(57)【要約】１つ又は複数の空洞に液晶分子（１０）を有する双安定型液晶装置であって、各空洞に少なくとも１個の高変歪液晶領域（１００，１１０）を形成し、電界を印加することでこれらの領域を双安定状態で切換えできる。
2008522236.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つまたはそれ以上の空洞内に液晶分子（１０）を含み、少なくとも１つの液晶高歪領域（１００，１１０）が各空洞内に形成され、電場の付与によって前記高歪領域が複数の双安定状態間を切り替え可能である双安定型液晶装置。
【請求項２】
複数の空洞が、正方形断面のような多角形断面を有する請求項１記載の双安定型液晶装置。
【請求項３】
隣接する空洞壁がなす角度がシャープである請求項１または２記載の双安定型液晶装置。
【請求項４】
空洞を画定する壁が基底部または基板（３０，３５）に対して実質的に垂直である先行請求項の何れかに記載の双安定型液晶装置。
【請求項５】
高歪領域（１００，１１０）が空洞のコーナに位置している先行請求項の何れかに記載の双安定型液晶装置。
【請求項６】
液晶分子（１０）が空洞の基底部（３０）と実質的に平行な平面に位置している先行請求項の何れかに記載の双安定型液晶装置。
【請求項７】
液晶分子（１０）がキラルである先行請求項の何れかに記載の双安定型液晶装置。
【請求項８】
液晶分子材料（１０）にキラル添加剤がドープされている先行請求項の何れかに記載の双安定型液晶装置。
【請求項９】
各空洞内の液晶（１０）が、隣接する空洞内の液晶分子から隔離されている先行請求項の何れかに記載の双安定型液晶装置。
【請求項１０】
液晶装置がネマチック液晶装置である請求項１記載の双安定型液晶装置。
【請求項１１】
少なくとも一部の液晶分子に平行な平面に、少なくとも１つの電場素子を付与する手段を備えた先行請求項の何れかに記載の双安定型液晶装置。
【請求項１２】
液晶分子と容器構造（２０）とが、２つの透明基板（３０，３５）の間に挟まれている先行請求項の何れかに記載の双安定型液晶装置。
【請求項１３】
電極（７５，８０）が空洞壁に位置している先行請求項の何れかに記載の双安定型液晶装置。
【請求項１４】
容器構造（２０）がフォトレジストまたはポリマー材料から作られている先行請求項の何れかに記載の双安定型液晶装置。
【請求項１５】
少なくとも１つの電極が１つまたはそれ以上の空洞に設けられ、これが切り替え装置に取り付けられている先行請求項の何れかに記載の双安定型液晶装置。
【請求項１６】
切り替え装置が１つまたはそれ以上の薄膜トランジスタを備える請求項１５記載の双安定型液晶装置。
【請求項１７】
装置が少なくとも１つの偏光子層（５０，６０）を備える先行請求項の何れかに記載の双安定型液晶装置。
【請求項１８】
先行請求項の何れかに記載の双安定型液晶装置を備えたディスプレー装置。
【請求項１９】
請求項１〜１７の何れかに記載の双安定型液晶装置を備えた電気通信用位相装置。
【請求項２０】
請求項１〜１７の何れかに記載の双安定型液晶装置を備えた光スイッチ。
【請求項２１】
請求項１〜１７の何れかに記載の双安定型液晶装置を備えた可変位相格子。
【請求項２２】
容器構造（２０）の空洞内に液晶分子（１０）を含み、その空洞の少なくとも１つの局所に高歪領域（１００，１１０）が形成されている液晶装置の状態切り替え方法であって、前記の高歪領域を第１双安定状態から第２双安定状態に切り換えるために、液晶分子に電場を付与する前記の状態切り替え方法。
【請求項２３】
付与する電場が、液晶分子が位置する面に実質的に平行な素子を備えている請求項２２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、双安定型液晶装置とこの液晶装置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）を構成するロッド状分子は、互いに平行に整列する傾向があり、電界の印加により配向することができる。分子のローカルアライメント(局所配列)によって生じる長距離秩序が、"ダイレクター"、すなわち、平均的な分子方向を定義する。これらの分子の長軸と短軸が異なる光学的性質を発現させ、従って、特定の分子配向は入射光の偏光と輝度を変化させることできる。これらの再配向及び偏光効果を偏光層などの光学素子と組み合わせて、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装置を製造するのに使用できる。
【０００３】
既存のＬＣ装置は、普通、半透明電極を備える２つの光透過型基板を有する。半透明電極は各々の基板の内側の画素に模様付けされ、液晶（ＬＣ）材料を挟持するようにできる。通常、偏光子を各基板の外面に配置し、これにより、偏光子の配向を垂直にする。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。画素の縦列、横列の電極を通じて電圧を印加して各画素に"受動的に"アドレスしたり、単一の画素を通じて電界を選択的に印加して薄膜トランジスタを使って"能動的に"アドレスしたりできる。この電界を使用して、液晶分子を２つの配向状態の間で切換え可能で、それぞれの配向状態はＬＣ層を通過する光に異なる効果をもたらし、配向に応じて、偏光子を介して光を透過させたり、ブロックしたりできる。
【０００４】
上記を達成するための方法の一つに、ねじりネマチック構造の使用がある。このような装置では、対向する基板に近いＬＣ分子を互いに垂直方向に配列するのに配向膜を使用する。電界が画素を通じて印加されない状態では、面から面に移動するときの基板に近い垂直ＬＣ配列におけるＬＣ配向は、９０度のねじれ角となる。これは、光の偏光を９０度まで回転させる効果を有する。各基板において、偏光子を配向方向に平行に配置すると、初め、第１偏光子が入射光を一つの方向に偏向し、次に、ＬＣが偏光方向を９０度回転させて、他方の基板における第２偏光子と一致させ、光を画素から射出させる。カラーフィルタを画素の上に置いて、カラー画素を生成しても構わない。画素の電極間に電圧を印加すると、ＬＣは電界方向、すなわち、２つの基板面と平行に配列する。この状態では、ＬＣ分子の配向は光の伝播方向と平行なので、ＬＣ構造から生じる偏光の変化は起こらない。従って、第１偏光子による偏光は、第２偏光子によって垂直方向にブロックされる。
【０００５】
このタイプのディスプレーは、薄くて軽く、陰極線管などその他の型と比べると頑丈であるといった多くの長所を備える。そのため、携帯型電話やＰＤＡなどの小型携帯式装置には理想的である。しかし、画素を一つの状態に保つのに一定出力を印加する必要があるため、需要電力が高い。さらに、このタイプのディスプレーは、コントラストの鮮明な明るい画像を提供するのに典型的に、光源からのバックライトを必要とするため、一層、消費電力が高くなり、電池寿命が短くなる。また、これらのシステムでは、電界を利用してＬＣ分子を基板面に垂直に配列させる面外切換えを採用しているため、横から見ると、複屈折効果がコントラストを消失させてしまうという問題がある。結果として生じる幾何学的配置は、視差効果により、色のひずみを招くことにもなる。
【０００６】
上述した装置に関わる課題のいくつかは、双安定型液晶技術により軽減される。双安定型液晶装置において、ＬＣは複数の安定ダイレクター構造を備える。それにより、ひとたび安定状態に切換わると、電界を印加して構造を変化させるまでＬＣは安定状態にある。このタイプの操作では、電力を必要とするのは状態を変化させるときだけで、状態を維持するのに継続的に電力を供給する必要がないので、消費電力が少なくてすむ。
【０００７】
米国特許第４，３３３，７０８は、装置の基板に平行に置かれた特異点あるいは"回位"の運動を伴う多数の多安定モードを備える双安定型ＬＣ装置の一例を開示する。ＥＰ特許第０，５１７，７１５及び公開番号ＷＯ９２／００５４６は、表面処理（Ｓｉｏ蒸着）を利用して双安定表面配向膜を生成する双安定型ＬＣ装置の例を開示している。この表面は２つの可能ダイレクター構造を備える。適切な電圧波形を印加して表面のダイレクターを切り換えることで、２つの状態間での切換えが可能になる。
【０００８】
双安定型装置の別の例が米国特許第５，７９６，４５９に開示されている。これは、基板表面に予め表面処理を行うことで、２次元回折格子を一方または両方の基板に存在させる。２次元回折格子を設けることで、ＬＣ分子を揃えるのに２つの異なる可能角方向が生まれる。国際公開第９７／１４９９０号は双安定型装置のさらに別の例を教示している。これは、少なくとも１個の基板に表面配向の一次元回折格子を備える。この表面一次元回折格子は、２つのダイレクター配列のエネルギーにほぼ匹敵する溝高さ／幅係数を有する。ダイレクター配列は、主に、基板平面からのダイレクターの角度によって互いに相違する。適当な電圧パルスを使用して装置の切換えを行う。
【０００９】
双安定型液晶を製造するための別の手法は基板の１つに出っ張り又は孔を配置する。この種の装置は、ヨーロッパ特許１，２７１，２２５号や同１，１３９，１５１号に記載されている。出っ張り又は孔を配置することで複数のダイレクター配向が安定する。ダイレクター配向の違いは、主に、基板の主平面からのダイレクターの角度の差による。分子双極子と結合する電圧パルスを適度に印加することで状態の切換えを行う。
【００１０】
上述した全装置において、各々の安定状態は偏光に関して異なる効果を有し、適当に配向した偏光子と組み合わせて使用することで、光を透過させたり、これを遮断したりできる。こうしたシステムを、装置からの透過光や装置の後面からの反射光と共に使用できる。サブピクセルレベルの様々な表面処理をグレースケールの達成に使用することができる。これらは従来の配向より多くの長所を備える一方、平面外で切換えを行うため、視差により、斜視で角度と色の変歪が生じ、コントラストを喪失するという欠点を伴う。
【００１１】
上記装置の中には、ＬＣ欠陥領域を含むものがある。ＬＣを容器内に収容すると、分子配向は容器の表面による影響を受ける。これにより、一定の領域にコンフリクトが生じ、これが欠陥領域となる。２００３年刊行のロプニック他著によるヨーロッパ物理ジャーナル２４号（４８１−４９２頁）が教示するように、こうした欠陥領域では、分子秩序の減少に伴う高変歪エネルギー構造を形成するように分子配向される。容器の寸法や形状、電界に印加される表面の微細構成、温度、壁の表面エネルギーなどの要素次第で、複数の液晶分子構造が可能である。各々の構造によって、液晶分子の欠陥位置や配向が異なる。しかし、欠陥は、通常、装置効率を低下させるので好ましくないものと見做される。そのため、従来技術による装置の多くは、こうした欠陥を排除したり、欠陥の形成を回避したりするための工程を含む。
【発明の開示】
【００１２】
本発明の第１実施態様によれば、容器構造の空洞に収容された液晶材料を含む双安定型液晶装置であって、前記空洞に液晶分子秩序の高変歪または欠陥領域を少なくとも１個形成し、前記欠陥領域が電界の印加により双安定状態間で切替わる装置が提供される。
【００１３】
従来技術の主流とは対照的に、本発明は、欠陥を除去する代わりに、これら欠陥の長所を利用して、双安定状態を提供する。適当な電界を印加することで、変歪領域を双安定状態間で切換えできる。これは実質的に面内で実行できるので、斜視でのコントラス喪失を回避、または、少なくとも軽減する。
【００１４】
電界をパルスとして印加するための手段を提供できる。パルス振幅やパルス幅を変化させるための手段を提供できる。
【００１５】
容器構造は、透明基板と平行な平面に方形または多角形断面を有する空洞を含むようにできる。断面の角度は、必ずしも鋭角でなくても構わない。空洞壁は、好ましくは、容器構造の基部または基板と直交する。写真平板を使用したフォトレジストまたはポリマから容器構造を形成することができる。
【００１６】
好ましくは、２つの基板の間に液晶分子および容器構造を配置し、基板はガラスまたはプラスチック製であっても構わない。透明基板の何れか一方の表面に半透明または透明電極を備えても構わない。電極は１つ又は複数の空洞と協働する。電極を付加的または代替的に空洞壁に設けても構わない。それぞれの電極を切換え装置に結合させることもできる。切換え装置に１個または複数の薄膜トランジスタを含んでも構わない。
【００１７】
透明基板に偏光層をラミネートしても構わない。
【００１８】
容器構造の空洞を開放式とし、透明基板または上記のラミネート層の何れかと結合または接触させ、各空洞内の液晶を隣接する空洞の液晶から分離できる。
【００１９】
液晶分子の多くは、透明基板の平面と実質的に平行な平面に位置する。一実施例においては、均等エネルギーの安定状態を形成して、基板と直交する軸線について回転させることで他の安定状態から任意の安定状態を獲得できる。
【００２０】
基板の１つの表面にＬＣ分子を固定させ、液晶の少なくも１つの安定状態をねじれ構造としても構わない。この実施例において、ねじれ構造あるいは非ねじれ構造と類似の安定性を達成するのに、ＬＣ分子をキラル液晶とし、アキラル液晶をキラル分子でドープ処理してもよく、効率的な切換えが可能となる。
【００２１】
本発明の別の実施例に拠れば、容器構造の空洞に液晶分子を含む液晶装置の状態を切り換える方法を提供し、前記空洞に少なくとも１つの高歪領域を形成し、欠陥運動により第１双安定状態から第２双安定状態に切り換えるのに電界を印加する方法を提供する。平面内切換えを達成するのに、電界を液晶分子と平行にしたり、液晶分子に平行な要素を含ませたりできる。
【００２２】
好ましくは、類似あるいは同一エネルギーを有する２つの状態間で切換えを行う。
【００２３】
本発明による装置及び方法は、表示基板、電気通信の位相装置、光スイッチ、可変式位相回折を含む様々な技術に応用できる。
【００２４】
任意の形状と寸法を有する容器構造内に液晶を収容すると、液晶は多様な安定状態の１つに配向する傾向があり、それぞれの安定状態は、異なるダイレクター構造と、多分いろいろな場所で高歪領域を有している。高歪領域は、２００３年刊行のヨーロピアン・ジャーナル・オブ・フィズィックス、２４号（４８１−４９２頁）において、ロプニック等が教示しているように、液晶分子の秩序が他の領域に比べて著しく減少しており、大きな弾性歪みが生起する領域を言う。
【００２５】
図１(ａ)と１(ｂ)は、多数の開口部２１が画定された容器構造２０内に、液晶材料１０を収納した液晶装置を示す。容器構造２０は２つの透明基板３０，３５に挟持され、各透明基板には、液晶材料１０が接する面に、配向層の準備層４０，４５を接着させておくことができる。容器構造２０と基板３０，３５とは、液晶材料１０を収容するための複数の空洞を画定する。液晶材料１０で各々の空洞を完全に満たすことで、液晶材料は各空洞の壁又は面全てに直接接触する。
【００２６】
２枚の透明基板３０，３５の外側には、偏光子５０，６０がラミネートされており、外側の透明基板３０の外側に、カラーフィルタ７０を設けても構わない。このカラーフィルタ７０は、一連のストリップ状又は方形の透明な着色区画として設けることができる。各空洞はこれに付随するカラーフィルタ７０の領域を持つこともできる。各カラーフィルタ７０が、幾つかの空洞を覆っても差し支えない。カラーフィルタ７０は、赤、緑、青の透明な着色区画を持つことができる。
【００２７】
図示の例では、容器構造２０の空洞は、概ね方形の断面を有し、その断面は透明基板３０，３５と平行の平面に、角コーナ又は丸コーナ１２０，１３０，１４０，１５０を持つ。別の実施例では、空洞の断面を角度が明確に判るに多角形とすることができる。空洞の方形断面の辺の長さは、１０〜１００μｍであり、空洞の深さは１〜５０μｍとする。
【００２８】
液晶１０と向き合う透明基板３０，３５の面の対向面には、例えば、インジウム錫酸化物の薄膜で形成されたパターン化透明電極７５，８０が設けられる。面内切換えを達成する可能にするために、これらの電極７５，８０を用いて、透明基板３０，３５の面と平行な面内に素子付きの電場を発生させる。これは、例えば、対極が作用電極の直下にならないように電極を互い違いに配列することで可能である。こうすることに代えて、又はこうすることに加えて、電極を空洞壁に合体させて基板に平行な電界を発生させても構わない。各電極は１つまたは複数の空洞と関係付けることができ、２つまたはそれ以上の安定状態間での切換えを可能にするために、１組以上の電極を設けることもできる。光源８５は装置後部に配置され、光すなわち像は、光源８５の反対側の装置の面で見られる。容器構造２０内の空洞とこれに関連する電極７５，８０は、これを表示画像又は幾つかの空洞の画素に対応させることができ、また、グレースケール出力又はフルカラー出力を達成するために、電極７５，８０を一つの画素と対応させることもできる。
【００２９】
容器構造２０の壁での液晶分子の配列は、多くの要素に影響を受ける。例えば、容器構造２０が高分子材料製である場合、その高分子の方向が液晶分子の方向を支配する。また、ＳＵ８などのフォトレジスト材料を使用して容器構造２０を形成すると、液晶分子は容器表面と平行な方向に並ぶ傾向がある。さらに別の例では、ホメオトロピック配列（垂直配列）の表面処理を施した場合には、液晶分子は空洞表面と垂直に、かつ、透明基板３０，３５で平行に配列する傾向がある。
【００３０】
図２に示すように、立方空洞において液晶分子が容器構造壁２０で垂直配列し、透明基板３０，３５で平面配列した場合、領域の大部分の液晶分子１０は、透明基板３０，３５に平行の平面に、空洞の側壁に対して４５度の角度で配列する傾向がある。液晶分子１０のこうした配列傾向に適応するために、高歪領域１０００，１１０が、空洞の対角線上の２つのコーナ１２０，１３０に形成される。空洞の隣接壁がなす角度が比較的シャープであることは、高歪領域を局所に形成させ、これを空洞のコーナ１２０，１３０に押さえ込む上に有利である。これらの高歪領域１０００，１１０の液晶分子１０は、空洞内の大部分の液晶分子とは異なる配向を示す。液晶分子は高歪領域から遠ざかるに従い、大部分の領域での分子と同様の配向、すなわち、空洞壁に対して４５度の角度で配向する。
【００３１】
図３に示すように、液晶分子１０が配列している方向の平面に、素子を持つ適当な電場を付与すると、高歪領域１００，１１０が移動し、図示の例では、空洞のコーナ１２０，１３０の位置からコーナ１４０，１５０位置へと切換わる。この位置変化に従って大部分の液晶分子１０は、透明基板３０，３５の平面と平行な面内で、容器壁２０に対して４５度の角度で再配列するが、この角度は前の配列角度に対しては９０度である。つまり、切換えが面内で行われ、大部分の液晶分子１０は常に基板３０，３５の面に平行な面内にある。従って、複屈折効果がないために視覚を広く確保でき、状態間を９０度の角度で切換えことができるので、高度のコントラストを得ることができる。
【００３２】
これらの双安定状態と切換え機構を利用した装置には、複数の一様構造間で切り換る装置と、、図４、５に示すように一様構造とねじれ構造との間で切り換る装置が含まれ、前者の装置では、液晶構造全体の配向が、図２、３に示すように、９０度切り換る。後者の装置では、一方の透明基板３５上の液晶分子を固定し、ねじれ構造が生まれるようにする。図４に示すねじれ状態では、高歪領域１０００，１１００が、空洞上面のコーナ１２００及び１３００から、空洞下面のコーナ１６００，１７００に及んでいる。従って、分子構造は空洞の上部から下部にねじれている。図５に示す非ねじれ状態では、高歪領域はコーナ１４００，１５０から１８０，１９００に及び、分子構造はねじれていない。一様構造間の切換える装置は、電気通信用スイッチで使用される位相装置として理想的である。一様構造とねじれ構造とを切換える装置は、ディスプレー装置として理想的であり、この装置からは標準型ツイストネマチックディスプレーの双安定面内バージョンを導くことができる。また、後者の装置では、キラルネマチック液晶分子またはキラルドーパントを介して、ある程度のキラリティを含ませることができる。
【００３３】
空洞のコーナの鋭さは、高歪領域が異なるコーナに位置している異なる状態の安定性に影響を与えると共に、状態間で装置を切換えるのに必要な電圧に影響を及ぼす。コーナが鋭い場合は、より平坦な場合に比較して、２つの異なる分子構造間の弾性エネルギー障壁が高い。エネルギー障壁が増加すると、２つの状態の安定性が高まり、また、２つの状態間の切換えに必要な電圧も高くなる。エネルギー障壁の増大は図６に示すが、図６は、形状が異なる３つの空洞内の液晶構造を同じ電圧パルスで切換え、その際の模擬弾性エネルギーの変化を時間の関数で示したものである。空洞のコーナが最も鋭い時に弾性エネルギーが最も高く、円形に近づくに従って弾性エネルギーが低下する。
【００３４】
本発明の装置は多くの利点を有する。例えば、９０度の切換えは、典型的にＬＣで融解する多色染料と共に、１つの偏光層５０だけを使用し、照明輝度が高まる。さらに、本発明による装置は、従来技術の装置と比べて、ノックや振動によるダメージに強い。また、本発明の方法によれば、互いに鏡像の２つの安定均一状態を使用できるので、同一エネルギーを有することになる。従って、２つの状態間の切換えが容易になる。ねじれ構造を有する実施例においては、キラル分子を使用できるため、ねじれ状態と均一状態の２つの状態がほぼ均等のエネルギーを有し、これにより状態間の切換えが容易になる。
【００３５】
本発明の装置と方法の使用により、良好なコントラスト、広範囲な視覚、好ましい光学特性、グレースケールレンジまたはフルカラーの、状態間で光が９０度回転する低消費電力、耐久型の装置を提供する。これらの特性は、光スイッチ、ＬＣディスプレイ、および可変相回折格子の分野において本発明を特に有益なものとする。本発明によるＬＣ表示は、良好なコントラスト、広範囲な視覚、低消費電力、パッシブ駆動の使用、すなわち、従来型の装置より有意に多数の画素の使用を実現できるため、特に、電子ペーパーとしての使用、又は、携帯用装置のディスプレイに適している。
【００３６】
当業者であれば、本発明の範囲から逸脱せずにさまざまな改変が可能なことは理解されよう。例えば、上述した実施例において、光は装置を透過する。しかし、別の実施例では、基板の後部３５で反射させ、装置の前部から照射することも可能である。あるいは、周囲光を使用しても構わない。また、回折効果を最小限にするために、容器構造２０内の空洞を無作為に配置することもできる。あるいは、回折効果が必要な場合、例えば、当業界で公知のＮグリッドごとにＭ（M by N grid）など空洞を順番に配置して、所定の回折効果を達成しても構わない。さらに、図２，３に記載の装置において、空洞壁にホメオトロピック配向表面処理を施して、透明基板３０，３５の材料を選択し、接触する液晶を平行に配向するようにできる。ホメオトロピックまたは平面縮退配向技術を空洞壁に使用して、液晶分子の少なくとも一部を光の伝搬に直交する平面に配向し、かつ、平面で回転するようにできることは理解されよう。
従って、上記の実施例は、発明の例示であって、これを制限するものではない。当業者であれば、開示した内容に有意な変更を加えることなく、若干の改変が可能なことは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１（ａ）】液晶装置の拡大図
【図１（ｂ）】図１(ａ)に示す拡大図の断面図
【図２】図１の装置の空洞の安定状態における液晶分子の配向を図示
【図３】図１の装置の空洞の別の安定状態における液晶分子の配向を図示
【図４】液晶分子がねじれ状態にある空洞を図示
【図５】液晶分子を均一状態に切り換えた図４の空洞を図示
【図６】３つの異なる形状の空洞で同じ電圧パルスを用いて液晶構造を切換えたときの、時間係数としての模擬弾性エネルギーを図示。
2008522236.tif 000003
【図２】
2008522236.tif 000004
【図３】
2008522236.tif 000005
【図４】
2008522236.tif 000006
【図５】
2008522236.tif 000007
【図６】
2008522236.tif 000008
【国際調査報告】
2008522236.tif 000009
2008522236.tif 000010
2008522236.tif 000011