JP2003066492A - 双安定ネマティック液晶デバイス - Google Patents
双安定ネマティック液晶デバイスInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 新規な双安定ネマティック液晶デバイスの提
供。 【解決手段】 双安定ネマティック液晶デバイスは、少
なくとも１つのセル壁２上にある配向層６に、孔８のア
レイを含む。この配向層６は液晶分子に、実質的に平面
状の局所配列を生じさせる。孔８は、実質的に同一のア
ジマス方向において、孔に隣接する液晶ディレクタが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
きを有している。このような構成により、電極に適当な
電気信号が印加された後、２つの安定な液晶分子配列状
態が存在しうる。
供。 【解決手段】 双安定ネマティック液晶デバイスは、少
なくとも１つのセル壁２上にある配向層６に、孔８のア
レイを含む。この配向層６は液晶分子に、実質的に平面
状の局所配列を生じさせる。孔８は、実質的に同一のア
ジマス方向において、孔に隣接する液晶ディレクタが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
きを有している。このような構成により、電極に適当な
電気信号が印加された後、２つの安定な液晶分子配列状
態が存在しうる。
Description
【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（「Ｌ
Ｃ」）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（Ｔ
Ｎ）、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（Ｔ
ＦＴ）によって各画素を駆動することど解消可能である
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ＷＯ９２／００
５４６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 Ele
c. 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ＷＯ９９／３４
２５１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ＰＥ
Ｓ、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．Ｂ
ｒｙａｎ−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の内側表面はには、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（Ｓｈｉ
ｐｌｅｙ 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３
６５ｎｍ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
りも多少幅広かったが、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（Ｎｉｓｓａ
ｎ 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 Ｏｐｔ
ｉｃａｌ 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５μ
ｍ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１
２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。
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（「Ｌ
Ｃ」）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（Ｔ
Ｎ）、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（Ｔ
ＦＴ）によって各画素を駆動することど解消可能である
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ＷＯ９２／００
５４６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 Ele
c. 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ＷＯ９９／３４
２５１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ＰＥ
Ｓ、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．Ｂ
ｒｙａｎ−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の内側表面はには、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（Ｓｈｉ
ｐｌｅｙ 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３
６５ｎｍ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
りも多少幅広かったが、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（Ｎｉｓｓａ
ｎ 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 Ｏｐｔ
ｉｃａｌ 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５μ
ｍ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１
２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
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
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フロントページの続き
(72)発明者 エイドリアン・デレク・ゲイソウ
イギリス国ノース・ソマーセット・ビーエ
ス20・６キューエス，ポーティスヘッド,
エスティーイー・メアリーズ・ロード・カ
ーペナー・コート・コテッジ
(72)発明者 ジョン・クリストファー・ルーディン
イギリス国ロンドン・エヌダブリュー６・
６エイチビー，ハービスト・ロード・143
エイ
Ｆターム(参考） 2H088 GA02 HA03 JA03 JA28 LA09
MA20
2H090 HA11 HA14 HA16 JA02 KA03
KA18 MA02 MA11 MA17 MB14
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項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。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP01305418A EP1271225A1 (en) | 2001-06-22 | 2001-06-22 | Bistable nematic liquid crystal device |
| EP01305418.4 | 2001-06-22 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003066492A true JP2003066492A (ja) | 2003-03-05 |
| JP2003066492A5 JP2003066492A5 (ja) | 2005-10-20 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002183163A Expired - Fee Related JP4484422B2 (ja) | 2001-06-22 | 2002-06-24 | 双安定ネマティック液晶デバイス |
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| EP (1) | EP1271225A1 (ja) |
| JP (1) | JP4484422B2 (ja) |
| DE (1) | DE60219243T2 (ja) |
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