(57)【要約】本発明は、ネマチック双安定表示装置に係る。本発明のネマチック双安定表示装置は、アンカリングが破壊された後に、２つの双安定テクスチャが同一の画素内に制御された比率にて共存するようなハイブリッドテクスチャであって、容積内において１８０°回位ラインによって分離された、或いは２つの表面の一方の所で１８０°再配向壁によって分離されたハイブリッドテクスチャを生成するための制御手段（４０）と、ハイブリッドテクスチャを、容積ラインを表面壁に変化させ、これら表面壁を表面に固定化することで、長期に渡って安定化させるための手段（４０）と、を備える。
2004525428.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの基板（２０、３０）の間に配置されたネマチック液晶層（１０）であって、前記２つの基板（２０、３０）が、電極（２２、２３）と、前記液晶（１０）の複数の単安定表面アンカリング状態を確保するためのアンカリング手段（２４、３４）とを含み、前記アンカリング状態の少なくとも一つの対称性と力のために、前記アンカリングは前記基板（２０、３０）に対して垂直な電場にて破壊されるネマチック液晶層（１０）と、
前記２つの基板（２０、３０）間の前記液晶に、前記２つの表面の少なくとも一方の表面へのアンカリングを破壊するために、電場を印加する手段（４０）であって、アンカリングが破壊されると、結果として、表面ダイレクタは過渡的に前記電場に対して平行に移動するが、その後、前記電場が切られると、互いに１８０°ねじられた関係にある点で異なるが、両方とも前記単安定アンカリング状態とコンパチブルな２つの双安定或いは準安定テクスチャの一方或いは他方に向かって緩和されるように電場を印加する手段とを備えたネマチック双安定表示装置であって、更に、
前記アンカリングが破壊された後に、前記２つの双安定テクスチャが同一の画素内に制御された比率にて共存するようなハイブリッドテクスチャであって、容積内において１８０°回位ラインによって分離された、或いは前記２つの表面の一方の所で１８０°再配向壁によって分離されたハイブリッドテクスチャを生成するための制御手段（４０）と、
前記ハイブリッドテクスチャを、前記容積ラインを表面壁に変化させ、これら表面壁を前記表面に固定化することで、長期に渡って安定化させるための手段（４０）と、を備えることを特徴とするネマチック双安定表示装置。
【請求項２】
前記液晶（１０）が、カイラルとなるようにドーピングされ、コレステリックに対応することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記液晶に電場を印加する手段（４０）が、前記液晶のアンカリングを破壊するための閾値近傍の電場を前記２つの表面の少なくとも一方に加えるのに適することを特徴とする請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
前記制御手段（４０）が、少なくとも一つの配向層を備え、この層の表面が周期的な或いはランダムな波形構造を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記制御手段（４０）が、前記２つの表面の少なくとも一方の表面のアンカリング力のばらつきを規定する能力を有する手段を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記制御手段（４０）が、一様でない配向層を備えることを特徴とする請求項５記載の装置。
【請求項７】
前記制御手段（４０）が、一様な駆動電場を加えるのに適することを特徴とする請求項５または６記載の装置。
【請求項８】
前記制御手段が、幾分一様でない駆動電場を画素に加える能力を有する手段（４０）を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
前記制御手段（４０）が、その抵抗或いは表面仕上げが一様でない電極（２２、３２）を備えることを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記制御手段が、駆動パルスの際に、流体力学的或いはフレクソエレクトリック起源の、或いは前記表面の固有の極性に起因する、過渡的テクスチャ不安定性を誘発する能力を有する手段（４０）を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
前記制御手段が、駆動パルスの際に、前記液晶の過渡的なせん断フローを誘発する能力を有する手段（４０）を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
前記安定化手段（４０）が、電気パルスを前記液晶に加える能力を有する手段を備えることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
前記安定化手段（４０）が、フレデリック閾値とアンカリング破壊閾値の間の大きさの電気パルスを前記液晶に加える能力を有する手段を備えることを特徴とする請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
前記安定化手段（４０）が、数ボルトなる大きさの電気パルスを前記液晶に加える能力を有する手段を備えることを特徴とする請求項１２または１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記安定化手段（４０）が、２Ｖから１０Ｖの間の大きさの、好ましくは、約５Ｖの、電気パルスを前記液晶に加える能力を有する手段を備えることを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
前記安定化手段（４０）が、前記スイッチング信号とは独立に、前記破壊されたアンカリングが緩和された後に、前記アンカリングが破壊された状態にとどまることを確保するための電気パルスを前記液晶に加える能力を有する手段を備えることを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれかに記載の装置。
【請求項１７】
前記安定化手段（４０）が、前記アンカリングが破壊された状態にとどまることを確保するための電気パルスを、前記駆動信号の最後の部分内に組込んで、前記液晶に加える能力を有する手段を備えることを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれかに記載の装置。
【請求項１８】
前記液晶に電場を加えるように設計された手段（４０）が、前記２つの表面の少なくとも一方の所の液晶アンカリングを破壊するための前記閾値に近い可変の電場を加えるのに適し、この電場の大きさにて、得られるグレースケールが制御されることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれかに記載の装置。
【請求項１９】
２つの基板（２０、３０）の間に配置されたネマチック液晶層（１０）であって、前記２つの基板（２０、３０）が、電極（２２、２３）と、前記液晶（１０）の複数の単安定表面アンカリング状態を確保するためのアンカリング手段（２４、３４）とを含み、前記アンカリング状態の少なくとも一つの対称性と力のために、前記アンカリングは前記基板（２０、３０）に対して垂直な電場にて破壊されるネマチック液晶層（１０）と、
前記２つの基板（２０、３０）間の前記液晶に、前記２つの表面の少なくとも一方の表面へのアンカリングを破壊するために、電場を印加する手段（４０）であって、アンカリングが破壊されると、結果として、表面ダイレクタは過渡的に前記電場に対して平行に移動するが、その後、前記電場が切られると、互いに１８０°ねじられた関係にある点で異なるが、両方とも前記単安定アンカリング状態とコンパチブルな２つの双安定或いは準安定テクスチャの一方或いは他方に向かって緩和されるように電場を印加する手段とを備えたネマチック双安定表示装置を使用する方法であって、
前記アンカリングが破壊された後に、前記２つの双安定テクスチャが同一の画素内に制御された比率にて共存するようなハイブリッドテクスチャであって、容積内において１８０°回位ラインによって分離された、或いは前記２つの表面の一方の所で１８０°再配向壁によって分離されたハイブリッドテクスチャを生成するステップと、
前記ハイブリッドテクスチャを、前記容積ラインを表面壁に変化させ、これら表面壁を前記表面に固定化することで、長期に渡って安定化させるステップと、を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液晶に基づく表示装置の分野に係る。
【背景技術】
【０００２】
液晶は、多くの表示装置、例えば、英数字ディスプレイ、フラットスクリーン、光バルブ等において広く用いられている。
【０００３】
通常は、液晶ベースの表示装置は、液晶を閉じ込めるための２つの平行なプレート或いは基板を備える。これらプレート或いは基板には、一方においては、液晶の配向とアンカリングを制御するための手段が設けられ、他方においては、液晶の配列を変化させるために、液晶に電場を加えるための電極が設けられる。
【０００４】
本発明の主題を構成するネマチック液晶に基づく装置においては、ネマチック液晶が、アキラル（achiral）な液晶として、或いはカイラルドーパントを加えることでカイラル化された液晶として用いられるが、これは、数マイクロメートルより大きな螺旋ピッチを有する。これら２つの表面近傍における液晶の配向とアンカリングは、配向層、或いはこれら２つの基板に施された処理によって決まるが、これらは、電場の不在下においては、一様な或いは少しねじれたテクスチャを誘発する。
【０００５】
今日、提唱或いは製造されている装置の殆どは単安定なタイプである。電場の不在下では、単一のテクスチャのみが装置内に形成される。このテクスチャは、セルの総エネルギーの絶対最小値に対応する。電場内においては、このテクスチャは、連続的に変形され、この光学特性は、加えられた電圧に依存して変化する。電場が切られると、このネマチックは再び単一の単安定テクスチャに戻る。
【０００６】
ネマチックディスプレイのもう一つのクラスは双安定なネマチックである。このケースにおいては、少なくとも２つの異なるテクスチャがセル内に生成される。これらテクスチャは、２つの同一の表面アンカリング状態に対応し、電場の不在下において、安定或いは準安定である。これら２つの状態間のスイッチングは適当な電気信号を加えることで遂行される。ただし、画像がいったん書込まれると、画像は、電場の不在下においても、双安定性（或いは準安定性）のために記録されたままにとどまる。双安定ディスプレイのこの記憶作用は、多くの用途に対して極めて魅力的である。このため、画像リフレッシュ速度を低く抑えることができ、こうして、例えば、携帯用電気製品の消費電力を低減することが可能となる。
【０００７】
図１には、双安定ディスプレイの典型的な例が簡略的に示される。この装置の説明については、非特許文献１と特許文献１において説明されている。それぞれ、図１ａと１ｂに示される２つの双安定テクスチャＴ０とＴ１８０は、互いに±１８０°ねじれている点で異なり、位相幾何学的に互いに不整合である。このネマチックの自発的ピッチは、Ｔ０とＴ１８０のエネルギーが本質的に等しくなるために、セルの厚さの四分の一に概ね等しくなるように選択される。電場の不在下においては、これらより低いエネルギーを有する他の状態は存在せず；Ｔ０とＴ１８０は真の双安定性を示す。強い電場下においては、ほとんどホメオトロピック（homeotropic）なテクスチャＨ（図１ｃ）が得られ、アンカリング点の少なくとも一つはこれら基板のところに位置し（破られる）：分子は、その表面近傍において、プレート或いは基板に対して垂直となる。電場が切られると、セルは、これら双安定状態の一方或いは他方に向かって導かれる。つまり、これら２つの表面アンカリング点間の弾性結合（elastic coupling）（Ｔ０）、或いは流体力学的結合（hydrodynamic coupling）（Ｔ１８０）のいずれかが優勢となる。光学的には、これら２つの状態Ｔ０とＴ１８０は、非常に異なり、黒と白の画像を１００より大きなコントラストにて表示することを可能にする。
【０００８】
メモリ液晶装置のもう一つのクラスは、秩序-無秩序（order-disorder）タイプのディスプレイである。これら装置は、一様或いは規則的なテクスチャと、高い欠陥密度を有する多数の無秩序のテクスチャとを有する。これら装置については、特許文献２と非特許文献２において説明されている。これら装置においては、光は、これら欠陥の所で強く散乱され、偏光解消（depolarized）される。無秩序なテクスチャの光学特性は、欠陥密度に比例して変化し、このためにグレースケールを表示することが可能となるが、これは、黒とグレーと白或いはカラーの高品質の画像を得るためには不可欠である。
【０００９】
ただし、双安定装置は、本来、２つの等しいエネルギー状態の規則的なテクスチャしか有さず、生来的に、多くのグレートーンを有するディスプレイにはそれほど適さない。これは、これら装置では、画像の各画素内に２つの異なる双安定テクスチャしか表示及び保持することができないためである。
【非特許文献１】
I. Dozov, M. Nobil, G. Durand, "Fast bistable nematic display using monostable surface awitching", Appl. Phys. Lett. 70, 1179 (1997)
【特許文献１】
国際公開第９７／１７６３２号パンフレット
【特許文献２】
特開平９−２７４２０５号公報
【非特許文献２】
D. K. Yang, J.L. West, L.C. Chien and J.W. Doane, J. Appl. Phys., 76, 1331 (1994)
【発明の開示】
【００１０】
双安定装置をグレースケールディスプレイとして利用することを試みる様々なアプローチが提唱されている。
【００１１】
高速ディスプレイ（例えば、ビデオスクリーン）の場合は、グレースケールを得るためには、画像がデジタル化され、ビデオフレームが時間的に１：２：４等の比の持続時間を有する数個のサブフレームに切り刻まれる。各サブフレームにおいて、画素の状態を変化させることで、平均的に所望の強度のデジタルレベルが確保される。このアプローチは、超高速装置（例えば、強誘電体液晶ディスプレイ）には適するが、多くの問題を抱える。第一に、複雑なドライバ（フレームメモリ要件）が要求される。加えて、多重化が困難である（非常に短いサブフレームを生成することが要求される）。最後に、このアプローチでは、双安定性が犠牲となる。これは、これらグレースケールは、画素の実際の状態ではなく、双安定状態の時間的な平均にすぎないためであり、画像のリフレッシングが切られると、画像が停止する。これは、画素の最後の状態を表示する。これは、白・黒の画像である。
【００１２】
もう一つのアプローチは、各画素を空間的にサブ分割することから成る。つまり、デジタル化された画像がこれらサブ画素内に生成された白・黒状態の空間的平均として表示される。画像の双安定性は確保されるが、ただし、この装置は複雑となる（サブ画素の寸法が非常に小さく、同一の空間解像度を得るためにアドレスされるべきサブ画素の数がかなり増加し、このため多重化が困難となる）。
【００１３】
本発明の目的は、グレースケールを得ることができる液晶ベースのディスプレイを製造するための新規の手段を提供することにある。
【００１４】
この目的は、
２つの基板の間に配置されたネマチック液晶層と、
これら２つの基板間の液晶に、これら２つの表面の少なくとも一方の所へのアンカリングを破壊するために電場を印加するための電場印加手段と、を含む本発明によるネマチック双安定表示装置によって達成される。
【００１５】
上述の２つの基板は、電極と、液晶の複数の単安定表面アンカリング状態を確保するための配向手段とを備え、これらアンカリング状態の少なくとも一つの対称性と力のために、アンカリングは基板に対して垂直な電場が加えられると破壊される。
【００１６】
上述の電場印加手段によってアンカリングが破壊されると、結果として、表面ダイレクタは過渡的に電場に対して平行に移動するが、その後、電場が切られると、（互いに１８０°ねじらた関係にある点で異なるが、両方とも単安定アンカリング状態とコンパチブルな）２つの双安定或いは準安定テクスチャの一方或いは他方に向かって緩和される。
【００１７】
本発明によると、上述のネマチック双安定表示装置は、更に：
アンカリングが破壊された後に、２つの双安定テクスチャが同一の画素内に制御された比率にて共存するようなハイブリッドテクスチャであって、容積内において１８０°回位ラインによって分離された、或いは２つの表面の一方の所で１８０°再配向壁によって分離されたハイブリッドテクスチャを生成するための制御手段と、
ハイブリッドテクスチャを、容積ラインを表面壁に変化させ、これら表面壁を表面に固定化することで、長期に渡って安定化させるための手段と、を備える。
【００１８】
本発明の背景においては、こうして用いられる液晶は、カイラルとなるようにドーピングされ、コレステリックに対応する。
【００１９】
本発明は、さらに、
２つの基板の間に配置されたネマチック液晶層と、
これら２つの基板間の液晶に、これら２つの表面の少なくとも一方の所へのアンカリングを破壊するために電場を印加するための手段と、を含むネマチック双安定表示装置を使用する表示方法にも係る。
【００２０】
上述の２つの基板は、電極と、液晶の複数の単安定表面アンカリング状態を確保するための配向手段とを備え、これらアンカリング状態の少なくとも一つの対称性と力のために、アンカリングは基板に対して垂直な電場が加えられると破壊される。
【００２１】
上述の電場印加手段によってアンカリングが破壊されると、結果として、表面ダイレクタは過渡的に電場に対して平行に移動するが、その後、電場が切られると、（互いに１８０°ねじらた関係にある点で異なるが、両方とも単安定アンカリング状態とコンパチブルな）２つの双安定或いは準安定テクスチャの一方或いは他方に向かって緩和される。
【００２２】
本発明の方法は、
アンカリングが破壊された後に、２つの双安定テクスチャが同一の画素内に制御された比率にて共存するようなハイブリッドテクスチャであって、容積内において１８０°回位ラインによって分離された、或いは２つの表面の一方の所で１８０°再配向壁によって分離されたハイブリッドテクスチャを生成するステップと、
ハイブリッドテクスチャを、容積ラインを表面壁に変化させ、これら表面壁を表面に固定化することで、長期に渡って安定化させるステップと、を含むことを特徴とする。
【００２３】
本発明の更なる特徴、目的及び長所が、以下の詳細な説明を単に例示として与えられている添付の図面との関連で読むことで一層明白となるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１にはアンカリング（固定された状態）を破壊することによってスイッチングされる双安定ネマチック画素（bistable nematic pixel）の典型的なアーキテクチャが簡略的に示される。厚さｄ＜５μｍ、好ましくは、ｄ＜２μｍを有するネマチック液晶（nematic liquid crystal）１０の薄膜が、（ガラス、プラスチック等から製造される）２つの基板２０と３０との間に含まれる。これら基板２０、３０はプレートとも呼ばれる。これら基板２０、３０の内側面に、それぞれ、２つの電極２２、３２（少なくともこれらの一方は透明）が、これら基板２０、３０に対して垂直な電場をこの液晶に加えることができるように堆積される。整合層２４、３４によって、基板２０、３０の所の単安定アンカリング状態（monostable anchoring states）が定義され：電場の不在下においては、配向層２４、２４のために、各表面の所では、ネマチックダイレクタ（nematic director）ｎの単一の配向が優勢となる。この方向（direction）は、容易軸（easy axis）eとも呼ばれる。
【００２５】
プレート２０（マスタプレート）の所では、この配向は、平ら（planar）或いは斜め（oblique）の状態となり、天頂アンカリングエネルギー（zenithal anchoring energy）は高く：スイチングの際に、高い電場下に置かれているときは、表面ダイレクタn1のオリエンテーションは、容易軸e1に近い状態にとどまり、電場が切られると、表面ダイレクタn1は再び容易軸e1と平行になる。
【００２６】
プレート３０（スレーブプレート）の所では、配向は平らであり（容易軸e2はセルの平面に対して平行であり）、天頂アンカリングは弱い或いは中程度である。高い電場内においては、このプレートへのアンカリングは破壊され（図１ｃ）、表面ダイレクタn2は、この電場に対しては平行に、e2に対しては垂直に方位する。この配向は、最大アンカリングエネルギー（maximum anchoring energy）と、零なるアンカリングトルク（zero anchoring torque）に対応する。電場が切られると、ダイレクタn2は（トルクが存在しないために）不安定な平衡状態（unstable equilibrium）となり、以下の２つの異なるやり方にて平衡な状態に戻る。つまり、n2がe2に対して平行（T0、図１a）の状態或いは逆平行（T180、図１ｂ）の状態に戻る。これは、これら２つの状態が単安定アンカリング状態ともコンパチブルであるためである（ネマチックは、４極タイプの系であり、n2と−n2状態は等価である）。こうして、アンカリングを破壊することによるスイッチングの後に、これらテクスチャ（T0或いはT180）のいずれかが生成される。
【００２７】
最終的なテクスチャの選択はこれら２つのアンカリング状態間の弱い結合によって行なわれる。つまり、この弱い結合は、ネマチック１０を通じて伝わり、電場が切られた際に、従属プレート３０の所の不安的平衡状態を撹乱させる。電場が突然に切られた場合は、流体力学的結合（hydrodynamic coupling）（容積内と表面の所のバックフロー効果）が優勢となり、ねじれたテクスチャ（twisted texture）T180が生成される。電場が緩やかに切られた場合は、（曲げ弾性による）静的結合（static coupling）が優勢となり、準一様（quasi-uniform）な最終状態T0となる。
【００２８】
これら２つのテクスチャT0とT180は位相幾何的に異なり；これらの間の連続的な遷移は、このためにはアンカリング或いはネマチック秩序（nematic order）のいずれかを破壊することが必要とされるために不可能である。アキラルネマチック（achiral nematic）の場合は、T180テクスチャは準安定（metastable）である。つまり、これは、T0より高いエネルギーを有するが、ただし、高いエネルギー障壁（energy barrier）のために、電場の不在下では、これが自発的にT0に変化することは阻止される。長期的には、T180は、それでも、核の生成（nucleation）や欠陥（１８０°回位ライン）の伝播により、T0へと変化することがある。この偽のスイッチング（spurious switching）は、このネマチックをP＝４ｄ近傍のピッチPを有するカイラルドーパント（chiral dopants）にてカイラル化することで阻止することができる。こうして、これら２つのテクスチャのエネルギーが等しくなり、真の双安定性が達成される。つまり、黒と白、より正確には、“オン/オフ”モードにて動作する双安定ネマチックディスプレイが得られる。
【００２９】
本発明によるグレースケール表示装置は、図１との関連で先に説明されたのそれと同一の基本構造を有する。つまり、本発明によるセルを説明する図３等においても、２つのプレート２０、３０が存在し、これに、上述のやり方にて、電極２２、３２、及び配向層２４、３４が設けられる。図３には、更に、電極２２、３２に接続された手段４０が示される。これら手段４０は、これら電極間に、従って、液晶材１０に、制御された大きさと、制御された持続時間とを有する電気的な駆動パルスを加えるのに適する。
【００３０】
本発明者らは、実際、このタイプの装置では、制御可能な複数の中間アナロググレー状態（controllable intermediate analogue grey states）を生成すること、及びこれらを安定化することが可能であり、こうして、複数のグレートーン（grey tones）を有する双安定ディスプレイを得ることが可能であることを実証した。これらの状態は、“ハイブリッド（hybrid）”テクスチャに対応し、このハイブリッドテクスチャにおいては、同一の画素内に２つの双安定テクスチャが共存する（図２）。このハイブリッド状態は、こうして、“書込み（written）”ドメイン（交差した偏光子間の黒のテクスチャT180）と、“消去（erased）”ドメイン（交差した偏光子間の斜めを向いた白のテクスチャT0）との、２つのタイプのドメイン（domain）のランダムな混合物から成る。局所的には、これら各ドメイン内に、単一状態（single state）が生成され、この単一状態は、そのドメインの全エリア（area）に渡って一様である。これらドメインの面積は、１００×ｄ２のオーダであり、画素の全面積と比較すると小さく、同一の画素内に多数の微小ドメイン（microdomains）が生成され、これらの平均密度を変えることで、多数のグレーレベル（grey levels）を生成することが可能となる。こうして、画素の透過（transmitted）或いは反射（reflected）の強度（intensity）は、これら２つのタイプのドメインの強度の加重平均となり、０％（黒の状態）と１００％（白の状態）との間で連続的に変化する。
【００３１】
これらハイブリッド状態の原点（origin）は、スレーブプレート３０の所のアンカリングが破壊された後の、表面ダイレクタの不安定な平衡（unstable equilibrium）状態にある。この状態においては、ほんの僅かな擾乱（disturbance）によっても、ネマチックの表面ダイレクタn2の、e2に対して平行或いは反平行の２つの位置（図１）の一方或いは他方に向かっての、従って、最終的なテクスチャT0或いはT180に向かっての急速な緩和（relaxation）が起こる。駆動パルス（drive pulse）の電圧がアンカリングを破壊するための閾値を大幅に超える場合は、これら２つの表面間の静的（static）及び動的（dynamic）な結合（coupling）は強く、画素全体が単一の一様なテクスチャ（白の状態或いは黒の状態）に向かってスイッチされる。他方、駆動パルスの電圧が破壊閾値に近いときは、この結合は弱く、局所的な摂動（local perturbations）（これら摂動は駆動信号上に重ねられた（superimposed）局所的な“ノイズ（noise）”であっても構わない）によっても、十分に、ハイブリッド状態を誘発することができる。
【００３２】
本発明者らは、局所的な摂動は、表面アンカリング力（surface anchoring force）のばらつき（dispersion）を制御することで形成できることを発見した。これは、局所的な表面アンカリングエネルギー（local surface anchoring energy）は、配向層の性質と一様性（uniformity）に依存してある限度内で変動するためである。こうして、ある一様な駆動電場が、このアンカリング破壊閾値を、局所的に超えたり、超えなかったりすることとなる。これによって、ハイブリッドの最終的なテクスチャが誘発されるが、そのテクスチャのグレーレベルは、駆動パルスの電圧に依存する。
【００３３】
本発明者らは、更に、局所的摂動は、表面のトポグラフィー（topography）によっても、例えば、配向層の厚さを変化されることによっても形成できることを発見した。このトポグラフィーは、周期的なものであっても（一次元或いは二次元の表面グレーティング）、或いは、ランダムなものであっても、例えば、微細構造を施された表面（microstructured surface）であっても構わない。これらケースにおいては、アンカリングを破壊するための電圧は、電場はもはや一様ではなくなるために、液晶の局所的な膜厚によって変化する。これは、アンカリング層の誘電特性（dielectric properties）によって調節（screen）することができる。
【００３４】
本発明者らは、さらに、ハイブリッドテクスチャは、少し一様でない電場を、画素に、例えば、その抵抗或いは表面仕上げが一様でない電極を用いて、加えることでも得られることを発見した。こうすることで、その表面強度（surface intensity）或いはその配向が変化する電場（少し斜めの電場）が得られる。これによってアンカリングの破壊を調節（disturb）することができる。
【００３５】
図３は、スレーブプレート３０の所の、電極３２の表面内の不規則性（irregularity）３６の近傍に生成される一様でない電場（inhomogeneous electric field）と、テクスチャ内に誘発された電場の摂動を簡略的に示す（図３ａ）。電場が切られ、緩和が起こった後には（図３ｂ）、この表面の不規則な所（surface irregularity）の各側に誘発された２つの双安定テクスチャを有する１つのハイブリッドテクスチャが得られる。
【００３６】
本発明によるこれらハイブリッドテクスチャを生成するための一つの手段においては、駆動パルスの際に、流体力学（hydrodynamic）或いはフレクソエレクロリック（flexoelectric）を起源とする、或いは表面の固有極性（intrinsic polarity）に起因する、過渡的なテクスチャの不安定性（transient texture instabilities）が誘発される。これら全ての不安定性は、動的起源か、静的起源かに関係なく、ネマチックダイレクタの、その平衡状態に対する、セルの厚さに匹敵する周期を有する、周期的変動（periodic deviations）を、ネマチックの容積内或いは表面の所に誘発させる。強い電場内では、これら不安定性の大きさは、非常に小さいが、ただし、電場が破壊閾値に近いときは、これらによって、ハイブリッドテクスチャが誘発される。
【００３７】
本発明によるハイブリッドテクスチャを生成するためのもう一つの手段は、電場を、表面或いは容積内に加えた際の、液晶の過渡的なせん断フロー（transient shear flows）（バックフロー効果）と関連し、これらフローによって、ダイレクタのオリエンテーションが撹乱される。表面が一様でない或いは粗い場合は、これらフローのために、表面ダイレクタの配向の軽い過渡的な非一様性（transient inhomogeneities）が誘発される。このために、アンカリングが破壊された後に、ただし、フローが完全に緩和される前に、電場が切られると、この場合も、ハイブリッドな画素テクスチャ（hybrid pixel texture）が誘発される。
【００３８】
ただし、本発明者らは、ハイブリッドテクスチャがいったん形成されても、これらは時間とともに変化し、２つの主要な双安定テクスチャに対応する２つのドメインを分離（区画）する欠陥ライン（lines of defects）の伝播によって黒或いは白の一様な状態に向かって緩和されることを発見した。
【００３９】
より詳細には、本発明者らは、本発明の主題を形成するディスプレイの位相幾何には、異なる構造と移動度を有する２つのタイプの欠陥ラインが存在することを発見した。
【００４０】
図４ａには、第一のタイプの欠陥ラインが示される。これらは１８０°回位ライン（disclination lines）である。これらライン（図４ａにおいては領域Ｖの形態にて簡略的に示される）は、溶けた、等方性（isotropic）或いは双軸（biaxial）コアを有する。この点においては、ネマチック秩序パラメータ（nematic order parameter）は、零となるか、場合によっては符号を変える。平衡状態においては、これらラインは、セル平面の中央に横たわり、ハイブリッドテクスチャを構成するドメインの周囲を取り巻く閉じたループを形成する。これらラインは移動性が高く、装置の平面内を、弾性力（elastic forces）或いはフローの作用によって、粘性摩擦（viscous rubbing）を伴って移動することができる。２つの双安定テクスチャの単位面積当りの歪みエネルギー（distortion energy）が異なる場合（例えば、セルの厚さと良く整合しないピッチを有するアキラル或いはコレステリックネマチックの場合は）、弾性力がラインに作用し、これを移動させる。局所的に、このラインが通過した後、より高いエネルギーのテクスチャ（準安定なテクスチャ）が他方のテクスチャに取って換られる。準安定なテクスチャ（metastable texture）にて占拠されているエリアは次第に減少し、長期的には、画素全体が（白或いは黒の）安定な状態において一様となる。同一のエネルギーを有する双安定テクスチャの場合でも（セルの厚さと良く一致するコレステリックの場合でも）、欠陥ライン内の張力（単位長さ当りのエネルギー）のために、これら回位ループは縮小し、長期的には、消失し、グレースケールは、０％或いは１００％に向かってゆるやかに変化する。
【００４１】
図４ｂには、欠陥ラインのもう一つの可能な構造が簡略的に示される。このケースにおいては、これらは、１８０°表面ダイレクタ再配向壁（図４ｂにおける領域Ｓ）から成り、これらによって２つの双安定テクスチャがその中に存在する２つの領域を分離される。この壁を横断して、この表面ダイレクタは、次第に１８０°回転する。これらラインは、表面の所に局在し、上述の容積ライン（volume lines）と比較して、移動度は、かなり小い。これは、これらが高い実効粘性（effective viscosity）を有するためと、とりわけ、このラインの表面の不規則な所への付着のため及び／或いはアンカリングの局所的な記憶のために、“強い（strong）”摩擦を有するためである。この強い摩擦のために、ラインに加えられる力に対する閾値が存在し、この閾値以下では、このラインは、表面に“付着（stuck）”したままにとどまり、移動することはない。殆どの表面では、この閾値は非常に高く、アキラルネマチックの場合でも、これら２つのテクスチャ間のエネルギー差が、この閾値を超えることはない。この欠陥ラインの“付着性（sticking）”のおかげで、任意のグレースケール状態に対する無限の双安定性が得られる。
【００４２】
この２つのタイプの欠陥の単位長さ当りのエネルギーは非常に異なる（図５）。表面壁（surface walls）は、より低い総容積歪みエネルギー（volume distortion energy）と、零なるコアエネルギーを有する（これらのコアは溶けており、この表面壁内ではネマチック秩序は大きくは乱れていない）。これとは対照的に、これら表面壁は、配向層によって課されるイージー軸に対するこの表面壁内の表面ダイレクタの反配向（disorientation）に起因して、アンカリングエネルギーに対して強く寄与する。一般には、総エネルギーは表面壁の方が小さく、このため、回位ラインは表面壁に変化（transformation）する傾向を有する。ただし、この変化を起すためには、この回位ラインのコアを表面近傍に持っていくことが必要となる（コアは表面を“パス（passes through）”し、垂直なコアとなる）。図５は、容積ラインＶのエネルギーを表面からのその距離ｚの関数として示す。高いアンカリングエネルギー障壁（anchoring energy barrier, B）によって、Ｓ状態（表面壁）とＶ状態（容積ライン）とが分離され、回位ラインが表面に十分に接近することを阻止される。この障壁のために、電場の不在下においては、容積ラインＶは、セルの中央にとどまり、表面壁に変化することはない。
【００４３】
アンカリングが破壊された後に、ハイブリッドテクスチャが形成されるとき、欠陥ラインの上述の２つのタイプの構造が現れる。これらは、しばしば、同一のループ内の異なる領域内に現れることもある。容積ラインは、移動度が高く、このため、ラインの張力の作用と、場合によっては（キラルピッチがその最適値からずれる場合）２つの双安定テクスチャのエネルギー差に起因する力により、移動する。画素は、こうして、長期的には、駆動パルスによって課されたそれとは異なるもう一つのグレースケールに向かって（表面ラインによって完全に取り囲まれているドメインしか生き残れないために）緩和する。
【００４４】
従って、長期間安定なグレースケールを得るためには、全ての回位ラインを、これらを１８０°再配向壁（reorientation walls）に変換させることで、表面に、“付着（stick）”させることが必要となる。本発明者らは、この変換（transformation）は、適当な電圧及び持続時間を有する電気パルスを加えることで達成できることを発見した。フレデリック閾値（Fredericks threshold）とアンカリング破壊閾値（anchoring breaking threshold）との中間の穏やかな電場の下では、ネマチックダイレクタは、容積内においては（ネマチックの内部では）、両方の表面近傍の領域を除いては、電場に対して平行に方位する（図６）。これら２つの主要な双安定テクスチャは、電場内においては、以下のような異なる変化を示。つまり、Ｔ０は、あらゆる所で同一の方向に傾くのに対して、ねじれた“半回転（half-turn）”テクスチャＴ180は、その位相幾何的な180°の回転束縛を維持し、“半回転”だけ曲がった状態となる。マスタプレート２０の近傍では、斜め方向のアンカリング力が強いために、ダイレクタの歪みは一様となる。スレーブプレート３０の所では、平らな弱いアンカリング力しか存在せず、表面ダイレクタは、電気的なトルクのために、少し斜いた状態となる。ただし、これら２つのテクスチャは、互いに反対の符号（±α）を有する。こうして、回位ラインの両側に２αの表面リオリエンテーション壁（surface reorientation wall）が形成される。この表面壁と容積ラインとの間では、ダイレクタは位相幾何的束縛のために、電場に対して垂直にとどまり、この領域内に多量の電気的エネルギーが蓄積される。このエネルギーを最小化するために、このラインは、対応する電気的な力によって表面に向かって押される（図７ａ）。この電気的な力が十分に高く、エネルギー障壁を超える場合は、この回位ラインは、仮想コアを有する表面壁へと変化する（図７ｂ）。
【００４５】
これら欠陥が付着するための、つまり、容積回位ライン（volume disclination line）が表面壁（surface wall）に変化するための閾値電圧Usは、セルの厚さ、表面アンカリング力、パルスの極性、及び（ラインが表面に向かって運ばれる際の摩擦のために）パルスの持続期間τに依存する。この閾値電圧Usの典型的な値は数ボルトである。
【００４６】
図８は、本発明の説明されたタイプのセルに対して実験的に測定されたUs（τ）の依存性を示す。図８から、比較的小さく、短期間の“付着（sticking）”信号にて、欠陥ラインを安定化させ、ハイブリッドテクスチャの無限の双安定性を得ることができることがわかる。これら信号は、破壊されたアンカリングが緩和した後にスイッチング信号とは独立して送ることも、或いは駆動信号の最後の部分内に組み込むこともできる。
【００４７】
例
以下の例は、本発明によって提唱され、本発明者らによって製造及び研究された装置の単に一例に過ぎない。
【００４８】
１．６μｍなる厚さを有する液晶セル１０が１．１ｍｍなる厚さを有する２つのガラスプレート２０、３０の間に搭載された。これらプレート２０、３０は、インジュウム・錫混合酸化物（mixed indium tin oxide）の導電性の透明な層にてコーティングされた。マスタプレート２０には、一酸化シリコンが８５°なるかすめ角（grazing angle）にて蒸着された。このマスタプレートの所の液晶１０のアンカリングは強く、マスタプレート２０に対して約の３０°傾斜する。スレーブプレート３０は７５°なる傾斜角（angle of inclination）にて蒸着された。このスレーブプレート３０の所に得られるアンカリングは、弱い平なアンカリングである。液晶には（Merckから市販される）材料Ｓ８１１にてドープされたペンチルシアノビフェニル（pentylcyanobiphenyl）（５ＣＢ）が用いられ、これによって実験室の温度においてセルの厚さ全体を通じた９０°なる自発的なねじれ（spontaneous twist）が得られた。セルのこれら２つの状態は同一のエネルギーを有する。
【００４９】
本発明者らは、従来の画像記録装置を備える顕微鏡を用いて、閾値近傍のスイッチングパルスが加えられた後のこれらドメイン（domains）の挙動を観察した。
【００５０】
図８の曲線は、このセル内のこれらドメインを形成するための２つの極性の“付着（sticking）”パルスの値を示す。この２つの極性間の差は表面によって生成される局所的な電場を考慮することで説明できる。
【００５１】
図９の曲線は、２つの偏光子を設けられたセルの光の透過度（optical transmission）を固定された持続期間（８００μｓ）を有するスイッチングパルスの大きさの関数として示す。この図９から、スイッチングパルスの大きさが１０Ｖより小さいときの白の状態となり、スイッチングパルスの大きさが１０から１４Ｖの間では次第に変化するグレーの状態となり、スイッチング電圧が１４Ｖより大きなときは黒の状態となることがわかる。（１０から１４Ｖの間の大きさのスイッチングパルスを加えることで得られる）様々なグレースケールの無限の安定性が、これらスイッチングパルスを加えた後に、５Ｖの、同一の持続期間（８００μｓ）の、付着電圧を加えることで得られることが確認された。より一般的には、このスイッチング電圧は、２Ｖから１０Ｖの間とされる。
【００５２】
図１０はこのセル内に生成された６個の異なるグレースケール（図９の状態Ｌ２から状態Ｌ７）を示す。
【００５３】
要約すると、本発明はグレースケール双安定ネマチック表示装置を提供する。この装置は、その一般構造においては、それぞれ、０°と１８０°の２つのねじれた双安定テクスチャを採用する、周知のディスプレイ原理を使用する。スイッチングは、アンカリングを駆動パルスの作用の下で破壊することで得られる。破壊閾値近傍の信号では、各画素内にハイブリッド状態が得られ、それぞれ、２つの双安定テクスチャが、それぞれ、マイクロドメイン内に生成される。これら２つの状態によって占拠されるエリアの比（及び従って対応するグレースケール）は、駆動電圧によって制御される。画素のグレー状態は、これらマイクロドメイン間の容積回位ラインの表面壁（これは表面上の強い摩擦のために無限に安定である）への変化を制御することで、長期的な変化を起こすことなく、維持される。
【００５４】
勿論、本発明は上に説明された特定の実施例に制限されるものではなく、本発明の精神から逸脱することなく他の様々なバリエーションが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】従来の技術による双安定液晶ディスプレイセルの略図であって、図１ａはセルの２つの安定状態の一方を示す図、図１ｂは、セルの２つの安定状態の他方を示す図、図１ｃは、電場下での過渡的状態を示す図である。
【図２】本発明による液晶ディスプレイセルの画素の写真である。
【図３】閉じ込めプレート上の表面欠陥の結果として得られる本発明によるアーキテクチャを示す図である
【図３ａ】電場下でのセルを示す図である。
【図３ｂ】電場が切れれた後のセルを示す図である。
【図４ａ】本発明による表示装置内に存在することができる欠陥ラインの２つのタイプの一方を示す図である。
【図４ｂ】本発明による表示装置内に存在することができる欠陥ラインの２つのタイプの他を示す図である。
【図５】容積欠陥ラインＶのエネルギーを表面からの距離ｚの関数として簡略的に示す図である。
【図６】フレデリック閾値とアンカリングの破壊閾値との中間の、穏やかな電場下でのネマチックのダイレクタのオリエンテーション（方位）を示す図である。
【図７ａ】容積回位から表面壁の変化を示す図である。
【図７ｂ】容積回位ラインから表面壁の変化を示す図である。
【図８】容積回位ラインを表面壁に変化させる能力を有する“付着”電圧の大きさを２つの極性について示す図である。
【図９】２つの偏光子を備えるセルの光の透過度を固定された持続期間を有するスイッチングパルスの大きさの関数として示す図である。
【図１０】本発明によるセルにて得られる６個の異なるグレーレベルを示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０  ネマチック液晶
２０、３０  基板（プレート）
２２、３２  電極
２４、２４  配向層
【図９】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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