(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負の誘電異方性のネマティック液晶材料の層を挟む第１のセル壁（２）及び第２のセル壁（４）と、
前記液晶材料の少なくとも一部を通して電界を印加するための、第１のセル壁（２）上の行電極および第２のセル壁（４）上の列電極と、
少なくとも前記第１のセル壁（２）の内側表面上にあり、隣接する液晶分子に実質的に平行配列をとらせる化学的性質をもつ表面を有する材料からなる配向層（６）とを含み、
前記配向層（６）がその中に孔のアレイ（８）を有し、これらの孔は、各孔に隣接する前記液晶材料のディレクタが実質的に同一のアジマス方向（セル壁がｘ−ｙ面内にあり且つセル壁に対する垂線をｚ軸とした場合のｘ−ｚ面内における方向）において２つの異なる傾斜角度をとるように、ｘ−ｙ断面が実質的に正方形であり、
前記第２のセル壁（４）が、前記ディレクタが、前記ディレクタのホメオトロピックな、平面のあるいは傾斜の局所配列を誘発する表面配向を有し、
前記電極に適当な電気信号が印加された後に２つの安定な液晶分子配列状態が存在しうるように構成された、双安定ネマティック液晶デバイス。
【請求項２】
前記第２のセル壁（４）が、前記ディレクタの実質的にホメオトロピックな局所配列を誘発する表面配向を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記孔（８）が０．５から５μｍの範囲の深さを有する、請求項１から２のいずれか１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記孔（８）が０．９から１．５μｍの範囲の深さを有する、請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記孔（８）の側壁の少なくとも一部が、前記第１のセル壁（２）の平面に対する垂線に関して傾斜している、請求項１から４のいずれか１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記孔（８）の各々が０．２から３μｍの範囲の幅を有する、請求項１から５のいずれか１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記孔（８）が不規則なアレイに配置されている、請求項１から６のいずれか１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記孔（８）がランダム又は擬似ランダムなアレイに配置されている、請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
前記孔（８）が相互に０．１から５μｍ離して配置されている、請求項１から８のいずれか１に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記孔（８）が相互に０．５から１．５μｍ離して配置されている、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記配向層（６）がフォトレジスト又はプラスチック材料から形成される、請求項１から１０のいずれか１に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記液晶材料が界面活性剤を含む、請求項１から１１のいずれか１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記孔（８）の形状及び／又は向きが、前記孔（８）に隣接するディレクタのアジマス配向（セル壁がｘ−ｙ面内にあり且つセル壁に対する垂線をｚ軸とした場合のｘ−ｚ面内における配向）をただ１つだけ優先するようになされ、この配向が各孔（８）について同じである、請求項１から１２のいずれか１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記孔（８）の形状及び／又は向きが、前記孔（８）に隣接するディレクタのアジマス配向（セル壁がｘ−ｙ面内にあり且つセル壁に対する垂線をｚ軸とした場合のｘ−ｚ面内における配向）をただ１つだけ優先するようになされ、この配向が孔によって変化し、前記２つの安定な液晶分子配列状態の一方において散乱効果を与える、請求項１から１３のいずれか１に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記ディレクタが、前記第１のセル壁（２）と前記第２のセル壁（４）の間でねじれる、請求項１から１４のいずれか１に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記配向層（６）が誘電体材料から形成される、請求項１から１５のいずれか１に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記配向層（６）が、前記第１のセル壁（２）と前記第２のセル壁（４）を隔てるスペーサとして機能する、請求項１６に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記孔（８）が規則的なアレイに配置されている、請求項１に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、双安定ネマティック液晶デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶デバイスは典型的には、液晶（「ＬＣ」）材料を間に挟んで向かい合って配置される、一対の離間された半透明セル壁を含む。これらのセル壁は、電界をかけて液晶材料を配向させるための、透明な配線電極のパターンを有する。
【０００３】
液晶材料は、長軸と短軸に沿って異なる光学的性質を有する、棒状又は木摺状の分子である。これらの分子は、ある程度の長い範囲にわたって規則性を示し、従って局所的には、隣接する分子と同様の配向を取り入れる傾向がある。分子の長軸の局所的な配向は、ディレクタと呼ばれる。ディレクタがセル壁の平面に対して垂直に向けられるとき、それをホメオトロピック配向と呼ぶ。セル壁の平面に沿ったディレクタの配向、及びセル壁の平面に対してある角度をなすディレクタの配向はそれぞれ、平面ホモジニアス配向及び傾斜ホモジニアス配向と呼ばれる。
【０００４】
液晶材料には３つの種類、すなわちネマティック、コレステリック（キラルネマティック）、及びスメクティックがある。本発明はネマティック液晶材料を用いるデバイスに関し、これは任意選択的に、キラルであるか、あるいはキラルにドープされることができる。
【０００５】
ネマティック液晶材料を用いる典型的な液晶ディスプレイは単安定であり、電界をかけることによって液晶分子が「オン」状態に配列され、電界を取り除くと液晶分子は所定の「オフ」状態に戻る。そのような単安定モードの例には、ツイステッドネマティック（ＴＮ）、スーパーツイステッドネマティック（ＳＴＮ）及びハイブリッド配向ネマティック（ＨＡＮ）の各モードがある。「オン」状態の各画素は、電界閾値より高いレベルに保持されねばならない。このことは、複雑なディスプレイをアドレス指定してマトリクス駆動する際に問題を生じうる。こうした問題は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）によって各画素を駆動することで解消可能であるが、大面積のＴＦＴアレイを製造することは難しく、また製造コストの上昇を招く。
【０００６】
多数の双安定液晶デバイスが提案されている。こうしたデバイスでは、ネマティック液晶は２つ以上の安定した配向のディレクタを有し、適当な波形によってアドレス指定されると、２つの安定状態の間で切り替わることができる。
【０００７】
米国特許第４３３３７０８号は、安定した分子配列状態の間での切り替えが、電界に応じて回位を移動させることによりなされる、多安定液晶デバイスを開示する。
【０００８】
ＷＯ９１／１１７４７及びＷＯ９２／００５４６には、ＳｉＯコーティングの厚み及び蒸発を注意深く制御することで、双安定表面を設けることが提案されている。ディレクタが平面状をなす第１の安定した配向と、ディレクタが、その表面の平面内において第１の配向に対して９０°のアジマス角（表面の平面内で）をなすと共に約３０°だけ傾斜した、第２の安定した配向とを得ることができる。
【０００９】
英国特許第２２８６４６７号には、ディレクタが表面に対して平面状であり、回折格子の寸法を正確に制御することによって２つの表面配向を安定化させる、二重回折格子表面を用いることにより、アジマス双安定表面を達成することが提案されている。
【００１０】
Ｒ．Ｎ．Ｔｈｕｒｓｔｏｎ等による「機械的双安定液晶ディスプレイ構造」（IEEE Trans. on Elec. Devices, Vol. ED-27, No. 11, Nov. 1980）には、「垂直−水平」及び「水平−水平」と呼ばれる２つの双安定ネマティック液晶モードが記載されている。垂直−水平モードでは、両方のセル壁が大体４５°の傾斜を与えるように処理され、そのデバイスの主たる面に垂直な平面内において、ディレクタが２つの状態間で切り替わることを可能にする。水平−水平モードでは、ディレクタは、そのデバイスの主たる面に平行な平面内において、２つの角度の間で切り替え可能である。
【００１１】
ＷＯ９７／１４９９０及びＷＯ９９／３４２５１は、ホメオトロピックな局所ディレクタを有する単一回折格子表面の利用を記載している。このディレクタは、同じアジマス平面内にあり、異なる傾斜角を有する２つの安定状態を有する。ホメオトロピック配向は、自発的なホメオトロピック配向を生じさせる材料の層内に単一回折格子を形成することにより、より具体的には、レシチンのようなホメオトロピック誘発配向剤で回折格子表面をコーティングすることにより達成される。ＷＯ０１／４０８５３は類似のディスプレイ技術を記載しており、そこでは局所的なホメオトロピック配向を有する小さな配向領域が、回折格子領域、突起、あるいは盲孔のような複数の表面造作によって形成され、またこれらは単安定配向の領域によって分離されてもよい。印加される電圧の大きさに応じて散乱量が異なるように、各領域内には段階的な変化を設けてもよく、それによりグレースケール効果が与えられる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、実質的に平面状の局所配列を誘発すると共に、ディレクタが実質的に同じアジマス方向で２つの傾斜角の何れかをとることができるような形状の孔のアレイを有する配向層を用いて、双安定ネマティック液晶デバイスを構成できることを見出した。セルは印加された電界により、２つの傾斜状態の間で切り替え可能であって情報を表示することができ、その情報は電界を取り除いた後も持続可能である。
【００１３】
本明細書において、用語「アジマス方向」は以下のように用いられる。セルの壁がｘｙ平面内に存在するものとし、セル壁に対する垂線をｚ軸とする。同じアジマス方向の２つの傾斜角とは、同じｘｚ平面内におけるディレクタの２つの異なる向きを意味し、ここでｘはｘｙ平面上へのディレクタの射影として得られる。
【００１４】
本発明の課題は、このような双安定ネマティック液晶デバイスを提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの側面によれば、双安定ネマティック液晶デバイスが提供され、そのデバイスは、
ネマティック液晶材料の層を挟む第１のセル壁及び第２のセル壁と、
この液晶材料の少なくとも一部を通して電界を印加するための電極と、
少なくとも第１のセル壁の内側表面上にあり、隣接する液晶分子に実質的に平面状の配列をとらせる化学的性質をもつ表面を有する材料からなる配向層とを含み、
配向層がその中に孔のアレイを有し、これらの孔は、各孔に隣接するディレクタが実質的に同一のアジマス方向において２つの異なる傾斜角度をとるようにする形状及び／又は向きを有し、
電極に適当な電気信号が印加された後に２つの安定な液晶分子配列状態が存在しうるように構成されている。
【００１６】
本発明は、比較的高速に双安定状態を切り替えることができる、頑丈なディスプレイ装置を提供する。約５０μｓの持続時間を有する電圧パルスは、切り替えを生じさせるのに適当である。
【００１７】
驚くべきことに、ディレクタの配向は、アレイ又は格子によってではなく、孔の幾何学的形状によってもたらされることが見出された。
【００１８】
孔は、デバイスの主たる面に垂直か、又はこれに対して傾斜した、実質的に真直ぐな側面を有することができる。あるいは孔は、湾曲した又は不規則な表面形状又は構造を有することができる。
【００１９】
ディレクタは局所的に、孔の特定の形状に応じた向きに配列する傾向がある。正方形の孔のアレイの場合、ディレクタは、正方形の２つの対角線のいずれか一方に沿って配列しうる。別の形状が選択された場合には、３つ以上のアジマス（方位）方向が存在する場合も、１つのアジマス方向しか存在しない場合もある。例えば等辺三角形の孔は、実質的に各々の角の二等分線に沿って、３つの方向をもたらすことができる。一方の軸が他方の軸より長い楕円形あるいはダイヤモンド形は、単一の局所的ディレクタ配向をもたらし、これがアジマス方向を規定する。こうした配向は、非常に広汎な種々の孔形状によってもたらされ得ることが理解されよう。さらに、対角線の一方に沿って正方形の孔を傾斜させることにより、１つの方向を、他の方向に優先して選択することができる。同様に、円筒形の孔を傾斜させることにより、傾斜方向の配列を誘発することができる。
【００２０】
局所的なディレクタの配向は孔の幾何学的形状によって決定されるので、アレイは必ずしも規則的なアレイでなくてもよい。好ましい実施形態では、孔は規則的な格子ではなく、ランダムあるいは擬似ランダムなアレイに配列される。規則的な格子では、隣接する造作間の間隔は一定である。ランダムアレイでは、隣接する造作の任意の特定の一対の間の間隔は、そのアレイ内の他の何れかの造作の間隔から予測することができない。擬似ランダムアレイでは、隣接する造作の任意の特定の一対の間の間隔は、その間隔を生成するために用いられたプロセスに関する知識を持たない場合には、他の近隣の造作の間隔から容易に予測することはできないが、大きなスケールで見ると、繰返しパターンが存在する場合がある。所望の特性を有するランダム数及び擬似ランダム数の発生は、例えば暗号技術、統計学及びコンピュータプログラミングの技法においてよく知られている。擬似ランダムアレイを生成するためのプロセスの一例は、規則的な間隔で配置されるアレイから出発して、この規則的な間隔の擬似ランダムな分数を用いて、各造作を移動させることであろう。こうした配置は、規則的な構造を利用することに由来しうる回折色を排除するという利点を有する。そのようなアレイはディフューザとして動作しうるものであり、それにより、幾つかのディスプレイで必要とされている外部のディフューザを不要にすることができる。当然、ディスプレイに回折色が望まれる場合には、アレイは規則的に形成することができ、その場合に孔は、所望の干渉効果を生成する間隔でもって、離隔して配置される。こうしてこの構造は、必要とされる配列を与え、またテクスチャ加工された表面から生ずる光学的効果を緩和したり増強したりするように、個別に最適化することができる。
【００２１】
配向層は連続的であっても断続的であってもよい。配向層は好ましくは、第１のセル壁上で隣接する電極パターン同士が導通するのを防ぐために、誘電材料から形成される。しかしながら配向層は、他の適当な材料、例えば導電性ポリマーや金属から形成されることもできる。以下の説明では便宜上、本発明は誘電材料から形成される配向層に関して記述される。
【００２２】
配向層及び孔は、任意の適当な手段によって、例えばフォトリソグラフィ、エンボス加工、鋳造、射出成形、あるいはキャリア層からの転写によって形成することができる。ホメオトロピック配向を誘発するために、孔を画定する表面をコーティングで処理する必要はない。
【００２３】
一実施形態では、液晶ディレクタに、ある程度のねじれがもたらされ、これによってデバイスの光学的特性を改善することができる。そのねじれは、キラルであるか、あるいはキラルにドープされた液晶材料を用いることによってもたらすことができる。加えて、或いは代替的に、ねじれは、平面配列、又は第１のセル壁上の造作によって生ずるアジマス方向に対して０でない角度をなす傾斜した平面配列を誘発するように、第２のセル壁の内側表面を処理することによりもたらしてもよい。
【００２４】
第２のセル壁の内側表面は、任意の特定の種類の配向を生ずる傾向を殆ど又は全く示さないように、低い表面エネルギーを有することができる。これによりディレクタの配向は、本質的には第１のセル壁上の造作によって決定されるようになる。しかしながら、第２のセル壁の内側表面は、局所的なディレクタの所望の配向を誘発するような表面配向を与えられることが好ましい。この配向は、ホメオトロピック、平面あるいは傾斜配向の何れでもよい。この配向は、第１のセル壁のアレイに類似した孔のアレイによって、あるいは従来の手段、例えばラビング、光配向、単一回折格子、又はホメオトロピック配向を誘発する剤で壁表面を処理することによって与えることができる。第２のセル壁は好ましくは、実質的にホメオトロピックな局所配列を誘発するように処理される。ホメオトロピック配向は、レシチン、クロム錯体、又はホメオトロピックポリイミドのような、周知の表面処理剤によって達成することができる。このモードでは、大きく傾斜したエネルギーの低い状態から小さく傾斜したエネルギーの高い状態への切り替えを促進するように、負の誘電異方性を有するネマティック液晶を用いることも望ましい。本発明者らは、両方の内側セル壁表面上に孔のアレイがある場合に、双安定な切り替えが行われることを見出した。適当な電極配置が行われていれば、正の誘電異方性の液晶材料で切り替えを行うこともできるはずである。便宜上、以下では本発明は、負の誘電異方性を有する液晶材料と、第２のセル壁上におけるホメオトロピック配向に関して記述するが、本発明がこの実施形態に限定されないことは理解されねばならない。
【００２５】
使用に際して本発明のデバイスには、液晶材料の切り替えられた状態を識別するための手段が設けられる。例えば偏光子及び解析子が、液晶デバイスの製造分野において当業者によく知られているようにして、液晶セルのそれぞれの側に取り付けられる。偏光子に対するアジマス配列方向が４５°であるように交差された偏光子の間で観察した場合、傾斜の大きな状態は暗く見え、複屈折が増加するため傾斜の小さな状態は明るく見える。代替的には、多色性染料を液晶材料に溶解し、任意選択的に単一の偏光子をセル上に設けてもよい。しかしながら、本発明の装置は、偏光子その他の識別手段なしに製造し、販売することができる。
【００２６】
孔は、液晶材料が２つの異なる傾斜状態をとることを可能にする、任意の深さからなることができる。この深さは、孔の形状や幅、液晶材料、及びセルの特性が異なれば異なるであろう。好ましい深さの範囲は０．５〜５μｍであり、特に約３μｍのセル間隔の場合には０．９〜１．５μｍである。孔が浅い場合には、状態は自然とより平面的になり、孔が深い場合には、状態はよりホメオトロピックになる。
【００２７】
孔は、任意の都合のよい幅（寸法）からなることができる。好ましい幅の範囲は０．２〜３μｍである。孔は好ましくは、相互に０．１〜５μｍだけ離して配置される。
【００２８】
孔は一方のセル壁上のみに設けてもよく、また任意選択的に、両方のセル壁上に設けることもできる。
【００２９】
配向層には任意選択的に、セル壁の間の間隔を与えるための柱（ピラー）その他の突起物を備えることができる。当分野においてよく知られている従来のスペーサ手段、たとえばガラスビーズやガラス繊維片を用いて、セル壁の間隔を設定することができる。配向層はそれ自体で間隔を設定してもよく、その場合にセルは本質的には第１のセル壁と第２のセル壁の間に配向層を挟んだ積重体からなり、液晶が孔に配置される。
【００３０】
セル壁はガラスから形成してもよく、あるいは剛性又は剛性でないプラスチック材料、例えばＰＥＳ、ＰＥＴ、ＰＥＥＫ、又はポリアミドから形成してもよい。
【００３１】
１つの電極構造（典型的にはインジウムスズ酸化物のような透明導体）が、公知の仕方で各セル壁の内側表面上に設けられることが好ましい。例えば、第１のセル壁には複数の「行」電極を設け、第２のセル壁には複数の「列」電極を設ることができる。しかしながら、セル壁の一方又は両方に、好ましくは第１のセル壁だけに、平面状（インターディジタル構造）の電極構造を設けることもできる。
【００３２】
孔と孔の間にある材料が連続した網状構造を形成する場合、欧州特許第１０６７４２５号に教示されているようにして、この微小構造の上側及び下側に電極を設けることもできる。
【００３３】
孔の形状及び／又は向きは好ましくは、孔の造作に隣接するディレクタのアジマス配向をただ１つだけ優先するようになされる。この配向は各孔について同じであってもよく、或いはこの配向が孔によって変化し、２つの安定な液晶分子配列状態の一方において散乱効果が与えらるようにしてもよい。
【００３４】
液晶に少量の界面活性剤オリゴマーを加えることにより、切り替えを改善可能であることが知られている。例えばＷＯ９９／１８４７４、及びＧ．Ｐ．Ｂｒｙａｎ−Ｂｒｏｗｎ、Ｅ．Ｌ．Ｗｏｏｄ及びＩ．Ｃ．Ｓａｇｅによるネイチャー誌の論文（Vol. 399, p338, 1999）を参照されたい。本発明者らは、適当な界面活性剤の添加により、本発明によるデバイスの切り替えも改善することを意図している。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明を例示によって、さらに詳細に記載する。
【００３６】
図１に概略的に示される双安定ネマティックセルは、第１のセル壁２と第２のセル壁４とを有し、それらは負の誘電異方性のネマティック液晶材料の層を挟み込む。各セル壁の内側表面は、公知のようにして、透明な配線電極のパターン（図示せず）を備える。例えば第１のセル壁２上に行電極が、第２のセル壁４上に列電極が設けられる。
【００３７】
第１のセル壁２の内側表面には、誘電体材料の配向層６が設けられ、そこには正方形の孔８の規則的なアレイが形成されている。第２のセル壁４の内側表面は平坦である。孔８は約１μｍの深さであり、セルギャップ（セル壁の間の間隔）は典型的には２〜４μｍである。平坦な表面は、ホメオトロピック配向を与えるように処理される。孔８及び配向層６は、ホメオトロピック配向を与えるようには処理されない。この表面の化学的性質は、液晶がその表面に隣接して、実質的に平面状の配向をとるようなものとされる。配向層内の孔の実験用アレイのＳＥＭ顕微鏡写真が、図２及び図３に示されている。
【００３８】
こうした正方形のアレイ状の孔は、孔の２つの対角線に沿って、アジマス平面内に２つの好ましい配向方向を有する。孔の内部でのこの配向は、孔の上方にある液晶の部分（バルク）に伝播され、平均的な配向が、この対角線に沿って行われるようになる。
【００３９】
対角線の一方に沿って孔を傾斜させることにより、その配向方向を優先させることができる。この構造のコンピュータシミュレーションを通して、本発明者らは、方位的に見たアジマス配向方向は１つしか存在しないものの、類似のエネルギーを有し液晶の傾斜角度が異なる２つの状態が実際に存在することを見出した。図４及び図５は、孔を通る断面のコンピュータ生成モデルであり、液晶がこうした２つの状態で示されている。この断面はｘｚ平面にある。楕円形で示したものは液晶分子であり、その長軸は局所的なディレクタに対応する。孔の深さは約１μｍである。
【００４０】
一方の状態（図４）では、液晶は傾斜が小さく、中間では実質的に平面状である。他方の状態（図５）では、液晶は大きく傾斜している。液晶の配列の正確なところは、その細かな構造に依存するが、ある範囲のパラメータについて、セルの垂線からの傾斜の大きさが異なる、２つの別個の状態が存在する。これら２つの状態は、偏光子１２及び解析子１０を通して視認することにより区別しうる。傾斜が小さい状態は高い複屈折性を有し、傾斜の大きい状態は低い複屈折性を有する。対角線に沿って孔に十分なブレーズ角を与えることにより、逆に傾斜した状態を排除できるようになる。好ましくは、ブレーズ角は少なくとも３°であり、液晶の性質及びセルギャップに応じて定まる。
【００４１】
本発明の範囲を何ら制限するものではないが、本発明者らが考察するところによれば、上記した２つの状態は、液晶ディレクタが孔によって変形される態様に起因して生ずるものであろう。孔の内壁の近傍で変形される場合、方向が鋭く変化する孔の垂直な前縁及び後縁の部分において、高いエネルギー密度の領域が生ずる。このエネルギー密度は、液晶分子が傾斜した場合には低減されるが、これは方向の変化がより緩やかになるためである。このことは、孔全体を通じて分子がホメオトロピックになる一方の極限において明らかである。この場合には、孔の垂直な縁部（前縁及び後縁）に、歪の大きな領域は存在しない。それゆえ、傾斜が大きい状態では変形エネルギーは低減されるが、孔の底部、並びに孔と孔の間の上面部分にある平坦な表面からの移行部分において、曲げ／傾斜の変形エネルギーはより大きくなる。これらの表面と接触する液晶は傾斜されていないが、セルの大部分での液晶の傾斜を取り入れるに際して、鋭い方向変化を受けるようになる。
【００４２】
傾斜が小さい状態では、逆の意味においてエネルギーの均衡がとられる。即ち傾斜は孔の内部でより一様になるため、孔の前縁及び後縁の辺りでの大きな変形は、孔の内部及び周囲の水平な表面における曲げ／傾斜による変形の欠如によって部分的にバランスされる。コンピュータシミュレーションが示唆するところによれば、ここで示す構成の場合、傾斜が大きい状態はエネルギーがより低い状態である。各状態における傾斜の正確な量は、液晶材料の弾性定数と、孔（配向層）の材料の定着エネルギーとの関数であろう。本明細書において、「水平」という用語は、セル壁の主たる面に実質的に平行な表面を指すように用いられ、「垂直」という用語は、かかる水平表面に垂直な方向を指すように用いられる。
【００４３】
さて図６を参照すると、５μｍ厚（幅）のセルに沿った異なる距離についての、２つの状態についての傾斜分布のコンピュータ生成モデルが示されている。看取されうるように、傾斜の差は孔の上部に行くほど小さくなり、ホメオトロピック配向処理を有するものとしてモデル化した第２のセル壁４において、９０°の傾斜角度に収束している。２つの状態間での切り替えは、適当な電気信号を加えることにより達成される。
【００４４】
図９は、本発明の別の実施形態の場合の、孔の擬似ランダムアレイを示している。これは、干渉効果を生じることなしに、双安定な切り替えを提供する。正方形の孔の各々は約０．８×０．８μｍであり、擬似ランダムアレイは５６μｍの繰返し距離を有する。
セルの製造
インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）でコーティングされた清浄なガラス基板２に、適当なフォトレジスト（Ｓｈｉｐｌｅｙ  Ｓ１８１３）を１．４μｍの最終膜厚までスピンコートした。スピンコート直後に、この基板をホットプレート上で１分間、９５℃でソフトベーキングした。
【００４５】
正方形の透過領域のアレイを正方形に配置して有するフォトマスク（Ｃｏｍｐｕｇｒａｐｈｉｃｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  ｐｌｃ）を基板と強固に接触させた。適当な平行化されたＵＶ光源を用いて、フォトレジストを６０秒間、０．１ｍＷ／ｃｍ２で露光した。用いられたマスクは、０．７μｍ間隔で離れた１．５μｍ幅の正方形の穴（透過領域）を有していた。基板は約６０秒間、脱イオン水で１：１に希釈された現像液Ｍｉｃｒｏｐｏｓｉｔ  Ｄｅｖｅｌｐｅｒを用いて現像され、その後洗浄され、乾燥された。この基板を３６５ｎｍのＵＶ光源を用いて１分間、１ｍＷ／ｃｍ２でフラッド露光し、８５°で１時間ベーキングした。基板はその後、２５４ｎｍのＵＶ光源を用いて１時間にわたり、〜５０ｍＷ／ｃｍ２で強くＵＶ硬化し、真空オーブンでハードベーキングした。オーブンの温度は、基板を入れた時点で８５℃未満であった。その後、温度を毎分３℃で１８０℃まで上昇させ、その温度で１時間保持し、その後周囲温度までゆっくりと下げた。セル壁の平面に対する垂線に対してあるオフセット（逸れ）角をなして、ＵＶ光源を用いマスクを通して露光することにより、傾斜した孔を形成することができた。孔の対角線の一方に沿って約１０°のオフセット角を用いた。傾斜角（あるいはブレーズ角）と、そのオフセット角は、スネルの法則によって関連付けられる。現像液への暴露も、孔の形状に影響を与える。最終的な孔はマスクの寸法よりも多少幅が広がったが、これはおそらく壁の領域へ光が幾らか漏れたためであろう。図３に示される配向層は、孔の形状をより明確に示すために切断してある。
【００４６】
配線電極のパターンを有する第２の清浄なＩＴＯ基板４を、公知の仕方でポリイミド（Ｎｉｓｓａｎ  １２１１）を用いて処理し、液晶のホメオトロピック配向をもたらすようにした。このポリイミドは、３０秒間、４０００ｒｐｍでスピンコートすることによって塗布された。１インチ（２５．４ｍｍ）平方の基板の場合、基板が回転する間に約１００μｌが堆積された。基板はホットプレート上で１分間、９５℃でソフトベーキングされ、その後１時間、１８０℃でハードベーキングされた。
【００４７】
ＵＶ硬化接着剤（Ｎｏｒｌａｎｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｄｈｅｓｉｖｅｓ  Ｎ７３）に適当なスペーサビーズ（Ｍｉｃｒｏｐｅａｒｌ）が含有されたものを用い、３６５ｎｍのＵＶ光源を用いて硬化することにより、試験用の液晶セルを形成した。この接着剤は、デバイスのフォトレジストが存在しない領域に塗布され、セルギャップが第１の基板２上の露出したＩＴＯと第２の基板４上のポリイミドとの間で規定されるようにした。毛管作用により、セルをネマティック液晶混合物（Ｍｅｒｃｋ  ＺＬＩ  ４７８８−０００）で充填した。この充填は、液晶がイソトロピック相にある９５℃で達成され、その後急冷を行った。スペーシング、組立て、及び液晶セル充填の方法は、液晶デバイス製造分野の当業者に周知である。こうした在来の方法を、本発明によるデバイスのスペーシング、組立て、及び充填にも用いることができる。
実験結果
図７及び図８は、３０℃で記録された双安定セルの切り替え応答を示す。このセルは以下の特性を有する。
セルギャップ：  ３μｍ
孔の深さ：  １．４μｍ
孔の幅：  １．５μｍ
孔はそれぞれ０．７μｍの間隔で、正方形の格子状に配置される。
オフセット角：  孔の対角線の一方に沿って８°
液晶：  ＺＬＩ  ４７８８−０００（Ｍｅｒｃｋ）
セルに単極パルスを印加し、透過性に対する影響を記録した。各テストパルスは振幅Ｖ、持続時間τであった。各テストパルスをセルに印加する前に、リセットパルスを印加して、そのセルが常に同じ状態から開始されることを確実にした。次いで透過性を測定した。その後にテストパルスを印加し、透過性が再度測定され、最初の透過性と比較された。図７及び図８において、白い部分は透過性に変化を与えなかったパルスを示し、黒い部分はセルを切り替えたパルスの領域を示す。切り替えは符号に依存しており、閾値は１つである。
【００４８】
２つの状態はいずれも非常に安定している。理論によって拘束されることを意図するものではないが、本発明者らが信ずるところでは、ミクロンスケールの孔の中に閉じ込められていると、液晶の微視的な流れは制限され、そのデバイスが機械的な変形を大きく容認できるようになるものと考えられる。
【００４９】
０．７μｍ、１．５μｍ、２．０μｍ及び３．０μｍといった、種々の異なる寸法（幅）の正方形の断面についても試験を行った（それぞれ正方形間に０．７μｍの間隔を有する）。１．５μｍ幅のものが、テストされた中で最も良好に機能した。３μｍ及び５μｍのセルギャップ（ＩＴＯ−ＩＴＯ間で測定）もテストされ、良好に機能することが判明した。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、新規な、安定状態の良好な双安定ネマティック液晶デバイスを実現することができる。
【００５１】
最後に本発明の実施態様を列記する。
１．ネマティック液晶材料の層を挟む第１のセル壁及び第２のセル壁と、
前記液晶材料の少なくとも一部を通して電界を印加するための電極と、
少なくとも前記第１のセル壁の内側表面上にあり、隣接する液晶分子に実質的に平面状の配列をとらせる化学的性質をもつ表面を有する材料からなる配向層とを含み、
前記配向層がその中に孔のアレイを有し、これらの孔は、各孔に隣接するディレクタが実質的に同一のアジマス方向において２つの異なる傾斜角度をとるようにする形状及び／又は向きを有し、
前記電極に適当な電気信号が印加された後に２つの安定な液晶分子配列状態が存在しうるように構成された、双安定ネマティック液晶デバイス。
２．前記液晶材料が負の誘電異方性を有する、上記１に記載のデバイス。
３．前記第２のセル壁が、前記ディレクタの実質的にホメオトロピックな局所配列を誘発する表面配向を有する、上記１又は２に記載のデバイス。
４．前記孔が０．５から５μｍの範囲の深さを有する、上記１から３のいずれか１に記載のデバイス。
５．前記孔が０．９から１．５μｍの範囲の深さを有する、上記４に記載のデバイス。
６．前記孔の側壁の少なくとも一部が、前記第１のセル壁の平面に対する垂線に関して傾斜している、上記１から５のいずれか１に記載のデバイス。
７．前記孔の各々が０．２から３μｍの範囲の幅を有する、上記１から６のいずれか１に記載のデバイス。
８．前記孔が不規則なアレイに配置されている、上記１から７のいずれか１に記載のデバイス。
９．前記孔がランダム又は擬似ランダムなアレイに配置されている、上記８に記載のデバイス。
１０．前記孔が相互に０．１から５μｍ離して配置されている、上記１から９のいずれか１に記載のデバイス。
１１．前記孔が相互に０．５から１．５μｍ離して配置されている、上記１０に記載のデバイス。
１２．前記配向層がフォトレジスト又はプラスチック材料から形成される、上記１から１１のいずれか１に記載のデバイス。
１３．前記液晶材料が界面活性剤を含む、上記１から１２のいずれか１に記載のデバイス。
１４．前記孔の形状及び／又は向きが、前記孔に隣接するディレクタのアジマス配向をただ１つだけ優先するようになされ、この配向が各孔について同じである、上記１から１３のいずれか１に記載のデバイス。
１５．前記孔の形状及び／又は向きが、前記孔に隣接するディレクタのアジマス配向をただ１つだけ優先するようになされ、この配向が孔によって変化し、前記２つの安定な液晶分子配列状態の一方において散乱効果を与える、上記１から１３のいずれか１に記載のデバイス。
１６．前記ディレクタが、前記第１のセル壁と前記第２のセル壁の間でねじれる、上記１から１５のいずれか１に記載のデバイス。
１７．前記配向層が誘電体材料から形成される、上記１から１６のいずれか１に記載のデバイス。
１８．前記配向層が、前記第１のセル壁と前記第２のセル壁を隔てるスペーサとして機能する、上記１７に記載のデバイス。
１９．前記孔の断面が実質的に正方形である、上記１から１８のいずれか１に記載のデバイス。
２０．前記孔が規則的なアレイに配置されている、上記１に記載のデバイス。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による配向のための孔のアレイを有する双安定液晶デバイスの概略的な断面図である。
【図２】本発明において用いるのに適した配向層内の孔のアレイのＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図３】本発明において用いるのに適した配向層内の孔のアレイのＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図４】本発明による、孔の中で小さな傾斜状態を示す液晶配向のコンピュータ生成モデルを示す図である。
【図５】本発明による、孔の中で大きな傾斜状態を示す液晶配向のコンピュータ生成モデルを示す図である。
【図６】傾斜の小さい状態及び傾斜の大きい状態について、セル内の距離の関数としてモデル化された傾斜分布を示す図である。
【図７】傾斜の小さい状態から傾斜の大きい状態への切り替えについて、本発明による実験用セルの透過度の変化をパルス長及びパルス振幅の関数として示すグラフである。
【図８】傾斜の大きい状態から傾斜の小さい状態への切り替えについての、図７に類似のグラフである。
【図９】擬似ランダムアレイに配置された孔を有する、本発明によるデバイスの単位セルの平面図である。
【符号の説明】
２  セル壁
４  セル壁
６  配向層
８  孔
１０  解析子
１２  偏光子
【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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