JP3055697B2 - 多重安定カイラルネマチックディスプレー - Google Patents

多重安定カイラルネマチックディスプレー

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JP3055697B2 JP6511132A JP51113294A JP3055697B2 JP 3055697 B2 JP3055697 B2 JP 3055697B2 JP 6511132 A JP6511132 A JP 6511132A JP 51113294 A JP51113294 A JP 51113294A JP 3055697 B2 JP3055697 B2 JP 3055697B2
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 技術分野 本発明は、一般に液晶光変調装置に関し、より詳しく
は新規なポリマーの無い液晶ディスプレーセル及び異な
った電界条件下に異なった光学的状態を示す材料に関
し、光学的多重安定性及び電界−オン又は電界−オフの
両方の状態で全ての観測角にて濁りのない光透過を含む
特異な性質の組み合わせによって特徴付けられる。
電気光学的装置に使用しようとする電気的に切り換え
可能な液晶フィルムが種々の種類と濃度の液晶及びポリ
マーを用いて調製されてきた。そのような方法の1つ
は、プラスチック又はガラスシートの微小孔中に液晶を
吸収させることを含む。他の方法は、ポリビニルアルコ
ールのような水溶性ポリマーの溶液中の、又はラテック
スエマルジョン中のネマチックエマルジョンの水性エマ
ルジョンから水を蒸発させることを含む。
機械的封入法及び乳化法よりも大幅な利点を提供する
異なった方法は、液晶を適当な合成樹脂との均質な溶液
から液晶を相分離し、ポリマー相を差し入れた液晶相を
形成することである。これらのタイプのフィルム、それ
らの内のいくつかはPDLCと呼ばれているが、大面積ディ
スプレー及び窓の切り換え可能な皮膜からプロジェクシ
ョンディスプレー(projection displays)及び高品位
テレビにわたる多数の用途に有用であることが示され
た。
上述の全ての物質及び方法は、多数で高価な薬剤及び
出発物質を必要とするという欠点を有する。これらの装
置に付随する種々の吸収法、乳化又は重合方法は、大い
にコスト及びそれらの製造の複雑さを加える。更に、多
量のポリマーを用いると、それらは斜め観測角が増すに
つれて「濁り」という特有の欠点を示し始め、液晶の有
効な屈折率とポリマーの屈折率との間にミスマッチが知
覚されて、充分に斜めの角度では、本質的に不透明な外
観が観測される。
親出願(米国特許出願No. 07/694,840、米国特許出願
No. 07/885,154及び米国特許出願No. 07/969,093)にお
いて、カイラルネマチック液晶及びポリマーを用いて良
好な色を反射するディスプレーが調製されることが見い
だされた。これらのディスプレーは、多重な安定な色反
射状態、及びポリマーの量が少ないときは濁りの外観を
与えるという利点を持っていた。しかしながら、それら
の多数の利点にも拘わらず、これらのディスプレーはポ
リマーを必要とし、それ故それに付随する欠点を有す
る。
驚くべきことに、ポリマーのない多重安定(multista
ble)色反射セルが調製できることが見いだされた。こ
れは安定な色反射と光散乱状態と、それらの間の多重の
安定な光学的状態であって反射の種々の度合いによって
特徴付けられたものとを有する。電界アドレッシングパ
ルス(adressing pulse)の電圧に依存して、この材料
はこれらの多重な光学的状態の間で切り換えることがで
きる。これらの状態の全ては印加された電界(field)
の不存在下に安定である。
発明の開示 本発明の重要な態様は、反射カラーディスプレーセル
はポリマーなしで調製され、それ故それは多重な光学的
な異なった種類の状態を示し、それら状態の全ては印加
された電界の不存在下に安定であることである。このデ
ィスプレーは、電界によって、1つの状態から他の状態
に追いやることができる。電界パルスの大きさと状態に
依存して、前記材料の光学的状態は新しい安定な状態に
変化でき、この状態はそのような状態の連続体に沿った
色光のどんな望みの強さも反映し、こうして安定な「グ
レースケール(grey scale)」を提供する。驚くべきこ
とに、これらの材料はそれに付随するポリマー及び追加
の出費及び製造上の複雑さの必要なしに調製できる。
一般的に言って、前記材料に充分に低い電界パルスを
かけると外観が白い光散乱状態をもたらす。この状態に
おいて、何らかの表面効果、弾性力及び電界の間の競合
の結果、ある割合の液晶分子はフォーカルコニックテク
スチャーを有する。充分に高い電界パルス、即ち、液晶
ディレクターをホメオトロピックに配列するに充分に高
い電界を印加した後、この材料は弛緩して、カイラルネ
マチック液晶のピッチ長さに依存して緑、赤、藍、又は
いずれかの予め選択された色に見えるようにできる、あ
る光反射状態になる。この光散乱及び光反射状態は電界
ゼロで安定である。前記材料を、それを光反射状態から
散乱状態へ切り換える、又はその反対の電界の間の電界
にさらすことにより、反射状態及び散乱状態によって示
されるものの間で種々の度合いの反射によって特徴付け
られるグレースケールを得ることができる。カイラルネ
マチック液晶がプレーナー色光反射テクスチャーにあ
り、中間の電界パルスが印加されたときは、プレーナー
テクスチャーにある材料の量及び色光の反射の強さは、
減少する。同様に、この材料がフォーカルコニックテク
スチャーにあり、中間の電界パルスが印加されると、プ
レーナーテクスチャーにある材料の量は増大し、セルか
らの反射の強さも増大する。電界が除かれると、前記材
料は安定であり、どんなテクスチャーから出発しようと
も、既に確立されたテクスチャーを保持し、不定にその
強さの光を反射する。
もし、液晶ディレクターをホメオトロピックに配列す
るに充分高い電界が維持されると、この材料はこの電界
が除かれるまで透明である。この電界が急に消去される
と、この材料は光反射状態に矯正され、この電界がゆっ
くりと消去されると、この材料は光散乱状態に矯正され
る。それぞれの場合において、電界パルスは好ましくは
ACパルスであり、より好ましくは方形ACパルスである。
DCパルスは、イオン性電気伝導を引き起こし、セルの寿
命を限定するからである。
理論によって限定されたくないが、電圧がかけられる
と、電界がオンの間に、一部の材料が濁った相にはいる
と考えられる。濁った相を示す前記材料のこれらの部分
は、電界を除くと、弛緩してフォーカルコニックな光散
乱テクスチャーになる傾向がある。前記材料の電界によ
って影響されなかった部分、即ち濁った相に入らなかっ
た部分はプレーナーな光反射テクスチャーの状態で残留
する。このセルから反射された光の量はプレーナー反射
テクスチャーの状態にある材料の量に依存する。電界の
電圧が増すと、電界がオンの間は、より高い割合の材料
が濁った相に入り、その後、電界が除かれると、弛緩し
てフォーカルコニックテクスチャーになる。セルからの
反射はプレーナー反射テクスチャーの状態にある材料の
量に比例するので、セルからの反射は、電界の大きさが
増大する結果、グレースケールに沿って減少する。これ
は、この材料のより多くが濁った相に入り、フォーカル
コニックテクスチャーに切り換わるからである。あるし
きい値電圧で(これは材料に依存する)、電界を除いた
とき、実質的に全てのフォーカルコニックテクスチャー
に切り換わり、セルの反射率が最小であるかこれに近い
光散乱状態によって特徴付けられる。さらに電圧を増加
して、液晶のねじれを戻し、液晶ディレクターをホメオ
トロピックに配列するに充分高い点にすると、この材料
は透明であり、電圧を除くまでは透明さを保つであろ
う。電界を除くと、この材料はホメオトロピックテクス
チャーから弛緩して安定な色反射プレーナーテクスチャ
ーになる傾向がある。
この材料が光散乱フォーカルコニックテクスチャーに
あり、低電圧パルスがかけられているときは、この材料
はテクスチャーを変えはじめ、再び安定なグレースケー
ル反射率(reflectivities)が得られる。ここで、この
材料は散乱フォーカルコニックテクスチャーから始まる
ので、グレースケール反射率は、実質的に全ての材料が
散乱フォーカルコニックテクスチャーに存在するときに
示していたものからの反射率の増加によって特徴付けら
れる。反射率の増加は印加された電界の結果としてホメ
オトロピックに配列した材料の割合に比例することに帰
せられると考えられる。ホメオトロピックに配列した部
分は、電界を除くと、弛緩して(relax)安定なプレー
ナー光反射テクスチャーになり、一方ではこの材料の残
りは電界の結果濁った相を示し、電界を除くとフォーカ
ルコニックテクスチャーに戻る。電圧をさらに増して液
晶の全てを実質的にホメオトロピックに配列する点まで
行くと、前記材料は再び透明になり、電界を除いたと
き、弛緩して安定なプレーナー色反射テクスチャーにな
る。
要約すれば、電界をかけた結果濁った相に入った前記
材料の部分は、電界を除くと、弛緩して安定なフォーカ
ルコニックテクスチャーになり、電圧をかけたためにホ
メオトロピックに配列さけた部分は、電界を除くと、弛
緩して安定なプレーナーテクスチャーになると考えられ
る。高い電圧をゆっくり除くと、前記材料がホメオトロ
ピックに配列した液晶から散乱フォーカルコニック状態
に戻るのは、ゆっくりとした除去は、それから電界の除
去の後一致して弛緩してフォーカルコニックテクスチャ
ーにするように見える濁った相に材料を移行させる(ta
ke into)からであると考えられる。高い電界が急に除
去されると、この材料は濁った相に入らず、従って弛緩
してプレーナー反射テクスチャーになる。いずれにせ
よ、前記材料を安定な反射状態から安定な散乱状態に、
又はその反対に、追いやるに必要な大きさより低い種々
の大きさの電界パルスは、この材料をそれ自体安定な中
間の状態に追いやることを見ることができる。これらの
多重の安定な状態は、反射状態及び散乱状態によって反
映される強さの間の強さの色光を不定に反射する。従っ
て、電界パルスの大きさに依存して、前記材料は、ポリ
マーの必要なしに安定なグレースケール(grey scale)
の反射率を示す。前記材料を種々の状態の間で駆動させ
るに必要な電界の大きさは、勿論、特定の液晶及びセル
の厚さの量に依存して変化する。この材料に機械的応力
をかけることも、この材料を光散乱状態から光反射状態
に駆動するのに用いられうる。
多重安定な材料の主な利点は、それが高品位平坦パネ
ルスクリーンを作るためのアクチブトマリックスを必要
としないことである。このスクリーンは、各画素部位で
の活性要素(active elements)及びディスプレーをア
ドレスする(adress)ために用いられる多重化スキーム
(scheme)なしに、調製できる。これは生産を大いに簡
素化し、収率を増し、そしてディスプレーのコストを減
らす。この材料はポリマーを必要としないので、本発明
により、より大きな製造の簡素化及びコストの節約が実
現される。本発明の他の利点は、光散乱状態及び光反射
状態が、ポリマーも基体の繊細な表面状態も必要としな
いことである。本発明の材料を用いて作ったディスプレ
ー装置は、ディスプレーの明るさを制限する偏光子を必
要とせず、色はその材料自体で導入されて、やはり明る
さを減らしうる色フィルターの必要性がない。
上述の有利な性質は、本発明においてポリマーのない
カイラルネマチック液晶光変調材料を含む光変調セルを
提供することにより達成される。前記材料は正の誘電異
方性を有するネマチック液晶並びに可視スペクトルの状
態において光を反射するに有効な長さのピッチを有し、
フォーカルコニック及びツイストプレーナーテクスチャ
ーを形成するに有効な量のカイラル材料を含み、この場
合、前記フォーカルコニックテクスチャー及びツイスト
プレーナーテクスチャーは電界の不存在下に安定であ
り、この液晶材料は電界の印加によってテクスチャーを
変えることができるものである。
前記アドレス手段はこの技術分野で公知のどんなもの
であってもよい。例えば、アクチブマトリックス(acti
ve matrix)、多重化回路(multiplexing circuit)、
電極及びレーザーがある。その結果、この新しい材料
は、ポリマーが必要でなく、それに付随する複雑な製造
プロセスの必要もなしに、種々の光学的状態、即ち、光
透過状態、光散乱状態、光反射状態及びこれらの状態の
間の安定なグレースケール(grey scale)を示すように
作ることができる。
このカイラルネマチック液晶は、正の誘電異方性及び
望みのピッチ長さを提供するに充分な量のカイラル材料
の混合物である。適当なネマチック液晶及びカイラル材
料は商業的に入手可能であり、この明細書の記載から当
業者の知るところであろう。ネマチック液晶及びカイラ
ル材料の量は、用いられる特定の液晶及びカイラル材
料、及び望みの運転方法(mode of operation)に依存
して変化するであろう。
この材料によって反射される光の波長は関係λ=npで
与えられる。ここに、nは平均屈折率であり、pはピッ
チ長さである。約350nm及び850nmは可視スペクトルの範
囲にある。従って、当業者は、関係する諸材料の屈折
率、及び最適なピッチを得るための液晶のカイラルドー
ピングの一般的な原則に基づいて本発明のために適当な
材料を選択することができるであろう。例えば、この過
程はHoffmann-La Roche,Ltd.によって頒布された、題
名:How to Dope Liquid Crystal Mixture in Order to
Ensure Optimum Pitch and to Compensate the Tempera
ture Dependence,Schadt et al.,(1990)(ここに引用
して記載に含める)のマニュアルに教えられている。
好ましい態様において、カイラルネマチック液晶のピ
ッチ長さは、約0.25〜約1.5μm、より好ましくは約0.4
5〜約0.8μmの範囲にある。典型的なピッチ長さは、藍
色について0.27μm、緑色について0.31μm及び赤色に
ついて0.40μmである。更に、このカイラルネマチック
液晶は、ネマチック液晶及びカイラル材料の合計の重量
を基準として好ましくは約20〜約60wt%のカイラル材
料、及び更に好ましくはネマチック液晶及びカイラル材
料の合計の重量を基準として約20〜約40wt%のカイラル
材料を含む。しかしながら、この範囲はカイラル材料及
び液晶に基づいて変化しうる。このネマチック液晶は、
好ましくは少なくとも約5の、より好ましくは約10の正
の誘電異方性を有する。この重量基準の量は用いられる
この液晶の種類及びカイラル材料に依存して変化しうる
ことが理解されよう。
本発明を実施するにあたって、望みの量のネマチック
液晶及びカイラル材料を含む溶液が調製され、少なくと
も1つが透明な複数のセル基体の間に導入される。次い
で、このセルはその端部の周りを、例えばエポキシ又は
他のこの技術分野で公知の材料でシールする。このセル
は、当業者に公知の方法、例えば毛管作用によって充填
できる。好ましい方法はこのセルを真空充填することで
ある。これはセルの均一性を改善しセル中の気泡を除
く。電気的にアドレス可能なセルとするために、液晶の
導入に先立って、このセルの壁は透明電極、例えば酸化
イシジウム錫で被覆される。
本発明に必ずしも必要ではないが、場合によってはセ
ルの壁を電極に加えて、コントラスト又はスイッチング
特性に変化を与えるために洗剤又は化学薬品のような物
質で処理するのが望ましい。これらの処理挾、この液晶
の均一性に影響を与えるために、種々のテクスチャーの
安定性を変えるために、及び何らかの表面投錨効果の強
さを変えるために、用いることができる。そのような表
面処理のために広範な種々の材料を用いることに加え
て、相対する表面の処理が異なってもよい。例えば、前
記複数の基体は異なった方向にラビングされていてもよ
く、1つの基体は追加の処理がされていて、他の基体は
されていなくてもよく、又は相対する基体は異なった物
質で処理されていてもよい。上述のように、そのような
追加の処理はセル応答の特性を変化させる効果を持ちう
る。
随意に、セルの特性を変えるために、他の添加剤がカ
イラルネマチック液晶混合物に添加されてもよい。例え
ば、色を液晶材料それ自体に導入する一方で、セルによ
って反射される色を強めたり変化させたりするために多
色性の染料を加えてもよい。同様に、フュームドシリカ
のような添加物を、種々のコレステリックテクスチャー
の安定性を調節するために液晶混合物中に溶解すること
ができる。
本発明は、また、最大レフェレンス強さ(reference
intensity)を反映する色反射状態と最小レフェレンス
強さを示す光散乱状態との間をスイッチする(切り換わ
る)ことのできる、ポリマーのないカイラルネマチック
液晶材料をアドレスする改善された方法を1つの態様と
する。この改善は前記最大及び最小の間の色反射を達成
するに充分な種々の大きさの電圧パルスを印加し、これ
によって前記材料からの安定なグレースケール反射率を
生み出すことを含む。
好ましくは、この方法は、この材料を充分な期間及び
電圧のACパルスを前記材料にかけて、前記カイラルネマ
チック材料の一部を第1の光学的状態を示すようにさ
せ、このカイラルネマチック材料の残りの部分を第1の
状態とは異なる第2の光学的状態を示すようにさせるこ
とである。好ましい態様において、第1の光学的状態の
材料の部分はプレーナーテクスチャーを示し、第2の光
学的状態にあるこの材料の残りはフォーカルコニックテ
クスチャーを示す。反射の強さはプレーナー反射テクス
チャーにあるこの材料の量に比例する。
本発明の多数の追加の態様、利点及び更なる理解は、
以下の好ましい態様の説明及び添付の図面から得られる
であろう。
図面の簡単な説明 図1は、本発明の液晶材料を含む光変調セルの概略断
面図である。
図2は、液晶がホメオトロピックに配列して光学的に
透明な状態になったときの材料の部分拡大断面概略図で
ある。
図3は、光散乱状態の材料の部分拡大概略断面図であ
る。
図4は、液晶がねじれプレーナーテクスチャーを有す
るときの材料の部分拡大概略断面図である。
図5は、プレーナーテクスチャーから出発する約30〜
140ボルトの範囲の、及びフォーカルコニックから出発
する約140と180の間の電圧におけるグレースケールを表
す種々の電圧のACパルスに対するセルの電気光学的応答
のプロットである。
好ましい態様の説明 図1に概略的に示したセルは、ガラスプレート10、11
を有し、これらはそれらの端部をシールされており、ス
ペーサー12で分離されている。図示のように、ガラスプ
レート10、11は酸化インジウム−錫(ITO)等でコート
され透明電極13を形成する。引用符号14は、液晶ディレ
クターに影響を与えるため、又はセルのコントラスト、
反射又はスイッチング特性を変化させるため、電極に被
覆できる光学的表面皮膜を表す。相対する皮膜14は、同
じの又は異なる材料でありえ、異なる方向にラビングで
き、またこの皮膜14の一方又は両方は全く除去できる。
図1のセルは、本発明のポリマーのない液晶材料で満
たされている。この液晶光変調材料は、一般に正の誘電
異方性及びカイラルな成分を有するネマチック液晶を有
するカイラルネマチック液晶16から一般になる。異なる
光学的状態の間でセルを切り換えるために、AC電源17は
電極13に接続されている。
図1に表されたセルの形は、本発明のポリマーのない
液晶材料の特別な具体例と機能を述べるためにのみ選ん
だのであって、この物質は種々にアドレスする(be add
ressed)ことができ、他のタイプのセルに入れることが
できる。例えば、外部活性化電極、でアドレスする代わ
りに、前記材料はアクチブマトリックス、多重配列(mu
ltiplexing scheme)又は他の種類の回路(これら全て
は当業者に明らかであろう)によってアドレスすること
ができるであろう。同様に、前記セルは、光学的表面処
理層14なしに調製できるであろう。
セルの特性を変化させることを目的として、ラビング
した又はラビングしていないITO又は他の適当な電極に
加えて任意の表面処理層を用いるときは、広範な材料を
用いうる。適当な材料は、ポリメチルメタクリレート
(PMMA)、ラビングしていないポリイミド、ポリイソブ
チルメタクリレート、ポリ−n−ブチルメタクリレー
ト、ポリビニルホルマール(PVF)及びポリカーボネー
トを含む。両方のプレートは、同じの又は異なった材料
であってもよく、またラビングされていてもよく、ラビ
ングされていなくてもよく又は他のテクスチャーを出し
(be textured)てもよい。同様に、相対する表面は異
なった方向にラビングしてもよく、又は異なった態様で
テクスチャーを出してもよい。最良の結果は追加の表面
処理がなくラビングされたITOで得られる。
この液晶材料は正の誘電異方性及びカイラル成分を持
つネマチック液晶、例えばコレステリック液晶を含み、
ポリマーを全く含まない。こり技術分野で公知の適当な
正の誘電異方性シアノビフェニルは充分であろうが、適
当なネマチック液晶は、例えばE.Merkの製造するE7、E4
8、E31及びE80を含む。適当なカイラル剤は、例えばや
はりE.Merkの製造するCB15、CE2及びTM74Aを含む。本発
明に使用するに適した他のネマチック液晶及びカイラル
成分は、ここに開示する事項にかんがみて、当業者に公
知であろう。前記カイラルネマチック液晶混合物に加え
うる他の任意の成分は、例えば種々のテクスチャーの安
定性を調節するためのヒュームドシリカ及び色を調節す
るための染料を含む。
図1に示すセルを調製する好ましい態様において、も
しあれば追加の染料又は添加物等と共にカイラルネマチ
ック液晶の溶液が調製される。次いで、この溶液をここ
に示した任意の皮膜14を有するガラスプレート10、11の
間に前記溶液を導入する。これは、当業者に公知の方
法、例えば毛管充填、より好ましくは真空充填の方法に
よって行いうる。両プレートの間に一旦導入すると、公
知のように、このセルはその端部の回りをシールする。
安定なプレーナー状態の、フォーカルコニック状の及
びグレースケール状態の間で切り替わりうる本発明に従
って調製されたポリマーのないディスプレーを、以下の
本発明を制限しない例に示す。
例1 37.5wt%のE48(EM Chemicalsからのネマチック液
晶)及び62.5wt%のTM74A(EM Chemicalsからのカイラ
ル添加剤)を含むカイラルネマチック液晶混合物を調製
した。次いで、1インチ平方のセルを、ITOで被覆した
2つの基体から形成した。両基体のこのITO皮膜は相互
に平行に磨いた。10μmのガラススペーサーを1つの基
体上にスプレーし、第2の基体をサンドイッチして、そ
の2つの端が第1の基体と重なるようにし、このセルを
締め金で相互に保持した。次いで、5分間エポキシ(De
vcon)を用いてこの2つの非重複端をシールした。
このセルを鉛直に保持し、カイラルネマチック液晶の
一滴をセルの頂部端開口部に沿って置いた。次いでこの
セルを約15分間かけて毛管作用によって自発的に充填し
た。一旦充填すると、残りの液晶混合物を前記端部から
除き、この端部開口を5分間エポキシでシールした。
このセルは当初はプレーナー反射状態であった。約11
5ボルト及び1KHzの100ms低い電圧パルスは、このセルを
フォーカルコニック分散状態に切り換えた。約180ボル
ト及び1KHzの100ms高い電圧パルスは、このセルをプレ
ーナー反射状態に戻した。前記プレーナー状態及びフォ
ーカルコニック状態は、電界(field)がないときは安
定であり、このセルは分散状態及び反射状態の間で多重
安定グレースケール反射状態を示した。
例2 先の例のように、10μmの間隔をおいたITOで被覆さ
れたガラス基体の間に、E48及びTM74Aの重量比0.6:1の
混合物を導入した。これらの基体をラビングしていない
ポリイミド層で更に被覆した。このセルは、当初はフォ
ーカルコニック、散乱テクスチャーであり、これはこの
セルを通して僅かに約30%のHeNeビームを通した。10m
s、155ボルト、1KHzのACパルスはこのセルをプレーナー
テクスチャー反射性緑色光に切り換えた。この反射状態
のセルからの透過率は約65%であった。同じ期間の95ボ
ルトのパルス及び波長はこのセルをフォーカルコニッ
ク、散乱状態に戻した。このセルは複数の状態間を10ms
未満で切り換わった。
例3 CB15,CE2(EM Chemicals)及びE48ネマチック液晶の
重量比0.15:0.15:0.7の混合物を用い、先行の例のよう
にして調製した。このセルにおいては、駆動電圧は約半
分にカットした。この混合物の誘電異方性がTM74Aを用
いたときよりも高かったからである。この材料の電気−
光学応答は例1と同様であった。
表Iは、先行の例に従って調製した材料の多数の追加
の例を示す。カイラル材料の濃度、及びネマチック液晶
の種類と濃度をこれらのセルでは変化させた。各ケース
において、カイラル材料はCE2及びCB15の50:50混合物で
あった。各セルは、基体上の唯一の表面処理としてラビ
ングしていないITO電極を用いた。表Iの材料はすべ
て、可視スペクトル中に多重安定性、即ち安定な反射、
散乱及びグレースケール状態を示した。
表IIは種々の表面処理材料及びセル厚さを有し、多重
安定性を示す先行の例に従って調製した材料の例を示
す。各場合において、ネマチック液晶はネマチック液晶
の組合わさった重量に基づいて60wt%のE31(EM Chemic
als)及びカイラル材料であった。各場合におけるカイ
ラル材料は、CE2及びCB15(EM Chemicals)の50:50混合
物であり、カイラル材料及びネマチック液晶の重量を基
準として40wt%の量存在した。各セルは緑色の反射状態
を示した。電界の非存在下に、反射及び散乱状態は安定
でありこのセルは安定なグレースケール状態をそれらの
間に示した。例17及び18において、相対する基体上のPV
F皮膜をそれぞれ平行に及び相互に直角にラビングし
た。同様に、例22及び23の相対する基体上の皮膜をそれ
ぞれ平行に及び相互に直角にラビングした。例21及び24
の皮膜は単にラビングしていないITO電極であり、例25
の場合は、相対する基体上のITO皮膜は相互に平行にラ
ビングした。例13〜15のn−ブチル及びi−ブチルは、
それぞれn−ブチルメタクリレート及びi−ブチルメタ
クリレートを表す。これらの例における間隔は、先行の
例のように、ガラス球によって調製した。
表面処理及びセル厚みを変化させて、例1と同様にし
て得られた多重安定な材料の追加の例を提供する点で、
表IIIは表IIに類似している。しかしながら、表IIIの材
料は、カイラル材料及びネマチック液晶の重量を基準と
して60wt%の量のTM74Aカイラル材料からなっていた。
前記ネマチック液晶は、E48で、40wt%の量存在した。
これらのセルも、テクスチャーを反映する(reflect)
プレーナー光中の緑色光を反射し(reflected)、多重
安定性を示した。
本発明のポリマーのない多重色ディスプレーセルは、
安定なグレースケール現象を示し、前記材料が反射状態
によって反射される強さと、散乱状態によって反射され
る強さとの間の不定のどんな選択された強さの光も反射
する能力を有することを特徴とする。前者は実質的に全
ての材料がプレーナーテクスチャーを示すときに起こ
り、後者は実質的に全ての材料がフォーカルコニックテ
クスチャーを示すときに起こる。本発明の目的にとっ
て、反射状態は、与えられた材料について最大の強さに
て着色された光を反射し、反射光の色はカイラル材料の
ピッチの長さによって決定される。適当なしきい値電圧
の電界パルスは、少なくとも一部の材料にその光学的状
態を変化させ、反射の強さを減らさせるであろう。も
し、前記ACパルスが充分高いが、液晶をホメオトロピッ
クに配列するものよりも未だ低いならば、この材料の光
学的状態は完全に散乱状態に変化し、この状態は与えら
れた材料について最小の強さで光を反射する。与えられ
た材料についてその材料の最大反射強さを規定すると考
えられる反射状態と、最小反射強さを規定すると考えら
れる散乱状態の間において、反射強さは、反射状態と散
乱状態とによって示されるものの間の強度値の単なる連
続体(continuum)であるグレースケールに沿った範囲
に亘る。前記材料を反射状態から散乱状態へ変換し、又
はその反対を行うものの間における電圧のACパルスで前
記材料にパルスを与えることにより、このグレースケー
ル範囲の反射の強さを得る。
理論に拘束されたくないが、前記材料がプレーナーテ
クスチャーに始まるグレースケールに沿う反射の強さ
は、パルスの電圧にほぼ直線的に比例することが観察さ
れた。パルスの電圧を変化させることにより、与えられ
た反射の強さは比例して変化しうる。電界が除かれると
きは、この材料は不定にその強さを反射するであろう。
このグレースケールの電圧範囲内でのパルスは、ある割
合の前記材料を反射状態のプレーナーテクスチャー特性
から、散乱状態のフォーカルコニックテクスチャー特性
へ変換すると考えられる。グレースケールに沿った反射
の強さは、プレーナーテクスチャーからフォーカルコニ
ックテクスチャーへ切り換えられたカイラル材料の量に
比例し、また逆の場合も同じである。このことは今度の
ACパルスの電圧に比例する。
図4は、本発明のポリマーのない多重安定な材料の光
反射状態を概念的に示す。この状態では、カイラルな液
晶分子40はセル壁に平行なツイストプレーナー構造に配
列している。ツイストプレーナー構造の故に、この材料
は光を反射し、その色は特定のピッチ長さに依存する。
この安定な反射状態において、この材料は、それより小
さいとグレースケール強さが観測される最大参照強さを
構成する最大反射率を示す。この液晶のプレーナーテク
スチャーはポリマーの無いときは安定である。概念的に
図3に示したように、多重色ディスプレー材料はその光
散乱状態にある。この安定な散乱状態において、この材
料は最小の反射強さ(即ち、最大散乱)を示し、それは
それより大きいとグレースケール強さが観測される反射
率の最小参照強さを規定する。
図4の光反射状態及び図3の光散乱状態の両方、並び
にそれらの間のグレースケールは、電界の無いときに安
定である。もしこの材料が図4の光反射状態にあり、電
界パルスがかけられると、この材料は図3の光分散状態
に移行させられ、ゼロの電界においてその状態を維持す
るであろう。もし多重安定材料が図3の光散乱状態にあ
り、カイラル分子のねじれを戻すに充分な比較的高い電
界パルスがかけられるならば、液晶材料はパルスの終わ
りのところで図4の光反射状態に矯正され、その状態に
止まるであろう。光学的状態の間の前記材料を駆動する
に必要なセル厚さ1μmあたりの電圧はこの材料の組成
に依存して変化しうること、しかし必要な電圧の決定は
この明細書の開示に鑑みて、充分に当技術分野の熟練の
範囲内であることを理解すべきである。
液晶分子のねじれを戻すために必要な高い電界が維持
されているならば、この液晶ディレクターはホメオトロ
ピックに配列され、この材料は透明である。もし、この
電界をゆっくりと除くと、この液晶の配列は図3の光分
散状態に矯正されるであろう。これは、おそらく、ゆっ
くりと除去すると、この材料の大きな部分が濁った層に
入るからであろう。この電界を急に除くと、配向は図4
の光反射状態に矯正されるであろう。図4の反射状態及
び図3の反射状態の間で反射される反射率の強さは、安
定なグレースケール反射率である。勿論、反射及び散乱
の状態の強度値は、この材料の組成が変化するに連れて
変化するであろうが、グレースケールはそれらの間の強
さの範囲によって規定される。
この材料を図4の反射状態から図3の散乱状態に転化
するであろう電圧よりも低い電圧では、ゼロの電界でそ
れ自体安定なグレースケール状態が得られる。これらの
グレースケール状態におけるこの材料からの反射は安定
である。それは、ある割合の材料は図4のプレーナー反
射状態にあり、ある割合の材料は図3のフォーカルコニ
ック散乱テクスチャーの状態にあり、この両方が電界の
ない状態において安定であるからである。
従って、例えばこの材料が図4の反射状態にあり、全
ての液晶16を図3の50に示したフォーカルコニックテク
スチャーに追いやるに不十分な、即ちこの材料を完全に
散乱状態に追いやるに不十分である電界パルスがかけら
れたときは、プレーナー反射テクスチャー中に残る材料
の量に比例した強さの色光を反射するであろう。即ち、
この反射率は全てのカイラルネマチック液晶の全てがプ
レーナー反射テクスチャーであるとき、この材料から反
射されるものよりも低いが、完全にフォーカルコニック
散乱テクスチャーに切り換わったときよりも高いであろ
う。電界パルスの電圧が増すにつれて、カイラル材料の
より多くがプレーナー反射テクスチャーから散乱フォー
カルコニックテクスチャーに切り換わり、パルスの電圧
が増加してこの材料の全て又は殆どが濁り相に入り、そ
れが弛緩して完全に散乱状態に切り換わるに至る。も
し、このパルスの電圧が更に増すならば、反射の強さは
再び増えはじめ、パルスの大きさが殆どのカイラル分子
のねじれを戻し、これら分子が再びプレーナー光反射テ
クスチャーに矯正されるに充分となり、このパルスを急
に除いたときこれら分子が再びプレーナー光反射テクス
チャーに矯正され、この材料が再び図4の光反射状態に
なるに至る。
この材料が図3のフォーカルコニック散乱状態にあれ
ば、印加された電圧パルスは、セルがプレーナーテクス
チャーから出発するときよりもこのセルの反射率に対す
る効果ははるかに劇的ではなくなり、電圧はこのカイラ
ル材料のねじれを戻すに充分な大きさに達するに至り、
ここで、上述のように、電界が除かれたとき、それを図
4の光反射状態へ矯正するであろう。前記材料がフォー
カルコニックテクスチャーから始まるときのグレースケ
ールは、電界の印加の結果、ある割合の分子のねじれが
戻り、ホメオトロピックに配列する結果をもたらすよう
である。次いで、電界を取り除いたとき、この分子の割
合は弛緩してプレーナー反射テクスチャーになる。
上述のように、セルの応答を図5に示す。この図は、
例1で調製した材料のパルス電圧に対する応答を示す。
種々の電圧のACパルスに応答してセルの反射率を測定
した。この測定において、100ミリ秒、1IKHzACパルスを
用いた。この材料について、約180Vを超えるパルスをか
けると、パルスの前にセルが散乱状態であろうが反射状
態であろうが関係なく反射状態に、セルを切り換えた。
ここで最大反射、即ち透過を観察した。電圧が130〜140
Vの範囲であるとき、この材料かパルスの前にフォーカ
ルコニックテクスチャー又はプレーナーテクスチャーに
あるか否かを問わず、最大散乱を示した。
変化する電圧のパルスに応答したセルのグレースケー
ル応答も図5に見られる。ここで、パルスの電圧を変化
させ、セルからの反射(透過%)を測定した。パルスの
前に前記材料が確実に完全に反射状態なるように、曲線
A上にプロットされた各パルスの前に前記材料を高いAC
パルスで処理した。パルスの電圧が約30V未満であると
きは、セルの反射はあまり影響を受けない。パルスの電
圧が約40Vと110Vの間にあるときは、セルの反射率はパ
ルスの電圧が増すにつれてほぼ直線的に減少する。グレ
ースケール反射率はこの電圧範囲で観察される。各場合
において、前記材料はパルスが除かれた後も反射し続け
た。パルスの電圧が約120〜130Vに増大したときは前記
材料は散乱状態であり最大散乱近くを示した。パルスの
大きさが更に大きくなって、約150〜160Vを超えると、
セルの反射率は増大し当初の値、即ち180Vを超える反射
状態のそれに近づくに至った。
曲線Bは、前記材料がACパルスをかける前に当初フォ
ーカルコニック散乱状態であったときのセルの応答を示
す。ここでは、セルの反射率は、約30V未満でACパルス
に対してさほど変化しない。約50〜150Vの間では、前記
散乱は実際少し増大し、最大散乱がセルから観察され
る。約160Vを超えると透過は急速に増大し、セルは、約
180Vを超える最大透過に近い反射状態に切り換わった。
前記材料がプレーナーテクスチャーから出発するとき
は、グレースケールの電圧に対する直線関係は、はるか
に顕著であり、前記材料がフォーカルコニックテクスチ
ャーから出発するときは前記グレースケールはよりなだ
らかになる。従って、グレースケール現象の最も実際的
な応用は、プレーナーテクスチャーから出発する前記材
料を用いるようである。
上述の記載から、当業者にとって多数の修正と変形が
明らかであろう。従って、請求の範囲の範囲内で、本発
明は特に示し、記載した以外に実施が可能であることが
理解されよう。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 057,662 (32)優先日 平成5年5月4日(1993.5.4) (33)優先権主張国 米国(US) (56)参考文献 特開 昭57−32492(JP,A) 特開 昭57−32493(JP,A) 特開 昭60−252326(JP,A) 米国特許3680950(US,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/137

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】セル壁(10、11)を有し、その間にカイラ
    ルネマチック液晶光変調材料(16)が配置され、前記セ
    ル壁は前記セルをアドレスする手段(13、17)を有する
    ポリマーのない光変調反射セルであって、 前記カイラルネマチック液晶光変調材料(16)はポリマ
    ーがなく、正の誘電異方性と、可視スペクトルの光を反
    射するのに有効なピッチ長さを有し、前記材料は前記セ
    ル壁の間に光散乱性フォーカルコニックテクスチャー及
    び光反射性ツイストプレーナーテクスチャーを形成し; 前記アドレスする手段(13、17)は、前記材料(16)の
    少なくとも一部を光散乱性フォーカルコニックテクスチ
    ャー(30)から光反射性ツイストプレーナーテクスチャ
    ー(40)に変換するのに有効な大きさの第1の電圧パル
    スと、前記材料(16)の少なくとも一部を光反射性ツイ
    ストプレーナーテクスチャー(40)から光散乱性フォー
    カルコニックテクスチャー(30)に変換するのに有効な
    大きさの第2の電圧パルスとを選択的に確立するように
    適合させられ; そして、ここに前記光反射性ツイストプレーナーテクス
    チャー及び前記光散乱性フォーカルコニックテクスチャ
    ーは、印加される電界のないときに安定である、ことを
    特徴とするセル。
  2. 【請求項2】充分高い電圧パルスは前記材料をホメオト
    ロピックに配列し、この充分に高い電圧パルスを突然除
    くと前記材料が安定な光反射性ツイストプレーナーテク
    スチャーを示すようにし; 充分に低い電圧パルスはこれを除くと前記材料が安定な
    光散乱性フォーカルコニックテクスチャーを示すように
    し; 前記高電圧及び低電圧のパルスの間の中間範囲の電圧パ
    ルスは、これを除くと前記材料のいくらかを安定な光反
    射性ツイストプレーナーテクスチャーを示すようにし、
    前記材料の残りを安定な光散乱性フォーカルコニックテ
    クスチャーを示すようにする、ものであることを特徴と
    する、請求項1に記載のセル。
  3. 【請求項3】前記アドレス手段(13、17)が、前記材料
    の光散乱性フォーカルコニックテクスチャー(30)及び
    光反射性ツイストプレーナーテクスチャー(40)をある
    割合に変化させて、反射光の強さを選択的に調節させる
    電圧パルスを提供するように適合されていることを特徴
    とする、請求項1のセル。
  4. 【請求項4】前記材料をアドレスする手段(13、17)
    が、前記材料の少なくとも一部を光散乱性フォーカルコ
    ニックテクスチャーから光反射性ツイストプレーナーテ
    クスチャーに変換するのに有効な第1の大きさの電圧パ
    ルス、及び前記材料の少なくとも一部を光反射性ツイス
    トプレーナーテクスチャーから光散乱性フォーカルコニ
    ックテクスチャーに変換するのに有効な第2の大きさの
    電圧パルスを選択的に確立するように適合されているこ
    とを特徴とする、請求項1に記載のセル。
  5. 【請求項5】前記材料をアドレスする手段(13、17)
    が、前記材料の少なくとも一部を光散乱性フォーカルコ
    ニックテクスチャーから光反射性ツイストプレーナーテ
    クスチャーに変換するのに充分な期間及び有効な大きさ
    の第1の電圧パルス、並びに前記材料の少なくとも一部
    を光反射性ツイストプレーナーテクスチャーから光散乱
    性フォーカルコニックテクスチャーに変換するのに充分
    な期間及び有効な大きさの第2の電圧パルスを選択的に
    確立するように適合されていることを特徴とする、請求
    項1に記載のセル。
  6. 【請求項6】その間にカイラルネマチック液晶光変調材
    料(16)が配置されたセル壁(10、11)を有し、このセ
    ル壁がアドレス手段を有する光変調セルのアドレス方法
    であって、 前記材料をポリマーがなく、正の誘電異方性及び可視ス
    ペクトル中の光を反射するに有効なピッチ長さを有し、
    光散乱性フォーカルコニックテクスチャー及び光反射性
    ツイストプレーナーテクスチャーを形成するものとし、 前記アドレス手段を用いて、前記材料の少なくとも一部
    を光散乱性フォーカルコニックテクスチャー(30)から
    光反射性ツイストプレーナーテクスチャー(40)に変換
    するのに有効な大きさの第1の電圧パルス、並びに前記
    材料の少なくとも一部を光反射性ツイストプレーナーテ
    クスチャー(40)から光散乱性フォーカルコニックテク
    スチャー(30)に変換するのに有効な大きさの第2の電
    圧パルスを選択的に確立し、そして 前記光反射性ツイストプレーナーテクスチャー及び前記
    光散乱性フォーカルコニックテクスチャーは、印加電界
    が存在しなくても安定である、前記方法。
  7. 【請求項7】前記アドレス手段を用いて、前記材料をホ
    メオトロピックに配列するに充分高い電圧パルスを選択
    的に印加し、この充分に高い電圧の突然の除去は前記材
    料が安定な光反射性ツイストプレーナーテクスチャーを
    示すようにさせるものである工程; 前記アドレス手段を用いて充分に低い電圧パルスを選択
    的に印加し、この電圧パルスはこれを除いたとき前記材
    料が安定な光散乱性フォーカルコニックテクスチャーを
    示すものである工程;及び 前記高い電圧パルス及び低い電圧パルスの間の中間範囲
    の電圧パルスを選択的に印加し、この電圧パルスはこれ
    を除くと、前記材料の内のいくらかは安定な光反射性ツ
    イストプレーナーテクスチャーを示し、前記材料の残り
    は安定な光散乱性フォーカルコニックテクスチャーを示
    すものである工程、 を有することを特徴とする請求項6に記載の方法。
  8. 【請求項8】前記アドレス手段を用いて、前記材料中の
    光散乱性フォーカルコニックテクスチャー及び光反射性
    ツイストプレーナーテクスチャーの割合を変える電圧パ
    ルスを選択的に印加し、これによって反射される光の強
    さを選択的に調節する工程を有することを特徴とする、
    請求項6に記載の方法。
  9. 【請求項9】前記アドレス手段を用いて、前記材料の少
    なくとも一部を光散乱性フォーカルコニックテクスチャ
    ーから光反射性ツイストプレーナーテクスチャーに変換
    するのに有効な大きさの第1の電圧パルス、及び前記材
    料の少なくとも一部を光反射性ツイストプレーナーテク
    スチャーから光散乱性フォーカルコニックテクスチャー
    に変換するのに有効な大きさの第2の電圧パルスを選択
    的に印加する工程を含むことを特徴とする、請求項6に
    記載の方法。
  10. 【請求項10】前記アドレス手段を用いて、前記材料の
    少なくとも一部を光散乱性フォーカルコニックテクスチ
    ャーから光反射性ツイストプレーナーテクスチャーに変
    換するのに充分な期間及び有効な大きさの第1の電圧パ
    ルス、並びに前記材料の少なくとも一部を光反射性ツイ
    ストプレーナーテクスチャーから光散乱性フォーカルコ
    ニックテクスチャーに変換するのに充分な期間及び有効
    な大きさの第2の電圧パルスを選択的に印加する工程を
    含むことを特徴とする、請求項6に記載の方法。
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