶は異方的に配向し、層を横切る方向に配向及び/又は濃度変化を有することで、その層が熱又は電磁波放射のような非機械的手段に応答して可動となる。たとえばスプレイ配向又はツイステッド・ネマティック配向のような配向を適切に選択することで、マイクロ素子は非機械的手段に対して曲がりそしてまっすぐになる。電極604、電極605及び電極606は任意で素子上及び支持基板上に形成可能で、それによって電極間への電圧印加によって生じる静電力による素子の制御が可能となる。本発明はさらにその場重合を使用してそのような機械的シャッターを製造する方法にも関する。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明に従ったシャッター素子中の重合した液晶の配向の断面を概略的に図示している。
【図２】本発明に従った別なシャッター素子中の重合した液晶の配向を概略的に図示している。
【図３】ツイステッド・ネマティック配向を有する素子の曲がりを概略的に図示している。
【図４】スプレイ配向を有する素子の曲がりを概略的に図示している。
【図５】本発明に従った機械的シャッターの製造工程を図示している。
【図６】電場が作用しているシャッターの機械的変形（開閉）を図示している。
【図７】シャッター素子のマトリックスアレイを有する、本発明に従った機械的シャッターに印加された電圧に対する透過率曲線を図示している。
【図８】シャッター素子のマトリックスアレイを有する機械的シャッターの駆動機構を図示している。
【図９】本発明に従ったディスプレイ素子の断面を図示している。
【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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【国際調査報告】
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