JP3074607B2 - 液晶光学装置 - Google Patents

液晶光学装置

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、液晶光学装置の分野に関する。
本発明はパリ南大学の固体物理研究所でなされたもの
であり、この研究所は国立科学研究センタ第040002に関
連するものである。
液晶について少くともここ15年間程にわたりかなりの
研究が行われている。
パリ南大学の固体物理研究所で行われた研究の種々の
結果が1982年４月28日に出願され、第2526177号として
公開されたフランス特許出願第8207309号および1984年1
0月23日に出願され、第2572210号として公開されたフラ
ンス特許出願第8416192号および1985年６月18日に出願
され、第2587506号として公開されたフランス特許出願
第8509224号、1986年５月14日に出願され、第2598827号
として公開されたフランス特許出願第8606916号および1
987年12月17日に出願され、第2624985号として公開され
たフランス特許第8717660号に示されている。
更に、液晶に関する研究は多数の出版物となってい
る。
本発明は詳細には双安定、と呼ばれる液晶光学装置、
すなわち、外部制御のもとで液晶の分子が二つの安定し
た状態で交互にとりうる装置に関する。そのような双安
定光学装置は特に多重表示をつくるに適している。
種々の液晶双安定光学装置がすでに提案されている。
document Applied Physic［sic］Letter40（12）1007
（1982）ジェー・チェン他は例えば外部コマンド電界に
より切換わるバルク安定性を示す二つの状態を有するネ
マチック液晶装置を開示している。この文献に示される
プロセスは実用化されていない。その通信時間は非常に
遅くそして一般に多数の組織欠陥を示す。
document Applied Physic［sic］Letter36,899（198
0），エヌ・エー・クラーク他はスメクチックC"強誘電
と呼ばれる液晶を用いた他の双安定光学装置および縮退
表面固定を開示している。この文献のプロセスはスイッ
チング時間が非常に短いという利点を有し、実用化され
ている。しかしながらこれは完全に満足すべきものでは
ない。
特に、実用上、二つの対称な状態間で双安定である表
示構成ではなく、しばしばコントラストの劣るそして多
重化しえないねじれ組織上で単安定である表示構成が得
られる。この現象は電極／液晶間界面が極性をもつため
と考えられる。
document Applied Physic［sic］Letter;1989年12月1
1日、アール・バーベリ、エム・ポアおよびジー・デュ
ランは他の双安定光学装置に開示しており、それでは透
明電極の少くとも一方に制御された粗面化を行うことに
より双安定性を生じさせそしてスイッチングがそれら電
極に平行な外部電界により制御されるようになってい
る。この文献によれば粗面化は例えばSiOの斜め蒸着で
得られる。このApplied Physic［sic］Letter［sic］は
上記フランス特許出願第8717660号に関連する。この文
献のプロセスは成功するものと思われるが、装置の透明
プレートに平行な電界にのみ感応するということ、そし
てそれらプレートに直角の電界には全く感応しないとい
う大きな欠点を有すると当業者には考えられている。
限定された極性の電気的パルスにより制御されるスイ
ッチングがキラルイオンの使用にもとづくものとなった
表面配向状態の双安定性を用いるネマチック双安定表示
装置の他の形式が1990年１月30日に出願されたフランス
特許出願第9001066号に示されている。
本発明の目的は従来のものより良い性能を有する新規
に液晶双安定光学装置を提供することである。
本発明の一つの重要な目的は特に高解像度多重化光学
マトリクスをつくるための高速スイッチング型液晶双安
定光学装置を提供することである。
本発明の他の重要な目的は外部電界により容易に制御
しうるように設計された液晶双安定光学装置を提供する
ことである。
これら目的は本発明によれば制御電極を有する２個の
透明プレートとそれらの間に配置されたネマチック液晶
材料を含む形式の双安定効果液晶光学装置であって、 − 上記透明プレートが逆方向の電極に直角の成分を有
する２つの屈曲電気分極を夫々発生する液晶材料分子の
二つの安定した形を限定することの出来る表面処理を施
されていること、そして − 選択的に一方または他方に配向される、上記プレー
トに直角の電界パルスを装置に加えることの出来る電源
装置が設けられることを特徴とする光学装置により達成
される。
はじめに一つの方向であって次に他の方向となる、こ
れらプレートに直角の電界パルスを交互に加えることに
より液晶の構造を二つの安定した状態の間で切換えるこ
とが出来る。
この制御電界の効果は後述する。
本発明の他の有利な特性によればこの装置は次の順に
パルスを加えるようになった電源装置を含む： − 液晶の一般にホメオトロピック均質の配向を発生す
ることの出来る少くとも１個のコマンドパルス、そして
次に − このコマンドパルスより振幅が小さく且つ所望の最
終状態に従って選ばれた極性をもつ制御パルス。
後述するように、このコマンドパルスは種々の形とな
りうるものでありそして更に任意の極性をもつ。
コマンドパルスと制御パルスを使用することに、特に
双安定ネマチック表示の多重化による簡単な制御が可能
になる。
このために、本発明の一つの特徴によれば、制御電極
がＮ本のラインとＭ本のコラムに配置されてそれらの交
点にNM個のピクセルのマトリクスをつくるようになった
光学装置は、コマンドパルスがＮ個のライン電極に次々
に加えられ、その間夫々のコマンドパルスの終りに夫々
選ばれた極性の制御パルスがＭ個のコラム電極のすべて
に同時に加えられることを特徴とする。
液晶装置の多重化に必要なこれらパルスは従来、特に
Ｃ″強誘電スメクチックスの多重化に用いられたものよ
りはるかに簡単である。
Ｃ″強誘電スメクチックス用いこれまで提案されたコ
マンド信号の例は次の文献に示されている:1）ジェー・
エム・ギャーリ，プロシーディングス・オブ・エス・ア
イ・ディー85,pp.128−130（1985）、２）エス・テー・
レガーウォール，ジェー・ウァールおよびエヌ・エー・
クラーク，プロシーディングス・オフ・インターナショ
ナル・ディスプレイ・リサーチ・コンファレンス，フェ
ロエレクリック・リクイド・クリスタルス・フォー・デ
ィスプレイズ,pp.213−220（1985）、３）エス・シモ
ダ、ケー・イトウ、ディー・ハラダ、エム・タグチ、ケ
ー・イワラ、エム・カイ、プロシーディングス・オブ・
ジャパン・ディスプレイ'86,pp.460−462（1986）。
本発明によればコマンドパルスは１個の矩形パルス、
逆極性の２個の連続する矩形パルス、または高周波パル
ス列である。
本発明の他の特徴によれば、コマンドパルスの振幅は
１−100ボルト、一般的には10−20ボルトであり、その
幅は１μｓより大きく、一般に20−50μｓである。
本発明の他の特徴によれば、制御パルスの振幅は0.1
−10ボルトであって一般に0.1−５ボルトであり、その
幅は10μｓより大きく、一般に25−50μｓである。
制御パルスの立上りはコマンドパルスの立下りと一致
する。
変形例では制御パルスの立上りはコマンドパルスの立
下りの前となる。
コマンドパルスの立下り後、少くとも10−50μｓだけ
制御パルスを持続させるとよい。
本発明の他の特徴、目的および利点は以下の詳細な説
明および限定的ではない例である添付図面から明らかと
なるものである。
− 図１は本発明による光学装置の概略図である、 − 図２は分子の二つの安定状態を示す図である、 − 図３は方向ｅの例えばSiOの斜め蒸着によりつくら
れる多安定表面の配向状態を示しており、図３ではＰが
プラナ安定配向、OO′は二つの斜めメタ安定配向、［欠
文］は頂角そして［欠文］は方位角を示す、 − 図４は共面蒸着方向を有する２個の電極の斜視図で
ある、 − 図5Aは液晶を通して見た一方の電極の配向の頂角を
示す図である、 − 図5Bは45゜程度の相対方位角だけ回転した２個の電
極の相対的配向を示す図である、 − 図6Aおよび6Bは逆方向の電極に対し直角の成分をも
つ屈曲電気分極を有する液晶の二つの異る安定状態を示
す図である、 − 図７は本発明によるセルを通し、安定状態のスイッ
チングを行うコマンドパルスの印加に続いて伝送される
光の典型的な記録を示す図、 − 図８は厚さ１μｍの表示装置についてパルス幅の関
数としてのコマンドパルスしきい値電圧を示す図であ
り、 − 図９は可変の厚さのセルについてパルス幅の関数と
してのコマンドしきい値電界を示す図であり、 − 図10は本発明によるコマンド信号と制御信号の第１
の例を示す図であり、 − 図11は本発明によるコマンド信号と制御信号の第２
の例を示す図であり、 − 図12は印加されたコマンドおよび制御信号の関数と
して得られる種々の安定状態を表で示す図であり、 − 図13は本発明による多重化により制御されるマトリ
クス表示装置を示す図である。
装置の一般的構造 使用される光学装置の周知の基本的構造は図１に示す
ように、例えばガラス製の、一定の厚さｄのウェッジ
（図１には示さず）により分離され、その間にネマチッ
ク液晶材料20を有する２枚の平行な透明プレート12,14
で形成されるセル10を含む。
プレート12,14はその液晶側の内面に導電性であり光
学的に透明な電極を有する。そのような電極は図１では
プレート14についてバンド18の形で示されている。プレ
ート12に設けられる同様の電極は19で示している。
電源30がプレート12,14上のこれら電極間に接続され
て液晶材料20に制御された電界を加える。電源30は幅１
−1000μs,振幅１−100ボルトで極性の反転する電気パ
ルスを出す。
発明の主な特徴 詳細に述べると、本発明の光学装置は次の二つの重要
な特徴を有する： − ２個の透明プレート12,14がこれら電極に直角の逆
方向の成分を有する二つの屈曲電気（flexoelectric）
分極を夫々発生する液晶材料分子の二つの安定状態を限
定することが出来るような表面処理を受けていること、
および − 電源30が電極18,19に接続してこの装置にこれらプ
レートに直角であって交互に方向を変える電界パルスを
加えること。
液晶材料の分子の二つの安定状態はプレート12,14に
直角の面内の二つの分子配向に対応しそしてその間に45
゜程度の方位角傾斜を有し、それにより、交叉するアナ
ライザと偏光器の間でみて、このようにして形成される
セルが液晶材料の分子により占められる状態に従って明
または暗として交互に生じる［sic］。
種々の表面処理を次に述べる。
本発明の他の特徴によれば、ネマチック液晶は正の誘
導異方性を有する。
逆方向の屈極電気分極を発生する液晶の分子の二つの
安定した状態は図２に示す。
図２においても、間にネマチック液晶材料20を置いた
２個の透明プレート12,14が示されている。
液晶材料20の分子が第１の安定状態になると、それら
は図２に面100で示す面に平行な面に沿って配向する。
この面100はプレート12,14に対し直角である。この第１
状態において、液晶分子は、上側のプレート12上の平
面、すなわちプレート12に平行な面の配向から下側のプ
レート14上の頂角θ１をもった傾斜配向に序々に変化す
る。
液晶材料20の分子が第２の安定状態にされると、それ
らは図２に200で示す面に平行な面に沿って配向され
る。面200はプレート12,14に対し直角である。これは上
記の面100に対し45゜程度の方位傾斜φを有する。
第２の状態において、液晶20の分子は下側プレート14
上の平面すなわちプレート14に平行な配向から上側プレ
ート12上の頂角θ２をもつ傾斜配向へと序々に変化す
る。
これら二つの安定状態は屈曲電気分極P1,P2を発生す
る。これら分極の電極に直角の成分PZ1,PZ2は夫々逆で
あって第１状態の下側プレート14と第２状態の上側プレ
ート12に向う。
動 作 プレート12,14上の電極18,19間に電圧をかけると、液
晶の分子はそれらろ正の誘電異方性によりそれらプレー
トに直角の配向となる。
このセルの電気的励起が上側電極の負のパルスの立上
りでそれに応答するとすれば、上側電極19近辺に正のイ
オンそして下側電極近辺に負のイオンが残り、これらが
電極19から18に向う減極性の過渡的な電界を加える。こ
の電界は、同じく上側電極19から下側電極に向う屈曲電
気分極成分PZ1を有する第１状態の形成を促進させる。
これら電荷の緩和時間後に、この減極電界は消滅しそ
して第１状態が安定する。
このように形成されたセルが交叉しそして面100に平
行なアナライザと偏光器の間にみられるときにはこのセ
ルは第１状態で黒となる。
このときこのセルに正のパルスが加えられると、分子
はこのパルスの期間中プレート12,14に直角の方向に整
合する。このパルスの終りで上側電極19近辺に負イオ
ン、下側電極18近辺に正イオンが生じており、この正イ
オンが下側電極18から上側電極19に向う減極および過渡
電界を生じさせる。
この電界は上側電極18に向う屈曲電気分極成分PZ2を
有する第２の状態の形成を促進する。
これら電荷の緩和時間後に減極電界は消滅し第２状態
が安定なものとなる。
このセルはこのとき明となる。
第１状態にもどすにはこのセルに負パルスを加えれば
よい。
表面処理 前述のように種々の形式の表面処理を本発明の範囲内
で用いて種々の所要の状態を制御することが出来る。
この表面処理は例えばプレート12,14の内側の対向す
る表面にポリマーを付着し、その後に互いに向って傾斜
しそして、周知の方法でプレート上の分子に所望の傾斜
を与えるようにそのポリマーを２回研磨（abrasions）
することで形成することが出来る。
他の例によれば、この表面処理はフランス特許出願第
8717660号（特許公開番号第2624985号）に示されるよう
にプレート12,14の表面の粗面度を制御（粗面度の厚さ
とその平均入射または平均波長の制御）することにより
形成することが出来る。
好適な実施例 本発明による装置の好適な実施例の構造と動作を次に
述べる。
Ｉ−表示装置の説明 ａ）材料 ネマチック液晶、例えば誘電異方性 εａ＝ε −ε⊥＞０（εａは一般に10程度）の5CBを
用いる。この液晶には後述するように適当な濃度の非キ
ラルイオンおよびコレステリックをドーピングしてもよ
い。このネマチックは双安定表面状態を与えるように処
理された２個のITO電極を有するセル内に入られる。
ｂ）使用される組織 表面多安定配向状態は小さい平均厚さσ（σ，30
Å）のSiOの角度74゜での蒸着によりつくられる。実験
によれば、これら条件下では安定な分子配向状態はプラ
ナー状態Ｐ（分子が電極に平行で且つ図３に示すように
蒸着方向に対して直角）であるが、蒸着方向に対し頂角
θ75゜で方位角φ＝±45の２つの斜めの準安定状態
（O,O′）が共存する（図３参照）。
図３において、蒸着方向をｅで示す。
文献“エム・モンケード，エム・ボア，ジー・ジュラ
ン著、オーダーエレクトリシティ・アンド・オブリクネ
マチック・オリエンテーション・オン・ラフ・ソリッド
・サーフェース，ヨーロフィジクスレター,5,697（198
8）”について、縮退プラナー／オブリク遷移ゾーン直
下の状態が見い出される。
図４は、共面である蒸着方向［ママ］の場合には、こ
のようにしてつくられた夫々のプレートについて１個の
プラナー安定Ｐと２個の斜め準安定ＯおよびＯ′である
三つの表面状態の斜視図である。図４の２個の電極19
（上）と18（下）は同じである。
図5Aは液晶を通して見た一つの電極の配向の頂角側か
らみた斜視図である。
図5Bに示すように、これら２個の電極はそれらに直角
の軸ｚに関し45゜相対的に回転される。
状態P19O18とO19P18により限定される一定方位の二つ
の組織が光学的スイッチングについて用いられる。
電極18,19の上記の構成は図４に示すように蒸着方向
が共面で電極が対向する対称的な状態からはじまるもの
として定義される。一方の電極（例えば電極18）は次に
φｏ＝45゜だけ回転されて、方向O18とP18の方位が一致
し、P19O18のそれらも同様となるようにされる。方向O
19P18が次にO18P19に対し45゜回転される。一定方位の
これら二つの組織に加えて、勿論、可変方位の他の組織
も存在するのであり、そのような組織はそれ故ねじられ
て、例えばO19P18′P19P18等である。この選ばれた構成
はそれら他の組織が方位φと頂角θの同時的な変化を含
む最高の厚みエネルギーをもつものについてのそれであ
る。これら高い歪みエネルギーがそれら組織を不安定に
する。それにも拘らず、状態P19とP18の間でφｏだけ１
回ねじれた（ツイスト）組織がある。この状態のエネル
ギーを高めるためにはセル全体の厚さにわたりコレステ
リックでドーピングされたネマチックを角度−φo/22
0゜だけ逆方向に自動的に回転するようにコレステリッ
ク（cholesteric）でこのネマチックをドーピングする
ことが出来る。これは望ましくない組織O19O18′等のエ
ネルギーを全体的に低下させることなく、組織P19O18の
ツイストエネルギーを著しく増加させる。ツイスト−φ
o/2＝20゜はコレステリックドーパントの濃度を一定に
することで得られる。メルク（Merck）C15コレステリッ
ク分子が用いられている。この本体については室温での
積：コレステリックピッチ×5CB濃度が２μｍである。
厚さｄについて20゜を得るにはコレステリックピッチ18
dが必要であり、これが濃度を固定する。
要するに、二つのバルク組織は、高すぎる曲率エネル
ギーをもつ他のすべてを除き、互いに45゜回転した一定
の方位をつくり出す。これら状態は、電極に直角の成分
が逆方向である自動的な屈曲電気分極Ｐ＝ｅ［ｎ（div
n）＋rotn×ｎ］（e,屈曲定数（flexoconstant,＝10-4c
gs）を有する。屈曲電気分極はそれ故図6A,6Bに示すよ
うに加えられた電界の方向に対し逆方向となる。この極
性の性質はそれら二つの状態間の電気的スイッチングに
ついて用いられる。
ｃ）光学的組立体 二つの組織O19P18とP19O18は交差したアナライザと偏
光器の間に置かれる。組織O18P19はアナライザまたは偏
光器の方向の内の一方に平行であり、伝送中に消滅
（黒）する状態に対応する。他方の組織P18O19は45゜の
配向である。結果としての複屈折がλ/2（λ0.5/μｍ
は光の波長）の倍数である光学的な遅れに対応する場合
に光を回復する。
表面頂角θが90゜（Ｐについて）と75゜（Ｏについ
て）の間であるとき、平均角θｍ（90＋75）/282゜
に対応する平均複屈折はΔn00.2としてΔｎ＝Δn0sin
2θｍ0.19である。
ｄΔｎ＝λ/2で定義される最適厚さdoは次式で与えら
れる： do＝（0.25/0.19）＝1.3μｍ 実際には本発明者による実験ではｄはコメレック（co
melec）社のパリレンＣのくさびにより１μｍに固定さ
れる。これら二つのITO電極はサンプルホルダにより保
持されてこれらくさび上において正しく圧縮される。
II−動作の説明 ａ）このようにしてつくられたピクセルが、Icで示すよ
うに配置された偏光器を有するライツの偏光顕微鏡によ
り観察される。透過光も光電子増倍管で観察され蓄積オ
シロスコープに記録される。
これら二つの電極は幅τ（１μｓ＜τ＜1ms）で一定
振幅Ｖ（−200＜Ｖ＜＋200ボルト）の矩形パルス発生器
に接続する。接地点が電極18に接続される。電気的励起
のないとき、一つの状態O19P18またはP19O18（または両
方）がランダムに生じる。幅τ＝100μｓの正のパルス
が加えられる。しきい値Ｖ＝＋14ボルトより低いと、単
一の明状態O19P18がこのパルス後に生じる。もう一つの
正パルスはこの状態を変化させない。負パルスＶ＝−14
ボルトが次に加えられる。これにより状態O19P18は黒い
状態P19O18に切換わる。次の負パルスはこの新しい状態
を変化させない。パルスがない場合、このピクセルの二
つの明または暗擬似均質組織は数時間にわたり安定であ
る。
ｂ）スイッチングの力学 図７はこのセルを透過した光の典型的な記録を示す。
この記録の原点t0において、このセルは光を透過する状
態O19P18にある。幅τの−18ボルトのパルスがt1で加え
られる。光はこのパルスのスタートで立下りはじめそれ
がｔ＝1msだけ続き、最終的に黒状態O18P19となる。ｔ
は電界のないときのバルク曲率の配向の周知の特性時間
である。ｔはＫをネマチックの曲率定数（Ｋ10-6cg
s）としηを粘性（η0.1cgs）とするとt-1＝K/d2ηで
定義される。ｔは厚さｄの２乗で変化する。
本発明者は交番するしきい値Ｖ（τ）を測定した。図
８の曲率が得られる。無限のτ（τ1ms）についてＶ
は±7.5ボルトに向い飽和する。それより短いτについ
てはＶを増加させなくてはならない。例えばτ＝64μｓ
（走査線625本のビデオ画像についての１ラインのアク
セス時間）につきＶ＝15ボルトであることがわかった。
1000ラインのフィルム速度についてτ＝40μｓおよびＶ
＝16ボルトである。τ＝１μｓがＶ＝100ボルトについ
て得られる。これらしきい値は二つの状態間での２回の
スイッチング、明−暗と暗明、について同じである。
ｃ）モデル化 本発明者は１と４μｍの間の厚さｄについてのしきい
値Ｖ（τ）/dを測定した。
得られた曲線を図９に示す。
ｒが大きいと（＞100μｓ），（しきい値V/dは一定で
あり、電界の効果がみられることを示す。短い時間（τ
＜20μｓ）についてはそれ自体厚さに比例するスイッチ
ング電界の増加がみられる。
このスイッチング機構は次の通りである：大きいτに
ついての電界の効果は表面配向の破壊に対応する。電界
Ｅは液晶の正電界［sic］異方性により、電極に直角
（ホメオトロピック配向）ネマチックを整列させる。対
称性により、この状態は表面エネルギーの数値である。
外挿長さＬ（0.1μｍ＜Ｌ＜１μｍ）によりこれら二つ
の状態間に表面エネルギー障壁を限定すると、この臨界
電界はその表面に加えられる誘電カップルが表面配向の
もどりカップルを補償するとき得られる。
これは次の関係を与える： 但しξは次式で定義される電気コヒーレンス長である。
すなわち 最終的にξ＝Ｌとなる。Ｖ＝7.5ボルトではＬ＝（10
-3/E）＝５ 18-8cm500Åであり、これは非常に強い
固定に対応する。
このパルスの終りでホメオトロピック組織は再び二つ
の組織O19P18とO18P19の内の一方をランダムに与える。
縮退はこれら組織と表面において阻止されるイオンの減
極電界との間の屈曲電気カップリングにより生じる。
例えば説明の便宜上O19P18からO18P19へのスイッチン
グを生じさせる負パルスについて考えてみる。このパル
スの直後に印加電圧Ｖを決める電荷が電極から除かれる
とすると、上側電極19の近辺に正イオンがそして下側の
電極18の近くに負のイオンが残り、これらが19から18へ
の減極過度電界Edを加える。この電界はP19O18状態の形
成を促進し、そしてこれが同じく19から18への屈曲電気
分極Pzを有し、従って好適なエネルギーは−PzEdであ
る。P18O19状態はエネルギー＋PzEdを有し、これは好ま
しくない。
それら電荷の緩和時間後に電界Edは消滅し、そしてこ
のシステム自体では強い表面固定障壁を越えることが出
来ないためP18P19状態と同じエネルギーを有するにも拘
らずP19O18状態が安定となる。
短時間では他の制限が生じるから厚さより高い速度で
Ｖを増加させる必要がある。すなわち、それらイオンが
一方の電極から他方へパルスτ中に移動する時間を有す
るからである。
イオンの移動をμ（μ103μm2/Vs）とするとそれら
イオンの速度ｖはｖ＝μＥである。時間τ′＝d/v＝d2/
nV130μｓがＶ＝7.5ボルトでｄ＝１μｍをカバーする
に必要である。制限因子をこの移動条件のみとすると、
V/d＝Ｅd/μτ′であり、これは実験により、ｄに比
例する必要がある。
スイッチングを行うべき二つの組織O19P18が全く同一
のエネルギーをもつとすると、そのスイッチングのため
には最小限の減極電界で充分である。実際にはこれら二
つの組織は正確に対称ではなく、エネルギー差ΔＷを有
する。必要最小限の減極電界Edはこの場合、｜ΔW|より
大きい屈曲電気カップリングエネルギー∫−EdPd3rを与
えるものである。実際にはΔＷは未知である。Edはイオ
ンでネマチックをドーピングすることにより調整され
る。5CBについては断面Ｓ＝1cm2でｄ＝１μｍのサンプ
ルの抵抗Ｒは製品の初期的純度により１〜10MΩであ
る。表面電荷と減極電界を増加するために、10-3〜10-5
の最終的な相対モルイオン濃度を得るように5CBをTBATP
B（テトラブチルアンモニウムテトラフェニルボレー
ト）でドーピングした。サンプルの抵抗Ｒの範囲が25K
Ω−1MΩ内で双安定効果が得られる。実際には最小抵抗
のサンプルの初期導電度は使用する表面状態について効
果を与えるもので充分である。
ピクセルにこのようにして形成される双安定表示装置
は多重マトリクススクリーンに利用出来る。このときの
表面時間はラインのアクセス時間を限定し、そして画像
のそれのバルク時間を限定する。時間的な制約のない場
合には、勿論この双安定性は無限の多重化を可能にする
ものである。時間的制約のある場合には最大数1/τｖす
なわち1000画像／秒を伝送することが出来る。これら画
像のライン数は使用される電圧できまり、例えばビデオ
フィルムの速度では1000ラインにつき16ボルト（そして
625ラインにつき15ボルト）である。このシステムはそ
れ故高画質ビデオ表示装置に好適である。
制御信号の実施例 1.前述の実施例の残りの部分 表示装置の制御方法は前述した通りであり、装置に振
幅Ｖ（１ボルト＜Ｖ＜100ボルト）で幅τ（１μｓ＜
τ）の方形電気パルスを加えることからなる。このパル
スは分子全体を電極に直角に配向（ホメオトロピック配
向）しそしてまた電極上の表面配向を破壊する。
このパルスの終りにこのシステムは異る屈曲電気分極
に対応する、二つの安定状態の内の一方にもどることが
出来る。二つの安定状態は以降においてＡまたはＢと呼
ぶ。実際にはこのシステムはランダムにはもどらない。
最後に選ばれる組織は加えられるパルスの極性によりき
まる。
このシステムが状態Ａであるとき、例えば電圧|V|＞V
s（τ）の正パルスがそれ状態Ｂにする。
同一極性の同じ電圧を更に１回加えるとこのシステム
は状態Ｂのままである。
負のパルス−Ｖ（|V|＞Vs（τ））を加えると、この
システムは状態Ａになる。Vs（τ）はτによりきまるし
きい値電圧である。
この効果の極性は状態ＡとＢの屈曲電気分極と、この
パルスを切ったときのセル内の残留電界との間のカップ
リングにより説明される。
電荷が電極から除去されると、この残留電界がネマチ
ックのドーピングとは無関係に、セル内にあるイオンに
よりつくられる減極電界となる。
実際にはセルの端子電圧は急速に打消される。従っ
て、電極近辺のみ（イオン）ならず電極上においては電
荷は非平衡状態のままである。セル内の電界分布は更に
複雑であるが、電界のすべておよび残留電荷のすべての
符号は印加電気パルスＶの符号に関係する。
電極近辺の非平衡イオンによる残留電界とネマチック
の屈曲電気分極（一般的には減極電界頻度とネマチック
の電気四重極モーメント）全体としての屈極電気カップ
リングはコマンドパルスの符号を考慮して常に状態Ａと
Ｂの内の過渡時におけるエネルギーが最低のものへのこ
のシステムのもどりを促進する。
2.変形例の主題 本発明の変形例による改善は、表面配向が破壊された
後にこのシステムが二つの状態ＡとＢの内の一方へのも
どりを選択したときの平衡状態へのもどりの過渡相に関
する。
実際には所望の状態ＡまたはＢへのスイッチングを行
うについてのセル内のイオンの濃度依存性は困難性を有
することは明らかである。
セル内のイオンには無関係にこのもどりをよりよく制
御するために、本発明者は前述のように装置に１）一般
に液晶のホメオトロピックな均質配向を発生することの
出来る少くとも１個のコマンドパルスそして次に２）所
望の最終状態により選ばれる極性をもち、コマンドパル
スより振幅の小さい制御パルスを次々に加えることを提
案する。
そのような連続したコマンドおよび制御信号の一例は
図10に示してある。
この図10は電圧Ｖの方形コマンドパルスCaを示す（時
点１で印加される前述の|V|＞Vs（τ））。
このコマンドパルスCaは時点２で終る。この時間はτ
である。
本発明によれば、コマンドパルスCaには0.1ボルト|
v|＜Vs（τ）として振幅ivの、制御パルスと呼ぶ第２パ
ルスCoが続く。
一般に|V|は＋５ボルト程度である。
制御パルスCoは時点２と３の間、すなわち、10＜μｓ
＜τ′＜∞として幅τ′であり、一般にτ′は25μｓと
50μｓの間である。
この制御パルスCoはセル内の電界の極性を、このシス
テムが時点２で振幅ＶのコマンドパルスCaにより得られ
るホメオトロピックな均質配向から限定された極性の状
態ＡまたはＢに切換わるとき、時点２と３の間で制御し
うるようにする。
図10に示すように二つの連続したコマンドパルスCaと
制御パルスCoによる励起を用いることにより次の効果が
得られる。
前述のように、振幅Ｖの正のコマンドパルスCaの印加
により、制御パルスｖのないときＢにそれを移すように
このシステムが状態Ａであるとする。
振幅ｖ＞０、但しｖ＞vs（τ′）（vs（50μｓ）＝３
ボルト）、の制御パルスCoを加えると、ＡからＢへの遷
移は禁止される。このシステムはＡのままである。
逆に、負の制御パルスCo−ｖ（振幅には無関係）を加
えると、常にＡからＢへの遷移が促進される。
対称形でゼロ制御パルスCo v＝０についてはＶからＡ
への切換えにはコマンド電圧Ｖ＜０を加える必要があ
る。正の制御電圧Co v＜０は常に振幅には無関係にＢか
らＡへの変化を促進する。これとは対称的に負の制御電
圧Co−ｖ＜０（前述のように|v|vs（τ′））はＢから
Ａへの変化を防止する。
最後に平衡状態にもどった後に得られる状態は制御パ
ルスCoの振幅ｖがしきい値|vs|〜３ボルトに選ばれれば
制御パルスCoの極性にのみ依存し、コマンドパルスCaの
極性には依存しない。
それ故本発明により与えられるこの手段は機能の分離
を可能にする。すなわち、振幅ＶのコマンドパルスCaが
表面配向を破壊し、振幅ｖ（|v|＞vs（τ′））の制御
パルスCoがその符号により最終状態ＡまたはＢの極性を
制御する。制御パルスCoのしきい値vs（τ′）はイオン
により制御される極性のこのパルスｖによる補償に対応
する。このしきい値vsは導電度が低い液晶を用いるとき
小さくなる。ｖ＞vs（τ′）は、制御パルスがイオンの
減極電界より大きな効果を有することを意味する。得ら
れたスイッチング表を図12aに示してあり、使用可能な
状態（|v|＞vs（τ′））は白点で示してあり、|V|＞Vs
（τ）としている。
図12の表において、制御パルスCoの振幅を太文字の状
態に対応するしきい値より大きい値（すなわち|V|＞vs
（τ′））に選べば最終状態は制御パルスCoの符号にの
み依存することを示す。
図12の表の“右に面した”状態は図１−９について前
述した動作に対応する。
双安定ネマチック表示装置の多重化への応用 上述の手は多重化により表示装置の簡単な制御を可能
にする。
図13に示すように第１プレート上のＮ本のライン電極
18−１〜18−Ｎと第２プレート上のＭ本のコラム電極19
−１〜19−Ｎからなるマトリクス表示装置を考えてみ
る。
ライン電極とコラム電極の交点で限定される各ピクセ
ルはその座標i,jで示してある。
本発明のよる多重化方法は次の通りである。
各ライン18−１〜18−Ｎ、例えばラインｉは任意の極
性の振幅Ｖ（|V|＞Vs（τ））のコマンド電圧Caにより
それを励起することで次々と開かれる。コマンドパルス
Caは図13によればラインｉに加えられ、他のラインには
信号は入らない（Ｖ＝０）。コマンドパルスＶによる励
起の終りでラインｉ全体が消去され、液晶の分子はホメ
オトロピック配向となる。
次に振幅±|v|（ｖ＞vs（γ′））の制御パルスCoが
ラインｉの種々のピクセルi,j（１ｊＭ）の所望の
状態に従ってコラムＭのすべてに同時に並列に加えられ
る。振幅±ｖの制御パルスCoは振幅Ｖのコマンドパルス
Caの終りの時点で加えられる。このラインのピクセルi,
j（１ｊＭ）は次に小さい制御パルスｖの符号によ
り状態ＡまたはＢとされる。開かれていない（Ｖ＝０）
の他のラインは制御パルスCoには感応せず、それらの状
態ＡまたはＢを維持する。有利なことに、制御パルスCo
の印加はコマンドパルスCaの終了前にスタートしうる。
要件は、制御パルスＣがコマンドパルスCaの終りから10
−50μｓの間接続することである。
ラインｉの後に、ラインｉ＋1,i＋２等が次々に開か
れる。そしてこれらラインは新しい画像をつくるべく消
去されそして重ね書される。それ故各ラインは時間τの
間に振幅ＶのコマンドパルスCaにより次々に消去されそ
してτを越える時間τ′中振幅Ｖの制御パルスCoで再び
書込まれる。それ故１ラインの消去と再書込みに要する
時間は下記の方法によればτ＋τ′でありこれはコマン
ドパルスCaと制御パルスCoを変えることで調整しうる。
一つの画像の消去と再書込みに要する時間はＮ（τ＋
τ′）である。
しかしながら、ラインｉ＋１は制御パルスCoでの前の
ラインｉの書込時間τ′中にコマンドパルスCaで開くこ
とが出来る。一つの画像の書込に要する時間はこのとき
Ｎ（τ＋τ′）ではなくＮ×τとなる。
電気化学的効果を避けるために、画像毎にコマンドパ
ルスＶの符号を変え、あるいは連続した振幅Ｖのコマン
ドパルスCaを高周波振幅ＶのコマンドパルスCaで置き代
えてもよい。そのような高周波コマンドパルスは図11に
逆極性の連続するパルスCa1,Ca2で示してある。高周波
励起の場合には制御パルスCoのしきい値vsは、イオンの
極性をもつメモリがないため０である。制御パルスCoの
振幅ｖは低下しうる。状態ＡとＢの絶対極性はネマチッ
クの屈曲電気定数の符号および各電極上の配向傾斜角に
よりきまる。表示装置の動作においてはこれは重要でな
い。なぜならば一方または他方の状態を促進するには制
御パルスCoの符号を変えるだけでよいからである。
要するに、屈曲電気的に制御される表面双安定性を有
する双安定ネマチック表示システムは本発明の手段によ
り非常に簡単に多重化しうる。
このために各ライン電極は連続するコマンドパルスCa
により順次励起されるのであり、このパルスCaは任意の
符号であってその振幅Ｖは１と100ボルトの間、好適に
は10と20ボルトの間であってその幅は１μｓより大き
く、好適には20と50μｓである。あるいは高周波パルス
でもよく、表面配向を破壊しそのラインを消去出来れば
よい。
コマンドパルスCaの直後に、振幅ｖが0.1と10ボルト
の間で好適には５ボルト程度であり幅が10μｓより大き
く好適には25と50μｓの間である制御パルスCoがすべて
のコラムに並列に加えられる。制御パルスCoの振幅ｖが
所望のしきい値より大（すなわち３ボルト程度の|v|＞v
s（τ′））であれば、ピクセルの最終状態は制御パル
スCoの極性にのみ依存する。
制御パルスCoの振幅しきい値vsは高周波コマンド励起
については０である。実際には0.1ボルト程度の振幅の
制御パルスCoがこのとき用いられる。
ラインの順次励起は一つの全画像の走査のために続け
られる。
本発明によるこの多重化方法はスメクチックＣ″屈曲
電気スメチックスについて提案された多重化方法よりも
著しく簡単である。後者については実際上消去パルスに
加えてダブル書込パルスが一般に用いられ、それらパル
スのすべて（例えば４）は高電圧パルスである。本発明
の方法は１個の“高”コマンド電圧Ｖと、１個の低制御
電圧±ｖのみを使用する。
本発明の装置は使用しうるコレステリックドーパント
が電気化学的に安定であれば電気化学的安定性について
の問題がない。
勿論本発明はこれまで述べた特定の実施例に限られる
ものではなく、本発明の精神によるすべての変更を含む
ものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジオコンド，ミシェル イタリー国アルカバカータ、ディ、レン デ、モレコラーレ、ユニベルシタ、デ ラ、カラブリア、ディパルティメント、 フィジカ、グリュッポ、ディ、フィジカ （番地なし) (72)発明者 マルティノ ラガルド，フィリップ ル ネ フランス国マルクーシ、アブニュ、マス ナ、ドローシュ、29テール (56)参考文献 特開 昭63−309931（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02F 1/1337 G02F 1/137

Claims (33)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】制御電極（18,19）を有する２枚の透明プ
    レート（12,14）と、この透明プレート間に設けられた
    液晶材料（20）と、前記透明プレートに垂直で方向が選
    択可能な電界を発生することが可能な電源手段（30）
    と、を備えた液晶光学装置において、 電界が存在しないときに選択可能な二つの安定状態に対
    応する双安定効果を発生するために、 前記透明プレート（12,14）は、逆方向の電極PZ1,PZ2に
    直角な成分を有する二つの屈曲電気分極を発生する液晶
    材料分子の、電界が存在しないときに二つの安定状態を
    決定することの可能な表面処理を受けており、 前記液晶材料はネマチック液晶であり、 前記電源手段（30）は前記液晶材料の前記二つの安定状
    態を切換えることのできるパルスを発生するように構成
    された ことを特徴とする液晶光学装置。
  2. 【請求項２】前記ネマチック液晶（20）は正の誘電異方
    性を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】前記ネマチック液晶（20）は10程度の正の
    誘電異方性を有することを特徴とする請求項１または２
    記載の装置。
  4. 【請求項４】前記液晶材料の分子の二つの安定状態は方
    位において互いにオフセットした、与えられた一定の方
    位をもつ液晶組織に対応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。
  5. 【請求項５】前記液晶材料の分子の二つの安定状態は互
    いに45゜オフセットした一つの与えられた状態について
    一定方位の組織に対応することを特徴とする請求項４記
    載の装置。
  6. 【請求項６】前記液晶材料の分子の二つの安定した状態
    は異る頂角配向を有することを特徴とする請求項１乃至
    ５のいずれかに記載の装置。
  7. 【請求項７】前記液晶材料の分子の二つの安定状態の一
    方は第１プレート（12）上で平面であって第２プレート
    （14）上で斜めの配向に対応し、他方の状態は上記第１
    プレート（12）上で斜めであって上記第２プレート（1
    4）上で平面である配向に対応することを特徴とする請
    求項１乃至６のいずれかに記載の装置。
  8. 【請求項８】前記透明プレート（12,14）を含む前記液
    晶セルは偏光器とそれと交差するアナライザの間に配置
    されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記
    載の装置。
  9. 【請求項９】前記液晶材料（20）は非キラルイオンでド
    ーピングされることを特徴とする請求項１乃至８のいず
    れかに記載の装置。
  10. 【請求項１０】相対モルイオン濃度は10-3〜10-5程度で
    あることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載
    の装置。
  11. 【請求項１１】前記二つの安定状態は前記プレート（1
    2,14）の内側表面になされた互いに傾斜した異る研磨、
    例えば上記プレート（12,14）に蒸着したポリマーの45
    ゜の角度をもった２回の研磨により得られることを特徴
    とする請求項１乃至９のいずれかに記載の装置。
  12. 【請求項１２】前記二つの安定状態は前記プレート（1
    2,14）の内側表面の粗面部の厚さと波長を制御すること
    により得られることを特徴とする請求項１乃至10のいず
    れかに記載の装置。
  13. 【請求項１３】前記二つの状態は前記プレート（12,1
    4）上の制御された蒸着により得られることを特徴とす
    る請求項12記載の装置。
  14. 【請求項１４】前記二つの状態は前記平均厚さを30Å程
    度として74゜程度の角度でのSiOの蒸着により制御され
    ることを特徴とする請求項12または13記載の装置。
  15. 【請求項１５】前記プレート（12,14）上の蒸着方向は
    方位角45゜程度の相対傾斜をもつ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。
  16. 【請求項１６】前記液晶材料はコレステリックでドーピ
    ングされることを特徴とする請求項１乃至15のいずれか
    に記載の装置。
  17. 【請求項１７】前記コレステリックは前記夫々の二つの
    プレート上の二つの蒸着方向間のオフセットに対し逆の
    方向であって上記二つの蒸着方向間の方位角オフセツト
    の半分程度の振幅の自動的なネマチック液晶材料の回転
    を限定することを特徴とする請求項15および16に記載の
    装置。
  18. 【請求項１８】前記セルの厚さは1.3μｍ程度であるこ
    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。
  19. 【請求項１９】前記電源手段（30）は幅１μｓと1000μ
    ｓの間のコマンドパルスを与えるように設計されること
    を特徴とする請求項１乃至18のいずれかに記載の装置。
  20. 【請求項２０】前記電源手段（30）は１ボルトと100ボ
    ルトの間の振幅のコマンドパルスを与えるように設計さ
    れることを特徴とする請求項１乃至19のいずれかに記載
    の装置。
  21. 【請求項２１】前記電源手段は次々に − 前記液晶の一般的にホメオトロピックな均質配向を
    つくることの出来る少くとも１個のコマンドパルス（C
    a）、 − 上記コマンドパルスより振幅が小さく、所望の最終
    状態にもとづき選ばれた極性を有する制御パルス（Co）
    を与えるように設計されることを特徴とする請求項１乃
    至18のいずれかに記載の装置。
  22. 【請求項２２】前記制御電極はＮ本のライン（18−１〜
    18−Ｎ）とＭ本のコラム（19−１〜19−Ｍ）に配置され
    て夫々の交点のNM個のピクセルのマトリクスをつくるよ
    うになっており、前記コマンドパルス（Ca）が上記Ｎ個
    のライン電極に次々加えられ、各コマンドパルスの終り
    で夫々選ばれた極性の制御パルス（Co）が上記Ｍ個のコ
    ラム電極のすべてに同時に加えられることを特徴とする
    請求項21に記載の装置。
  23. 【請求項２３】前記コマンドパルス（Ca）は１個の方形
    パルスであることを特徴とする請求項21または22記載の
    装置。
  24. 【請求項２４】前記コマンドパルス（Ca）は逆極性の連
    続する方形パルス（Ca1,Ca2）を含むことを特徴とする
    請求項21または22に記載の装置。
  25. 【請求項２５】前記コマンドパルス（Ca）は高周波パル
    ス列を含むことを特徴とする請求項21または22記載の装
    置。
  26. 【請求項２６】前記コマンドパルス（Ca）の振幅は１ボ
    ルトと100ボルトの間で、一般には10ボルトと20ボルト
    の間であることを特徴とする請求項21乃至25いずれかに
    記載の装置。
  27. 【請求項２７】前記コマンドパルス（Ca）の幅は１μｓ
    より大であり、一般に20μｓと50μｓの間であることを
    特徴とする請求項21乃至26のいずれかに記載の装置。
  28. 【請求項２８】前記制御パルス（Co）の振幅は0.1ボル
    トと10ボルトの間で、一般には0.1ボルトと５ボルトの
    間であることを特徴とする請求項１乃至27のいずれかに
    記載の装置。
  29. 【請求項２９】前記制御パルス（Co）の幅は10μｓより
    大であり、一般には25μｓと50μｓの間であることを特
    徴とする請求項21乃至28のいずれかに記載の装置。
  30. 【請求項３０】前記制御パルス（Co）のスタートは前記
    コマンドパルス（Ca）のエンドと一致することを特徴と
    する請求項21乃至29のいずれかに記載の装置。
  31. 【請求項３１】前記制御パルス（Co）のスタートは前記
    コマンドパルス（Ca）のエンドの前であることを特徴と
    する請求項21乃至29のいずれかに記載の装置。
  32. 【請求項３２】前記コマンド［sic］パルス（Co）は前
    記コマンドパルス（Ca）のエンド後少くとも10μｓから
    50μｓだけ持続することを特徴とする請求項30または31
    の装置。
  33. 【請求項３３】前記ライン電極ｉ＋１上の前記コマンド
    パルス（Ca）のスタートはライン電極ｉ上のコマンドパ
    ルス（Ca）のエンドとほゞ一致することを特徴とする請
    求項21乃至32のいずれかに記載の装置と請求項22の装置
    との組合せによる光学装置。
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