JP4104048B2

JP4104048B2 - πセル液晶デバイス

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Publication number: JP4104048B2
Application number: JP2002005378A
Authority: JP
Inventors: ジョンタウラーマイケル; ジェーンアコスタエリザベス; ガースウォルトンハリー
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-01-18
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2022-01-11
Also published as: EP1225473A3; KR100493351B1; US20020093613A1; GB2371372A; DE60206977D1; JP2002287170A; GB0101294D0; EP1225473A2; KR20020062223A; TWI226488B; DE60206977T2; US6600537B2; EP1225473B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、πセル型の液晶デバイスに関する。そのようなデバイスは、例えば、透過型および反射型のフラットパネルディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイ、フィールドシーケンシャル（ｆｉｅｌｄ−ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ）カラーディスプレイ、プロジェクションシステム、および３次元画像表示システムにおける使用に適している。
【０００２】
【従来の技術】
Ｐ．Ｄ．Ｂｅｒｅｚｉｎ、Ｌ．Ｍ．Ｂｌｉｎｏｖ、Ｉ．Ｎ．ＫｏｍｐａｎｅｔｓおよびＶ．Ｖ．Ｎｉｋｉｔｉｎの”Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃＳｗｉｔｃｈｉｎｇｉｎＯｒｉｅｎｔｅｄＬｉｑｕｉｄ−ＣｒｙｓｔａｌＦｉｌｍｓ”（Ｊｕｌｙ−Ａｕｇｕｓｔ１９７３Ｓｏｖ．Ｊ．Ｑｕａｎｔ．ＥｌｅｃｔｒｏｎＶｏｌ．３ｐｐ．７８−７９）は、高速応答時間が実現可能なネマチック型の液晶デバイスを開示している。このデバイスは、表面ティルトの低い非ねじれ型セルを含むが、平行な表面アライメント方向が提供されているのか逆平行な表面アライメント方向が提供されているのかが明らかでない。光変調は、主に、材料の大部分において配向を実質的にホメオトロピックの状態に維持しつつ、表面領域近傍の液晶分子を再配向することにより達成される。
【０００３】
Ｐ．Ｊ．ＢｏｓおよびＫ．Ｒ．Ｋｏｅｈｌｅｒ／Ｂｅｒａｎの”Ｔｈｅｐｉ−Ｃｅｌｌ：ＡＦａｓｔＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＯｐｔｉｃａｌＳｗｉｔｃｈｉｎｇＤｅｖｉｃｅ”（１９８４Ｍｏｌ．Ｃｒｙｓｔ．Ｌｉｑ．Ｃｒｙｓｔ．Ｖｏｌ．１１３ｐｐ．３２９−３３９）は、周知のように、第１および第２のアライメント層の間に挟んだネマチック液晶材料が平行な低プレティルトアライメントとなるように構成された第１および第２のアライメント層を含むπセルの、第１の公知の開示を提供する。πセルは、上記のように、主に表面領域近傍の液晶分子を再配向することにより光変調が得られる表面モードデバイスの一例である。この文献に開示されたπセルは、アライメント層によって誘起されるプレティルト角が実質的に等しい大きさを有する点で、実質的に対称である。
【０００４】
添付の図面の図１は、従来のπセルのさまざまな状態を示す。液晶層に印加電場がない場合、セルはスプレー状態にある。従来から、および以下、この状態を「Ｈ状態」と呼ぶ。印加電場がゼロでプレティルト角が対称である場合のＨ_s状態を参照符号１に示し、液晶ディレクタを参照符号２等の直線によって示す。層に印加される電圧（すなわち印加電場）が増大するにつれ、参照符号３のＨ_A状態によって示すように、比較的小さな電圧の場合、Ｈ状態は非対称になる。
【０００５】
πセルのＨ状態は、フラットパネルディスプレイ等の光学デバイスにおける使用に際して望まれる光学特性を有さない。しかし、一定の電圧を超えると、πセルは、図１の参照符号４に示すような、より有用な光学特性を有する、ベンド状態として公知の異なる状態を示す。（この状態は、従来から「Ｖ状態」として公知であり、以下でも「Ｖ状態」と呼ぶ。）Ｖ状態において、液晶分子は、表面領域において比較的低いティルトを有するが、材料の大部分においてホメオトロピックアライメントを有し、ディレクタは、セル表面に対して実質的に垂直である。一旦Ｖ状態になると、主に、表面領域における液晶分子を再配向することにより光変調が達成され、該層の大部分において、液晶分子は、デバイスの動作範囲内での印加電圧の変動に実質的に影響されない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
通常のプレティルトが、例えば５°である従来技術の代表的なタイプのπセルについて、「臨界」電圧または閾値電圧Ｕ_V/Hがあり、この閾値電圧を超える場合、Ｖ状態のエネルギーはＨ状態のエネルギーよりも低い。したがって、このようなπセルにおける液晶は、Ｕ_V/Hを超える電圧値の場合、Ｖ状態にアライメントしやすい。しかし、望ましくない低電圧Ｈ状態から望ましいＶ状態への遷移は重要であり、いわゆる液晶内における欠陥の形成および移動を含む「核形成」プロセスが生じる必要がある。Ｈ状態からＶ状態へとπセルを核形成するプロセスは、通常、比較的遅く、通常のデバイスにおいて数秒かかる。
【０００７】
Ｖ状態およびＨ状態に加えて、πセルは、また、図１の参照符号５のように、ねじれ状態を示し得る。（この状態は、従来から「Ｔ状態」として公知であり、以下でも「Ｔ状態」と呼ぶ。）図示のように、ディレクタは、アライメント層の間で（±）１８０°にねじれる。例えば、通常のプレティルトが５°である従来技術の代表的なタイプのπセルについて、液晶がＶ状態にあり、閾値電圧Ｕが低下する場合、閾値電圧Ｕ_V/Tが存在し、電圧がこの値よりも低い場合、Ｔ状態は、Ｖ状態よりもエネルギーが低くなる。したがって、この閾値電圧よりも低い場合、液晶はＶ状態からＴ状態へと遷移する。この遷移は、核形成を含まず、かなり急速に（通常、数十または数百ミリ秒以内に）進行し得る。Ｔ状態は、Ｖ状態と比べて、比較的望ましくない光学特性（視野角特性およびコントラスト比など）を有する。電圧Ｕが０ボルトに向かって減少するにつれ、Ｈ状態が改善される。しかし、Ｈ／Ｖ遷移で起こるように、Ｈ／Ｔ遷移は、欠陥の核形成を含み、通常、比較的遅い（数秒のオーダー）。したがって、Ｈ状態と置換される前の数秒間、低電圧においてＴ状態が存在し得る。
【０００８】
図１は、まず印加電圧Ｕが最大値Ｕ＞＞Ｕ_V/Hへと増加し、その後ゼロへと減少する場合の、従来のπセルの挙動の概要を示す。従来技術の代表的なπセルは、３つの主要なタイプの液晶配向（Ｈ状態、Ｖ状態、およびＴ状態）を示す。０ボルトにおいて、Ｈ状態のエネルギーは最も低くなり、Ｖ状態のエネルギーは最も高くなり、Ｔ状態のエネルギーは、Ｈ状態およびＶ状態のエネルギーの間である。
【０００９】
Ｂｏｓらによる文献は、πセルを動作する２つのモードを記載している。両方のモードにおいて、比較的高い電圧で、Ｖ状態の安定したπセルの１つの状態が達成される。（Ｖ状態のエネルギーは、Ｈ状態およびＴ状態のエネルギーよりも低い。）この動作状態において、πセルは、最小の光のリターデーションを提供する。
【００１０】
第１のモードは、比較的薄いセルに当てはまる。この場合、液晶材料は、比較的高い電圧のＶ状態から０ボルト状態へと緩和され、πセルは半波長分のリターデーションを提供する。０ボルト状態は、実質的に共平面（ｃｏ−ｐｌａｎａｒ）状態であり、２０ミリ秒を超える間、動的に達成される。（但し、この状態が達成される時間は、温度が高くなるにしたがって、実質的に短くなる。）この状態は望ましくなく、この状態が長く続きすぎた場合、Ｔ状態が形成され始め、このことが、Ｈ状態の核形成へと至る。その後、πセルを再び機能させるために、Ｖ状態の再核形成（ｒｅ−ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ）が行われる必要がある。したがって、この電圧アドレシングスキームは、πセルに電圧Ｕ＜Ｕ_V/Tを印加する。πセルは、０ボルトにおいて、最も低いエネルギーのＨ状態、最も高いエネルギーのＶ状態、および中間のエネルギーのＴ状態を有し、Ｔ状態が形成される前の２０ミリ秒を超える間（但し、この時間は、温度が高くなるにしたがって、実質的に短くなる）、動的なＶ状態を利用する。
【００１１】
より厚いセルには、第２モードの動作が使用される。この動作では、Ｔ状態への重要な緩和が開始される前に、半波長分のリターデーション状態が達成される。液晶層に印加される小さな電圧が維持されて、セルが半波長分のリターデーション状態に保持される。
【００１２】
Ｈ．Ｎａｋａｍｕａの”ＤｙｎａｍｉｃＢｅｎｄＭｏｄｅｉｎａＰｉ−Ｃｅｌｌ”、Ｄｅｃｅｍｂｅｒ１−３１９９９ＳＩＤＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ６ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＤｉｓｐｌａｙＷｏｒｋｓｈｏｐ，ｐｐ．３７−４０は、πセルを「アンダードライブ（Ｕｎｄｅｒ−Ｄｒｉｖｉｎｇ）」する技術を開示しており、これを「ダイナミックベンドモード（ＤｙｎａｍｉｃＢｅｎｄＭｏｄｅ）」と呼ぶ。この駆動モードは、Ｂｏｓらによって説明された第１の駆動モードと等価であり、動的なＶ状態は、バイアス電圧の増大にしたがって増加する寿命を有する。各フレームの間に比較的高い電圧ブランキングパルスを使用して、Ｖ状態を改善することも開示されている。
【００１３】
米国特許第４、５６６、７５８は、液晶層の厚さとキラルピッチ（ｃｈｉｒａｌｐｉｔｃｈ）との比が０．２５より大きくなるように、液晶材料がキラルドーパントでドーピングされたπセルを開示している。このタイプのデバイスは、動作電圧範囲内ではＴ状態のままであり、このＴ状態は、比較的高い動作電圧におけるＶ状態と同様の光学特性を有する。このような構成は、従来のπセルにおける核形成の問題を克服するが、比較的高い動作電圧で、同様の光学的特徴を保持する。しかし、電圧が低下するにつれ、光学的特徴に対する固有のねじれの影響のため、従来のπセルと比べて性能が低下し、低減された視野角性能およびより遅い応答スピードが示された。
【００１４】
Ｅ．Ｊ．Ａｃｏｓｔａ、Ｍ．Ｊ．Ｔｏｗｌｅｒ、およびＨ．Ｇ．Ｗａｌｔｏｎの”ＴｈｅＲｏｌｅｏｆＳｕｒｆａｃｅＴｉｌｔｉｎｔｈｅＯｐｅｒａｔｉｏｎｏｆＰｉ−ＣｅｌｌＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｅｖｉｃｅｓ” Ｊｕｌｙ２０００ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌｓｖｏｌ．７ｐｐ．９７７−９８４は、πセルの動作における表面プレティルトの役割を開示している。印加電圧０の場合、０°〜約４８°のプレティルトの範囲内で、通常のネマチック液晶材料について、Ｈ状態は安定しており、それに対して、約４８°を超えるプレティルトについて、Ｖ状態は安定する。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明のπセル液晶デバイスは、第１および第２のアライメント層の間に配置されたネマチック液晶材料の層を含むπセル液晶デバイスであって、印加された電場が０である場合、Ｈ状態のエネルギーがＶ状態およびＴ状態の各々のエネルギーよりも小さくなり、Ｖ状態のエネルギーがＴ状態のエネルギー以下になるように、該第１および第２のアライメント層が、隣接する該液晶材料内にプレティルトを誘起し、前記層の少なくとも１つの領域に、Ｖ状態のエネルギーがＨ状態およびＴ状態の各々のエネルギーよりも小さい第１の電場（Ｖ_B）と、該第１の電場（Ｖ_B）よりも大きさが小さく、且つ、Ｈ状態のエネルギーがＶ状態およびＴ状態の各々のエネルギーよりも小さい第２の電場（Ｖ_W）とを選択的に印加する駆動構成要素を有し、前記第１の電場（Ｖ _B ）と前記第２の電場（Ｖ _W ）の間の電圧によって、前記層の領域が、Ｔ状態になることなく、Ｖ状態とＨ状態とに切り換わるように、前記プレティルトが設定されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明のπセル液晶デバイスは、印加された電場が０である場合に、前記Ｖ状態の前記エネルギーが、前記Ｔ状態の前記エネルギーよりも小さくともよい。
【００１７】
本発明のπセル液晶デバイスは、前記第２の電場（Ｖ_W）が、実質的にゼロの値を有することを特徴としてもよい。
【００１８】
本発明のπセル液晶デバイスは、前記第１および第２の電場（Ｖ_B，Ｖ_W）が、前記少なくとも１つの領域の光学的範囲の第１および第２の極限光学状態を選択することを特徴としてもよい。
【００１９】
本発明のπセル液晶デバイスは、前記第１および第２の極限光学状態が、前記デバイスに照射される光放射の波長の１／２の奇数倍分だけ互いに異なる、前記少なくとも１つの領域の第１および第２のリターデーションを含むことを特徴としてもよい。
【００２０】
本発明のπセル液晶デバイスは、前記第１および第２のリターデーションが、波長の１／２だけ異なることを特徴としてもよい。
【００２１】
本発明のπセル液晶デバイスは、前記第１および第２の極限光学状態が、それぞれ、最大の減衰および最小の減衰を含むことを特徴としてもよい。
【００２２】
本発明のπセル液晶デバイスは、前記第１および第２の極限光学状態が、それぞれ、最小の減衰および最大の減衰を含むことを特徴としてもよい。
【００２３】
本発明のπセル液晶デバイスは、前記プレティルトが実質的に５０°より小さいことを特徴としてもよい。
【００２４】
本発明のπセル液晶デバイスは、前記プレティルトが実質的に４８°より小さいことを特徴としてもよい。
【００２５】
本発明のπセル液晶デバイスは、前記プレティルトが実質的に２０°より大きいことを特徴としてもよい。
【００２６】
本発明のπセル液晶デバイスは、前記プレティルトが実質的に２６°以上であることを特徴としてもよい。
【００２７】
本発明のπセル液晶デバイスは、前記プレティルトが実質的に２９°以上であることを特徴としてもよい。
【００２８】
本発明のπセル液晶デバイスは、前記液晶材料が弾性定数Ｋ１１、Ｋ２２、およびＫ３３を有し、該弾性定数の各々は、室温において５０ｐＮ未満であることを特徴としてもよい。
【００２９】
本発明のπセル液晶デバイスは、前記デバイスの動作温度範囲内にわたって、前記弾性定数の各々が３０ｐＮ未満であることを特徴としてもよい。
【００３０】
本発明のπセル液晶デバイスは、前記液晶材料が、実質的に２よりも大きな誘電率を有することを特徴としてもよい。
【００３１】
本発明のπセル液晶デバイスは、前記液晶材料が、実質的に１５よりも小さな誘電率を有することを特徴としてもよい。
【００３２】
本発明のπセル液晶デバイスは、前記誘電率が、実質的に１０よりも小さいことを特徴としてもよい。
【００３３】
本発明によると、第１および第２のアライメント層の間に配置されたネマチック液晶材料の層を含むπセル液晶デバイスであって、印加された電場が０である場合、Ｈ状態のエネルギーがＶ状態およびＴ状態の各々のエネルギーよりも小さくなり、Ｖ状態のエネルギーがＴ状態のエネルギー以下になるように、第１および第２のアライメント層が、隣接する液晶材料内にプレティルトを誘起する、ネマチック液晶材料の層と、上記層の少なくとも１つの領域に、Ｖ状態のエネルギーがＨ状態およびＴ状態の各々のエネルギーよりも小さい第１の電場と、第１の電場よりも規模が小さく、且つ、Ｈ状態のエネルギーがＶ状態およびＴ状態の各々のエネルギーよりも小さい第２の電場とを選択的に印加する駆動構成要素とを含むπセル液晶デバイスが提供される。
【００３４】
印加された電場が０である場合に、Ｖ状態のエネルギーが、Ｔ状態のエネルギーよりも小さくてもよい。
【００３５】
第２の電場が、実質的にゼロの規模を有してもよい。
【００３６】
第１および第２の電場が、上記少なくとも１つの領域の光学的範囲の第１および第２の極限光学状態を選択してもよい。上記第１および第２の極限光学状態が、上記デバイスに照射される光放射の波長の１／２の奇数倍分だけ互いに異なる、上記少なくとも１つの領域の第１および第２のリターデーションを含んでもよい。上記第１および第２のリターデーションが、波長の１／２だけ異なってもよい。上記第１および第２の極限光学状態が、それぞれ、最大の減衰および最小の減衰を含んでもよい。あるいは、上記第１および第２の極限光学状態が、それぞれ、最小の減衰および最大の減衰を含んでもよい。
【００３７】
上記プレティルトは、実質的に５０°より小さくてもよく、実質的に４８°より小さくてもよい。
【００３８】
上記プレティルトは、実質的に２０°より大きくてもよく、実質的に２６°以上であってもよく、実質的に２９°以上であってもよい。
【００３９】
上記液晶材料が弾性定数Ｋ１１、Ｋ２２、およびＫ２３を有してもよく、これらの弾性定数の各々は、室温において５０ｐＮ未満である。上記デバイスの動作温度範囲内において、上記弾性定数の各々が３０ｐＮ未満であってもよい。
【００４０】
上記液晶材料が、実質的に２よりも大きな誘電率を有してもよい。
【００４１】
上記液晶材料が、実質的に１５よりも小さな誘電率を有してもよい。上記誘電率が、１０よりも小さくてもよい。
【００４２】
Ｔ状態のエネルギーが０ボルトにおいて最も高くなり、Ｈ状態のエネルギーが最も低くなり、Ｖ状態のエネルギーが中間になる、プレティルト角の臨界範囲（この範囲は、公知のπセルにおいて通常使用される範囲の外側にある）が存在することが偶然発見されている。これを使用して、任意の電圧でＴ状態が形成されることがエネルギー的に好適である状態には決してならないようにπセルを形成し得る。このようなπセルは、特定のタイプの電圧アドレシングスキームと共に使用される場合、有利な光学特性を有する。
【００４３】
Ｔ状態が決して最低エネルギー状態にならないように、つまり決して安定しないように動作するπセル液晶を提供することが可能である。したがって、デバイス内でねじれが起こらず、高速な切り換え速度および良好な光変調度で動作することが可能である。温度および時間に依存するねじれ状態が決して形成されないので、光学補償膜を用いることにより、温度の関数としての良好な視野角性能が達成される。
【００４４】
初期のＨ状態からの核形成されたＶ状態の比較的速い初期成長が達成される。デバイスは、印加電圧が０であっても、Ｔ状態へと緩和されることがなく、Ｈ状態への緩和は、πセルをＶ状態に維持しつつ液晶配向を修正するのにかかる時間と比べて、比較的長い。したがって、従来のπセルの動作における核形成および核再形成に関連する問題は、実質的に減少する。上述のＮａｋａｍｕｒａの文献に開示されているものよりも、アドレシング波形の設計の点でより柔軟性に富んでいるというさらなる利点がこれより派生する。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下、例示を目的として、添付の図面を参照しつつ本発明をさらに説明する。
【００４６】
図２に示すπセル液晶デバイスは、上部基板１０および下部基板１１を有する。これらの基板上には、それぞれ、上部電極構造体１２および下部電極構造体１３が形成される。図２に示すデバイスは透過型であり、基板１０および１１は透明である（例えば、ガラスまたは透明プラスチック材料で形成される）。同様に、電極１２および１３も透明であり、例えば、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）で形成される。しかし、デバイスは、同様に反射型であってもよく、この場合、基板の一方およびその上に設けられた電極は、透明である必要はない。実際、その電極は、反射体として機能し得る。
【００４７】
アライメント層１４および１５が、電極１２および１３上にそれぞれ形成される。アライメント層１４および１５の各々は、ＲＮ７１５（ＮｉｓｓａｎＣｈｅｍｉｃａｌｓから市販されている）を含み得る。このような材料は、溶媒中に溶解され、電極１２および１３上にスピンコーティングされ、その後、焼成プロセスが行われる。その後、アライメント層１４および１５は、クロスで一方向にラビング処理され、所望の液晶アライメントを誘起する。あるいは、フォトアライメント（ｐｈｏｔｏａｌｉｇｎｍｅｎｔ）技術を用い得る。この技術では、電極１２および１３は、紫外線光に反応するフォトポリマーでコーティングされ、その後、紫外線光に暴露されて、所望の液晶アライメントを誘起する表面を形成する。その後、基板１０および１１は、アライメント方向が平行になるように互いに向かい合う（つまり、同じ方向を指す）アライメント層１４および１５によって、配向される。アライメント層１４および１５は、例えば、図２に示すように、絶縁スペーサボール１６によって、空間を開けて離される。アライメント層の間の空間には、ネマチック液晶材料１７が充填される。電極１２および１３は、層１７に適切な駆動電圧を印加する駆動構成要素１８に接続される。
【００４８】
図３は、例えば、ディスプレイとしてまたはディスプレイにおいて使用される場合、空間光変調を提供するのに、図２のデバイスがどのように使用され得るかを示す。液晶層１７は、そのアライメント方向でもってアライメント層１４および１５の間に示され、したがって、デバイスの光軸は、参照符号２０に示され、垂直方向に配向されている。パッシブリターダ２１は、その光軸２２がπセルの光軸２０に対して垂直に配向され、デバイスによって提供される効果的なリターデーションは、πセル１１のリターデーションとリターダ２１のリターデーションとの差である。リターダ２１のリターデーションは、その高い方の動作電圧において、πセルのリターデーションと等しくなり、有限の動作電圧でゼロの光学的リターデーションを提供する構成を提供する。低い方の動作電圧において、リターデーションの差は、可視スペクトルの中間領域における光の波長の半分に等しくなるように構成され、その結果、デバイスは、１／２波長板として動作する。
【００４９】
偏光子２３および２４は、πセルおよびリターダ２１を含む構造体の一方に配置される。偏光子２３および２４の偏光方向は、互いに対して垂直であり、πセルの光軸２０およびリターダ２１の光軸２２に対して４５°の角度で配向される。
【００５０】
高い方の動作電圧がπセルに印加された場合、偏光子２３および２４の間のリターデーションは０である。したがって、デバイス全体は、一対の交差偏光子として機能し、光の通過を実質的に遮断する。低い方の動作電圧において、偏光子２３に照射された光（例えば、バックライトからの光）が偏光され、πセルによって形成された１／２偏光板およびリターダ２１が偏光の角度を９０°変化させる。したがって、光は、比較的小さな減衰で、偏光子２４を透過する。このように、光（白）状態および暗（黒）状態が確立される。πセルを中間の電圧で動作することにより、グレイスケール動作が達成される。
【００５１】
図４は、印加電圧と（対称な）表面プレティルトとの関係を示すグラフであり、（液晶ディスプレイ材料の典型例であるパラメータから計算した）層１７の状態の安定性を示す。これは、液晶層の厚さには実質的に無関係である。図４は、１３．７４５の誘電異方性（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）、Ｋ１１＝１０．６４３ｐＮ、Ｋ２２＝６．７ｐＮ、およびＫ３３＝１５．５ｐＮの弾性係数を含む液晶パラメータに関する。領域ＡおよびＥにおいて、Ｖ状態は最も低いエネルギーを有し、したがって、安定状態である。高い値のプレティルトの場合、例えば図４に示した特徴について約４８°を超える場合、Ｖ状態は、印加電圧が０である場合に最も低いエネルギーを有する。この臨界プレティルト角よりも小さい場合、Ｈ状態は最も低いエネルギーを有し、したがって、０〜約４８°のプレティルト角度範囲について、Ｈ状態は安定状態である。領域Ｂ、Ｃ、およびＤにおいて、Ｈ状態は最も低いエネルギーを有し、したがって安定状態である。領域Ｃにおいて、液晶材料はＴ状態へと緩和され得、それに対してＢおよびＤ領域では、Ｔ状態は現れない。
【００５２】
特定の材料パラメータについてのプレティルトの範囲、つまり、約２９°〜約４８°の範囲が存在し、この範囲において、印加電圧が０である場合、Ｈ状態のエネルギーは、Ｖ状態およびＴ状態の各々のエネルギーよりも小さい。アライメント層１４および１５は、この範囲内において対称なプレティルト角を提供するように構成され、πセルの動作中、Ｔ状態は起り得ない。印加電圧が０の場合、Ｖ状態のエネルギーはＴ状態のエネルギー以下（好適には未満）である。
【００５３】
駆動構成要素１８は、電極１２および１３に駆動電圧を供給し、デバイスは、高い方の電圧と低い方の電圧との間で切り換わり、高い方の電圧の場合、領域Ａで動作し、低い方の電圧の場合、領域Ｄで動作する。グレイスケール能力が必要である場合、高い方の電圧と低い方の電圧とによって規定される範囲内の中間電圧もまた、駆動構成要素１８によって供給される。
【００５４】
上記のπセルにおいて、動作が開始され得る前に、Ｈ状態からＶ状態を核形成する必要がある。このことは、Ｖ状態の核形成が起こるのに十分な期間の間、適切な高い電圧を印加することによってデバイスをオンする場合に達成され得る。Ｖ状態が一旦確立されると、制御ドライブ信号に応じて、図４の領域Ａと領域Ｄとの間でデバイスが切り換えられる。図４の領域Ｄにおいて、Ｈ状態は安定状態または最小エネルギー状態であるが、Ｈ状態への緩和は比較的ゆっくり進行し、数秒のオーダーの期間を必要とする。領域Ｄで動作する場合、Ｔ状態は起こり得ず、通常の動作中、πセルはＶ状態に維持される。したがって、πセルがＴ状態へと緩和される可能性を排除することによってデバイスの性能が実質的に改良される。
【００５５】
図５は、別のタイプのネマチック液晶材料の性能、つまり、Ｅ７（ＭｅｒｃｋＤａｒｍｓｔａｄｔから市販されている）の性能を示す。Ｅ７の化学構造は、Ｅ．Ｐ．Ｒａｙｎｅｓ、Ｒ．Ｊ．Ａ．Ｔｏｕｇｈ、Ｋ．Ａ．Ｄａｖｉｅｓの”ＶｏｌｔａｇｅＤｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆｔｈｅＣａｐａｃｉｔａｎｃｅｏｆａＴｗｉｓｔｅｄＮｅｍａｔｉｃＬｉｑｕｉｄＬａｙｅｒ”（Ｍｏｌ．Ｃｒｙｓｔ．Ｌｉｑ．Ｃｒｙｓｔ．，Ｖｏｌ．５６（Ｌｅｔｔｅｒｓ），ｐｐ．６３−６８，１９７９）に記載されている。２０℃におけるＥ７の特徴は、Ｋ１１＝１１．７ｐＮ、Ｋ２２＝８．８ｐＮ、Ｋ３３＝１９．５ｐＮであり、誘電異方性がΔε＝１４．３７である。この材料の場合、πセルは、約２６°〜約５０°の対称なプレティルト角で動作する。このプレティルトの範囲内において、Ｈ状態のエネルギーは、Ｖ状態およびＴ状態の各々のエネルギーよりも小さい。デバイスが、有意な期間の間、領域Ｆに切り換えられた状態に維持された場合でも、領域Ｆおよび領域Ｇ内でデバイスが動作し、Ｔ状態が起こらないように、駆動構成要素１８によって駆動電圧が供給される。
【００５６】
一般に、πセルに使用される通常の材料は、弾性定数Ｋ１１、Ｋ２２、およびＫ３３を有する。これらの弾性定数は、５０ｐＮ未満であり、より一般的には、室温で且つπセルの動作範囲の少なくとも大部分において３０ｐＮ未満である。弾性定数が互いに等しい材料について、約４５°の臨界プレティルトが存在し、この値よりも大きい場合、印加電場０のときにＶ状態は安定であり、この値よりも小さい場合、印加電場０のときにＨ状態は安定である。したがって、ほとんどの材料について、弾性定数は互いに等しくなく、通常、弾性定数Ｋ２２は、Ｋ１１およびＫ３３の各々よりも小さい。臨界プレティルト角は、これらの定数の値に依存するが、通常、３０°〜６０°の間に維持される。図４に示す性能を有する材料の場合、臨界プレティルトは約４８°であり、図５に示す性能を有する材料の場合も同様である。図５に示すプレティルト角の下限は、図４に示すプレティルト角の下限よりも高いが、通常、２つの材料の特徴は等しく、主な差異は、電圧スケールが互いに異なる点にある。
【００５７】
薄膜トランジスタアクティブマトリクス液晶ディスプレイの一部を形成するπセルについて、適切な材料の誘電異方性は、概して２より大きく、概して１５より小さく、より一般的には１０より小さい。
【００５８】
全ての適切な液晶材料ではないが、たいていの液晶材料について、プレティルト角の範囲は、約２０°〜約５０°であると考えられている。但し、上で説明したように、実際の限界値は、材料によって変わり得るが、特定の材料について容易に判定し得る。
【００５９】
図６および図７は、図４に示した性能を有する上述の液晶材料を用いた、図２および図３に示したタイプのデバイスの性能を示す。液晶層１７は６．２５マイクロメートルの厚さを有し、アライメント層１４および１５は２９°の対称なプレティルトを提供する。リターダ２１は５５ナノメートルのリターデーションを有し、πセルとリターダ２１の組み合わせは、駆動構成要素１８が電極１２および１３に５ボルトを供給する場合、ゼロのリターデーションを提供し、駆動構成要素１８が電極１２および１３に０ボルトを供給する場合、５５０ナノメートルの波長の光に対して、５Ｖおよび半波長分のリターデーションを提供する。
【００６０】
図６は、５５０ナノメートルの波長のモノクロマチック光源を用いるデバイスについて、光の透過と印加電圧との関係を示す。したがって、このデバイスは、高いコントラスト比を達成し得る。
【００６１】
図７は、πセルに印加される電圧が５ボルトから０ボルトへと切り換えられる場合の、光の透過を時間の関数として示す。緩和時間は、０％から８０％へと遷移するのに必要な時間であり、このデバイスについて、緩和時間は５．１５ミリ秒である。
【００６２】
図８は、例えば、図２および図３に示したタイプのアクティブマトリクス液晶ディスプレイの各画素（ピクセル）に印加される、適切なディスプレイ駆動波形を模式的に示す。画像データが連続するフレームとして供給されて、ディスプレイの全ての画素が更新またはリフレッシュされる。各画素に印加される電場は、画素の白状態をアドレシングする場合、最小値Ｖ_W（この場合、ゼロ）を有し、画素の黒状態をアドレシングする場合、最大値Ｖ_Bを有する。ミリ秒で示した時間に対して、画素に印加される電圧をＶで示す。
【００６３】
各フレームは、Ｖ_Bに等しい電圧を有するブランキングパルスＶ_bで始まり、画素を黒状態へとブランキングする。その後、所望の光学的状態に対応し、且つ、０（Ｖ_W）とＶ_Bとの間の値を有する電圧を画素に印加することにより、画素が所望の状態へとリフレッシュされる。アクティブマトリクスは、次のフレームのブランキングパルスまで、画素に印加されたこの電圧を維持する。
【００６４】
図９は、連続する４フレームの間に画素に印加される実際の波形の典型例を示し、該画素の対応する光透過を示す。フレーム１において、ブランキングパルスの後に、最大値Ｖ_Bを有する画素電圧が印加され、黒状態、または、光の透過が最小の画素状態が選択される。フレーム２において、ブランキングパルスの後、画素に印加される電圧が０に低減されて、白状態、または、光の透過が最大の画素状態が選択される。その後、フレーム３のブランキングパルスによって画素が黒状態へとブランキングされるが、画素電圧は再び０に低減されて、白状態が選択される。
【００６５】
フレーム４において、ブランキングパルスに続いて、中間値として画素電圧が選択され、画素が中間のグレイレベルに切り換えられる。したがって、ブランキングパルスが終わる時点で、画素電圧は選択された値に下がり、この結果、黒画素状態と白画素状態との間の透過レベルになる。Ｖ_W〜Ｖ_Bの範囲内の任意の電圧が選択され得、広い範囲のグレイレベルが表示され得る。
【００６６】
ブランキングパルスの効果、特に、画素を白状態にする必要があるフレーム２およびフレーム３におけるブランキングパルスの効果は、最大の輝度を低減する効果、すなわち、ディスプレイのコントラスト比を低減する効果を有する。しかし、本発明のディスプレイは、ねじれ状態によって、Ｈ状態からのＶ状態の比較的速い成長が形成され且つ提供されることを防ぐので、フレーム毎にブランキングパルスを印加する必要がない。この能力を利用する異なる駆動スキームを図１０に示す。この場合、アクティブマトリクスの偶数番目の行に含まれる画素についての駆動スキームを上段の波形図に示し、アクティブマトリクスの奇数番目の行に含まれる画素についての駆動スキームを下段の波形図に示す。
【００６７】
偶数番目の行に含まれる画素について、ブランキングパルスは偶数番目のフレームでのみ印加され、奇数番目のフレームでは印加されない。逆に、奇数番目の行に含まれる画素について、ブランキングパルスは奇数番目のフレームで印加され、偶数番目のフレームでは印加されない。この結果、図８および図９に示した駆動スキームと比較して、ディスプレイの輝度が増加し、したがって、ディスプレイのコントラスト比が増加する。
【００６８】
図１１および図１２は、従来のπセルの性能を示す。このπセルは、プレティルトが５°、Δｎ＝０．１８、液晶層の厚さが５マイクロメートル、リターダ２１のリターデーションが７６ナノメートルである点で、図６および図７に示した性能を有するπセルとは異なる。このデバイスについての緩和時間は、３．５ミリ秒である。
【００６９】
図１３および図１４は、公知のデバイスの性能を示す。このデバイスは、液晶層の厚さのキラルピッチに対する比が０．２５に等しくなるようにキラルドーパントを加えた点で、図１１および図１２に示した性能を有するデバイスとは異なる。このデバイスについての緩和時間は、３．７ミリ秒である。
【００７０】
図１５および図１６は、公知のデバイスの性能を示す。このデバイスは、πセルが１５°のプレティルトを有し、液晶層の厚さが５．３マイクロメートルであり、リターダ２１が６６ナノメートルのリターデーションを有する点で、図１１および図１２に示した性能を有するデバイスとは異なる。このデバイスの緩和時間は、４ミリ秒である。
【００７１】
図１７および図１８は、公知のデバイスの性能を示す。このデバイスは、
πセルが４９°の対称なプレティルトを有し、液晶層の厚さが１２．５マイクロメートルであり、リターダ２１が５６ナノメートルのリターデーションを有する点で、図１１および図１２に示した性能を有するデバイスとは異なる。このデバイスの緩和時間は、１４．１ミリ秒である。
【００７２】
したがって、本発明の一実施形態を構成するデバイスは、ねじれの発生に関連する欠点を有する公知のデバイスの切り換え速度よりもわずかだけ切り換え速度が遅くなるが、ねじれが起こらないことに関連する利点を有する。図１７および図１８に示した性能を有するデバイスもまた、切り換え時間は実質的に遅くなるが、ねじれの発生を回避する。
【００７３】
πセル液晶デバイスは、第１および第２のアライメント層（１４，１５）の間に配置されたネマチック液晶層（１７）を含み、第１および第２のアライメント層は、印加された電場が０である場合、Ｈ状態のエネルギーがＴ状態のエネルギーよりも小さいＶ状態のエネルギーよりも小さくなるように、プレティルトを提供する。駆動構成要素（１８）は、Ｖ状態のエネルギーがＨ状態およびＴ状態の各々のエネルギーよりも小さい第１の電場、または、Ｈ状態のエネルギーがＶ状態およびＴ状態の各々のエネルギーよりも小さい、第２のより小さな電場を印加することにより、πセルを切り換える。したがって、高い切り換え速度を維持しつつ、Ｔ状態を回避し得る。
【００７４】
【発明の効果】
本発明のπセルデバイスによって、デバイス内でねじれの発生を回避し、高速スイッチングで動作させることが可能である。さらに液晶ディスプレイの輝度および応答速度を向上させ、均一な画像を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】πセルのさまざまな状態を模式的に示す図。
【図２】本発明の実施形態を構成するπセルの断面図。
【図３】空間光変調器における図２のπセルの使用を示す図。
【図４】πセルの状態の安定度を、印加電圧（ボルト）および（対称な）表面プレティルト（°）の関数として示す状態図。
【図５】異なるネマチック液晶材料について図４と同様な状態図。
【図６】図３に示したタイプの、本発明を実施する第１の空間光変調器（ＳＬＭ）についての、光透過と印加電圧との関係を示す図。
【図７】印加電圧が５ボルトから０ボルトに切り換えられた場合の緩和を示す、第１のＳＬＭについての、光透過と時間との関係を示す図。
【図８】図２および図３に示したタイプのディスプレイについての、第１の駆動スキームを示す波形図。
【図９】図８に示したスキームに基づく画素電圧の一例と、得られた画素透過の一例とを示す波形図。
【図１０】図８に示した第１の駆動スキームの変形例を示す第２の駆動スキームを示す波形図。
【図１１】公知のπセルに基づく第２のＳＬＭについての、光透過と印加電圧との関係を示す図６と同様な図。
【図１２】印加電圧を５ボルトから１．０６ボルトに切り換えた場合の、第２のＳＬＭについての、光透過と時間との関係を示す図７と同様な図。
【図１３】公知のキラルドーピングされたデバイスに基づく、第３のＳＬＭについての、光透過と印加電圧との関係を示す図６と同様な図。
【図１４】印加電圧を５ボルトから１．０６ボルトに切り換えた場合の、第３のＳＬＭについての、光透過と時間との関係を示す図７と同様な図。
【図１５】別の公知のπセルに基づく、第４のＳＬＭについての、光透過と印加電圧との図６と同様な関係を示す図。
【図１６】印加電圧を５ボルトから０．７８３ボルトに切り換えた場合の、第４のＳＬＭについての、光透過と時間との関係を示す図７と同様な図。
【図１７】高いプレティルトを有する公知のπセルに基づく、第５のＳＬＭについての、光透過と印加電圧との関係を示す図６と同様な図。
【図１８】印加電圧を５ボルトから０ボルトに切り換えた場合の、第５のＳＬＭについての、光透過と時間との関係を示す図７と同様な図。
【符号の説明】
１０上部基板
１１下部基板
１２上部電極構造体
１３下部電極構造体
１４アライメント層
１６絶縁スペーサボール
１８駆動構成要素

Claims

第１および第２のアライメント層の間に配置されたネマチック液晶材料の層を含むπセル液晶デバイスであって、
印加された電場が０である場合、Ｈ状態のエネルギーがＶ状態およびＴ状態の各々のエネルギーよりも小さくなり、Ｖ状態のエネルギーがＴ状態のエネルギー以下になるように、該第１および第２のアライメント層が、隣接する該液晶材料内にプレティルトを誘起し、前記層の少なくとも１つの領域に、Ｖ状態のエネルギーがＨ状態およびＴ状態の各々のエネルギーよりも小さい第１の電場（Ｖ_B）と、該第１の電場（Ｖ_B）よりも大きさが小さく、且つ、Ｈ状態のエネルギーがＶ状態およびＴ状態の各々のエネルギーよりも小さい第２の電場（Ｖ_W）とを選択的に印加する駆動構成要素を有し、
前記第１の電場（Ｖ _B ）と前記第２の電場（Ｖ _W ）の間の電圧によって、前記層の領域が、Ｔ状態になることなく、Ｖ状態とＨ状態とに切り換わるように、前記プレティルトが設定されていることを特徴とする、πセル液晶デバイス。
印加された電場が０である場合に、前記Ｖ状態の前記エネルギーが、前記Ｔ状態の前記エネルギーよりも小さい、請求項１に記載のπセル液晶デバイス。
前記第２の電場（Ｖ_W）が、実質的にゼロの値を有することを特徴とする、請求項１または２に記載のπセル液晶デバイス。
前記第１および第２の電場（Ｖ_B，Ｖ_W）が、前記少なくとも１つの領域の光学的範囲の第１および第２の極限光学状態を選択することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１つに記載のπセル液晶デバイス。
前記第１および第２の極限光学状態が、前記デバイスに照射される光放射の波長の１／２の奇数倍分だけ互いに異なる、前記少なくとも１つの領域の第１および第２のリターデーションを含むことを特徴とする、請求項４に記載のπセル液晶デバイス。
前記第１および第２のリターデーションが、波長の１／２だけ異なることを特徴とする、請求項５に記載のπセル液晶デバイス。
前記第１および第２の極限光学状態が、それぞれ、最大の減衰および最小の減衰を含むことを特徴とする、請求項４から６のいずれか１つに記載のπセル液晶デバイス。
前記第１および第２の極限光学状態が、それぞれ、最小の減衰および最大の減衰を含むことを特徴とする、請求項４から６のいずれか１つに記載のπセル液晶デバイス。
前記プレティルトが実質的に５０°より小さいことを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載のπセル液晶デバイス。
前記プレティルトが実質的に４８°より小さいことを特徴とする、請求項９に記載のπセル液晶デバイス。
前記プレティルトが実質的に２０°より大きいことを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１つに記載のπセル液晶デバイス。
前記プレティルトが実質的に２６°以上であることを特徴とする、請求項１１に記載のπセル液晶デバイス。
前記プレティルトが実質的に２９°以上であることを特徴とする、請求項１１に記載のπセル液晶デバイス。
前記液晶材料が弾性定数Ｋ１１、Ｋ２２、およびＫ３３を有し、該弾性定数の各々は、室温において５０ｐＮ未満であることを特徴とする、請求項１から１３のいずれか１つの記載のπセル液晶デバイス。
前記デバイスの動作温度範囲内にわたって、前記弾性定数の各々が３０ｐＮ未満であることを特徴とする、請求項１４に記載のπセル液晶デバイス。
前記液晶材料が、実質的に２よりも大きな誘電率を有することを特徴とする、請求項１から１５のいずれか１つに記載のπセル液晶デバイス。
前記液晶材料が、実質的に１５よりも小さな誘電率を有することを特徴とする、請求項１から１６のいずれか１つに記載のπセル液晶デバイス。
前記誘電率が、実質的に１０よりも小さいことを特徴とする、請求項１７に記載のπセル液晶デバイス。