(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極および第１の配列層を有する第１の基板と、該第１の基板に対向して配置され、第２の電極および第２の配列層を有する第２の基板と、前記第１および第２の基板間に結合された液晶と、前記第１および第２の基板間に結合されたスペーサ要素と、前記第１および第２の基板に接合され、かつ前記液晶の周囲をほぼ取り囲むように配置された金属ガスケット要素と、前記金属ガスケット要素の周囲をほぼ取り囲むように前記第１および第２の基板間に配置された能動的熱素子とを含む、液晶セルプラットホーム。
【請求項２】
前記第１または第２の基板は、さらに、サブ波長光学要素またはナノ構造の回折格子を含む、請求項１の液晶セルプラットホーム。
【請求項３】
前記スペーサ要素は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素および一酸化ケイ素のグループから選ばれた一つ以上の材料を含む、請求項１の液晶セルプラットホーム。
【請求項４】
前記金属ガスケットは、インジウム、金、ニッケル、錫、クロム、白金、タングステン、銀、ビスマス、ゲルマニウムおよび鉛のグループから選ばれた一つ以上の材料を含む、請求項１の液晶セルプラットホーム。
【請求項５】
さらに、一体化された光学要素を含む、請求項1の液晶セルプラットホーム。
【請求項６】
前記スペーサ要素および金属ガスケットは堆積された薄膜である、請求項１の液晶セルプラットホーム。
【請求項７】
前記サブ波長光学要素は、偏光、ビームスプリッティング、偏光ビームスプリッティングおよび導波のグループから選ばれた能力で動作するように形成されている、請求項２の液晶セルプラットホーム。
【請求項８】
前記能動的熱素子は、蛇行パターンで配列されている、請求項１の液晶セルプラットホーム。
【請求項９】
前記能動的熱素子は、加熱および温度感知能力を備える、請求項１の液晶セルプラットホーム。
【請求項１０】
前記能動的熱素子は、クロム− 白金からなる、請求項１の液晶セルプラットホーム。
【請求項１１】
さらに、前記第１または第２の電極の上に形成された少なくとも一つのビアを含む、請求項１の液晶セルプラットホーム。
【請求項１２】
さらに、前記能動的熱素子の上に形成された少なくとも一つのビアを含む、請求項１の液晶セルプラットホーム。
【請求項１３】
前記光学要素は鏡であり、液晶セルは反射型である、請求項５の液晶セルプラットホーム。
【請求項１４】
一方の面にサブ波長光学要素を有し他方の面に電極および配列層を有する第１の基板と、該第１の基板および配列層に対向して配置された第２の電極および第２の配列層を有する第２の基板と、前記第１および第２の基板間に結合された液晶と、前記第１および第２の基板間に結合されたスペーサ要素と、前記第１および第２の基板に接合され、かつ前記液晶の周囲をほぼ取り囲むように配置された金属ガスケット要素と、該金属ガスケット要素の周囲をほぼ取り囲むように前記第１および第２の基板間に配置された能動的熱素子とを含む、液晶セルプラットホーム。
【請求項１５】
さらに、能動的熱素子であって該能動的熱要素を加熱するための電圧が印加されまたは如何なるときにも温度決定のためにその抵抗値が読み出しおよび測定可能な能動的熱素子を含む、請求項１４に記載の液晶セルプラットホーム。
【請求項１６】
さらに、マイクロコントローラおよびスイッチを含み、該スイッチは、前記能動的熱素子から前記マイクロコントローラへの抵抗値および前記マイクロコントローラから前記能動的熱素子への電圧信号のルーティングを前記スイッチの状態が制御するように、前記能動的熱素子に接続されている、請求項１５の液晶セルプラットホーム。
【請求項１７】
前記能動的熱素子は前記第１および第２の基板に堆積されている、請求項１５の液晶セルプラットホーム。
【請求項１８】
金属ガスケット材料層により形成されたビアが前記第１および第２の基板間で前記熱素子に結合されている、請求項１７の液晶セルプラットホーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広くは光学液晶装置に関する。本発明は、特に、実質的に湿度を通さない材料で、サブ波長の光学ナノ構造と一体的に形成された温度制御を受ける液晶セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
光学ナノ構造体は数年間の科学的調査の対象となっているが、材料科学とインプリントリソグラフィの進歩は、ごく最近になって、安く製造され、また光学部品として産業上利用可能となったばかりである。
【０００３】
光の波長よりも小さなサイズの特徴をもつ光学ナノ構造体は、それらに内在する格子構造の寸法を変える機能として、幅広い波長、広い受光角度およびユニークな光学の特性で一定の振る舞いを行うことが知られている。ナノ構造体での光の物理的な相互作用は、回析格子の物理学の応用に従うが、構造の規模は、境界効果に変化をもたらす。その結果、量子効果は、反射、屈折および回析の古典的光学効果に影響を及ぼし、ナノ構造体のユニークな光学の特性となる。近年、ナノ構造体は、該ナノ構造体に平行な入射偏光に対して完全な鏡として機能し、また該ナノ構造体に垂直な偏光に対して完全な窓として機能する偏光ビームスプリッタとして作用するように作られている。伝統的な光学との比較によれば、前記したナノ構造の偏光スプリッタは、複屈折結晶の15ミリメートルの長のための2度に対して、1ミリメートル未満のパッケージサイズにおける180度のビーム分離で実行することが実証されている。一般的に、ナノ構造体は、すべての高次回折モードを除去し、排他的に0次回折特性で作動し、入射光の波長以下で、数百ナノメートルから数10ナノメートルでの特徴サイズを有する結果、そのようなユニークな光学的特性を示す。
【０００４】
それらの低コストでの製造、ユニークな光学特性、高性能および小型の形状因子の結果として、光学ナノ構造体は、未来の光学系に広い波及をおよぼす新たな技術を約束する。
【０００５】
光学ナノ構造の性能と価値とを理解することは、これらの光学構造を他の光学要素に組み込むについての最初の難関に打ち勝つことに等しい。ナノ構造は、他の光学要素と異質にあるいはモノリシックに一体化することができ、レーザ、平面光波回路および液晶機器などの他の光学部品に、隣接して配置され、固定されあるいは挿入される薄膜として一体化することができる。ナノ構造体を他の光学要素と一体化し、並はずれた性能とスケール上の利点を得ようとする挑戦は、一体化構造がそのナノ構造と光学要素とのインタフェースに起因する歪曲と、２つの個々の構造との付加的な総合の光学特性に基づく高性能な測定基準とをもたらすのであれば、重要な仕事である。結果的に、通常、一体化した構造の性能は、ナノ構造の単独で提供された高性能と同程度の水準の性能を提供し得ない。したがって、サブ波長光学要素との一体化の対象となる光学要素に内在する性能を増大させる強い要望がある。
【０００６】
液晶技術では、動的に制御することが知られており、光学的切り換えおよび信号調整応用を可能とするように構成されている。液晶セルは、封止された対向するガラス板に成形されているので、活性層をそれとともに一体化したナノ構造に供給することが可能な期待される技術および集積化目標と考えられている。ワン（Wang）達は、最近、薄い液晶にチューニング機構を組み込んだ導波共鳴サブ波長ナノ構造回折格子フィルタに基礎を置いた実験的な電気的に調整できるフィルタを示した。前記機器の実験は、実用的な３０ナノメートルのチューニング性能を表した。
【０００７】
液晶技術の性能が温度と湿度の変化に影響され易く、その高い湿度と温度変化とは光学性能の低下を招き、その結果、セル性能の2つの重要な尺度である高い挿入損と低い吸光度を生じることは、一般に知られている。
【０００８】
液晶媒体の速度性能および光学特性は、印加電界の関数として、温度と共に変化する。液晶セルの中での温度の比較的穏やかな変化は、光の透過、屈折率および液晶状態の変化速度に比較的大きな変化を生じさせ得る。図１は電圧の全域での液晶セルの屈折率の温度影響を示す。図２は、選ばれた1つの温度の範囲の光の透過のための電圧が、異なる温度で光の異なる透過を提供することを示す。図３は、温度と、液晶セルが状態を変更するための所要時間との関係を示し、所要時間は温度上昇に伴って減少する。図３は、また、液晶セルのスイチッング時間がセルギャップ厚さに敏感であることを示し、図示の２つの連続線は異なるギャップサイズを有するセルに関し、ギャップサイズの０．４ミクロンの減少に対し、スイッチング時間が３０％の減少を示す。光学特性の変化の大きさおよび影響は、明らかに、温度の全域で液晶セルの種々の状態での光学特性の制御要因である。
【０００９】
液晶媒体の温度が実用的な応答時間の中で安定稼働を提供することを保証するために、従来技術の液晶セルでは、独立した温度センサと、加熱素子とに基づいた能動的な熱の管理システムを利用することが知られている。ジャクソン（JACKSON）達は、セル温度が予め決定されたトリップポイント温度よりも下回るとき、液晶セルを熱するためにエネルギーを与えられる抵抗発熱体に依存している。前記ジャクソンの構想は、セルの電圧調整のためのフィードバックに適応しておらず、トリップ点を超える周囲温度の増大を処理することができない。マッカートニー（McCartney）達は、温度変化に応じて電圧を調整するために、温度のフィードバックループに温度センサの出力を組み入れた、より完全な解決策を提供する。この構想では、二次元のルックアップテーブルは、如何なる温度およびピクセル属性の組み合わせに対しても、出力電圧を提供する。しかし、マッカートニーの構想は、ルックアップテーブルのサイズを増大させることなく、高い解像度の光学系との釣り合いを取ることはできない。
【００１０】
一般的に、従来の液晶熱管理システムは、液晶セルの加熱および感熱のためにそれぞれ別個の機器を使用している。これらの機器は、一般に、隔たった位置でセルガラスの外側に貼り付けられるので、それらがセルの全域に亘って均一に機能を果たすことは、一般には不可能である。さらに、これらの機器が通常ガラスの外側に貼り付けられるので、ガラスの内側の液晶分子に向けられたすべての加熱および感熱のための機能は、ガラス媒体を通して中継されなければならない。このため、ヒステリシスが生じ、また閉ループの温度感知および加熱システムの有効性をゆがめるという結果をもたらす。最終的には、従来技術の液晶セルのヒータおよび温度センサは、一般的に、エポキシ樹脂でセルに付着され、エポキシ樹脂は、一般に、高温および高湿度の状態では湿気を吸収することが知られており、それはセル性能を劣化させあるいは不安定にする。
【００１１】
液晶セルの性能は、一般的に、水分および湿度に非常に敏感である。従来の液晶シール技術は、水分および湿度から液晶セルに種々のレベルの保護を与えることが知られている。従来技術の構想は、一般に、ガラスビード、フリットおよびエポキシ樹脂などの有機高分子によってセルを封止し、間隔をおいて配置する。封止材料は、一般的に、セルのほぼ周囲にガスケットという形態で配置される。ガラスフリットのシールの利点については、そのようなシールが気体および蒸気を事実上通さないことは知られているが、この方法は高温処理による形成を必要とし、高温処理は、基板をゆがめて、平行基板の内面間の距離を均一に制御することを困難にする傾向がある。この間隔(液晶物質を含む)は、液晶セルの精密な動作を達成するために、高い均等度で維持されていなければならない。液晶セル間隔を正確に制御することは、本発明の高性能ナノ構造液晶光学系を可能にするかなめとなる。
【００１２】
効果的なガラスフリットシールの製造では、液体溶媒の中で分散したガラス粉体粒子のペーストとして、フリットは、一般的に、前記両基板の中の一方の基板の表面に塗布される。前記基板は、引き続いてプログラムされた温度条件で加熱され、比較的低温で、溶媒が蒸発し、結合剤が焼き尽くされ、それゆえ前記温度状況のより高い温度部分で熱せられ、ガラス粉末自体は溶けて融合し、ガラス基板を強く接着結合する。その後、他方のガラス基板は、融合されたフリットの上に覆うように置かれ、その組立体の全体が、再び、プログラムされた温度条件に晒され、この間、温度はガラスフリットのガラス化温度の数十度の範囲内で上昇する。この比較的高い温度で、ガラスフリットは、前記他方の基板を濡らし、該基板に確実に粘着する。この第２の加熱サイクルが前記基板を軟化し、該基板にそりを生じさせる傾向があり、したがって、このガラスフリットの方法によって封止されたセルは、特により広い表面積のものでは、非常に低い製造許容割合を持つ傾向があることは知られている。
【００１３】
エポキシ樹脂等の有機の重合体シーラント（封止剤）は、ずっと低い温度での処理が可能であり、それによる代替使用によって組立て中のそりを防止できることが一般に知られている。重合体シーラントは、溶液からプリントされたスクリーンすなわち溶媒中の重合体の分散であり、重合体シートは、封止される基板間に挟まれるガスケットの形にカットすることができ、このサンドイッチ構造は、シール効果をもたらすために、後で熱せられる。また、通常、内部のスペーサによって分離されている２枚の基板の組立体の縁部に沿って、前記重合体が導入されることは知られている。しかし、そのような有機の重合体シーラントは、水蒸気に対する比較的高い透過性を有する。高温多湿の条件の下では、水蒸気がシールに浸透して該シールの膨張と、液晶セルの従来よく知られた性能の変化を招く液晶空胴の形状変化とを引き起こす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、応用と動作の形態とにしたがい、独立してまたは本発明の他の特徴との組み合わせで構成される幾つかの特徴を含む。そのような特徴の説明は、本発明の範囲を制限することではなく、単に、本発明と関連するある具体的な機能を概説することを意図する。
【００１５】
本発明は、サブ波長の光学的特徴にエッチングされたガラスで形成し得る液晶セルを提供する。
【００１６】
本発明は、一体化されたサブ波長の光学的ナノ構造で製造し得る液晶セルを提供する。
【００１７】
本発明は、一体化された光学要素で製造し得る液晶セルを提供する。
【００１８】
本発明は、一体化された偏光子、ビームスプリッタ、偏光ビームスプリッタ、導波管、薄膜、フィルタ、鏡、光検出器、アイソレータ、回折格子、サブ波長回折格子、コンバイナ、波長板、ナノ構造、またはそれらの幾つかの組み合わせによって製造し得る液晶セルを提供する。
【００１９】
本発明は、光スイッチング、可変の光減衰、チューナブルフィルタおよび波長選択応用における電気通信応用に限らず、種々の応用に形成し得る液晶セルプラットホームを提供する。
【００２０】
本発明は、実質的に水分を通さない材料から構成し得る液晶セルを提供する。
【００２１】
本発明は、単一の物質的な素子としてその中に一体化されたヒータと温度センサとを含み得る液晶セルを提供し、正確な加熱制御および正確な温度感知を提供する。
【００２２】
本発明は、リアルタイムの温度変化を補うために通常用いられるルックアップテーブルを必要とせずに、温度の範囲に亘って液晶セルを操作する新規な方法を提供する。
【００２３】
本発明は、密閉したハウジングを必要とすることなくTelcordia GR1221において概説されるような厳密な電気通信ガイドラインに合格する液晶セルを提供する。
【００２４】
本発明は、製造過程でそりを生じ難い光学的に平坦な液晶セルを提供する。
【００２５】
本発明は、種々の熱的および湿度雰囲気にさらされるときにそりを生じ難いに光学的に平坦な液晶セルを提供する。
【００２６】
本発明は、厚さをナノメートルの分解能で制御できる液晶セルを提供する。
【００２７】
本発明は、前記した特徴のいくつかまたはすべてを備える液晶セルを製造するための新規な方法を提供する。
【００２８】
本発明は、本発明の２枚の基板に限らず、これら両基板を位置合わせするための新規な方法を提供する。
【００２９】
本発明は、透過型あるいは反射型の液晶セルに使用し得るプラットホームを提供する。
【００３０】
本発明は、液晶セルの配列に形成し得るプラットホームを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
従来技術の不都合は、正確にセルギャップ厚さを制御するためのスペーサ層をそれぞれ有する互いに対向する２枚のガラス板を接合している堆積金属ガスケット防湿壁に向けられた液晶セルおよびその製造方法により、解消される。前記液晶セルは、対向する両ガラス板間に挟まれあるいは少なくともその一方または両方に堆積された一体的な熱センサおよび加熱堆積層を含む。
【００３２】
従来技術の不都合は、さらに、セルがほぼ一定温度に保持されるように、一体化された能動的な熱素子の全域にわたる温度感知機能および加熱機能を多重化する時分割方式を利用した液晶セル制御系により、解消される。較正処理は、前記セルのプロファイルを特徴付け、温度のための駆動電圧出力およびセル状態の入力を提供する多項式の回帰式を生成する。前記制御系は、液晶セルの状態および回帰式を記憶し、温度補償のための駆動電圧を計算し実行すべく液晶セルの温度を読む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本願では、同様な要素に言及するときには、同じ参照番号を用いている。例えば、本発明の液晶セルを形成するために使われた２枚の基板は、１１０Ａ、１１０Ｂとして、本願の全体で参照される。各基板の上に分配されて、後で結合される本発明のそれらの支持要素および特徴的構造は、特定の基板Ａ、Ｂのためのまたは簡素化の目的のためのそれらの照合下、共有された参照符号で参照される。
【００３４】
本発明の第１の実施例は、図４Ａに示されており、該図は第２の基板１１０Ｂに対向する第１の基板１１０Ａを有する液晶セルプラットホーム１００を示す（比例しない）。本実施例では、第１の基板は、透明な伝導性の電極層１０４Ａ、液晶配列層１０９Ａ、金属ガスケット要素層１０６Ａおよびスペーサ要素層１０７Ａを有する内面を含む。第２の基板１１０Ｂは、透明な伝導性の電極層１０４Ｂ、液晶配列層１０９Ｂ、金属ガスケット要素層１０６Ｂおよびスペーサ要素層１０７Ｂを有する内面を含む 。
【００３５】
本発明の第２の実施例は一体化された光学要素１１１を含み、図４Ｂに示されており、該図は第２のガラス基板１１０Ｂに対向する第１のガラス基板１１０Ａを有するプラットホーム１００を示し(比例しない)、前記第１の基板は、該基板の対向面上の透明な伝導性の電極層１０４Ａ、液晶配列層１０９Ａ、金属ガスケット要素層１０６Ａおよびスペーサ要素層１０７Ａを含み、第２のガラス基板１１０Ｂは、透明な伝導性の電極層１０４Ｂ、液晶配列層１０９Ｂ、金属ガスケット要素層１０６Ｂおよびスペーサ要素層１０７Ｂを含む 。
【００３６】
本発明の第3の実施例は図４Ｃに示されており、該図は第２のガラス基板１１０Ｂに対向する第１のガラス基板１１０Ａを有するプラットホーム１００を示し、前記第１の基板は、一体的な光学要素１１１、透明な伝導性の電極層１０４Ａ、液晶配列層１０９Ａ、金属ガスケット要素層１０６Ａ、スペーサ要素層１０７Ａおよび一体的なヒータ／温度センサ素子層１０８Ａを含む。本実施例では、前記第２の基板１１０Ｂは、透明な伝導性の電極層１０４Ｂ、液晶配列層１０９Ｂ、金属ガスケット要素層１０６Ｂ、スペーサ要素層１０７Ｂおよび一体的な熱能動素子であるヒータ／温度センサ素子層１０８Ｂを含む。
【００３７】
本発明の第４の実施例は図４Ｄに示されており、該図は第２のガラス基板１１０Ｂに対向する第１のガラス基板１１０Ａを有するプラットホーム１００を示し、前記第１の基板は、一体的な光学要素１１１、透明な伝導性の電極層１０４Ａ、液晶配列層１０９Ａ、金属ガスケット要素層１０６Ａおよびスペーサ要素層１０７Ａを含む。本実施例では、前記第２の基板１１０Ｂは、一体的な光学要素１１２、透明な伝導性の電極層１０４Ｂ、液晶配列層１０９Ｂ、金属ガスケット要素層１０６Ｂおよびスペーサ要素層１０７Ｂを含む。本実施例で、一体的な光学要素１１１、１１２は、用途に応じて、同一または異なる機能を有しても良い。例えば、自由空間可変光学減衰器の用途では、透過型セル１００は、それぞれ直角な状態の光の透過を許す２つの偏光子１１１、１１２で構成される。光学スイッチの用途では、反射型セル１００は、偏光ビームスプリッタおよびコンバイナとして動作する光素子１１１と、鏡として動作する光素子１１２とを含む。
【００３８】
すべての実施例について、一般的には、ガラスから成る基板１１０が望ましいが、用途によっては、シリコン、重合体などを含む他の基板材料が好適である。
【００３９】
図５は液晶セルプラットホーム１００を作成するための組み立て工程の一例を示す。形成される構成の実施例に応じて、様々な付加ステップを除去することができる。
【００４０】
図５について、付加の第１ステップは、少なくとも１つの基板に光学要素を組み込むことを含む。前記光学要素は、偏光子、ビームスプリッタ、フィルタ、薄膜、偏光ビームスプリッタ、導波管、波長板、コンバイナ、鏡、半透明鏡、アイソレータ、検出器、回折格子、サブ波長回折格子、ナノ構造、またはそれのいくらかの組み合わせとして機能することができ、また現在この技術においてよく知られたそれらの光機能を含むことができる。好ましくは、前記光学要素は、ニュージャージに所在の「ナノオプト社（NanoOpto Corporation）」によって説明されたようなナノ構造回折格子である。前記回折格子の構成は、基板１１０Ａまたは１１０Ｂあるいは用途に応じて前記両基板に、適用されまたは一体化される。処理ステップ２０１について、表面レリーフフォトレジストパターンがナノメートルレンジの回折格子を成形すべく、エッチングが行われる基板の上の表面レリーフパターンを作成するためにフォトレジストにリファレンスマスクを押印する分野で知られたナノインプリントリソグラフィまたは類似の方法を用いて、ガラス基板は、エッチングを受ける。代替的に、前記光学要素は、薄膜として供給されて、エポキシ樹脂またはここに説明されるか一般に知られている他の方法により、対象となる前記基板に接合することができる。前記光学要素は、また、いずれかの前記基板または両基板の内面または外面に直接堆積させることができる。究極的には、前記光学要素自身を基板材料の選択によって該基板に組み込むことができる。例えば、一方の前記基板１１０Ａ、１１０Ｂ、または両基板は、コーニング（Corning）社によって作られた偏光ビームスプリッタガラスであるポーラコア（Polarcor）で形成することができる。
【００４１】
第２ステップは、前記液晶電極を成形するために前記第１および第２のガラス基板に適正なＩＴＯ（インジウム錫酸化物）パターンを付加することを含む。図５の処理フロー２０２について、標準のＰＥＣＶＤ工程を約１００オングストロームの厚さのＩＴＯ薄膜を付けるのに用いても良い。図６Ａおよび６Ｂは、それぞれ基板１１０Ａおよび１１０Ｂにパターンを付けるために使われるＩＴＯのマスク例を示す。
【００４２】
第３ステップは、ポリイミド配列層を前記第１および第２のガラス基板に付加することを含む。図５の処理フロー２０３について、各基板に約６００オングストロームの厚さのポリイミド層を形成するために、室温での標準スピンコートステップ処理を用いることができる。
【００４３】
第４ステップは、前記ポリイミド層のパターニングを含む。処理２０４について、フォトレジストは、最初に、前記基板に適用されて、従来のフォトリソグラフィ技術を使ってマスキングされ、あるいは、前記基板のパターニングにレーザーエッチングを用いることができる。その後、ウエットまたはドライエッチングが施されることにより、ポリイミドのパターンが形成される。
【００４４】
第５ステップは、液晶配列層を固着することを含む。処理ステップ２０５について、1つの従来方法は、前記配列層を形成するために各基板の前記ポリイミドを摩擦することである。ねじられたネマチックの形態では、前記第１の基板の摩擦方向は第２の基板の摩擦方角に直角である。電子的に伝導性の複屈折（ＥＣＢ）形態では、前記第１の基板の摩擦方向は第２の基板の摩擦方向と平行している。種々の固定案により、０度または９０度以外の摩擦角とすることができる。前記配列層を形成する他の方法は、インプリントリソグラフィ技術を使用することであり、この技術では、リファレンスマスクが、ナノスケールの許容範囲で高精度な配列溝を成形すべく、後でエッチングを受けるフォトレジストの表面レリーフパターンを作成するために堆積されたフォトレジスト層の上に押し付けられる。
【００４５】
付加的な第６ステップは、能動的な熱素子である一体的なヒータおよび温度センサを形成することを含む。図７Ａおよび７Ｂは、図５の処理ステップ２０６に関して使用されるマスクの例を示し、最初にクロムの種接着層が前記基板の上に厚さ約２００オングストロームで堆積され、続いてＰＥＣＶＤにより、約２０００オングストロームの厚さの薄膜白金抵抗層が堆積され、該層が一体的な前記ヒータ/温度センサの上部と下部とを形成する。前記基板１１０Ａおよび１１０Ｂに適用された一体的な前記デバイスの上部と下部とは、エアギャップによって約９．６ミクロン隔てられており、引き続く第８ステップで説明される金属堆積ステップで形成された複数のビア（ＶＩＡＳ）によって相互に接続される。ギャップ厚さは、例として述べられており、要求される用途に応じて変化するであろう。白金薄膜抵抗は、図面７Ａおよび７Ｂの蛇行パターンと同様に、形態に応じて、アーチ状、曲線状、円形状、ジグザグ状および帯状に限定されないが、これらを含む様々な形状にパターン化することができる。薄膜白金は、ほぼ１０．６×１０Ｅ-８オームメートルの抵抗率を与えられ、例えば室温で約１００オームの抵抗値を示す。
【００４６】
第７ステップは、スペーサ要素１０７の形成を含む。スペーサ要素１０７は液晶セルのギャップ厚さを制御する。前記スペーサ要素を各基板上に等しくかつ均等に分配する必要はないが、完成したセルの所望ギャップ厚さの半値が各基板に堆積されるように、スペーサ要素１０７の厚さを規定することが好ましい。結合されたセル１００のギャップ厚さは、したがって堆積工程に基づく許容範囲で成形される。二酸化ケイ素がスペーサ要素を作成する好ましい材料であるが、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、一酸化ケイ素のような実質的に圧縮されない薄膜堆積工程で互換性を持つ他の材料が、選ばれた液晶基板材料と互換性を持つならば、二酸化ケイ素にも代わるものとして用いることができる。図８Ａおよび８Ｂは、図５の処理ステップ２０７を実行するために使われるマスク例を示し、各基板上に５ミクロンの厚さの二酸化ケイ素のパターン層が堆積されている。
【００４７】
第８ステップは金属ガスケット要素１０６の形成を含む。金属ガスケット要素１０８は、これらに限られないが、インジウム、金、ニッケル、錫、クロム、白金、タングステン、銀、ビスマス、ゲルマニウムおよび鉛のような種々の金属から形成することができる。しかし、その柔軟性および比較的低い溶融温度のため、インジウムを使うことが望ましい。図Ａ９および９Ｂは、図５の処理ステップ２０８を実行するために使われるマスク例を示し、継続例のために、インジウムが、約７〜９ミクロンの厚さの層で、等しく前記各基板の上に堆積される。この処理ステップの金属ガスケット層は、前記付加の処理ステップの間に起こる漏出による前段階のスペーサ要素より厚く堆積されることは一般に望ましい。図９Ａおよび９Ｂに示されているように、金属ガスケットマスクは、基板１１０Ａまたは１１０Ｂのいずれかに堆積された材料間で電気的相互接続を可能にする関連する複数のビア（ＶＩＡＳ）３００を成形するために構成される。複数のビア（ＶＩＡＳ）３００は、また、温度センサと発熱体とに外部の接触パッドの取り回しを簡素化するために成形される。例えば、本実施例のビア（ＶＩＡＳ）３００は、第６ステップで規定されたヒータ/温度センサ白金層に重複するように配置される。それらは、また、液晶セルの２つ電極を駆動するための接触パッドを規定するように、ＩＴＯ層に重複するように配置される。
【００４８】
第９ステップは、ウエハ１１０Ａをウエハ１１０Ｂに位置合わせし、押し付けることを含む。視認可能な位置合わせ照合マークを基礎の前記ウエハにエッチングで形成し、あるいはエッジまたは位置合わせ穴のような前記ガラス板の物理的特徴をウエハの位置合わせに用いることが知られている。しかしながら、高価な高精度配列装置を用いることなく２つの前記ガラス基板の相対的な位置合わせを正確におこなう高い歩留まり法がここに述べられており、それにより各基板を接合し、押し付ける間に前記板ガラスの相対移動を防止すべく、各基板上に形成された相補的な幾何的かみ合い構造物を相互に結合する。そのような連結構造物は、接合工程における如何なる不均一性をも緩和し、液晶セルの２枚のガラス板間の典型的なギャップが２０マイクロメートルより少ないと仮定すると、薄膜形成またはスクリーニングの処理は、正確に制御されかつ反復可能な幾何学的構造物の形成に用いることができる。図５の処理ステップ２０９について、前記基板１１０Ａおよび１１０Ｂは、両基板から形成されたサンドイッチ構造のスペーサ要素によって規定されるギャップ距離で化学結合金属ガスケットを成形するために、室温の圧力の下で、位置合わせされ接合される。
【００４９】
第１０ステップは、ウエハのダイシングを含む。図５の処理ステップ２１０は、ダイシングソーまたはビア（via）エッチング技術を用いて行うことができる。
【００５０】
第１１ステップは、液晶セルから保護ガラスの一部を除去することを含む。図１０Ａは、本発明の完成した実施例における前記基板間の該基板を介して結合された種々の層の上面透視図を示す。図５の処理２１１について、基板１１０Ｂは、基板の厚さの約９０％の溝を切り図１０Ａの分離線１１９を形成するために、ダイアモンドのダイシングソーを使って刻み目を入れられる。基板１１０Ｂの一部は、液晶注入孔１１５、内在する液晶電極接触パッド５００および５００′および内在する液晶ヒータ/温度センサ素子電気接触パッド５０２および５０２′へのアクセスを許す図１０Ｂのアクセス表面１１３を規定するために、分離線１１９に沿って分離される。
【００５１】
第１２ステップは、液晶装置を液晶分子で満たす（図５の処理２１２）ことを含む。このステップは、液晶セルを満たす従来方法を使って行なうことができ、セルが真空中に置かれて、液滴サイズの液晶物質が注入孔１１５に入れられ、真空の解除による平衡圧が液晶物質を注入孔１１５に押し込み、該注入孔に栓が施される。前記注入孔を閉じるために、ＵＶ硬化エポキシ樹脂の他、前記注入孔にふたを被せる種々の技術を用いることができる。
【００５２】
エレクトロニクス制御系
液晶セルシステムに向けられた構成要素のブロックダイヤグラムとそのホストコントローラが、本発明の液晶熱管理および電圧制御サブシステムとともに、図１１に示されており、以下、さらに詳しく説明する。
【００５３】
一つの実施例では、ホストコンピュータ４００は、全二重データインタフェースでマイクロコントローラ４０２と通信するように構成されており、ホストコンピュータが機能を働かせ、コマンドを送り、マイクロコントローラ４０２からデータを検索することが可能である。マイクロコントローラは、ソフトウェア制御ルーチンを保持するように構成されている。ソフトウェア制御ルーチンは、気温の変動に応じて液晶セルに供給される駆動電圧を調整するように機能する。
【００５４】
マイクロコントローラは、セルがほぼ一定の温度で保持されるように、一体化されたセンサ/ヒータ機器で温度感知および加熱機能を多重化する時分割多重化スキームを利用する。較正処理は、セルのプロファイルを特徴付けており、与えられた温度とセルの状態入力のために最適な駆動電圧出力を提供する多項式の回帰式を生成する。マイクロコントローラ４０２は、液晶セルの状態および回帰式を記憶し、温度を補償する駆動電圧を計算しこれをアサートするために、液晶セルの温度を読む。
【００５５】
図１１は、本発明の方法を行なうために使用される較正処理を示し、液晶セルの熱動作特性プロファイルが、温度とセル状態とに応じてセルに印加される駆動電圧を調整するために使用される記憶された回帰式に組み入れられた決定論的な係数に変換されている。
【００５６】
セル温度および電圧補償プロファイルにおける係数値を決定する第１ステップは、温度の範囲に亘って液晶セルの駆動特性を描くことである。プロファイル処理ステップ６０１では、所定の電圧と温度との組合せで、前記セルを通過する光源とその減衰とを試験する。動作可能の液晶セルは、所定の間隔で所望の温度の範囲に亘って動作温度を変更すべくプログラムされた熱室に置かれる。あらゆる温度変化間隔において、減衰などの動作特性が測定される間、一定範囲の電圧値が液晶セルに印加される。参照減衰レベルが達成されるまで、電圧はスキャンされ、その時点での電圧、減衰および温度レベルがセルプロファイル定義テーブルの格子点表示として記録される。液晶セルの性能は格子点減衰と複数の温度レベルで記録され、どのような温度と電圧の入力でも減衰レベル出力を提供する多次元ルックアップテーブルを結果として生じ、このテーブルは、三次元として表示される。
【００５７】
第２ステップは、前段階において記録された所定の減衰レベルでの温度に関する電圧プロファイルを滑らかにするためにルックアップテーブルの処理を必要とする。マスマテカ・アンド・コマット（Mathematica & commat)など、回帰分析を実行することが可能な統計プログラムを処理ステップ６０２の実行に用いることができる。回帰ソフトウェアは第１ステップにおいて生成されたルックアップテーブルを備え、以下の公式で表された、各減衰レベルでのセルの電圧対温度プロファイルを表す適切な係数a、b、c、d、およびeを生成する４次数の回帰曲線適合処理を実行する。
【００５８】
v = a + bT + cT2 + dT3 + eT4 
v1 = a1 + b1T + c1T2 + d1T3 + e1T4
v2 = a2 + b2T + c2T2 + d2T3 + e2T4 
・
・
・
vn = an + bnT + cnT2 + dnT3 + enT4
【００５９】
ここで、Vは電圧、Tは液晶セル温度、ａ、ｂ、ｃ、ｄおよび eは曲線に適合する係数、ｎは減衰レベルである。
【００６０】
滑らかな曲線が記録された格子点減衰レベルで所定の温度のために最適な駆動電圧レベルを規定する先のステップに起因していると仮定すると、第３ステップは、３次元表面の直交軸を横切って適合した滑らかな曲線の回帰式に帰着し、それによって円滑な曲線が第１ステップにおいて記録された粗い減衰格子点上に適合する。この処理ステップ６０３で、先のステップの５つの係数は、２次回帰によってそれぞれ解かれる。特にMathematica&commatあるいは適当なプログラムは、回帰式ｖ”=ａｎ+ｂＴ+ｃＴ２+ｄ”Ｔ３+ｅ”Ｔ４のオーダーのすべてに亘って5つの係数ａ、ｂ、ｃ、ｄおよびｅのそれぞれのプロファイルに適合した３つの係数のために解くように使われる。したがって、滑らかな表面のプロファイルは、以下の公式により、入力減衰状態および温度を与えられた最適な電圧補償レベルを規定する。
【００６１】
V=ａ＋ｂＴ＋ｃＴ２＋ｄＴ３＋ｅＴ４、ここで
a = (X + Yθ+ Zθ2) 
b = (X１ + Y1θ + Z1θ2)
c = (X2 +Y2θ + Z2θ２)
d = (X3 + Y3θ + Z3θ2)
e = (X4 + Y4θ+ Z4θ2) 
【００６２】
θは液晶減衰レベル
X, Y, Zは、０次係数の解、 
X1, Yl, Zlは、１次係数の解 
X2, Y2, Z2は、２次係数の解 
X3, Y3, Z3は、３次係数の解
X4, Y4, Z4は、４次係数の解
【００６３】
１５個の係数解（Xn, Yn, Zn、ここでｎは0から4まで）は、マスマテカ（Mathematica）により、適当な（データ、{l、x、x2、および…、xn}、x）関数または曲線適合回帰を実行可能な他の適当なソフトウェアパッケージを使って生成できる。
【００６４】
第４ステップは、図１１の較正処理における最終ステップである処理６０６であり、説明中の液晶制御系の係数を記憶する。
【００６５】
液晶特性を描く係数は、適切な１５個の係数値でマイクロコントローラ４０２のメモリ(図１２)をフラッシュすることによって、該マイクロコントローラのメモリに保存することができる。
【００６６】
本発明の熱の補償システムは、液晶セルの温度を読み、セル状態に基づいてセルのドライブ電圧を調整することにより、動作する。セル状態は、一般にオフ、オンで動作させ、あるいは変数のモードの中で動作させることができる。セル状態は、マイクロコントローラ４０２に記憶され、またホストコンピュータ４００を経て形成される。
【００６７】
アナログ−デジタル変換器を内部に有し１０Ｍｈｚの水晶発振器４０４のクロックで動作するＰＩＣマイクロチップでマイクロコントローラを構成することができる。マイクロコントローラは、シリアルインターフェイスでマイクロコントローラからのパルスストリームの形態に応答して出力電圧レベルを提供するように形成されたデジタル・アナログ・コンバータ(ＤＡＣ)に接続される。ＤＡＣの出力端子は、約１．２ｋHzで前記マイクロコントローラのポートピンによって計時されるアナログスイッチ４１４の入力端子に接続される。ＤＡＣに渡されたデータは、１．２ｋHzを超えるキャリアのＡＭ送信の振幅を規定し、該キャリアは、液晶セル電極５００および５００′（図１０Ｂ）への差動駆動電圧を生じる。
【００６８】
温度センサの示度は、外部装置から内部の一体的なヒータ/温度センサによって提供される。液晶セル１００のヒータ/温度センサの電極５０２、５０２′の一方は接地され、その他方はスイッチ４０７に接続される。スイッチ４０７は、選択的に感知または加熱モードの一体的なヒータ/温度センサ素子１０８に連動する。
より詳細には、スイッチ４０７は、オンで、液晶セルの温度を読むマイクロコントローラに計装用増幅器４０６を通して結合されたADCに、接地されていないヒータ/温度電極を接続するように構成され、また、オフで、マイクロコントローラ４０２からのパルス列によって制御を受ける電力増幅器ＦＥＴ４１０であって前記装置１０８をヒータとして動作させるために電位差を印加する電力増幅器ＦＥＴ４１０に繋がるように構成されている。
【００６９】
温度感知のためのフィードバック閉ループ（図１１の処理ステップ６０７から６０９までに含まれるループとして参照される）の動作において、マイクロコントローラは、前記液晶セルの温度を読み、感知された温度Ｔおよび液晶セルの現状θに基づいて駆動電圧を計算する。１５個の係数は、与えられた温度とセル減衰レベルとのために液晶セルに供給する最適な電圧を描く円滑な表面のプロファイルを確立する4次回帰式に、挿入し直される。
【００７０】
v= (X + Yθ+ Zθ2) +
(Xl + Y１θ + Z１θ2) T +
(X2 + Y2θ + Z2θ2)T2 +
(X3 + Y3θ + Z3θ2)T3 +
(X4 + Y4θ + Z4θ2)T4
【００７１】
新たな電圧値Ｖが計算され、液晶セルへの温度補償がなされたＡＭ駆動電圧を生じるために、計時されたアナログスイッチ４１４に適切な大きさの直流電圧を供給するＤＡＣ４１２に送られる。
【００７２】
液晶セルは、また、ほぼ基準温度に維持される。図１１に関する処理ステップ６０９は、液晶セルの温度をほぼ基準温度に維持するために、加熱することを含む。基準温度は、周囲の室温を超えまたは前記ＬＣ（液晶）セルに結合されるすべての担体装置の温度を超えるかもしれない。周囲温度を超える基準温度を選択した場合は、急激な加熱を適用した後、周囲温度に遭遇するために結果として前記ＬＣが冷却を受けるであろう。したがって、カウンタ熱のバイアスは、基準温度について温度安定性をサポートするために生成される。
【００７３】
前記マイクロコントローラのメモリは、基準温度、現温度値、温度履歴および前記ＬＣに適用された加熱レベルの履歴を記憶しておくことができる。すべての場合、感知された温度Ｔの値は、液晶セルに適用される熱量を決定するために基準温度に比較される。8ビットのアナログ−デジタル変換器は、所望の温度範囲の全域に亘ってほぼ１／３度の温度感知解像度を提供するので、本実施例では、基準温度について摂氏１／３度以内での温度安定性を提供し得る。処理ステップ６０９のすべての例で、液晶セルの感知された温度が所望の動作基準温度を下回ると、マイクロコントローラのＲＯＭ中に記憶された閾値検出器ルーチンは、制御機能を引き起こす。制御機能は、液晶セルにどれだけの熱を供給するかを決める。制御機能は、エラーを最小限にするルーチンを利用し、該ルーチンでは処理ステップ６０９の多数の例の全体で温度の変化を追跡する。エラー訂正ルーチンは、液晶セルに適用された先の熱量ＨＯと共に、先の温度読み取り値ＴＯを記憶することができる。温度読み取り値とそれに続くすべての温度読み取り値Ｔｌは、液晶セルの先の加熱による温度変化の量を決定するために、前記ＴＯに比較される。前記したように、熱は、ＦＥＴパワードライバーを経て液晶セルに適用される。前記ヒータは、一定または可変のデューティ・サイクルで駆動され、周波数変調または振幅変調で制御を受ける。
【００７４】
本発明は、明細書および添付の図面により充分に説明されているが、当業者にとって、種々の変更および改良が明白であろう。例えば、基本的なセルプラットホーム中のスペーサ要素、金属ガスケットおよび一体化されたヒータ/温度センサ素子を成形するために、種々のパターンを用いることができる。本発明の温度補償方法および回帰に、部分的または全体的に外部の温度センサとヒータとを使うことができる。金属ガスケットは、防湿支持膜としての機能に加えて、これに加熱機能を与えるべく調整することができる。エポキシ樹脂ガスケットは、部分または全体的に金属ガスケット要素との組み合わせで用いることができ、金属ガスケット要素は1つのはんだキャップを含むことができる。またセル内に液晶物質配列させ、また固定させることは、写真配列物質である、スイスのVantioによるStaralignを使って行うことができ、またはレーザーエッチングを含む他の既知の配列方法を用いることができる。セル内に液晶物質を固定させる(第５ステップ)ことは、ポリイミドのパターニング(第４ステップ)前に実行することができる。加熱過程は、駆動電圧を適用することに先がけて実行されるように、閉ループ温度フィードバックのための処理ステップを組み替えることができる。３次元面の各次元に電圧をフィットさせる次数は可逆であり、第４次多項式にフィットする一次元および２次多項式にフィットする他の次元を含み、これに限定されないが、アルゴリズムにフィットする他の３次元面が使用可能である。振幅変調または周波数変調は、液晶セルの駆動に用いることができる。本発明の第４実施例は、本発明の第３実施例の一体化した温度センサ/発熱体で設定することができる。液晶セルは単一のピクセルに限定されない。液晶セルは多数のピクセルから成ってもよい。液晶セルの配列は、1ピクセル以上を持つセルの配列を含んで成形することができる。したがって、ここに定義されたそれらの抽象概念からの種々の変更および改造は、本発明の範囲を逸脱しない限り、請求項に含まれると解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】液晶セルの屈折率の温度依存性およびその変化の一例を示す。
【図２】液晶セルの減衰特性の温度依存性の一例を示す。
【図３】液晶セルのシャッター切り換え速度が温度およびセルギャップの厚さの関数として変化する様子を示す。
【図４Ａ】本発明の液晶セルの種々の実施例を示す。
【図４Ｂ】本発明の液晶セルの種々の実施例を示す。
【図４Ｃ】本発明の液晶セルの種々の実施例を示す。
【図４Ｄ】本発明の液晶セルの種々の実施例を示す。
【図５】本発明の液晶セルの組み立てのための処理フローの一例を示す。
【図６Ａ】本発明の酸化インジウム錫（ＩＴＯ）電極の形成マスクの例を示す。
【図６Ｂ】本発明の酸化インジウム錫（ＩＴＯ）電極の形成マスクの例を示す。
【図７Ａ】発明の一体化された能動的熱素子形成マスクを示す。
【図７Ｂ】発明の一体化された能動的熱素子形成マスクを示す。
【図８Ａ】本発明のスペーサ要素形成マスクを示す。
【図８Ｂ】本発明のスペーサ要素形成マスクを示す。
【図９Ａ】本発明の金属ガスケット要素層を形成するためのマスクの例を示す。
【図９Ｂ】本発明の金属ガスケット要素層を形成するためのマスクの例を示す。
【図１０Ａ】本発明の種々の層間の関係を示す一体的な透視図の平面図の例を示す。
【図１０Ｂ】組み立て処理の終了時における液晶セルの等角図である。
【図１１】液晶の温度較正および帰還ループ法のフローを示す。
【図１２】本発明の電極制御および温度管理システムのためのブロックシステム図を示す。
【符号の説明】
【００７６】
１００  液晶セルプラットホーム
１０４Ａ  第１の電極層
１０４Ｂ  第２の電極層
１０６Ａ、１０６Ｂ  金属ガスケット層
１０７Ａ、１０７Ｂ  スペーサ要素層
１０８Ａ、１０８Ｂ  ヒータ／温度センサ素子
１０９Ａ  第１の液晶配列層
１０９Ｂ  第２の液晶配列層
１１０Ａ  第１の基板
１１０Ｂ  第２の基板
１１１、１１２  光学要素
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
0004722831.tif 000014
【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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