JP3596897B2 - 双安定ネマティック液晶デバイス - Google Patents

Description

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。
従来の技術及び発明の概要
液晶デバイスは一般にセル壁の間に含まれる液晶物質の薄層を備える。これらのセル壁上の光学的に透明な電極構造によって、電場がその薄層にわたって付与され、液晶分子の再秩序付けを生じさせる。
ネマティック、コレスティック、スメクティックといった既知の３つの方式の液晶が存在し、これらは各々異なる分子秩序を有する。本発明は、ネマティック物質を用いたデバイスに関する。
多数のアドレス可能素子を有するディスプレイを形成するため、複数の電極を一方のセル壁上では一連のロー電極として、もう一方のセル壁上では一連のカラム電極として形成することが普通である。これらは、例えば、アドレス可能素子、即ち、ピクセルの、ｘ、ｙマトリクスを形成し、また、ツイストネマティック形デバイスは、一般に、rms.アドレッシング法を用いてアドレスされる。
ツイストネマティック相転移型液晶デバイスは、適当な電圧の印加によってON状態へ切り換えられ、印加電圧がより低い電圧レベル以下に降下したときにOFF状態に切り換えることができる、つまり、これらのデバイスは単安定である。ツイストネマティック型のデバイス（米国特許第4.596,446号にあるような90゜若しくは270゜ディグリーツイスト）に関しては、AltやPleschkoによってIEEE Trans ED vol ED21 1974 146−155頁に詳述されているように、rms.アドレスされ得る素子の数は、デバイス透過vs dennatuカーブの急勾配によって制限される。ピクセル数を改善する１つの方法は、各セルの隣接に薄膜トランジスタを組み込むことであり、このようなディスプレイは、アクティブマトリクスディスプレイと呼ばれる。ネマティック方式のデバイスの利点は、比較的低い電圧しか必要としないことである。この方式のデバイスは、また、機械的にも安定であり、幅広い温度動作範囲を有している。これは、小さな携帯型のバッテリ駆動ディスプレイを可能にする。
大きなディスプレイをアドレスする他の方法は、双安定液晶デバイスを使用することである。強誘電性液晶ディスプレイは、スメクティック液晶物質と適切なセル壁表面配向処理を使用して双安定デバイスに形成され得る。このデバイスは、L J Yu,H Lee,C S Bak及びMM LabesによってPhys Rev Lett 36,7,388（1976）に、R B MeyerによってMol Cryst Liq Cryst.40,33（1977）に、N A ClarkとST LagerwallによってAppl Lett,36,11,899（1980）に記述されているように、表面安定強誘電性液晶デバイス（SSFELCD）である。強誘電性デバイスの１つの欠点は、物質をスイッチングするのに必要とされる電圧が比較的大きいことである。この高電圧は、小さな携帯型のバッテリ駆動ディスプレイを高価なものとする。また、これらのディスプレイは、衝撃に対する抵抗に欠けること、温度範囲が制限されること、また、ニードルのような電気的誘導欠陥のような他の問題も被る。
双安定表面アンカリングがネマティックを用いて達成され得る場合には、上述した技術の長所を有するが問題は有しないディスプレイを形成することができる。
Durand等により、即ち、A Charbi,R Barberi,G Durand及びP Martinot−Largardeによる特許出願No.WO 91/11747号（1991）の“Bistable electrochirally controlled liquid crystal optical device"や、G Durand,R Barberi,M Giocondo,P Martinot−Largardeによる特許出願No.WO 92/00546号（1991）の“Nematic liquid crystal display with surface bistability controlled by a flexoelectric effect"により、ネマティックは、キラルイオン若しくはフレキソ電気カップリング（flexoelectric coupling）の使用を通じて２つの配向状態間で切り換えることがDurandによって既に示されている。これらを以下に要約する：
米国出願No WO 91/11747号にはデバイスは以下の特性で記述されている。
1. セルは、適当な厚みと蒸着角のSiOコーティングを有した２つの表面を用いて形成され、これによって各表面上に２つの安定状態が存在することを可能にする。更に、ある表面上のこれら２つの状態は方位角にて45゜だけ異なるように設計されており、これらの表面は方位角にて45゜だけ異なるように配置されており、この結果生じる２つのドメインの各々がツイストされないようにこれらの表面は配置される。
2. セル（６μｍの厚み）には、0.5％の臭化ベンジルクイニウム（benzyl quininium bromide）と1.8％のフェニル乳酸でドープされた5CBが注入される。前者は左手ツイストを有する電気的に正のキラルイオンであり、後者は右手ツイストを有する負のキラルイオンである。この濃度は、薄いセルにおける状態が一様であるように最終混合物が非常に長いピッチを有することを確実にする。
3. 110V直流パルスを40μ秒間印加することにより、２つの状態間でのスイッチングが可能にされる。より低いスレショルドはより長いパルスについて観測される、例えば、80Vスレショルドは300μ秒パルスについて観測される。
4. 適当に配置された偏光子の付加によって一方の状態は黒を表すようにされ、一方、他方の状態は白を表すようにされ、それらは約20のコントラスト比を有する。
5. 異なる方位アンカリングエネルギーを有する複数の単安定表面間に短ピッチキラルイオン混合物を引き起こすような異なるデバイスも述べられている。180゜ツイステッド状態と一様状態との間のスイッチングが４μｍセルにおいて50Vを越えるパルスに対して観測されている。
米国出願No WO 92/00546号には、デバイスは以下の特性で記述されている。
セルは、適当な厚みと蒸着角のSiOコーティングを有した２つの表面を用いて形成され、これによって各表面上に２つの安定状態が存在することを可能にする。更に、ある表面上のこれら２つの状態は方位角にて45゜だけ異なるように設計されており、この結果生じる２つのドメインの各々がツイストされないようにこれらの表面は配置される。
これらの表面も、一方の表面上のプレティルテッド状態がもう一方の表面上のアンティルテッド状態と一列に並ぶ方法で、またその逆の方法で、配置される。故に、5CBが注入されたとき、これら２つの状態は図7B、7Cに示されるように見える。
14V直流パルスを１μｍセルにわたって100μ秒間付与することにより、これらの状態間でスイッチングすることができる。最終状態は、フレキソ電気偏光に対するそのカップリングに起因して、パルスの符号に依存する。同じ電圧スレショルドが双方向のスイッチングに対して観測される。
双安定配向を得るためにDurandによって使用された表面は、正確な斜方角で蒸着されたSiOの薄層である。しかしながら、この方法は、蒸着角、層厚み、若しくは、実際にはいずれかの蒸着パラメータ、におけるなんらかのずれが単安定配向しか有しない表面を生成しがちである、という欠点を被る。この欠点は、斜め蒸着技術を不適当なもの、即ち、大きな領域表示については非常に困難なものにする。
米国特許第4,333,708号は、セル壁が特異点のアレイを与えるようにプロファイルされているマルチ安定液晶デバイスを記述する。このような基板形状は、ディレクタ配向のマルチ安定形状を与える。なぜなら、ディスクリネーションは、安定形状間でスイッチングするよう移動されなければならないからである。スイッチングは電場の印加によって達成される。
他の双安定ネマティックデバイスが英国特許出願第2,286,467−Ａ号に記述されている。これは、少なくとも１つのセル壁上に正確に形成された双グレーティングを使用する。この双グレーティングにより、液晶分子は、適当な電気信号がセル電極に印加されたとき、例えば、米国出願No.WO.92/00546号に記述されているように直流カップリングがフレキソ電気偏光へ与えられたときに、２つの異なる角配向方向を採用することができる。これら２つのスプレイド状態では、ディレクタは、その層の面に非常に接近して存在していることから、ディレクタとフレキソ電気素子の間のカップリングを小さくすることができ、これはある状況ではスイッチングを妨害する。
本発明によれば、上の欠点は、少なくとも１つのセル壁に対して表面処理を行ってネマティック液晶分子が同じ方位面における２つのプレティルト角のいずれかを採用することができるようにすることによって克服される。セルはこれら２つの状態間で電気的にスイッチングすることができ、パワーの除去後に持続し得る情報表示を可能にする。
同じ方位面という用語は、セルの壁をｘ、ｙ面に位置づける、つまり、セルに対する法線はｚ軸であることを意味するものとして、次のように説明される。即ち、同じ方位面における２つのプレティルト角とは、同じｘ、ｙ面における２つの異なる分子位置を意味する。
本発明による双安定ネマティック液晶デバイスは、
液晶物質の層を囲む２つのセル壁と、
それら双方のセル壁上の電極構造と、
それら双方のセル壁の互いに面する表面上に存在して液晶分子に配向を与える表面配向と、
液晶物質の複数のスイッチング状態間を区別する手段と、
液晶分子が同じ方位面の２つの異なるプレティルト角を採用することを許容するような、少なくとも１つのセル壁上の表面配向グレーティングと、を備えており、
この構成は、適当な電気信号が電極に付与された後に２つの安定液晶分子形状が存在し得る、ことを特徴とする。
グレーティングは対称（symmetic）若しくは非対称（asymmetric）グルーブプロファイルを有し得る。
グレーティングは、90゜より小さい、例えば、50゜〜90゜の、プレティルトを誘導する非対称グローブプロファイルを有し得る。非対称プロファイルは、次のようにｈの値が存在しない表面として定義され得る。
Ψ_ｘ（ｈ−ｘ）＝Ψ_ｘ（ｈ＋ｘ） ……（１）
ここではｘの全ての値に対してΨは表面を記述する関数である。
これらのグレーティングは双方のセル壁に付与され得るものであり、また、これらのグレーティングは各壁上で同一であっても、また、異なる形態であってもよい。更に、これらのグレーティングプロファイルは、各ピクセル領域内で、及び、若しくは電極間の内部ピクセルギャップで、変更し得る。一方若しくは双方のセル壁が、レシチンのような表面活性剤でコーティングされ得る。
液晶物質は一方、若しくは、双方の安定分子形状でノンツイストされ得る。
セル壁は、ガラスのような比較的厚い可撓性のない物質で形成され得るし、また、一方若しくは双方のセル壁は、例えば、ポリオレフィンやポリプロピレンのようなガラス若しくはプラスチックの可撓性物質の薄層のような可撓性物質で形成され得る。プラスチックセル壁は、グレーティングを付与するためにその内部表面上でエンボスされ得る。更に、このエンボス作業は、セル壁を正確に離間する助けとするための、また、セルが曲げられたときの液晶物質に対する障害物のための、複数の小さな柱（例えば、１〜３μｍの高さ、５〜50μｍ若しくはそれ以上の幅）を設けることができる。また、これらの柱は配向層の物質によって形成され得る。
例えば、M C Hutleyによる“Diffraction Gratings",（Academic Press,London 1982）,p95〜125や、F HornによるPhysics World,33（1993年３月）にあるように、グレーティングは、ホトリソグラフィック処理によって形成されるホトポリマーのプロファイル層であってもよい。また、グレーティングは、M T Gale,J Kane,K Knopによる“J App.Photo Eng,4,2,41（1978）にあるように、エンボス作業によって、また、E G LoewenとR S WileyによるProc Spie,88（1987）によるルリング（ruling）によって、もしくは、キャリア層からの転送によって形成され得る。
電極は、一連のロー及びカラム電極配列、及び、アドレス可能素子、即ち、表示ピクセルのｘ、ｙマトリックスとして形成され得る。一般に、これらの電極は200μｍの幅があり、20μｍだけ離間されている。
また、これらの電極は、例えば、ｒ−θマトリクス、即ち、７若しくは８バー表示のような他の表示フォーマットで配列され得る。
【図面の簡単な説明】
図１は、マトリクスマルチプレクス型アドレス液晶ディスプレイの平面図であり、
図２は、図１のディスプレイの断面であり、
図３は、グレーティング表面を生成するために使用されるマスク及び露光ジオメトリーを示す。
図４は、より高いプレティルトに導くグレーティング表面上の液晶ディレクタ形状の断面である。
図５は、より低いプレティルトに導くグレーティング表面上の液晶ディレクタ形状の断面である。
図６は、ピッチ比に対するグルーブ深さ（h/w）の関数としての２つのプレティルト形状のエネルギーである。
図７は、２つの状態間の双安定スイッチングを可能とするセル形状の断面を示す。
図８は、セルの透過と付加信号とを時間の関数として示す。
図９は、双安定デバイスのための一例としてのマルチプレクス技法を示す。
図10は、双安定スイッチングのための代替のセル形状を示す。
図11は、ノンツイストとツイスト状態との間の双安定スイッチングのためのセル形状を示す。
発明の実施の形態
本発明を以下の添付図面を参照して単なる例示として次に記述する。
図１、２のディスプレイは、ガラス壁３、４の間に含まれる、ネマティック、若しくは、長ピッチのコレスティック液晶物質によって形成された液晶セル１を備える。スペーサリング５は、それらの壁を一般には１〜６μｍだけ離して保持する。更に、同じ寸法の多数のビードが壁の正確な間隔付けを保持するために液晶内に分散され得る。例えば、SnO₂やITO（酸化インジウム・スズ）から成るストリップ状の複数のロー電極が一方の壁３上に形成され、同様の複数のカラム電極７がもう一方の壁４上に形成される。ｍロー・ｎカラム電極を用いた場合、これはｍ×ｎマトリクスのアドレス可能素子、若しくは、ピクセルを形成する。各ピクセルはロー・カラム電極の交差によって形成される。
ロー駆動装置８が各電極６に電圧を印加する。同様に、カラム駆動装置９が各カラム電極７に電圧を印加する。これらの印加電圧は、電圧源11からパワーを受け、且つ、クロック12から調時を受けるような制御ロジック10によって制御される。
セル１の各側は、偏光子13、13'であり、これらの偏光子13、13'は、それらの偏光軸が実質的に交差された状態で、且つ、もし存在するならば以下に記述されているように隣接する壁３、４上の配向方向Ｒに対して実質的に45゜の角度で配列される。更に、例えばストレッチ型ポリマーの光学補償層17が、液晶層２に隣接して、セル壁と偏光子の間に付加され得る。
部分的反射ミラー６は、セル１の後方に光源15とともに配列され得る。これらにより、ぼんやりした包囲照明における後方からの反射及び明かりでも、ディスプレイを見ることができる。透過デバイスに対しては、ミラー16は取り除かれてもよい。
組立前に少なくとも１つのセル壁３、４を配向グレーティングを用いて処理して双安定プレティルトを設ける。もう一方の表面は、プレーナ（つまり、配向方向に対して０若しくは２、３゜のプレティルト）、若しくは、ホメオトロピック単安定表面、若しくは、デジェネレートプレーナ表面（つまり、ノー配向方向に対して０゜若しくは２、３゜）で処理され得る。
最終的に、セルにはネマティック物質が注入されるが、このネマティック物質は、例えば、E7,ZL12293若しくはTX2A（Merck）であってもよい。
グレーティング表面を生成するために使用される一例としての方法を次に図３を参照して記述する。
例1:
セル壁３、４を形成するためのITOコーティングガラスの一片がアセトン、イソプロパノールを用いて清掃され、その後、3000rpmで30秒間、ホトレジスト（Shipley 1805）を用いてスピンコーティングされ、0.55μｍのコーティング厚を形成する。その後、ソフトベーク処理が90℃で30分間実行される。
コーティングされた壁３、４の上で、その後、コンタクト露光が図３に示されているような0.5μｍのライン21と0.5μｍのギャップ22を含んだ（故に、全体のピッチは１μｍである）クロムマスク20を用いて実行される。この露光は非法線入射で実行され、この場合60゜の角度が使用される。マスク20の方向は、図３に示されているように、グルーブ方向が実質的に入射面に直交するようにされている。このジオメトリーにおける露光により、非対称強度分布となり、それ故、非対称グレーティングプロファイル（例えば、B.J.Lin,J.Opt.Soc.Am.,62,976（1972）を参照のこと）となる。コーティングされたセル壁３、４は、後に詳述するように、0.8mW/cm²の強度を有する約40〜180秒の時間間隔の水銀ランプ（Osram Hg/100）からの光に対して露光される。
露光後に、コーティングされたセル壁３、４はマスク20から解放され、Shipley MF319で10秒間現像された後、脱イオン水でリンスされる。これにより、所望のグレーティングプロファイルを形成する非対称表面でパターンニングされたセル壁の表面が残る。ホトレジストはその後、深UV放射（254nm）に対して露光することにより硬化され、その後、160℃で45分間ベークされる。これは、液晶中のホトレジストの不溶性を確実にするために行われる。最後に、グレーティング表面は、ホメオトロピック界面状態を誘導するために、表面活性剤レシチンの溶液で処理される。
このようなグレーティング表面上でのネマティック物質の自由層の分子（より正確にはディレクタ）形状を予測するため、有限素子分析が実行された。これらの結果が図４、５、６に示されており、ここで、短線は、層の厚みにわたる液晶ディレクタを示しており、これらの短線の底部における包絡線がグレーティングプロファイルを示している。この場合、グレーティング表面は以下の関数によって記述される。

ここで、ｈはグルーブ深さであり、ｗはピッチであり、Ａは非対称ファクタである。図４、５では、Ａ＝0.5、h/w＝0.6である。図４では、有限素子グリッドは、80゜の初期ディレクタティルトから緩和することができるようにされている。この場合、この形状は89.5゜のプレティルトへ緩和する。しかしながら、初期ディレクタティルトが30゜へ設定されている場合には、このグリッドは、図５に示されるように23.0゜のプレティルトに緩和する。故に、ネマティック液晶は、開始状態に依存して２つの異なる状態を採用することができる。
実際のところ、ネマティック液晶物質は、これら２つの形状の中、最も低いオーバーオールディストーションエネルギーを有する形状へ緩和する。図６は、高プレティルト（黒円）及び低プレティルト（空円）状態の総エネルギー（任意の単位）VSピッチ比に対するグルーブ深さ（h/w）を示す。低いh/wに関して、高プレティルト状態は最も低いエネルギーを有し、従って、ネマティッゥは高プレティルト状態を採用する。逆に、大きなh/wに関して、低プレティルト状態が最も低いエネルギーを有し、従って、この状態が形成される。しかしながら、h/w＝0.52のとき、これらの状態は同じエネルギーを有し、従って、どちらの状態も他方へ緩和することなく存在し得る。故に、表面がこの状態で若しくはこの状態に接近して生成された場合、双安定がプレティルトで観測され得る。上の生成の詳細を参照することにより、双安定表面へ導くためには露光時間は80秒であることが分かった。この場合、双安定は純粋に表面の関数であり、いずれかの特定のセルジオメトリーに頼るものではない。この意味で、それは従来の米国特許4333708号（1982）とは別個のものである。
双安定状態間のスイッチングを可能にするための１つの適当なセル形状が図７に示されており、このセル形状は、正の誘電異方性を有するネマティック液晶物質の層２が双安定グレーティング表面25と単安定ホメオトロピック表面26の間に含まれているようなデバイスのフォルム化断面である。後者の表面26は、例えば、レシチンでコーティングされた平らなホトレジスト表面とすることができる。このデバイス内では、液晶分子は２つの安定状態で存在し得る。状態（ａ）では、双方の表面25、26がホメオトロピックであり、しかるに、（ｂ）では、グレーティング表面25は、スプレイド構造に導くような、その低プレティルト状態である。多くのネマティック物質について、スプレイ若しくはベンドは、図７にベクトルＰによって表示されているような、巨視的フレキソ電気偏光に導く。直流パルスはこの偏光にカップリングすることができ、その符号に依存して形状（ｂ）を好むか若しくは嫌うのである。
デバイスが状態（ａ）にあるとき、正パルスの付加は、正の誘電異方性にもかかわらずホメオトロピック構造にいまだに変動を生じさせる。これらの変動は、エネルギーバリア上でシステムを駆動して２つの配向状態を分離するのに十分である。パルスの終了時にシステムは状態（ｂ）になる。なぜなら、場の符号は好都合なことにフレキソ電気偏光と結合するからである。システムが状態（ｂ）にあるとき、負符号のパルスがもう一度システムを乱すが、その符号はフレキソ電気偏光の形成を好まないことから、それは状態（ａ）へ緩和する。そのホメオトロピック状態では、双安定表面は90゜よりわずかに小さい角度（例えば、89.5゜）でティルトされる。これは、セルが状態（ｂ）にスイッチングしたときに得られるスプレイの方向を制御するのに十分である。
ある特別なセルは、双安定グレーティング表面とホメオトロピックフラット表面の間にサンドイッチされたネマティックZL12293（Merck）から成る。このセルの厚みは３μｍである。透過は直流パルスの室温（20℃）における印加中にセルを通じて測定された。偏光子とセル１の各側の分析器13、13'は互いに交差され、グレーティンググルーブに対して±45゜で向けられる。このセットアップでは、図７の２つの状態、即ち（ａ）と（ｂ）は、以下のようにアドレスされたときに、黒及び白をそれぞれ示す。
図８は、印加電圧パルス（下に描かれたもの）と光学応答（上に描かれたもの）とを時間の関数として示す。各パルスは55.0ボルトのピーク高さと3.3m秒の継続時間を有する。正パルスの最初の印加により、透過は暗から明に変化し、このセルが状態図７（ａ）から状態（ｂ）にスイッチングしたことを示す。第２の正パルスは、状態（ａ）へのばら材料の瞬時スイッチングを生じさせるような正の誘電異方性に対するrms効果のカップリングによって、透過に過渡変化を生じさせる。しかしながら、この場合、セルは表面ではラッチせず、従って、状態（ｂ）のままである。次のパルスは負の符号であり、従って、セルは状態（ｂ）から状態（ａ）へスイッチングする。最終的に、第２の負のパルスはセルを状態（ａ）のままとする。この実験は、セルは各パルスにおいてそのパルスが正確な符号でない場合には状態を変更しないことを示している。従って、それは、システムは双安定であること、及び、最終の状態は印加されるパルスの符号によって確実に選択され得ることを証明するものである。
このスイッチングは幅広い温度範囲にわたって発生する。温度が増加した場合、スイッチングに必要とされる電圧は降下する。例えば30℃について、双安定スイッチングのためには44.8Vの電圧が必要とされるが、しかるに、50℃では、たった28.8Vの電圧しか必要とされない。同様に、ある一定電圧について、ラッチングのために必要とされるパルス長は温度に伴って減少する。
データの取得後に、セルが分解され、グレーティング表面の特性がAFM（原子間力顕微鏡）によって明らかにされた。非対称変調は、１μｍのピッチと、0.425μｍのグルーブ深さ（h/w＝0.425）と、Ａ＝0.5の非対称ファクタを与えた式（２）に適合することが確認された。図６の結果と比較すると、このグレーティングは、より低いh/wの値（0.52に比べて0.425）においてその双安定規則性（regime）を有する。しかしながら、実際の表面処理は、その描写においてより正確に調整することを更に必要とする、より急斜面のファセット角を有することから、式（２）はAFMデータに対して正確には適合しない。従って、測定された表面変調は双安定度に関して予測された規則性と同様であると推論するすることができる。
単一ピクセルのスイッチングに成功することにより、隣接する幾つかの複数のピクセルを選択するための適当なマルチプレキシング方法の設計が可能である。図９はそのような技法の特別な例を示す。図示されているように、ある１つのカラムの連続する４つのローR1、R2、R3、R4のピクセルがスイッチングされるべきものである。可能な２つの配向状態が、ON及びOFF状態として任意に定義され得る。ローR1とR4はON状態にスイッチされようとしており、ローR2とR3はOFF状態にスイッチされようとしている。３タイムスロット間の＋V_sと後続の３タイムスロット（ts）間の−V_sの複数のストローブパルスが各ローに順番に付与される。データ波形がカラムに付与されるのであるが、このデータ波形は図示されているようなものであり、ONピクセルに対しては1ts間の−V_dと後続の1ts間の＋V_dを、OFFピクセルに対しては1ts間の＋V_dと後続の1ts間の−V_dを備えている。
次に、Ａにおける１つの特別なピクセルを考察する。結果として生じた波形は大きな正及び負のパルスから成っており、これらのパルスは、ネマティック配向を乱し、２つの双安定表面状態を分離させるバリアにまでそのエネルギーを上昇させる。この電場印加状態では、液晶分子は、図7aに示されているような従来の単安定ネマティックデバイスと同様に電場に沿って配向する。反対極性のこれらの大きな「リセット」パルスの直後により小さな１つのパルスが続くのであるが、この小さなパルスは、配向の緩和中にピクセルの最終選択状態を指令するに十分なほど未だに大きなものである。電気的バランスは、スイッチングパルスとは反対極性の１つの小さなパルスとそれに先行する２つの大きなパルスとによって達成される。また、隣接するディスプレイアドレス時間における極性反転を利用してもよい。
上の双安定デバイスは、一方の状態にあるフレキソ電気偏光によって最終状態選択を達成する。故に、この形状は、スプレイを含まなければならない。この実験例では、一方の表面だけがスイッチングできるようにされているが、双方の表面がスイッチングするような作業デバイスを形成することもできる。残る制限は、有限スプレイが残るよう各表面における低いプレティルト状態はその値が異なるべきである、ということだけである。しかしながら、低プレティルト状態が等しい場合であっても、もしセルが２周波ネマティック物質、即ち、誘電異方性が低周波では正であり高周波では負である物質、を含んでいる場合には、そのセルは未だにスイッチングされ得る。そのような物質の例は、6kHzのクロスオーバー周波数を有したTX2A（Merck）である。セルが状態（ａ）にあるとき、高周波信号の付与によってネマティックのバルクは低プレティルトに駆動される。表面もこれに続き、この結果、セルは状態（ｂ）にスイッチングされる。逆に、低周波信号は、ネマティックを高プレティルトに駆動し、この結果、セルは状態（ａ）にスイッチングされる。
例２
双安定デバイスの第２の例を次に記述する。セル壁を形成するためのITOコーティングガラスの一片がアセトン、イソプロパノールを用いて清掃され、その後、3000rpmで30秒間、ホトレジスト（Shipley 1813）を用いてスピンコーティングされ、1.5μｍのコーティング厚を形成する。その後、ソフトベーク処理が90℃で30分間実行される。
その後、コンタクト露光が0.5μｍのライン21と0.5μｍのギャップを含んだ（故に、全体のピッチは１μｍである）クロムマスク20を用いて実行される。この例では、法線入射で実行される。このジオメトリーにおける露光により、対称強度分布となり、それ故、対称グレーティングプロファイルとなる。サンプルは、0.8mW/cm²の強度を有する水銀ランプ（Osram Hg/100）からの光に対して露光される。
露光後に、サンプルはマスク20から解放され、Shipley MF319で20秒間現像された後、脱イオン水でリンスされる。これにより、対称表面変調でパターンニングされたサンプルが残る。ホトレジストはその後、深UV放射（254nm）に対する露光によって硬化され、その後、160℃で45分間ベークされる。これは、液晶におけるホトレジストの不溶性を確実にするために行われる。最後に、グレーティング表面は、ホメオトロピック界面状態を誘導するために、クロムコンプレックス表面活性剤の溶液で処理される。
一方の特別の表面は、上に述べた方法を用いて360秒の露光時間で形成される。このグレーティングについてのAFM分析により、それは、１μｍのピッチと1.2μｍの深さを有する対称プロファイルを有することが分かった。この表面は平らなホメオトロピック表面の反対側に形成され、2.0μｍの厚みを有するセルを形成する。このセルに等方相のネマティック物質E7（Merck）が注入された後、室温まで冷却される。顕微鏡で観察すると、図７の（ａ）や（ｂ）に示されているように、双安定状態の双方の混合物が現れる。
セルは、交差された偏光子の間に向けられており、グルーブ方向は偏光子方向に対して45゜である。従って、状態（ａ）は明状態であり、一方、状態（ｂ）は暗状態である。交互に変わる符合のモノポラーパルスが、その後、セルに付与される。パルス長は１秒パルス離れた5.4m秒に設定される。付与されたパルスのピーク電圧が20.3Vにまで増加したときに、フルスイッチングが状態（ａ）と（ｂ）の間で発生する。これらのパルスの対も、図８に示されているデータに対するものと同様の方法で、セルに付与される。もう一度、第１のパルスだけがシステムの状態を変化させ、一方、第２のパルスはノンラッチ過渡応答を誘導するだけである。この場合は、光学応答時間も測定された。（ａ）から（ｂ）へスイッチングするための10％〜90％応答は8.0m秒であり、一方、（ｂ）から（ａ）へスイッチングするための応答時間は1.2m秒であった。更に、このセルの分析により、双安定状態（ａ）及び（ｂ）はグレーティング表面上にそれぞれ90゜と０゜のプレティルトを誘導したことが分かった。従って、このサンプルはプレティルトにおける可能な最大変化を証明した。
図７、10に示された形状のオプチックスは、セル厚みｄが、

によって与えられたときに最適化される。
ここでλは動作波長であり、Δn_avはネマティック複屈折の平面内要素（セル壁に平行）の平均値である。Δn_avは図10に示された形状については図７に比較してより大きなものである。故に、このセル厚をより小さなものとすることができ、それ故、光学スイッチング速度はより大きなもとなる。しかしながら、２周波ネマティックの使用によって利用可能な物質の選択は制限され、また、アドレス技法により複雑となるが、より低い電圧動作が可能となる。
例３
双安定グレーティング表面波プレーナ表面の反対側でも構築され得る。１つのこのようなセルは、例２に記述されたものと同じプロファイルを有するグレーティングから成る。これは、P132ポリイミド（Ciba Geigy）の層を用いて形成されたラビングされた表面の反対側に構築されている。ポリイミド上におけるラビング方向は、グレーティング表面上のグレーティンググルーブ方向に平行に設定される。セルギャップは2.5μｍに設定され、ネマティックE7がセルを注入するために使用される。注入後に室温まで冷却すると、図11に図式で示された２つの状態が現れる。この図は、双安定表面上のグルーブ方向がここではそのページの面（ｘ、ｙ面）に存在する点で、図７とは異なる。従って、グレーティング上の90゜プレティルト状態は、（a'）に示されているようなハイブリッド構造を形成し、一方、グレーティング上の０゜プレティルトは（b'）に示されているようなツイステッド構造を形成する。これらの状態の間に光学的コントラストを達成するため、セルは、グレーティンググルーブ（及び、ラビング方向）が一方の偏光子に対して平行になるように向けられたクロス偏光子13、13'の中間に位置付けられるが、これらの偏光子は２つのスイッチング状態におけるコントラストを最適化するために回転され得る。したがって、状態（b'）は輝状態であり、状態（a'）は暗状態である。5.3m秒モノポラーパルスを使用した場合、（a'）と（b'）の間のスイッチングは56.7Vのピーク電圧で発生する。光学応答時間は、（a'）から（b'）へのスイッチングについては110m秒であり、（ｂ）から（a'）へのスイッチングについては1.4m秒である。
輝状態（b'）は90゜のバルクツイストを有する。従来のTN構造を用いた場合と同様に、最大透過率はＮが整数のときに得られ、ここで（C.H.GoochとH.A.TarryによるJ.Phys.D:Appl.Phys.,8 1575（1975））、

であり、Δｎはネマティック複屈折であり、ｄはセルギャップであり、λは動作波長である。故に、530nmの動作温度とＮ＝１を有するE7（Δｎ＝0.22）を用いる双安定デバイスは、2.1μｍのセルギャップを有する。
これに対し、例２に記述された形状は式３によって与えられる最適厚みを有する。この例に関して、Δn_avはΔn/2であり、故に、式３は1.2μｍの厚みを与える。このように、ツイストを有しない双安定デバイスは、常に、より薄いセルギャップにて最適なオプチックスを保持し、故に、より低い電圧においてより短い光学応答時間でスイッチングする。
ツイストディスクリネーションを防止するために、コレスティック添加剤（例えば１％より小さいCB15 Merck）が付加され得る。また、これらのディスクリネーションは、ラビング配向方向に対して平行ではない、例えば、約５゜調整で、グルーブ方向を整列させることによって防止され得る。
これらのデバイスのグレーティング表面は前に掲げられているような様々な技術を用いて生成され得る。ホメオトロピック処理は、グレーティング表面に対して良好な接着性を有するいずれの表面活性剤でもよい。この処理はまた、アンピンド配向へ導くものでもある。即ち、表面上にネマティックの剛性位置秩序（rigid positional ordering）を誘導することのないある特別なネマティックオリエンテーションを与える配向である。
上の分析から明らかなように、グレーティング変調は、双安定度が存在するように、所定の非対称性のためにあるh/wを所有しなければならない。変調の絶対スケールは他のファクタによって制限される。グルーブ深さとピッチがあまりに大きい場合には、回折効果が重要であり、デバイススループットに損失を生じさせる。更に、グループ深さがセル厚みと同様である場合には、反対側の平らな表面に対するグルーブピークの接近が双安定スイッチングを禁止し得る。図10に示されたデバイスのように、もし２つのグレーティングが必要な場合には、セル厚みに比較して大きなグルーブ深さによって、不可避的に２つの変調の相に依存するスイッチングとなってしまう。これはデバイスの製造プロセスを非常に複雑にする。
グルーブ深さとピッチがあまりに小さい場合にも問題は存在する。一定のh/wに関して、ピッチが小さくなるにつれて、表面におけるバルクディストーションのエネルギー密度は大きくなる。結局、このエネルギーは表面上のネマティックの局部アンカリングエネルギーと同様である。従って、図４、５に示された構造（これは、有限アンカリングエネルギーを仮定している）は、もはや得られず、双安定度は不可避的に喪失される。ｈとｗの一般的な値は、それぞれ、約0.1〜10μｍ、0.05〜５μｍの範囲の約0.5、1.0μｍである。
少量、例えば、1.5％の二色染料を液晶物質に組み入れることができる。これは、偏光子と共に、若しくは、偏光子なしで、使用することができ、カラーを形成し、コントラストを改善し、若しくは、ゲストホスト形デバイス、例えば、E63の物質D124（Merck）として動作し得る。（染料を有している、若しくは、染料を有していない）デバイスの偏光子は、デバイスの２つのスイッチング状態の間のコントラストを最適化するために回転され得る。

Claims (33)

1. 双安定ネマティック液晶デバイスにおいて、
   液晶物質の層を囲む２つのセル壁と、
   それら双方のセル壁上の電極構造と、
   それら双方のセル壁の互いに面する表面上に存在して液晶分子に配向を与える表面配向と、
   液晶物質の複数のスイッチング状態間を区別する手段と、を備え、
   少なくとも一方のセル壁は、同じ方位面の２つの異なるプレティルト角のいずれか一方を液晶物質の分子へ与える表面配向グレーティングを備えており、電気信号が電極に付与された後に２つの安定液晶分子形態のいずれか一方が存在し得ることを特徴とする双安定ネマティック液晶デバイス。
2. 前記表面配向グレーティングはプロファイル表面を備える請求項１記載のデバイス。
3. 前記グレーティングのグルーブ深さｈが0.5μｍ〜1.0μｍの範囲内である請求項１記載のデバイス。
4. 前記グレーティングのピッチｗが0.05μｍ〜５μｍの範囲内である請求項１記載のデバイス。
5. 前記グレーティングがフォトレジスト材料から形成されている請求項１記載のデバイス。
6. 前記グレーティングがエンボス加工された表面を備えている請求項１記載のデバイス。
7. 前記グレーティングがキャリア層からの転送によって形成されている請求項１記載のデバイス。
8. 前記グレーティングは非対称グルーブプロ ファイルを有する請求項１記載のデバイス。
9. 前記グレーティングは対称グルーブプロフ ァイルを有する請求項１記載のデバイス。
10. 前記グレーティング物質は、局部表面方向に対して液晶ディレクタのホメオトロピック配列を誘導する請求項１記載のデバイス。
11. 前記グレーティング表面は、局部表面方向に対して液晶ディレクタのホメオトロピック配列を誘導するために表面活性剤を用いて処理される請求項１記載のデバイス。
12. 一方のセル壁は双安定グレーティング表面を有し、もう一方のセル壁はホメオトロピック配向を誘導する平らな表面を有する請求項１記載のデバイス。
13. 一方のセル壁は双安定グレーティング表面を有し、もう一方のセル壁は配向方向を有する、若しくは、有しないプレーナ配向を誘導する平らな表面を有する請求項１記載のデバイス。
14. 双方のセル壁が双安定グレーティング表面である請求項１記載のデバイス。
15. 前記グレーティンググルーブプロファイルは各ピクセル領域内で変わる請求項１記載のデバイス。
16. ２つの異なるプレティルト角の１つはセルの平面から零度である請求項１記載のデバイス。
17. ２つの異なるプレティルト角の１つはセルの平面から90゜である請求項１記載のデバイス。
18. ２つのプレティルト角の１つはセルの平面からの角度が０゜から90゜の２つの異なる角度である請求項１記載のデバイス。
19. ２つの異なるプレティルト角が０゜と90゜である請求項１記載のデバイス。
20. 双方のセルの表面配向が少なくとも１つの双安定状態において液晶層にツイストが存在しないようになっている請求項１記載のデバイス。
21. 双法のセルの表面配向が少なくとも１つの双安定状態において液晶層にツイストが存在するようになっている請求項１記載のデバイス。
22. 双方のセルの表面配向が少なくとも１つの双安定状態において液晶層にツイストが存在するようになっており、そのツイスト角が０゜と90゜の間である請求項１記載のデバイス。
23. 双方のセルの表面配向が少なくとも１つの双安定状態において液晶層にツイストが存在するようになっており、デバイスが鏡と少なくとも１つの偏光子とを有する請求項１記載のデバイス。
24. 前記液晶物質がネマティック物質とコレステリック物質を含んでいる請求項１記載のデバイス。
25. 前記液晶物質は正の誘電異方性を有する請求項１記載のデバイス。
26. 一方向性の電圧パルスを与える手段を更に有する請求項１記載のデバイス。
27. 一方向性の複数の信号を異なる周波数で与える手段を更に有し、ここで、前記ネマティック物質は２周波アドレス可能液晶物質である請求項１記載のデバイス。
28. 前記電極は、アドレス可能素子、若しくは、表示ピクセルのｘ、ｙマトリクスで配列された一連のロー及びカラム電極として形成されている請求項１記載のデバイス。
29. 複数のスイッチング状態間を区別する前記手段は液晶物質に二色染料を有している請求項１記載のデバイス。
30. 複数のスイッチング状態間を区別する前記手段は少なくとも１つの偏光子を有する請求項１記載のデバイス。
31. 少なくとも１つのセル壁がガラス材料で形成されている請求項１記載のデバイス。
32. 少なくとも１つのセル壁がプラスチック材料で形成されている請求項１記載のデバイス。
33. 少なくとも１つのセル壁が可撓性プラスチック材料で形成されている請求項１記載のデバイス。

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