(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶バルク層、および、バルク層（１２）の表面ディレクターの好ましい配向を得るために、バルク層（１２）と相互作用する動的表面配列層（１０）を含む液晶装置であって、動的表面配列層（１０）がカイラルスメクチック液晶材料を含み、電場が配列層（１２）と相互作用して前記の好ましい配向を変えるように、該動的表面配列層（１０）が電場によって直接制御し得る、上記液晶装置（２）。
【請求項２】
動的表面配列層（１０）の該カイラルスメクチック液晶材料が、配列層に対し非平行に配向したスメクチック層を表す、請求項１記載の装置（２）。
【請求項３】
動的表面配列層（１０）中の該カイラルスメクチック層が準本棚構造（ＱＢＳ）に配向した、請求項２記載の装置（２）。
【請求項４】
動的表面配列層（１０）の該カイラルスメクチック液晶材料がＣ＊材料を含む、請求項１−３のいずれか一項に記載の装置（２）。
【請求項５】
動的表面配列層（１０）の該カイラルスメクチック液晶材料がＡ＊材料を含む、請求項１−３のいずれか一項に記載の装置（２）。
【請求項６】
動的配列層（１０）の該液晶材料の表面ディレクターの好ましい配向を得るために、動的表面配列層（１０）と相互作用する分離した配列層（８）をさらに含む、請求項１−５のいずれか一項に記載の装置（２）。
【請求項７】
前記の分離した配列層（８）が、装置（２）の拘束基材（４）の表面処理によって製造される配列層のような非動的配列層である、請求項６記載の装置（２）。
【請求項８】
動的表面配列層（１０）の該液晶材料が、装置（２）の製造過程で、液晶バルク層（１２）を装置（２）に導入する前に、分離した配列層（８）上に沈着している液晶層を構成する、請求項６または７に記載の装置（２）。
【請求項９】
該動的表面配列層（１０）が該装置（２）の基材に恒久的に取付けられた、請求項１−８のいずれか一項に記載の装置（２）。
【請求項１０】
該動的表面配列層（１０）が該電場によって双安定状態で直接制御され得る、請求項１−９のいずれか一項に記載の装置（２）。
【請求項１１】
該動的表面配列層（１０）が該電場によって多重安定的に直接制御され得る、請求項１−１０のいずれか一項に記載の装置（２）。
【請求項１２】
該動的表面配列層（１０）が該電場によってアナログ的に直接制御され得る、請求項１−９のいずれか一項に記載の装置（２）。
【請求項１３】
該動的表面配列層（１０）の該電場に対する応答が強誘電性、反強誘電性または常誘電性的である、請求項１−１２のいずれか一項に記載の装置（２）。
【請求項１４】
動的表面配列層（１０）が、装置（２）の製造過程で、紫外線の適用によって重合可能な材料によって製造される、請求項１−１３のいずれか一項に記載の装置（２）。
【請求項１５】
該動的表面配列層（１０）が液晶バルク層（１２）中に非溶解性である、請求項１−１４のいずれか一項に記載の装置（２）。
【請求項１６】
該動的表面配列層（１０）が重合体材料、オリゴマー材料または単量体材料から製造される、請求項１−１５のいずれか一項に記載の装置（２）。
【請求項１７】
該液晶バルク層（１２）の該電場に対する応答が強誘電性、反強誘電性または常誘電性的である、請求項１−１６のいずれか一項に記載の装置（２）。
【請求項１８】
バルク層（１２）がネマチック液晶、スメクチック液晶およびディスコチック液晶を含むグループから選ばれる液晶材料である、請求項１−１７のいずれか一項に記載の装置（２）。
【請求項１９】
バルク層（１２）が、該バルク層（１２）内でネマチックディレクターのツイスト配置を有するネマチック液晶材料を含む、請求項１８記載の装置（２）。
【請求項２０】
バルク層（１２）が、該バルク層（１２）内でネマチックディレクターの非ツイスト配置を有するネマチック液晶材料を含む、請求項１８記載の装置（２）。
【請求項２１】
バルク層（１２）が、該バルク層（１２）内でスメクチックディレクターのツイスト配置を有するスメクチック液晶材料を含む、請求項１８記載の装置（２）。
【請求項２２】
バルク層（１２）が、該バルク層（１２）内でスメクチックディレクターの非ツイスト配置を有するスメクチック液晶材料を含む、請求項１８記載の装置（２）。
【請求項２３】
該液晶バルク層（１２）が、バルク層（１２）の第一面側に配列した動的表面配列層（１０）とバルク層（１２）の反対側の第二面側に配列した非動的表面配列層（１６）の間に拘束される、請求項１−２２のいずれか一項に記載の装置（２）。
【請求項２４】
バルク層（１２）の第二面側の表面ディレクターの好ましい配向と同様に、バルク層（１２）の第一面側の表面ディレクターの好ましい配向を変えるために、電場が二つの動的表面配列層（１０、１４）と相互作用するように、共通電場によって直接制御され得る、二つの動的表面配列層（１０、１４）の間に該バルク層（１２）が拘束されるように配列した追加の動的表面配列層（１４）をさらに含む、請求項１−２１のいずれか一項に記載の装置（２）。
【請求項２５】
前記第一動的表面配列層（１０）が、正の自発分極（Ｐｓ＞０）を表し、一方、第二動的表面配列層（１４）が、負の自発分極（Ｐｓ＜０）を表す、請求項２４記載の装置（２）。
【請求項２６】
バルク層（１２）の表面ディレクターの前記の好ましい配向が動的表面配列層（１０）に平行または実質的に平行である、請求項１−２５のいずれか一項に記載の装置（２）。
【請求項２７】
液晶バルク層（１２）の上と同様、動的表面配列層（１０）の上に電場が印加された時に、該液晶バルク層（１２）も該電場によって直接制御され得る、請求項１−２６のいずれか一項に記載の装置（２）。
【請求項２８】
電場の強さがしきい値を超えた場合のみ、バルク層（１２）を該電場によって直接制御することができ、一方、電場の強さがしきい値を超えない場合にも動的表面配列層（１０）を直接制御することができる、請求項２７記載の装置（２）。
【請求項２９】
動的表面配列層（群）（１０）の上に該電場をかけるための、表面電極のような手段をさらに含む、請求項１−２８のいずれか一項に記載の装置（２）。
【請求項３０】
該バルク層（１２）の上と同様に該動的表面配列層（群）（１０）の上に電場が印加されるように、電場を印加するための該手段が配列される、請求項２９記載の装置（２）。
【請求項３１】
電場を印加するための該手段が、マトリックスアドレス装置（２）を製造するための二つの交差する電極グループを含む、請求項２９または３０に記載の装置（２）。
【請求項３２】
バルク液晶内のディレクターの方向スイッチ（Ｍ１→Ｍ２）を回し、光学的に見える効果とするための少なくとも一個の偏光子（３０、３２）をさらに含む、請求項１−３１のいずれか一項に記載の装置（２）。
【請求項３３】
二つの基材（４、２０）の間に液晶バルク層（１２）を挟む工程を含む液晶装置（２）の製造方法であって、該基材（４、２０）の少なくとも一つの内部表面上に動的表面配列層（１０）を供する工程によって特徴付けられ、このようにして供された動的表面配列層（１０）が、バルク層（１２）の表面ディレクターの好ましい配向を変える（Ｍ１→Ｍ２）ために、電場が配列層（１０）と相互作用するように、電場によって直接制御され得るものであり、動的表面配列層（１０）を供する工程が、カイラルスメクチック液晶材料を有する該基材（４、２０）の少なくとも一つの該内部表面を被覆する工程を含む、上記方法。
【請求項３４】
該カイラルスメクチック液晶が準本棚幾何形状に配列される、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
カイラルスメクチック液晶が紫外線の作用によって重合される、請求項３３−３４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３６】
カイラルスメクチック液晶が温度の作用によって重合される、請求項３３−３４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３７】
カイラルスメクチック液晶が基材に恒久的に取付けられる、請求項３３記載の方法。
【請求項３８】
動的表面配列層（１０）を供する工程が、次の工程：
材料内の分子が光によって重合され得ると同様、配列され得るという意味で光反応性である該材料で該内部表面を被覆し；
材料に光をあてて該材料内の該分子を好ましい方向に配列させ；および、
このようにして配列させた材料を重合させ、それによって該重合材料が該動的表面配列層（１０）を形成する；
を含む、請求項３３−３７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３９】
電場によって制御することができ、バルク層（１２）と相互作用するカイラルスメクチック液晶を含む動的配列層（１０）を、該バルク層（１２）に接触して供する工程、および、動的配列層（１０）に方向変化を起こし、そのことによって、バルク層（１２）の主表面スイッチング（Ｄ１→Ｄ２）を惹き起こし、次いで該主表面スイッチングがバルク層（１２）内部に誘起される面内バルクスイッチング（Ｍ１→Ｍ２）を惹き起こすために、該動的表面配列層（１０）の上に電場を印加する工程を特徴とする、液晶装置（２）の液晶バルク層（１２）内に面内スイッチングを達成する方法。
【請求項４０】
第一液晶層（１０）の上に電場を印加することによって、隣接する第二液晶層（１２）の表面ディレクターを制御するための、カイラルスメクチック液晶を含む該第一液晶層（１０）の使用。
【請求項４１】
該第一および第二液晶層（１０、１２）が異なる液晶材料または類似の液晶材料を含む、請求項４０記載の使用。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、一般的に、液晶分野に関するものである。より具体的には、本発明は液晶バルク層と、該バルク層の表面ディレクター（ｄｉｒｅｃｔｏｒ）の好ましい配向を得るために、バルク層と相互作用する動的表面配列層を含む液晶装置に関するものである。また、本発明は、そのような動的表面配列層を含む液晶装置の製造方法にも関する。さらに、本発明は、液晶装置の液晶バルク層内で面内スイッチングを達成する方法に関するものである。
【０００２】
（背景技術）
ほとんど全ての液晶装置の操作は、一方では、装置内の液晶バルク層を横切って直角方向に印加される電場と、他方では、液晶層（誘電性または常誘電性液晶内）の誘起分極、または、液晶層（強誘電性液晶内）の自発分極の間の直接カップリングに基づいている。印加される電場とのそのような直接カップリングの直接的効果として、バルク層内の液晶分子の配向が変えられ、次いでそれが液晶の複屈折性による装置の光学的応答をもたらす。印加される電場は通常、バルク内部の液晶分子のみならず、バルク層の表面に位置しているバルク層の分子とも相互作用する。典型的には、電場とバルク層の表面分子の間のそのような相互作用は表面拘束のためにそれほど強くないであろう。
【０００３】
液晶装置を用いた種々のタイプの液晶ディスプレイ、特に、（１）動的分散ディスプレイ；（２）ホメオトロピック配列ネマチック相の変形を利用したディスプレイ；（３）Ｓｃｈａｄｔ−Ｈｅｌｆｒｉｃｈディスプレイ；（４）超ツイストディスプレイ；（５）基材に平行に配向した、電場によって制御される面内スイッチングディスプレイ；および（６）表面安定化強誘電性液晶ディスプレイ（ＳＳＦＬＣディスプレイ）と反誘電性質液晶を用いたディスプレイが存在する。
【０００４】
近代的用途に対して、液晶ディスプレイは低電力消費、低しきい値電圧、急勾配性の電気光学特性または双安定性、コントラストの低い視角依存性、迅速なスイッチング時間、高コントラスト、明るさなどのようないくつかの重要な性質を示さなければならない。
【０００５】
今日、いくつかの液晶ディスプレイは上述の望ましい性質のいくつかに関しては有利であるが、これら全ての重要な性質に関して最適化された理想的ディスプレイは存在しない。
【０００６】
電場と誘電カップリングする従来のネマチックディスプレイは、通常遅く、そしてほとんど全てが液晶分子の面外スイッチングであるため、コントラストの角度依存性が満足できないという問題を有する。「面外スイッチング」の用語は、ネマチック液晶分子が外部電場を印加された時に、典型的には分子が通常位置する面に対して傾くという事実を意味する。
【０００７】
動的分散ディスプレイは、分子の強い動きに依存し、スイッチングのために比較的高い電場を本質的に必要とし、従って、このディスプレイタイプはもはやめったに使用されない。Ｓｃｈａｄｔ−Ｈｅｌｆｒｉｃｈディスプレイと同様、ホメオトロピック配列ネマチック液晶の変形を利用したディスプレイは、光学的コントラストの強い視角依存性を有し、そして、Ｓｃｈａｄｔ−Ｈｅｌｆｒｉｃｈディスプレイは、さらに、低勾配性の電気光学特性を示す。超ツイストディスプレイ（ツイスト角が例えば２７０゜）では、電気光学特性の急勾配性は改良されているが、スイッチング時間が長くて光学的コントラストの視角依存性がまだ満足できていない。
【０００８】
拘束基材に直角に配向する場を使用するのとは対照的に、面内スイッチングタイプのディスプレイは、基材と平行−直角でない方向−に配向した電場によって制御される。これらのディスプレイは、光学的コントラストの視角からの依存性が非常に小さいが、明るさとスイッチング時間には満足できない。このディスプレイタイプ特有の欠点は、面内電場をかけることが必要な点であり、製造上の問題を引起こす。
【０００９】
次ぎに、表面安定化強誘電性液晶装置（ＳＳＦＬＣ）が考えられるが、ＳＳＦＬＣをより良く理解するために、最初にスメクチック液晶の性質について短く述べる。
【００１０】
スメクチック液晶においては、スメクチック層に隣接して分子が配列する。スメクチックＡ相とスメクチックＣ相が、これらの「層状態」またはスメクチック液晶の二つの最も重要な代表例である。スメクチックＣ相においては、分子が正常スメクチック層に直角方向に対して角度β（通常２２．５゜のオーダー）で傾いており、一方、スメクチックＡ相においては、分子がスメクチック層に対して直角（β＝０゜）であり、つまり、正常スメクチック層に沿って向いている。さらに、スメクチック液晶は非カイラル（例えば、ＡまたはＣ）またはカイラル（例えば、Ａ*またはＣ*）であり得る。ここで、カイラルの用語は、鏡対称性の欠如を意味する。「カイラル」の用語が、媒体のキラリティ（ｃｈｉｒａｌｉｔｙ）の結果である二次効果として現れる、または現れない、ねじれたまたは螺旋状の分子配列の発生を意味しないことに注意すべきである。
【００１１】
カイラルスメクチック液晶、例えばＣ*は、一つのスメクチック層から次のスメクチック層に行く際にコーン内を回転するディレクターを有する。コーンの頂角θ＝２βは通常４５゜のオーダーである。このため、螺旋軸がスメクチック層に直角であり、そして、コーンの軸に平行である層を横切って螺旋組織が形成される。しかしながら、次いでディレクターとカップリングする局所分極も同じ周期とピッチを有して螺旋状に回転する。局所分極のそのような螺旋構造は、局所分極が自己消滅的であること、つまり、バルク液晶が巨視的分極を示さないことを意味する。
【００１２】
さて、螺旋型スメクチックＣ*バルク状態にあるスメクチック層に電場が印加されると、電場が永久双極子とカップリングし、そしてそれらを場の方向に配列させる。云い換えれば、印加した電場が螺旋をほどき、そして、バルク液晶の誘起巨視的分極を発生させる。
【００１３】
いわゆるＳＳＦＬＣ装置においては、カイラルスメクチック液晶（例えばＣ*）が使用されるが、上述の螺旋は拘束基材表面によって抑制されるため存在しない。これは、（ｉ）スメクチック層を拘束面または装置（本棚または準本棚構造）の基材に非平行に配列することにより、および、（ｉｉ）液晶分子と基材表面の相互作用で、セル内部のディレクターの螺旋配列がもはや起こらない液晶組織が生み出されるほどに、基材と直角なスメクチック液晶層の厚みを薄く（ミクロンオーダーに）することによって達成される。代わりに、カイラル材料が使用されている事実にも係わらず、液晶分子は基材に対して前もって決められた方向、例えば平行、に配列する。具体的には、基材に平行に横たわるディレクターがスメクチック層に直角方向に対してある角度（例えば２２．５゜）を形成する。境界での均一表面条件は螺旋バルク条件と相容れないため螺旋を消滅させ、ある値より低いセル厚が選択されると、境界によって螺旋のねじれが弾性的にほどける。その結果が、いわゆるゼロでない巨視的分極を示す表面安定化スメクチックＣ*相状態である。
【００１４】
この装置に使用されるスメクチックＣ*相のような材料は、強誘電性相であり、それは、電場がないと、材料がスメクチック層に沿って、つまり、分子の長軸に直角に、永久分極を示すことを意味する。従って、ディレクターは、基材に直角方向に印加される電場の反転によって、二つの状態の間を「デジタル的に」スイッチされ得る。そのようなセルを表面安定化強誘電性液晶装置（ＳＳＦＬＣ装置）という。重要な特長は、双安定性でもあり得る「フリップ−フロップ」機構（「Ｇｏｌｄｓｔｏｎｅ効果」）が、従来のツイストネマチックディスプレイなどの、永久分極を示さない従来の液晶材料をスイッチする、かなり遅い誘電機構よりもはるかに速いことである。
【００１５】
この意味で、上述のスメクチック層が、一般的に拘束表面に対して少し傾いていることに注目すべきである。さらに、これらの層は、本棚構造よりも山形構造を形成してもよい。
【００１６】
強誘電性材料を使用する代わりとして、液晶材料がいわゆる反誘電性相（ＡＦＬＣ）であって良く、それは、電場がない場合に隣接スメクチック層内のディレクターが反対の傾斜を有することを意味する。ＡＦＬＣディスプレイにおいては、偏光子がスメクチック層と平行および直角に配置される。Ｅ＝０では、暗い状態が得られ、一方、＋Ｅおよび−Ｅでは共に同じ明るい状態が与えられる。このように、ＡＦＬＣは「３状態スイッチング」を示し、一方、ＳＳＦＬＣは相安定状態でもあり得る「２状態スイッチング」を示す。
【００１７】
表面安定化強誘電性液晶ディスプレイ（ＳＳＦＬＣＤ）と反強誘電性液晶ディスプレイの欠点にはスメクチック相を配向させそしてこれらの相の配向を維持するのが困難であるということが含まれる。また、消費電力が比較的高い。もう一つの欠点は、印加される電場と自発分極の間の目的通りのカップリングを得るために、液晶層の厚みを通常２μｍぐらいに制限しなければならないことである。ＦＬＣ装置の薄肉に対するこの要請のため、それらの生産は複雑、繊細かつ高価になる。
【００１８】
上で考察された従来の液晶装置において、バルク内の液晶の望ましい配列は拘束固体表面の適切な処理、例えば、バフがけ（ラビング）や無機または有機層を用いた被覆などによって達成される。外部場がない場合、最初の液晶配列は表面−液晶相互作用によって規定される。立体相互作用を介して、表面分子の方向がバルク内の分子の配向を誘起する。例えば、基材表面近くでは、ディレクターが、表面に直角（ホメオトロピック配列）または表面に平行（平面配列）など、ある方向の点に拘束される。液晶材料が強い複屈折性であるため、その配列の少しの変化が、好適な偏光子の間で観察される様な、眼に見える光学的性質にある種の変化をもたらす。
【００１９】
従来技術においては、光学的性質を変えるために、最初の分子配列と異なる新しい分子配向を達成するには、原理的に次の二つの異なる方法（１）と（２）がある：
【００２０】
（１）分子配向を変えるための第一の公知技術は、液晶バルク層全体の上に印加する電場のような外部場を印加することである。電場とバルク内のいくつかの液晶材料パラメータの間の上述の直接カップリングにより、場は液晶と直接相互作用し、そして、もし相互作用によって生じる方向が最初の配列の好ましい方向と異なる場合、分子配列を変える。いくつかの用途においては、表面近くの分子は、電場によって配向され得るほどには非常に自由ではないが、表面からさらに離れた「バルク分子」は配向を変えるのに十分に自由である。
【００２１】
（２）液晶層分子の配向を変えるための第二の公知技術は、拘束配列層の一つを光制御される「コマンド表面」として設計することである。紫外線に照射されると、このコマンド表面はその配列性を変え、その結果、配列層との界面にある液晶の最初の配列の方向を変化させる。この技術は、Ｋ．Ｉｃｈｉｍｕｒａらによって、二つの論文、液晶、１９６６．ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．２，のそれぞれ４２３−４３５頁および１６１−１６９頁に、そして、先端材料研究所（九州大学、日本）から発行された「超高密度光学メモリーのための光反応性材料」という報文の中の「『コマンド表面』による液晶配列の光制御」と題する論文にも述べられている。
【００２２】
より具体的には、アゾベンゼン単分子層を、ネマチック液晶バルク層を含む液晶セルの基材内表面の上に配置させる。配列層内での分子配位変化が次ぎにネマチック液晶分子の配列変化を惹き起こす。具体的には、アゾベンゼン分子は、紫外線を照射された時に「トランス状態」から「シス状態」に配位を変える。感光性材料、例えばアゾ化合物は、トリエトキシシリル基の助けにより、基材表面に固定され、そして、トランス／シス光異性化を惹き起こす。トランス異性体は、ネマチック分子のホメオトロピック配向（基材に直角なネマチック分子）を示し、一方、シス異性体は平面配向（基材に平行なネマチック分子）を示す。光異性化プロセスは、試料に紫外線を照射した時に起こる。試料を白色光で照射するか単純に加熱することによって最初の配列への緩和が得られる。
【００２３】
液晶配列を変えるために光制御コマンド層を使用することの欠点は、二つの状態間のスイッチング速度が遅いことである。特に、平面（シス）からホメオトロピック（トランス）への転位は比較的遅いプロセスである。もう一つの欠点は、紫外線劣化のために装置の寿命が低下することである。さらに、これはネマチック液晶の制御にしか使用できない。
【００２４】
従って、今日の液晶電子光学ディスプレイは、セルに充填されるバルク液晶の光学的性質を変えるために、光ではなく外部電場の使用によって制御される。分子の方向変更は電場によってのみ迅速に行い得る。電場はバルク液晶と直接相互作用してそれらの配向または配列を変え、そうすることでディスプレイの性質、例えば、光学的透明性、種々の波長での光吸収、光分散、複屈折、光学的活性、円二色性などを変える。
【００２５】
液晶装置の上述の望ましい性質および公知のディスプレイの上述の種々の欠点の観点から、本発明の一般的目的は、改良液晶ディスプレイおよびそのようなディスプレイの製造方法を完成することである。
【００２６】
（発明の概要）
本発明の第一の態様（請求項１）に従えば、電場によって直接制御され得る動的表面配列層を示す液晶装置が供される。
【００２７】
本発明の第二の態様（請求項３６）に従えば、電場によって直接制御され得る動的表面配列層を示す液晶装置の製造方法が供される。
【００２８】
本発明の第三の態様（請求項４４）に従えば、液晶バルク層内に誘起される面内スイッチングを達成する方法が供される。
【００２９】
本発明の第四の態様（請求項４５）に従えば、液晶装置内に動的表面配列層を製造するための液晶材料の使用が供される。
【００３０】
本発明の好ましい、そして代替の態様は従属する請求項に示されている。
【００３１】
本発明に従えば、液晶バルク層の表面分子の配向は、一つ又は二つの隣接する動的配列層内の配向変化の達成によって制御され得る。動的配列層内のこの配向変化は、それを制御するために動的配列層の上に印加される電場によって達成される。通常、電場は、動的配列層（群）に加えて、液晶バルク層を横切っても印加されるが、液晶バルク層の上に如何なる電場が存在しても、そのような存在が用途によっては有用であり得るものの、本発明の基本原理に関する限り、それ程重要ではない。
【００３２】
本発明原理の本記述において、動的配列層の電場に応じた変化は「主表面スイッチング」と呼ばれる。主表面スイッチングは、次ぎに弾性力（立体的カップリング）を介して、基材の間に拘束される液晶材料のバルク内の好ましい分子方向のスイッチングを惹き起こす。この二次的スイッチングを「誘起バルクスイッチング」と呼ぶことができる。この誘起バルクスイッチングは面内スイッチングである。このように、動的配列層の変化が、配列層によって配列させられる表面分子の変化を惹き起こし、そして、この表面分子の変化が今度は誘起バルクスイッチングを達成する。
【００３３】
本発明の好ましい態様においては、電気的に制御され得る動的配列層を形成させるために、カイラルスメクチック液晶材料が使用される。このように、本発明に従えば、電気的に制御することによって第一液晶層（バルク層）と、隣接の第二液晶層（動的配列層）を制御しまたは配列させることが可能である。特に、これは、電場とバルク層に使用される液晶材料間の直接カップリングを必要としないで達成できる。
【００３４】
独立請求項に定義されるような上述の発明原理により、従来技術の液晶ディスプレイよりも多くの非常に重要で有用な利点が得られる。特に、次のような利点１−７が挙げられる：
【００３５】
１．一般的利点として、本発明は、スイッチング制御に電場を使用するため、迅速なスイッチング時間を可能とする。
【００３６】
２．本発明は、スイッチング機能を達成するために紫外線などの光の使用を全く必要としない。
【００３７】
３．本発明の重要な利点は、例えば、双安定性をも含む、ＳＳＦＬＣに代表される面内分子スイッチングの利点を、従来の液晶構造体にまで適用可能にすることである。一例として、本発明に従う動的配列層は、双安定性で、印加される電圧に直接、強誘電性応答を示すスメクチックＣ*相の薄層として製造され得る。場の方向の反転によってスメクチックＣ*相の非常に迅速な応答がもたらされるであろう。場の反転に対応するこの主表面スイッチングは、本質的に従来のＳＳＦＬＣの応答と同じ速さであろう。（ｉ）配列層とバルク層の表面分子の間のカップリング、および、（ｉｉ）バルク層の表面分子とさらにバルク内部の分子の間のカップリングのために、誘起面内スイッチングは主表面スイッチングと殆ど同じ速さであろう。云い換えれば、本発明は、バルク層の液晶材料、厚み、電気的応答などに関する何らの特別な要求なしに、非常に速い状態で液晶バルク層を電気的に制御することを可能とする。
【００３８】
４．動的配列層を製造するのに、多くの異なるタイプの液晶材料が使用できる。
【００３９】
５．バルク液晶層を製造するのに、多くの異なるタイプの液晶材料、例えば、従来の、ツイストまたは非ツイスト配置の、非カイラル性またはカイラル性のネマチック相またはスメクチック相が使用できる。
【００４０】
６．従来の液晶に関する本原理の要求項目は非常に少なく、従来のそして簡単な電極構造のみが要求される。
【００４１】
７．本発明は、グレースケールの特長を発揮するために使用できる。これは、もしもバルク層の液晶材料も印加される電場に対して直接応答を示すならば、「二段階効果」の達成によって発揮できる。例えば、小さな正の誘電異方性と、動的配列層の場合よりも大きな、誘電スイッチングに対する電圧しきい値を有するネマチック液晶によって形成さたバルク層が考えられる。この場合、電場の強さを増していくと、例えば電圧が動的配列層に対する最初の電圧しきい値に達したときに、最初のスイッチング（主表面スイッチング）が起こる。この時点ではまだ、電場とバルク分子の間で直接電気的カップリングが起こらない。しかしながら、バルク分子の誘起面内スイッチングが起こるであろう。これが上述の二段階効果の最初の段階である。場の強さをさらに増していくと、電圧がバルク層内の誘電的スイッチングのためのしきい値を越え、ネマチック分子のホメオトロピック面外配向が惹き起こされる。好適に配向した偏光子の使用によって、第一段階（誘起面内スイッチング）が装置を通して光を部分的に消し去り、一方、第二段階（面外スイッチング）が本質的に完全な光ブロッキング効果をもたらす可能性がある。
【００４２】
上述およびその他の態様並びに本発明の利点は、請求項および本発明の装置並びにその製造に関するいくつかの態様に関する以下の記述から知ることができる。
【００４３】
（発明の態様の説明）
図１ａには、本発明に従った動的表面配列層を含む液晶セル２が模式的に図示されている。上から順に、セル２は次の構成成分を含む：第一のガラスまたは重合体基材４、第一ＩＴＯフィルム６（インジウム酸化錫フィルム）、第一受動表面配列層８、第一動的表面配列層１０、密封液晶バルク層１２、第二動的表面配列層１４、第二受動表面配列層１６、第二ＩＴＯフィルム１８および第二ガラスまたは重合体基材２０。参照番号２２は、ガラス基材４と２０を互いから定められた距離で支持するスペーサーを表す。図１ａに描かれたセルは、二つの動的表面配列層１０と１６を含む、本発明の両面態様である。図１ｂに描かれたセルは、一つの動的表面配列層１０のみを含む、本発明の片面態様である。
【００４４】
実施例１（調製方法）
以下の実施例は、例えば、図１ａ中の第一動的配列層１０を形成するカイラルスメクチック相表面の調製方法を述べている。
【００４５】
最初に、ガラス基材４の内部表面を、透明で、導電性のＩＴＯフィルム６で被覆し、その後、通常は蒸着し、バフがけしたＳｉＯｘの受動表面配列層８で被覆する。よく知られているように、この受動表面配列層８は、ほとんどの液晶材料の一方向性平面配列を与える。次に、動的表面配列層１０を製造するために、光反応性液晶単量体Ａ１ｂ／Ａ２ｃ（２０／８０重量％）および光開始剤（通常ごく少量添加される）の混合物のクロロホルム希薄溶液（約１０重量％）をスピンコートすることによって、受動ＳｉＯｘ配列層８をこの混合物の薄層でプレコートする。これらの単量体の構造は以下の通りである：
【００４６】
0004328023.tif 000002
【００４７】
ここで見られるように、Ａ１ｂとＡ２ｃはそれぞれ一官能性と二官能性の単量体であり、そして両者はカイラル性である。溶媒を蒸発させた後、被覆がＳｍＡ*相でありこの被覆の配列をより良好にする温度３７℃の熱い状態で、ガラス基材４を挿入する。次いで、試料を紫外線で照射する。光重合によって重合体ネットワークが形成され、この場合、二官能性分子は両末端で橋かけされ、一方、一官能性分子は一個の自由に動ける末端を有するため、印加される電場によってスイッチ可能となる。露光後に、重合プロセスを完結させるために試料の温度を実質的に上げる（約１５０℃まで）。Ａ１ｂ／Ａ２ｃ重合体ネットワークの、プレコートされたガラ基材４への接着はかなり良好である。最後に、予防工程として、セル基材４および２０の間に拘束されているバルク液晶１２の表面に沈積した物質のいかなる未重合部分の混入も避けるために、ガラ基材４をアセトンまたはクロロホルムのような溶媒で洗浄する。Ａ１ｂ／Ａ２ｃネットワークは、基材表面に良く結合し、そして、液晶１２に不溶性であるようである。
【００４８】
実施例２（調製方法）
以下の実施例も、例えば、図１ａ中の第一動的配列層１０を形成するカイラルスメクチック相表面の調製方法を述べている。ガラス基材４の導電性ＩＴＯフィルム６をフォトクロミック材料の配列層９で被覆する。この材料は、アゾベンゼン分子のオルトまたはメタ位置でシリカ表面に、例えばシリル化を介して固定された、サイドオン（ｓｉｄｅ−ｏｎ）型の結合である。そのような材料の分子構造として以下の構造があり得る：
【００４９】
0004328023.tif 000003
【００５０】
次に、基材を線形偏光された紫外線で照射し、その結果、良く知られた、接触した液晶分子の均一な平面配列を得る。その後、実施例１に述べた手順に従って、光反応性単量体Ａ１ｂで受動配列層をプレコートする。重合後、この材料の分子は均一に配向し、受動配列層に十分固定し、そして、セルを充填している低分子量の液晶材料に不溶性であるようである。
【００５１】
実施例３（調製方法）
この例では、光活性単量体混合物Ａ１ｂ／Ａ２ｃを、二色性アゾ染料またはその他の光発色性材料と混合し、これらの分子を線形偏光によって配列させ得る。染料分子の光制御配列のために、そして、第一動的配列層１０内の液晶分子の配列のために使用される波長は、光活性単量体混合物を光重合させる光の波長と異なってもよい。このようにして、動的配列層１０の分子が、線形偏光によって最初に一方向的に配列され、次いで光重合されるであろう。
【００５２】
バルク液晶の面内スイッチング
今度は、本発明原理に従う誘起面内スイッチングを表すいくつかの例について述べる。
【００５３】
以下の例で使用されるカイラル表面媒介装置（ＣＳＭＤ）は、二つの平行な電極を付けた、互いの間にミクロンンサイズの隙間（スペーサー２２）を有するガラス基材４および２０から成る。セル２の両基材を、上述の手順に従って、それぞれカイラルスメクチック層１０および１４で被覆する。実験装置の構造は、図１ａと１ｂに示されている通りである。
【００５４】
図２に模式的に示される装置によって、電気光学的応答を検出した。
【００５５】
試料２を、二つの交差偏光子（検光子３０および偏光子３２）の間に挿入する。電圧供給部３４によって電場Ｅが試料に印加された時に、透過光を最大に光変調させるために、試料２はその光学軸が偏光子の中の一つの偏光子の透過方向に対して２２．５度の角度になるように配向される。この電圧は、差動電圧増幅器３６によって増幅され得ることが必要である。透過光強度Ｉが検出器３８によって検出される。試料２の電気光学特性と印加された電圧を可視化するための光検出器および電圧供給部３４にオシロスコープ４０が結合される。
【００５６】
実施例４（バルク層における面内スイッチング）
装置２の二つの内部表面を、実施例１または実施例２に従って、カイラルスメクチック層でプレコートした。バルク層１２を製造するために、以下の相シーケンスを有する非カイラル液晶材料、Ｈｏｅｃｈｓｔ９０８で装置を充填した：
【００５７】
Ｃ  １０℃    ＳｍＣ  ６３℃    ＳｍＡ  ６４℃     Ｉ
【００５８】
偏光子の一つに対して２２．５°の角度で配向した光学軸を有するように、交差偏光子３０および３２の間にセル２を挿入した。この液晶材料で充填されるが、動的表面配列層を有しない「従来」の公知技術セルが、印加された電場に対する誘電応答のみを示すであろうことに注意すべきである。しかしながら、本発明者らは、カイラルスメクチック層１０および１４でプレコートされた内部表面を有する本発明のセル２においては、厚さ１４μｍのセルに対して約Ｅ＝５Ｖ／μｍの電場を印加した時に、スメクチックＣ相内に明らかなスイッチングを見出した。この応答を図３に表す。図から見られるように、応答は線形であり、そして、単に試料２を４５°回転させることによって、試料の光学軸が試料の面内でスイッチし、それが応答の１８０°相シフトを惹き起こすことが証明された。
【００５９】
次に図４について述べる。本発明の原理に従って、基材内部表面を被覆するカイラルスメクチック層１０および１４によって、セル２のバルク層１２内のスイッチングプロセスを開始させる。表面層１０および１４の分子の配列方向は、セルを横切って電場Ｅを印加することによって変えられる（主表面スイッチング）。この方向変化を、点線Ｄ１および実線Ｄ２を用いて図４に模式的に示す。
【００６０】
主表面スイッチング（Ｄ１→Ｄ２）は、今度は、弾性力を介して、基材４および２０の間に拘束された液晶材料１２の容積内にある分子の配列の、好ましい方向のスイッチングを惹き起こす。この誘起バルクスイッチングを、新しい方向Ｍ２（実線）にスイッチングする分子Ｍ１（点線）によって図４に模式的に示す。光学軸の誘起バルクスイッチングは、事実、面内スイッチング、つまり、基材４および２０に平行な面内で起こるスイッチングである。バルク材料１２における誘電異方性の符号に依存して、誘電カップリングが液晶容積１２の分子の面内スイッチングを、安定化（Ｄε＜０）させたり不安定化（Ｄε＞０）させたりし得る。
【００６１】
実施例５（バルク層における面内スイッチング）
さらなる実施例においては、以下の相シーケンスを有するラセミック液晶混合物、ＷＩＬＣ４８（Ｈｏｅｃｈｓｔ）を含む、実施例１に従った装置を用いた：
【００６２】
ＳｍＣ  ４８℃    ＳｍＡ  ５７℃    Ｉ
【００６３】
Ｅ＝２．３Ｖ／μｍの電場を印加した時に、厚さ２μｍのセル内に実施例３で見られたものと同じタイプのスメクチックＣ相内の電気光学応答が検出された。
【００６４】
実施例６（バルク層における面内スイッチング）
実験２に従ってセルを調製した。液晶材料１２は、負の誘電異方性（Ｄε＜０）を有するネマチック相混合物、２ＬＩ２５８５（Ｍｅｒｃｋ）であった。誘電カップリングによって液晶分子の面配列を安定化させるために、Ｄε＜０を有する液晶材料を選択した。液晶を等方相状態で真空下でセル内へ吸込み、そして室温まで徐冷した。Ｅ＝３Ｖ／μｍの電場をかけた時に、厚さ２μｍのセルに対して得られた、検出された電気光学応答を図５に示す。これは、試料光学軸の面内分子スイッチング（図４に従う）の結果であり、また線形特性とマイクロ秒領域の応答時間も有している。
【００６５】
実施例７（グレースケール）
次に、グレースケール機能を達成させるために、本発明をどのように使用し得るかを示すために図６を説明する。
【００６６】
上述の実施例２に従ってセル２を調製した。セルの隙間を次のネマチック相混合物で充填した：６５ｍｏｌ％の４−ｎ−ブチル−トランス−シクロヘキサンカルボン酸および３５ｍｏｌ％の４−ｎ−ヘキシル−トランス−シクロヘキサンカルボン酸。この混合物は−２０℃より低い温度から＋９０℃までがネマチック相で、Ｄε＝０．０７；Ｕｔｈｒ＝１０．５Ｖである。５Ｖの電圧をかけると、装置が実施例５に述べたものと類似の面内スイッチング（Ｍ１→Ｍ２）を示した。しかしながら、Ｍ２位置において完全消光は達成されない。引続いて第二段階で、この実施例では１５Ｖまで電圧をさらに上げると、もう一つのスイッチングプロセス（Ｍ２→Ｍ３）が得られ、図７のダイアグラムによって示されるように完全消光が達成された。この第二のスイッチング段階Ｍ２→Ｍ３においては、混合物の小さな正の誘電異方性のために、ネマチック相の分子はガラス基材４および２０の表面に対して直角に配向する（ホメオトロピック配向）傾向を示す。
【００６７】
小さな正の誘電異方性を有し、そして、カイラルスメクチック表面層が媒介するネマチック相のスイッチングの値よりも高い誘電スイッチング電圧しきい値を有するネマチック液晶１２でセルの隙間を充填すると、装置は上述の二つのスイッチング段階を示す。第一のスイッチングは、カイラルスメクチック相が媒介する面内スイッチングの電圧しきい値で起こり、そして、第二のスイッチング段階は、電圧が誘電スイッチングしきい値を越えて、ネマチック相のホメオトロピック配向を起こす時に得られる。偏光子を適切に設定すると、この第一段階で部分消光、そして、第二段階で完全消光を達成し得る。この二つのスイッチングモードはグレースケールを得るのに有用である。
【００６８】
実施例８（片面態様）
次に、図８について説明する。試料１に従って、カイラルスメクチック層で被覆された基材を一個（４）だけ有するセル２を、図１ｂに従って調製した。表面被覆は９０°の主スイッチング（Ｄ１→Ｄ２）を示した。他の基材２０を、一方向にラビングしたポリイミドで被覆した結果、基材２０に最も近いバルク分子がＤ３方向に表面配列した。セルの隙間をネマチック相混合物１２で充填した。オフ状態では、ネマチック相が均一に面状（Ｍ１）に配向する。交差偏光子３０および３２の一つ（３２）の分極面を、ネマチックディレクターと平行にセットすると、セル２はＥ＝０で消光した。５Ｖの電圧をかけると、カイラルスメクチック層で被覆された表面で、配列の好ましい方向の９０°のスイッチング（Ｄ１→Ｄ２）が得られ、それがバルク１２内に９０°のツイストＭ１→Ｍ２を誘起した。この「オン」状態において、装置２は光を透過する。交差偏光子３０および３２のもう一つの好適な設定により、代わりに「オフ」状態を透過性にさせ得る。
【００６９】
実施例９（円偏光の巻き方向（ｈａｎｄｅｄｎｅｓｓ）のスイッチング）
次に図９を説明する。λ／４波板条件を満足するようにセルパラメーターを選んだ。主スイッチング角（Ｄ１→Ｄ２）が９０°になるように、カイラル相表面被覆用の材料を選択した。スイッチング状態が偏光子３０の透過方向の回りに対称的に配置されるように、交差偏光子の間にセルを挿入した。そうすることにより、装置の出力での円偏光の巻き方向（ｈａｎｄｅｄｎｅｓｓ）は印加される電場の極性に依存する。このようにして、円偏光の巻き方向（ｈａｎｄｅｄｎｅｓｓ）の迅速なスイッチが達成できた。
【００７０】
実施例１０
次に図１０を説明する。本実施例では、セル２の第一スイッチング層１０が、正の自発分極（Ｐｓ＞０）を有する強誘電性液晶を含み、一方、第二動的表面配列層１４は負の自発分極（Ｐｓ＜０）を示す。共通軸に沿って配列しているネマチック相材料１２で装置２を充填した。装置を平行な偏光子３０および３２の間に置いた。
【００７１】
装置の光学軸を偏光子３０、３２の透過方向に対して４５°に配向させた。もし、表面の主スイッチングの角度が４５°であると、強誘電性表面層１０および１４の自発分極の符号が反対であるために、この装置は、印加する電場の符号を反転させた時に、透過性（明）非ツイスト状態と非透過性（暗）ツイスト状態の間でスイッチを起こすであろう。
【００７２】
実施例１１
その他の例として、実施例１０に従ってセルを調製したが、バルク１２内の液晶を、４５°の分子傾斜角を有する非カイラルスメクチック相Ｃとした。このセルの電気光学的スイッチングは、実施例１０に述べたものと類似していた。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明に従う液晶装置の模式図を示し、図１ａは両面態様、図１ｂは片面態様である。
【図２】  図２は、装置の電気光学的応答を検出するための実験装置を示す。
【図３】  図３は、図２中の実験装置によって得られた、検出された電気光学的応答を示す。
【図４】  図４は、本発明に従う液晶装置の誘起面内バルクスイッチングを表す模式図である。
【図５】  図５は、図２中の実験装置によって得られた、もう一つの検出された電気光学的応答を示す。
【図６】  図６は、グレースケール効果をもたらす誘電面外バルクスイッチングと組合せた、本発明に従う液晶装置の誘起面内バルクスイッチングを表す模式図である。
【図７】  図７は、図６に従った装置によって得られた、印加した電圧の関数としての光透過強度Ｉを示す。
【図８】  図８は、誘起面内バルクスイッチングのさらなる例を表す模式図である。
【図９】  図９は、誘起面内バルクスイッチングのさらなる例を表す模式図である。
【図１０】  図１０は、誘起面内バルクスイッチングのさらなる例を表す模式図である。
【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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【図１０】
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