JP2004510187A - 可変反射波長を有する液晶デバイス - Google Patents
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Abstract
液晶デバイス(2)は、透明な前方プレート(6)と後方プレート(8)の間に配置されたコレステリック液晶材料(4)を備えている。コレステリック液晶材料(4)は、第1の方向(22)に印加される電界に応じて、透明状態と反射状態との間で切り換え可能である。反射状態では、材料(4)は、電界が印加されないときに第1波長により特徴付けられる光を反射する。電極(24,26)は、反射状態のコレステリック液晶材料(4)に第1の方向(22)とは異なる第2の方向(25)に電界を印加するために提供される。このように、コレステリック液晶材料(4)は、材料に第1波長とは異なる第2波長により特徴付けられる光を反射させるために変更される。表示装置(2)は、ピクセルが広範囲の色を実現できるように製造され、これによりディスプレイのための多色画像を達成することができる。
Description
【0001】
本発明はコレステリック液晶デバイスに関する。より詳細には、本発明は、印加電界により反射光の波長が変更される反射状態を有するコレステリック液晶材料を備えたコレステリック液晶デバイスと、反射光の波長変更のためのそのようなデバイスの操作方法とに関する。
【0002】
(発明の背景技術)
一般的なコレステリック液晶表示デバイスは、透明な前方プレートと後方プレートとの間に配置されたコレステリック液晶材料の層を備えている。透明な導電性薄膜から形成された電極が両プレートの内表面に適用される。前方プレートに垂直な電極間に印加される電界(V⊥)に応じて、コレステリック液晶材料は、透明状態と反射状態の間で切り替わる。反射状態では、コレステリック材料は前方プレートを通る光を遮断し、前方プレートを通じて光を戻すように反射する。通常のディスプレイは、複数のピクセル(画素)を備え、各ピクセルは他の領域から独立したある別個の領域を切り換える電極を有するコレステリック液晶層の別個の領域に各々対応する。反射状態では、該領域は、ディスプレイのための画像を作成するために、周囲のピクセルからの光と協力する明るいピクセルを形成する。
【0003】
好ましいタイプのコレステリック液晶材料は、キラル添加物とネマチックホストから構成される。ネマチック分子は長手方向の分子軸に沿って長く延びる。キラル添加物がある状態では、分子は反射状態ではらせん配置を形成し、分子軸はらせん軸に垂直であり、らせん軸は前方プレートに垂直である。らせん配置は、反射光の波長(λ)に直接関係するピッチにより特徴付けられる。対照的に、分子が整列していない時には、これは散在状態と呼ばれるが、材料は透明になる。らせん軸に沿った電界の印加は、分子を散乱するか分子を整列させるかにより透明状態と反射状態の間でコレステリック液晶を切り換えるのに有効である。一旦切り換えられると、電界が除去された後でも、適切な電界が材料を再び切り換えるために印加されるまで、コレステリック材料はその状態を保つ。
【0004】
反射光の波長は、らせん配置をしたコレステリック分子のピッチにより決定される。ピッチは、ネマチック分子に対するキラル添加物の割合により決定される。キラル添加物の濃度が異なると、ピッチ長さが異なる。共通する材料に関しては、添加物が少量であると赤色に対応するより長い波長を有する反射光が生じるが、添加物の緑色か青色にシフトするより短い波長を有する光を反射するには添加物の濃度がより高いことが有効である。
【0005】
したがって、従来のコレステリックディスプレイの1つの欠点は、一旦材料が構成されると、材料が所定の波長(すなわち単一色)の光の反射に制限されることである。多色ディスプレイを得るためには、2つ以上のコレステリック液晶材料が必要とされる。例えば赤色、緑色、青色のコレステリック液晶材料の層を積み重ねて、異なる色を生成するためにそれらを選択的に反射状態と透明状態の間で切り換えることが可能である。しかしながら、そのような積み重ね(スタック)は、厚みがあり、重く、製造に費用がかかることが多い。またそのようなスタックは一般に、各色の層の切り換えを制御する別々のドライバを必要とする。
【0006】
従って、多色ディスプレイを形成するために液晶材料の単層を利用し、薄くて比較的安価なデバイスとして容易に製造可能なコレステリック液晶デバイスに対する要求が長い間存在している。
【0007】
(発明の詳細な説明)
本発明によれば、コレステリック液晶デバイスは、印加電界がない状態では第1波長により特徴付けられる光を反射する反射状態を有するコレステリック液晶材料と、コレステリック液晶材料に第1波長とは異なる第2波長により特徴付けられる光を反射させるために電界を印加する手段とを備えている。好ましい実施形態では、本発明は、観察者によって見ることができる表示を作成するように協力する複数のピクセルを備えた表示装置を提供する。各ピクセルでは第1の方向の電界に応じてコレステリック液晶材料を透明状態と反射状態の間で切り換え可能である。本発明による印加電界がない状態では、反射状態のコレステリック液晶材料は、ディスプレイのための第1の色に一致する第1波長により特徴付けられる光を反射する。本発明によれば、反射状態のコレステリック液晶材料に、第1の方向とは異なる第2の方向に電界が印加される。このように、コレステリック液晶材料は、第1波長とは異なる、第1の色と異なる第2の色に対応する第2波長により特徴付けられる光を材料に反射させるように、変更される。従って、ピクセルの色は、コレステリック材料の反射率を切り換えるために、第1の方向に平行ではない、好ましくは第1の方向に概ね垂直な、電界の印加により選択される。
【0008】
それゆえ本発明は、多色ディスプレイ画像を生成するための色が変わるピクセルを提供する。本発明の1態様では、サブピクセルからの光が組み合わさってピクセルの色を生成するように、表示装置の各ピクセルがサブピクセルから形成される。コレステリック液晶材料は各サブピクセルにおいて、透明状態と反射状態の間で独立して切り換えることができる。さらに、少なくとも1つのサブピクセルは、反射光の波長を変更する電界を印加する手段を備えている。サブピクセルでコレステリック材料を選択的に切り換えて1つのサブピクセルの色を変えることにより、ピクセルに対して広範な色を得ることができ、そのため十分なカラーディスプレイが達成される。
【0009】
本発明の好ましい実施形態によれば、図1は、方向3に見た時のディスプレイを作成するための電気的に調節できるカラーコレステリック液晶表示デバイス2を示す。ディスプレイは所望の画像を生成するよう選択された種々の反射率と色を有する複数のピクセルより形成されている。1つのピクセルに対応するデバイス2の一部のみを図1に示しているが、デバイス2は類似のデザインの多数のピクセルから形成することができ、各ピクセルは別々に切り換えることができ、色は所望の画像を生成すべく調節することができる。デバイス2は、コレステリック液晶材料の1つの層4を備えている。ピクセルの反射率と色は、領域5でのコレステリック材料の性質により決定される。本発明によれば、領域5でのコレステリック材料は、暗いピクセルや明るいピクセルを作成するために透明状態と反射状態間で切り換えられるだけでなく、反射光の波長が印加電界に応じて変更され、それにより所望の色を得るようにも適合される。また重要なことには、領域5での材料の反射率と色は、周囲の材料からは独立して変更することができ、そのため所望の表示画像のために必要なものとして各ピクセルからの光を選択することが可能である。
【0010】
表示装置2は層4の周囲に透明な前方プレート6と、後方プレート8とを備える。プレート6は、デバイスに光を入れるために、ガラスか透明ポリマー材料のような透明材料から適切に形成される。光はピクセルの所望の条件を作成するために反射または吸収される。後方プレート8は通常は前方プレート6と類似であるが、前方プレートと組み合わさってデバイスに所望の強度と剛性を提供するように、任意の材料から適切に形成され得る。この実施形態では、後方層8は透明であり、デバイス2を通過して伝えられた光を吸収する外部の不透明層10を有する。このように、コレステリック液晶材料が透明状態である場合、前方プレート6を通ってデバイスに入る光は領域5を通過して伝えられ、ディスプレイのための暗色または黒色のピクセルを作成するためにコーティングにより吸収される。層10はコーティングまたは接着剤で貼り付けた薄膜として、後方層8の外表面12上に好ましくは施される。代わりに、後方プレート8が、追加層10の必要なしでデバイス2を通過して伝えられた光を吸収すべく、それ自体不透明であってもよい。
【0011】
コレステリック液晶材料は、前方プレートに概ね垂直で、見る方向3に平行な、第1の方向22に印加された電界Etに応じて、透明状態と反射状態の間で切り換え可能である。この目的のために、デバイス2は、前方プレート6と後方プレート8の内表面18,20にそれぞれ配置された1対の第1の電極14,16を備える。電極14,16は、インジウム−スズ酸化物、アンチモン−スズ酸化物、または透明性を維持するのに十分に薄いが導電を促進するのに十分な厚さで施された他の材料のような、導電性の透明材料の薄膜から好ましくは形成される。薄膜は表面上にコーティングされ、所望の電極を形成するためにパターン化される。その後、透明ポリマーのコーティング15,17が電極14,16上に施される。コーティング15,17は、当該技術分野においてよく知られているように、前方プレートを通る光を反射するのに有効な平面的整列に反射状態のコレステリック液晶分子を配向させるための摩擦内表面16,18を有する。図1に示した実施形態では前方プレート表面18上の薄膜が個別の電極14を形成するためにパターン化されるが、代わりに、電極14は隣接ピクセルを含む表面18をカバーする非パターン化層から形成されてもよい。この場合には、層は領域5を切り換えるための制限された電界の印加の際に、パターン化された電極18と協力する。電極14,16は電位差をそれらの間に確立し、それにより透明状態と反射状態間でコレステリック材料を切り換えるのに十分な領域5における電界を形成するために、外部電源(図示しない)に接続されるよう適合される。
【0012】
コレステリック液晶材料の層4は、前方プレート6と後方プレート8の間の隙間に配置される。コレステリック液晶材料は、正誘電異方性の性質を有するタイプであることが好ましい。適切な液晶材料が当該技術分野においてよく知られており、ネマチック液晶分子から成るホスト物質と、キラル分子から成る添加物との混合物から一般に構成される。ホスト成分に対するキラル成分の割合は、コレステリック材料の本来のらせんピッチと反射波長(λ)を決定する。一般に、共通の材料に関しては、より長い赤い波長を達成するために低濃度の添加物が利用され、より短い緑色から青色の波長を達成するために添加物の漸進的な追加がなされる。反射状態のコレステリック液晶材料が多色カラーディスプレイを生成するために可視スペクトルの光を反射するこの実施形態では、反射状態と本発明に従って印加された電界がない状態で青色に一致する第1波長の光を反射する液晶材料を、選択することが好ましい。
【0013】
本発明の好ましい実施形態によれば、デバイス2は、切り換え電場Et22に概ね垂直な方向25に領域5の両側の電界Epを印加するために、領域5の周囲に配置された1対の第2の電極24,26をさらに備える。この目的のために、電極24,26は、後方プレート8の上の電極16の周囲に適切に配置され、ポリマーコーティング15,17によりカバーされる。印加電界Epを作成すべく電極24,26の間に交流電圧を印加するために、可変電圧交流電源28とスイッチ30が設けられる。この実施形態は電極24,26が共に後方プレート8の上に位置するものとして示されているが、コレステリック液晶材料に近接する電極のいかなる場所も、コレステリック液晶のピッチの変化を許容できるものとするのに十分なEpを生成する。従って、代替実施形態では、前方プレート6の上か、1つは前方プレート6上で1つは後方プレート8の上かに、この第2の電極を配置してもよい。
【0014】
操作中、領域5でのコレステリック液晶材料は、方向3に見たディスプレイのための暗色または有色のピクセルを作成するために活性化される。コレステリック材料が透明状態にある場合、前方プレート6を通ってディスプレイに入る周囲光は領域5を通って伝えられ、層10に吸収され、それゆえ暗色または黒色のピクセルを作成する。色ピクセルを作成するために、第1の電極14,16に電位が印加され、材料を反射状態に切り換えるのに十分な第1の方向22の切り換え電界Etが確立される。反射状態は、印加電界が断たれた後でさえも、材料を透明状態に戻すように切り換える電界が印加される時まで保たれることが指摘されている。反射状態では、領域5での材料は、前方プレート6を通過してデバイスに入るように許容された周囲光を遮断し、選択波長の光を前方プレートによって戻すように反射する。電極24,26の間の印加電界のような任意の印加電界がない状態では、反射光は第1波長により特徴付けられる。第1波長は液晶材料の性質と組成によって決まる。本発明によれば、反射状態の材料に対し、第1の方向22とは異なる第2の方向25の電界Epを作成し、かつ領域5での液晶材料に第1波長とは異なる第2波長により特徴付けられる光を反射させるために、電極24と26の間に第2の電位が印加される。このように、ピクセルのための所望の色を達成するために反射光の波長を変更することができる。
【0015】
本発明は以下の理論に限定されるわけではないが、コレステリック液晶材料は、分子軸に沿って長く延びるネマチック液晶分子を含んでいると考えられる。透明状態では、分子はランダムに散在している。しかしながら、反射状態に切り換えられると、分子はらせん軸に沿ってらせん配置に整列し、分子軸は前方プレートと平行な第1の方向に配置され、らせん軸は第1の方向および前方プレートに垂直な第2の方向に配置される。所望の軸の向きは、摩擦表面と隣接分子との相互作用により達成され、見る方向3に沿って反射される光が生じる。反射光の波長はらせん配置のピッチに関係し、該ピッチは、印加電界がない状態では、液晶材料の組成により決定される。本発明によれば、電極24と電極26の間の適切な電位の印加は、方向25と概ね平行で、らせん配置に概ね垂直な電界を生成する。印加電界とコレステリック液晶分子間の相互作用はらせん配置のピッチを変更する。このようなピッチの増加は、最初の色からより長い波長の任意の所望の色までの色シフトを生成するよう、反射波長を変更する。第1の本来の波長と第2波長との間の差が、電極間の電圧差に依存し、電界の関数として増加することが判明している。さらに、方向22に印加される電界Etは、透明状態と反射状態の間での切り換えによるグレースケール制御のために、方向25のEpと共に印加することができる。
【0016】
可視の青色または紫外領域の波長を有するコレステリック液晶4から始まり、赤色波長に向かってすべての色を介して結晶を制御すべく電極24,26の両側の電圧を増加させることにより、広範囲にある色をディスプレイ2のために達成することができる。図1には2つの電極が示されているが、多くの電極を使用してもよい。電極24,26は、色の変化を制御するのに必要な電圧を減少させるのに実際上できるだけ互いに密接に配置することが好ましい。一般に、ピクセルのための所望の色を達成しつつ、印加電圧を最小限にすることが好ましい。約50μmの距離だけ離れた電極の場合、適切な色の変化は約5〜500ボルトの間の電圧の印加によりもたされ得ることが分かっている。コレステリック液晶の化学組成や電極の間隔に基づいて、他の電圧も有効であり得る。色シフトは、直流電圧または交流電圧の印加により適切に得られ、電極に隣接して生じる傾向がある液晶材料中の添加物の蓄積を回避するためには、交流電圧を印加することが好ましい。
【0017】
図2を参照すると、印加電界Epの関数としての反射コレステリック液晶表示デバイスのピーク波長(nm)のプロットが、メルクケミカル社(Me rck Chemical Co.)のBL061という名で利用できる青色液晶コレステリック材料を備えた表示装置に関して示されている。前方プレートと後方プレートはガラスで作られており、透明なポリイミド樹脂の内部コーティングを有していた。電極はプレート表面のコーティングとパターン化により形成されたインジウム−スズ酸化物より構成された。電極24,26は幅約10μmで、約50μm間隔に離間させた。コレステリック液晶層は厚さ約5μmであった。面内電界を生成するために、様々な振幅の方形波交流電圧を1kHzで印加した。図2は、電極間の印加電圧の関数としての反射光の波長を示す。領域34に示されるように、印加電界がない状態では、反射光は青色スペクトルの波長を有し、観察された時に青色を生成した。符号36で示されるように、約240〜260ボルトの間の電圧の印加は、緑色スペクトルの光を反射するよう波長を変化させる。符号38で示されるように、約280ボルトを超える高電圧の印加は、色を赤色スペクトルに変える。
【0018】
図3は、符号35,37,39でそれぞれ示された青色、緑色、赤色領域に関して1931 x,y色度図上にプロットした図2の結果を示す。
上述のセルで、最初に青色だったコレステリック液晶が約240〜260Vの印加電圧で緑色にされ、約280〜300Vで赤色にされたことを理解することができる。本願出願人は、電極間の距離を減少が、所望の色の変化をもたらすのに必要な電圧を減少させることを見出した。また、より大きな距離にわたって有効電場を印加し、それによりより大きな寸法のピクセルでの一様な色を促進するために、多くの電極を使用することもできる。
【0019】
本発明の代替態様によれば、増強された色の範囲を有するディスプレイが、図4の液晶表示デバイス40により提供される。デバイス40は、少なくとも1つのサブピクセル44が本発明による反射色を変える電界を印加する手段を含む、サブピクセル44,46を含んでいるピクセル42を備えている。サブピクセル42,44は、各々のサブ画像によって反射された光が観察者によってディスプレイ中の単一ピクセルとして知覚されるように、密接配置される。
【0020】
図4を参照すると、デバイス40は図1のデバイス2と同様に形成され、内部ポリマーコーティング66,68を有する前方プレート62と後方プレート64の間に配置されたコレステリック液晶材料の層60を備えている。プレート64には不透明なコーティング63が施される。サブピクセル42には、コレステリック材料を透明状態と反射状態の間で切り換える第1の方向74の電界を印加するための、1対の第1の電極70,71が配置されている。さらに、サブピクセル44には、反射状態のコレステリック材料により反射された光の色を変えるのに有効な第2の方向76の電界を生成するための、1対の第2の電極72,73が変数交流電圧源58に接続配置されている。サブピクセル46には、透明状態と反射状態間で隣接するコレステリック材料を切り換える方向74に平行な電界を生成するための、電極70,72と類似の1対の電極78,80が配置されている。
【0021】
操作中、サブピクセル44,46は、電極70,72と電極78,80に電位を印加することにより、反射状態と透明状態の間で独立して切り換えられる。両方のサブピクセルが透明状態にある時、前方プレート62を通ってデバイスに入る外周光は、層60を通って伝えられ、不透明層63に吸収され、それゆえ暗色のピクセルを作成する。色ピクセルを作成するためには、電位が電極71,72に印加され、サブピクセル44における隣接コレステリック材料が反射状態に切り換えられる。同様に、電極78および80に電圧を印加して、サブピクセル46が反射状態に切り換えられる。好ましいコレステリック材料は、方向76の電場がない状態では、青色に一致する波長の光を反射する。従って、サブピクセル44または46の一方または両方の切り換えは、ピクセル42のための青色を提供する。色を変えるために、電位が、図1の電極24,26に類似の様式で電極72,73に印加される。その後、選択された色を有する反射光がサブピクセル46からの反射青色光と組み合わさって、ピクセルのための所望の全体的な色を達成する。
【0022】
赤・緑・青の原色の組み合わせにより、広範な色が得られることが知られている。したがって、サブピクセル44の色を選択的に調節し、サブピクセル44からの光をサブピクセル46からの反射光と選択的に組み合わせることにより、全範囲の色を達成することができる。例として、図3の色度図の青色領域35の光を反射するコレステリック材料が選択される。電源58の電圧はサブピクセル44に対して緑色の光(すなわち領域37の光)を反射するようコレステリック材料を変更するために調節される。サブピクセル46は緑色のピクセルを作成するために暗色状態にあってもよいし、反射状態にあってもよい。その結果、ピクセルの色は、サブピクセルからの青色と緑色の組み合わせによって生じる。赤色範囲39に向かってサブピクセル44の色を制御するために、電極72,73により高い電圧が印加され得る。サブピクセル46が暗くなり、ディスプレイのための赤色ピクセルが得られる。代替的に、サブピクセル46が反射状態にあり、青色と赤色の組み合わせの色がピクセルのために得られる。反射青色光との組み合せによって生ずる色は、サブピクセル44からの反射光の正確な波長に基づいて決まり、該波長はそこに加えられる電圧によって決まる。したがって、サブピクセル44に対する電圧を調節することにより、全範囲内のいかなる色もピクセルのために選択することができる。
【0023】
説明した実施形態では、人によって見えるディスプレイの生成のために、可視スペクトル内の光を反射するデバイスが使用されているが、本発明は他のタイプのコレステリック液晶デバイスにも使用可能である。従って、本発明は、スイッチにより透過または反射される光の波長を調節する電界を印加する、コレステリック液晶材料を備えた光学スイッチにも使用可能である。この目的のためには、可視スペクトルの外側の光、すなわち紫外光あるいは赤外光、を反射するのに有効な組成を有するコレステリック材料が使用される。
【0024】
本願出願人の発明を特定の実施形態の点から説明してきたが、当業者によって他の形式が容易に適合され得ることは明らかである。従って、本発明の範囲は特許請求の範囲にのみ限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるコレステリック液晶表示デバイスのある領域の断面図。
【図2】本発明に従って印加された印加電圧(Vp)の関数としての、コレステリック液晶材料の反射光のピーク波長(nm)のプロット。
【図3】本発明による印加電圧(Vp)を受けたコレステリック液晶材料に対する反射光の色を示す1931 国際照明委員会(CIE)の色度図。
【図4】本発明の別の態様による、隣接するサブピクセルを備えたコレステリック液晶表示デバイスのピクセルの断面図。
本発明はコレステリック液晶デバイスに関する。より詳細には、本発明は、印加電界により反射光の波長が変更される反射状態を有するコレステリック液晶材料を備えたコレステリック液晶デバイスと、反射光の波長変更のためのそのようなデバイスの操作方法とに関する。
【0002】
(発明の背景技術)
一般的なコレステリック液晶表示デバイスは、透明な前方プレートと後方プレートとの間に配置されたコレステリック液晶材料の層を備えている。透明な導電性薄膜から形成された電極が両プレートの内表面に適用される。前方プレートに垂直な電極間に印加される電界(V⊥)に応じて、コレステリック液晶材料は、透明状態と反射状態の間で切り替わる。反射状態では、コレステリック材料は前方プレートを通る光を遮断し、前方プレートを通じて光を戻すように反射する。通常のディスプレイは、複数のピクセル(画素)を備え、各ピクセルは他の領域から独立したある別個の領域を切り換える電極を有するコレステリック液晶層の別個の領域に各々対応する。反射状態では、該領域は、ディスプレイのための画像を作成するために、周囲のピクセルからの光と協力する明るいピクセルを形成する。
【0003】
好ましいタイプのコレステリック液晶材料は、キラル添加物とネマチックホストから構成される。ネマチック分子は長手方向の分子軸に沿って長く延びる。キラル添加物がある状態では、分子は反射状態ではらせん配置を形成し、分子軸はらせん軸に垂直であり、らせん軸は前方プレートに垂直である。らせん配置は、反射光の波長(λ)に直接関係するピッチにより特徴付けられる。対照的に、分子が整列していない時には、これは散在状態と呼ばれるが、材料は透明になる。らせん軸に沿った電界の印加は、分子を散乱するか分子を整列させるかにより透明状態と反射状態の間でコレステリック液晶を切り換えるのに有効である。一旦切り換えられると、電界が除去された後でも、適切な電界が材料を再び切り換えるために印加されるまで、コレステリック材料はその状態を保つ。
【0004】
反射光の波長は、らせん配置をしたコレステリック分子のピッチにより決定される。ピッチは、ネマチック分子に対するキラル添加物の割合により決定される。キラル添加物の濃度が異なると、ピッチ長さが異なる。共通する材料に関しては、添加物が少量であると赤色に対応するより長い波長を有する反射光が生じるが、添加物の緑色か青色にシフトするより短い波長を有する光を反射するには添加物の濃度がより高いことが有効である。
【0005】
したがって、従来のコレステリックディスプレイの1つの欠点は、一旦材料が構成されると、材料が所定の波長(すなわち単一色)の光の反射に制限されることである。多色ディスプレイを得るためには、2つ以上のコレステリック液晶材料が必要とされる。例えば赤色、緑色、青色のコレステリック液晶材料の層を積み重ねて、異なる色を生成するためにそれらを選択的に反射状態と透明状態の間で切り換えることが可能である。しかしながら、そのような積み重ね(スタック)は、厚みがあり、重く、製造に費用がかかることが多い。またそのようなスタックは一般に、各色の層の切り換えを制御する別々のドライバを必要とする。
【0006】
従って、多色ディスプレイを形成するために液晶材料の単層を利用し、薄くて比較的安価なデバイスとして容易に製造可能なコレステリック液晶デバイスに対する要求が長い間存在している。
【0007】
(発明の詳細な説明)
本発明によれば、コレステリック液晶デバイスは、印加電界がない状態では第1波長により特徴付けられる光を反射する反射状態を有するコレステリック液晶材料と、コレステリック液晶材料に第1波長とは異なる第2波長により特徴付けられる光を反射させるために電界を印加する手段とを備えている。好ましい実施形態では、本発明は、観察者によって見ることができる表示を作成するように協力する複数のピクセルを備えた表示装置を提供する。各ピクセルでは第1の方向の電界に応じてコレステリック液晶材料を透明状態と反射状態の間で切り換え可能である。本発明による印加電界がない状態では、反射状態のコレステリック液晶材料は、ディスプレイのための第1の色に一致する第1波長により特徴付けられる光を反射する。本発明によれば、反射状態のコレステリック液晶材料に、第1の方向とは異なる第2の方向に電界が印加される。このように、コレステリック液晶材料は、第1波長とは異なる、第1の色と異なる第2の色に対応する第2波長により特徴付けられる光を材料に反射させるように、変更される。従って、ピクセルの色は、コレステリック材料の反射率を切り換えるために、第1の方向に平行ではない、好ましくは第1の方向に概ね垂直な、電界の印加により選択される。
【0008】
それゆえ本発明は、多色ディスプレイ画像を生成するための色が変わるピクセルを提供する。本発明の1態様では、サブピクセルからの光が組み合わさってピクセルの色を生成するように、表示装置の各ピクセルがサブピクセルから形成される。コレステリック液晶材料は各サブピクセルにおいて、透明状態と反射状態の間で独立して切り換えることができる。さらに、少なくとも1つのサブピクセルは、反射光の波長を変更する電界を印加する手段を備えている。サブピクセルでコレステリック材料を選択的に切り換えて1つのサブピクセルの色を変えることにより、ピクセルに対して広範な色を得ることができ、そのため十分なカラーディスプレイが達成される。
【0009】
本発明の好ましい実施形態によれば、図1は、方向3に見た時のディスプレイを作成するための電気的に調節できるカラーコレステリック液晶表示デバイス2を示す。ディスプレイは所望の画像を生成するよう選択された種々の反射率と色を有する複数のピクセルより形成されている。1つのピクセルに対応するデバイス2の一部のみを図1に示しているが、デバイス2は類似のデザインの多数のピクセルから形成することができ、各ピクセルは別々に切り換えることができ、色は所望の画像を生成すべく調節することができる。デバイス2は、コレステリック液晶材料の1つの層4を備えている。ピクセルの反射率と色は、領域5でのコレステリック材料の性質により決定される。本発明によれば、領域5でのコレステリック材料は、暗いピクセルや明るいピクセルを作成するために透明状態と反射状態間で切り換えられるだけでなく、反射光の波長が印加電界に応じて変更され、それにより所望の色を得るようにも適合される。また重要なことには、領域5での材料の反射率と色は、周囲の材料からは独立して変更することができ、そのため所望の表示画像のために必要なものとして各ピクセルからの光を選択することが可能である。
【0010】
表示装置2は層4の周囲に透明な前方プレート6と、後方プレート8とを備える。プレート6は、デバイスに光を入れるために、ガラスか透明ポリマー材料のような透明材料から適切に形成される。光はピクセルの所望の条件を作成するために反射または吸収される。後方プレート8は通常は前方プレート6と類似であるが、前方プレートと組み合わさってデバイスに所望の強度と剛性を提供するように、任意の材料から適切に形成され得る。この実施形態では、後方層8は透明であり、デバイス2を通過して伝えられた光を吸収する外部の不透明層10を有する。このように、コレステリック液晶材料が透明状態である場合、前方プレート6を通ってデバイスに入る光は領域5を通過して伝えられ、ディスプレイのための暗色または黒色のピクセルを作成するためにコーティングにより吸収される。層10はコーティングまたは接着剤で貼り付けた薄膜として、後方層8の外表面12上に好ましくは施される。代わりに、後方プレート8が、追加層10の必要なしでデバイス2を通過して伝えられた光を吸収すべく、それ自体不透明であってもよい。
【0011】
コレステリック液晶材料は、前方プレートに概ね垂直で、見る方向3に平行な、第1の方向22に印加された電界Etに応じて、透明状態と反射状態の間で切り換え可能である。この目的のために、デバイス2は、前方プレート6と後方プレート8の内表面18,20にそれぞれ配置された1対の第1の電極14,16を備える。電極14,16は、インジウム−スズ酸化物、アンチモン−スズ酸化物、または透明性を維持するのに十分に薄いが導電を促進するのに十分な厚さで施された他の材料のような、導電性の透明材料の薄膜から好ましくは形成される。薄膜は表面上にコーティングされ、所望の電極を形成するためにパターン化される。その後、透明ポリマーのコーティング15,17が電極14,16上に施される。コーティング15,17は、当該技術分野においてよく知られているように、前方プレートを通る光を反射するのに有効な平面的整列に反射状態のコレステリック液晶分子を配向させるための摩擦内表面16,18を有する。図1に示した実施形態では前方プレート表面18上の薄膜が個別の電極14を形成するためにパターン化されるが、代わりに、電極14は隣接ピクセルを含む表面18をカバーする非パターン化層から形成されてもよい。この場合には、層は領域5を切り換えるための制限された電界の印加の際に、パターン化された電極18と協力する。電極14,16は電位差をそれらの間に確立し、それにより透明状態と反射状態間でコレステリック材料を切り換えるのに十分な領域5における電界を形成するために、外部電源(図示しない)に接続されるよう適合される。
【0012】
コレステリック液晶材料の層4は、前方プレート6と後方プレート8の間の隙間に配置される。コレステリック液晶材料は、正誘電異方性の性質を有するタイプであることが好ましい。適切な液晶材料が当該技術分野においてよく知られており、ネマチック液晶分子から成るホスト物質と、キラル分子から成る添加物との混合物から一般に構成される。ホスト成分に対するキラル成分の割合は、コレステリック材料の本来のらせんピッチと反射波長(λ)を決定する。一般に、共通の材料に関しては、より長い赤い波長を達成するために低濃度の添加物が利用され、より短い緑色から青色の波長を達成するために添加物の漸進的な追加がなされる。反射状態のコレステリック液晶材料が多色カラーディスプレイを生成するために可視スペクトルの光を反射するこの実施形態では、反射状態と本発明に従って印加された電界がない状態で青色に一致する第1波長の光を反射する液晶材料を、選択することが好ましい。
【0013】
本発明の好ましい実施形態によれば、デバイス2は、切り換え電場Et22に概ね垂直な方向25に領域5の両側の電界Epを印加するために、領域5の周囲に配置された1対の第2の電極24,26をさらに備える。この目的のために、電極24,26は、後方プレート8の上の電極16の周囲に適切に配置され、ポリマーコーティング15,17によりカバーされる。印加電界Epを作成すべく電極24,26の間に交流電圧を印加するために、可変電圧交流電源28とスイッチ30が設けられる。この実施形態は電極24,26が共に後方プレート8の上に位置するものとして示されているが、コレステリック液晶材料に近接する電極のいかなる場所も、コレステリック液晶のピッチの変化を許容できるものとするのに十分なEpを生成する。従って、代替実施形態では、前方プレート6の上か、1つは前方プレート6上で1つは後方プレート8の上かに、この第2の電極を配置してもよい。
【0014】
操作中、領域5でのコレステリック液晶材料は、方向3に見たディスプレイのための暗色または有色のピクセルを作成するために活性化される。コレステリック材料が透明状態にある場合、前方プレート6を通ってディスプレイに入る周囲光は領域5を通って伝えられ、層10に吸収され、それゆえ暗色または黒色のピクセルを作成する。色ピクセルを作成するために、第1の電極14,16に電位が印加され、材料を反射状態に切り換えるのに十分な第1の方向22の切り換え電界Etが確立される。反射状態は、印加電界が断たれた後でさえも、材料を透明状態に戻すように切り換える電界が印加される時まで保たれることが指摘されている。反射状態では、領域5での材料は、前方プレート6を通過してデバイスに入るように許容された周囲光を遮断し、選択波長の光を前方プレートによって戻すように反射する。電極24,26の間の印加電界のような任意の印加電界がない状態では、反射光は第1波長により特徴付けられる。第1波長は液晶材料の性質と組成によって決まる。本発明によれば、反射状態の材料に対し、第1の方向22とは異なる第2の方向25の電界Epを作成し、かつ領域5での液晶材料に第1波長とは異なる第2波長により特徴付けられる光を反射させるために、電極24と26の間に第2の電位が印加される。このように、ピクセルのための所望の色を達成するために反射光の波長を変更することができる。
【0015】
本発明は以下の理論に限定されるわけではないが、コレステリック液晶材料は、分子軸に沿って長く延びるネマチック液晶分子を含んでいると考えられる。透明状態では、分子はランダムに散在している。しかしながら、反射状態に切り換えられると、分子はらせん軸に沿ってらせん配置に整列し、分子軸は前方プレートと平行な第1の方向に配置され、らせん軸は第1の方向および前方プレートに垂直な第2の方向に配置される。所望の軸の向きは、摩擦表面と隣接分子との相互作用により達成され、見る方向3に沿って反射される光が生じる。反射光の波長はらせん配置のピッチに関係し、該ピッチは、印加電界がない状態では、液晶材料の組成により決定される。本発明によれば、電極24と電極26の間の適切な電位の印加は、方向25と概ね平行で、らせん配置に概ね垂直な電界を生成する。印加電界とコレステリック液晶分子間の相互作用はらせん配置のピッチを変更する。このようなピッチの増加は、最初の色からより長い波長の任意の所望の色までの色シフトを生成するよう、反射波長を変更する。第1の本来の波長と第2波長との間の差が、電極間の電圧差に依存し、電界の関数として増加することが判明している。さらに、方向22に印加される電界Etは、透明状態と反射状態の間での切り換えによるグレースケール制御のために、方向25のEpと共に印加することができる。
【0016】
可視の青色または紫外領域の波長を有するコレステリック液晶4から始まり、赤色波長に向かってすべての色を介して結晶を制御すべく電極24,26の両側の電圧を増加させることにより、広範囲にある色をディスプレイ2のために達成することができる。図1には2つの電極が示されているが、多くの電極を使用してもよい。電極24,26は、色の変化を制御するのに必要な電圧を減少させるのに実際上できるだけ互いに密接に配置することが好ましい。一般に、ピクセルのための所望の色を達成しつつ、印加電圧を最小限にすることが好ましい。約50μmの距離だけ離れた電極の場合、適切な色の変化は約5〜500ボルトの間の電圧の印加によりもたされ得ることが分かっている。コレステリック液晶の化学組成や電極の間隔に基づいて、他の電圧も有効であり得る。色シフトは、直流電圧または交流電圧の印加により適切に得られ、電極に隣接して生じる傾向がある液晶材料中の添加物の蓄積を回避するためには、交流電圧を印加することが好ましい。
【0017】
図2を参照すると、印加電界Epの関数としての反射コレステリック液晶表示デバイスのピーク波長(nm)のプロットが、メルクケミカル社(Me rck Chemical Co.)のBL061という名で利用できる青色液晶コレステリック材料を備えた表示装置に関して示されている。前方プレートと後方プレートはガラスで作られており、透明なポリイミド樹脂の内部コーティングを有していた。電極はプレート表面のコーティングとパターン化により形成されたインジウム−スズ酸化物より構成された。電極24,26は幅約10μmで、約50μm間隔に離間させた。コレステリック液晶層は厚さ約5μmであった。面内電界を生成するために、様々な振幅の方形波交流電圧を1kHzで印加した。図2は、電極間の印加電圧の関数としての反射光の波長を示す。領域34に示されるように、印加電界がない状態では、反射光は青色スペクトルの波長を有し、観察された時に青色を生成した。符号36で示されるように、約240〜260ボルトの間の電圧の印加は、緑色スペクトルの光を反射するよう波長を変化させる。符号38で示されるように、約280ボルトを超える高電圧の印加は、色を赤色スペクトルに変える。
【0018】
図3は、符号35,37,39でそれぞれ示された青色、緑色、赤色領域に関して1931 x,y色度図上にプロットした図2の結果を示す。
上述のセルで、最初に青色だったコレステリック液晶が約240〜260Vの印加電圧で緑色にされ、約280〜300Vで赤色にされたことを理解することができる。本願出願人は、電極間の距離を減少が、所望の色の変化をもたらすのに必要な電圧を減少させることを見出した。また、より大きな距離にわたって有効電場を印加し、それによりより大きな寸法のピクセルでの一様な色を促進するために、多くの電極を使用することもできる。
【0019】
本発明の代替態様によれば、増強された色の範囲を有するディスプレイが、図4の液晶表示デバイス40により提供される。デバイス40は、少なくとも1つのサブピクセル44が本発明による反射色を変える電界を印加する手段を含む、サブピクセル44,46を含んでいるピクセル42を備えている。サブピクセル42,44は、各々のサブ画像によって反射された光が観察者によってディスプレイ中の単一ピクセルとして知覚されるように、密接配置される。
【0020】
図4を参照すると、デバイス40は図1のデバイス2と同様に形成され、内部ポリマーコーティング66,68を有する前方プレート62と後方プレート64の間に配置されたコレステリック液晶材料の層60を備えている。プレート64には不透明なコーティング63が施される。サブピクセル42には、コレステリック材料を透明状態と反射状態の間で切り換える第1の方向74の電界を印加するための、1対の第1の電極70,71が配置されている。さらに、サブピクセル44には、反射状態のコレステリック材料により反射された光の色を変えるのに有効な第2の方向76の電界を生成するための、1対の第2の電極72,73が変数交流電圧源58に接続配置されている。サブピクセル46には、透明状態と反射状態間で隣接するコレステリック材料を切り換える方向74に平行な電界を生成するための、電極70,72と類似の1対の電極78,80が配置されている。
【0021】
操作中、サブピクセル44,46は、電極70,72と電極78,80に電位を印加することにより、反射状態と透明状態の間で独立して切り換えられる。両方のサブピクセルが透明状態にある時、前方プレート62を通ってデバイスに入る外周光は、層60を通って伝えられ、不透明層63に吸収され、それゆえ暗色のピクセルを作成する。色ピクセルを作成するためには、電位が電極71,72に印加され、サブピクセル44における隣接コレステリック材料が反射状態に切り換えられる。同様に、電極78および80に電圧を印加して、サブピクセル46が反射状態に切り換えられる。好ましいコレステリック材料は、方向76の電場がない状態では、青色に一致する波長の光を反射する。従って、サブピクセル44または46の一方または両方の切り換えは、ピクセル42のための青色を提供する。色を変えるために、電位が、図1の電極24,26に類似の様式で電極72,73に印加される。その後、選択された色を有する反射光がサブピクセル46からの反射青色光と組み合わさって、ピクセルのための所望の全体的な色を達成する。
【0022】
赤・緑・青の原色の組み合わせにより、広範な色が得られることが知られている。したがって、サブピクセル44の色を選択的に調節し、サブピクセル44からの光をサブピクセル46からの反射光と選択的に組み合わせることにより、全範囲の色を達成することができる。例として、図3の色度図の青色領域35の光を反射するコレステリック材料が選択される。電源58の電圧はサブピクセル44に対して緑色の光(すなわち領域37の光)を反射するようコレステリック材料を変更するために調節される。サブピクセル46は緑色のピクセルを作成するために暗色状態にあってもよいし、反射状態にあってもよい。その結果、ピクセルの色は、サブピクセルからの青色と緑色の組み合わせによって生じる。赤色範囲39に向かってサブピクセル44の色を制御するために、電極72,73により高い電圧が印加され得る。サブピクセル46が暗くなり、ディスプレイのための赤色ピクセルが得られる。代替的に、サブピクセル46が反射状態にあり、青色と赤色の組み合わせの色がピクセルのために得られる。反射青色光との組み合せによって生ずる色は、サブピクセル44からの反射光の正確な波長に基づいて決まり、該波長はそこに加えられる電圧によって決まる。したがって、サブピクセル44に対する電圧を調節することにより、全範囲内のいかなる色もピクセルのために選択することができる。
【0023】
説明した実施形態では、人によって見えるディスプレイの生成のために、可視スペクトル内の光を反射するデバイスが使用されているが、本発明は他のタイプのコレステリック液晶デバイスにも使用可能である。従って、本発明は、スイッチにより透過または反射される光の波長を調節する電界を印加する、コレステリック液晶材料を備えた光学スイッチにも使用可能である。この目的のためには、可視スペクトルの外側の光、すなわち紫外光あるいは赤外光、を反射するのに有効な組成を有するコレステリック材料が使用される。
【0024】
本願出願人の発明を特定の実施形態の点から説明してきたが、当業者によって他の形式が容易に適合され得ることは明らかである。従って、本発明の範囲は特許請求の範囲にのみ限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるコレステリック液晶表示デバイスのある領域の断面図。
【図2】本発明に従って印加された印加電圧(Vp)の関数としての、コレステリック液晶材料の反射光のピーク波長(nm)のプロット。
【図3】本発明による印加電圧(Vp)を受けたコレステリック液晶材料に対する反射光の色を示す1931 国際照明委員会(CIE)の色度図。
【図4】本発明の別の態様による、隣接するサブピクセルを備えたコレステリック液晶表示デバイスのピクセルの断面図。
Claims (17)
- 液晶デバイスであって、
透明な前方プレート;
前記透明な前方プレートから離間した後方プレート;
前記透明な前方プレートと前記後方プレートの間にあるコレステリック液晶材料であって、印加電界がない状態では第1波長により特徴付けられる前記前方プレートを通る光を反射する反射状態を有するコレステリック液晶材料;および
前記コレステリック液晶材料に前記第1波長と異なる第2波長により特徴付けられる光を反射させるために、前記反射状態の前記コレステリック液晶材料に電界を印加する手段;を備えた液晶デバイス。 - 前記反射状態のコレステリック液晶材料が、第1の方向のらせん軸を有するらせん配置の分子を有し、前記手段は第1の方向とは非平行な第2の方向に電界を印加するように適合されている、請求項1に記載のコレステリック液晶デバイス。
- 前記反射状態のコレステリック液晶材料が、印加電界がない状態の第1のピッチにより特徴付けられ、前記手段は第1のピッチと異なる第2のピッチを生じるのに有効な電界を印加するように適合されている、請求項2に記載のコレステリック液晶デバイス。
- 液晶表示デバイスであって、
透明な前方プレート;
前記前方プレートから離間した後方プレート;
前記透明な前方プレートと前記後方プレートの間にあり、第1の方向に沿って印加される印加電界に応じて透明状態と反射状態の間で切り換え可能なコレステリック液晶材料を有するコレステリック液晶層であって、前記反射状態の前記コレステリック液晶材料は前記透明な前方プレートを通る第1波長により特徴付けられる光を反射するのに有効である、コレステリック液晶層;および
前記反射状態の前記コレステリック液晶材料に前記第1波長と異なる第2波長により特徴付けられる光を反射させるために、前記コレステリック液晶材料に第1の方向とは異なる第2の方向に電界を印加する手段;を備えた液晶表示デバイス。 - 第2の方向が第1の方向に垂直である、請求項4に記載の液晶表示デバイス。
- 第1の方向が透明な前方プレートに垂直である、請求項4に記載の液晶表示デバイス。
- 第1波長が青色を有する光に一致する、請求項4に記載の液晶表示デバイス。
- 液晶ディスプレイであって、
透明な前方プレート;
前記透明な前方プレートから離間した後方プレート;
前記透明な前方プレートと前記後方プレートの間にあり、ある領域を有するコレステリック液晶層であって、透明状態と前記前方プレートを通る第1の波長を有する光を反射する反射状態との間で切り換えな前記コレステリック液晶材料を有するコレステリック液晶層;
透明状態と反射状態の間で前記コレステリック液晶材料を切り換える第1の電界を印加するための、前記領域で前記コレステリック液晶材料層に隣接する第1の電極;および
前記液晶材料に前記領域で前記第1波長と異なる第2波長の光を反射させる第2の電界を印加するための、前記領域の周囲で前記コレステリック液晶材料に隣接配置された第2の電極;を備えた液晶ディスプレイ。 - 前記第1の対の電極が、透明な前方プレートに垂直な第1の方向に沿って第1の電界を印加し、第2の対の電極が、第1の方向に垂直な第2の方向に沿って第2の電界を印加する、請求項8に記載のコレステリック液晶ディスプレイ。
- コレステリック液晶材料が、第2の印加電界がない状態で反射状態の青色光を反射する、請求項8に記載のコレステリック液晶ディスプレイ。
- 約5〜500ボルトの間の電圧を第2の電極の両側に印加することにより第2の電界が得られる、請求項8に記載のコレステリック液晶ディスプレイ。
- コレステリック液晶表示デバイスであって、
透明な前方プレート、
前記前方プレートから離間した後方プレート、
透明な前方プレートと後方プレートの間にあり、複数のピクセルを含む層であって、各ピクセルが第1のサブピクセルと第1のサブピクセルに隣接する第2のサブピクセルとを有し、前記層は透明状態と反射状態の間で切り換え可能なコレステリック液晶材料から構成され、前記反射状態の前記コレステリック液晶材料は印加電界がない状態で第1波長の光を反射する層、
前記第1のサブピクセルにある前記コレステリック液晶材料を透明状態と反射状態の間で切り換えるべく第1の方向に第1の電界を印加するための、前記第1のサブピクセルにおける第1の電極、
第1のサブピクセルにある前記コレステリック液晶材料に第1波長とは異なる第2波長の光を反射させるために、第1の方向とは異なる第2の方向に第1のサブ画像で第2の電界を印加する手段、および
第1のサブピクセルから独立した前記第2のサブピクセルにある前記コレステリック液晶材料を切り換えるよう、前記透明状態と前記反射状態の間で前記コレステリック液晶を切り換えるための、前記第2のサブピクセルにおける電極、を備えたコレステリック液晶表示デバイス。 - 第1のサブピクセルで第2の電界を印加する前記手段が、第1の電界を印加する電極とは異なる1対の電極を含む、請求項12に記載のコレステリック液晶表示デバイス。
- 前記第2のサブピクセルが第1の色の光を反射し、前記第1のサブピクセルが第1の色とは異なる第2の色の光を反射し、第1のサブピクセルと第2のサブピクセルからの光は、ピクセルからの光が第3の色であると知覚されるように組み合わされる、請求項12に記載のコレステリック液晶表示デバイス。
- コレステリック液晶材料を有するコレステリック液晶デバイスを操作する方法であって、
透明状態と反射状態の間でコレステリック液晶材料を切り換えるために、コレステリック液晶材料に第1の方向の第1の電界を印加するステップであって、前記反射状態のコレステリック液晶材料は、印加電界がない状態では第1波長により特徴付けられる光を反射するステップと、
前記コレステリック液晶材料に第1波長とは異なる第2波長により特徴付けられる光を反射させるために、前記反射状態のコレステリック液晶材料に第2方向の第2の電界を印加するステップと、から成る方法。 - 約5〜500ボルト間の電圧を第2の電極の両側に印加することにより第2の電界が得られる、請求項15に記載の方法。
- 第1波長が青色に一致し、第2波長は、緑色または赤色の範囲の色に一致させるべく第1波長より大きい、請求項15に記載の方法。
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