JP4801272B2

JP4801272B2 - 液晶デバイス

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Publication number: JP4801272B2
Application number: JP2001090214A
Authority: JP
Inventors: ステファン・クリストファー・キトソン; エイドリアン・デレク・ゲイソー
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 2000-03-27
Filing date: 2001-03-27
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2021-03-27
Also published as: US7397526B2; DE60128507D1; KR100794889B1; US20090073373A1; DE60128507T2; KR20010090587A; JP2001281660A; US7633596B2; US20010024256A1; EP1139150A1

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、液晶デバイスにおける液晶の配列に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶（ＬＣ）材料は棒状又は細長い葉状の分子であり、その長軸および短軸に沿って異なる光学的性質を有する。これらの分子はある程度の長い範囲にわたって秩序を示し、局所的に見れば近隣の分子と同様の配向をとる傾向がある。これらの分子の長軸の局所的な配向は「ダイレクタ（配向ベクトル）」と呼ばれる。液晶材料には、ネマチック、コレステリック（カイラルネマチック）およびスメクチックの三種類がある。ディスプレイデバイスに使用される液晶では、液晶は通常、「オフ」状態において所定の仕方で配列されねばならなず、また「オン」状態では異なる所定の仕方で配列されねばならない。それによってディスプレイは、それぞれの状態で異なる光学的性質を有するようになる。ホメオトロピック（ダイレクタがセル壁の面に実質的に垂直）とプレーナー（ダイレクタがセル壁の面に実質的に平行に傾いている）というのが、主要な二つの配列である。実際には、プレーナー配列はセル壁の面に対して傾斜しており、この傾きはスイッチングを補助するのに有用でありうる。本発明は、液晶ディスプレイにおける配列に関わるものである。
【０００３】
ハイブリッド配列ネマチック（ＨＡＮ）セル、ホメオトロピック配列ネマチック（ＶＡＮ）セル、ねじれネマチック（ＴＮ）セル、および超ねじれネマチック（ＳＴＮ）セルは、消費財およびその他の製品のディスプレイデバイスに広く使用されている。これらのセルは、間隔を置いて向かい合った一対のセル壁からなり、それらの間にネマチック液晶材料がはさまれる。これらの壁は透明な電極パターンを有し、これらのパターンは間に画素を画定する。
【０００４】
ＴＮ及びＳＴＮディスプレイでは、各々の壁の内側表面が処理されて、ネマチックダイレクタの単一方向性のプレーナー配列を生ずるようにされ、その場合に配列方向は相互に９０°である。こうした配置によって、ネマチックダイレクタはＴＮセル内で４分の１の螺旋を描くことになり、画素が「電界オフ」状態のときには、偏光は９０°回転して導かれる。ＳＴＮセルでは、ネマチック液晶にはカイラルな添加物がドープされて、よりピッチの短い螺旋が生成され、これが「電界オフ」状態において偏光面を回転させる。「電界オフ」状態は、セルが直交した偏光子又は平行な偏光子の何れを通して観察されるかによって、白または黒となる。画素の両端に電圧を印加すると、ネマチックダイレクタはホメオトロピック配列で壁に垂直に配列されるので、偏光面は「電界オン」状態では回転されない。
【０００５】
ＨＡＮセルでは、ネマチック液晶をホメオトロピック配列で配列させるように一方の壁が処理され、他方の壁はプレーナー配列を誘導するように処理されるが、通常はスイッチングを容易にするため幾らかの傾斜角が付与される。液晶は正の誘電率異方性を有し、電場を加えると液晶のダイレクタは壁に直角に配列されるので、セルは複屈折「電界オフ」状態から非複屈折「電界オン」状態へ切り替わる。
【０００６】
ＶＡＮモードでは、負の誘電率異方性のネマチック液晶が「電界オフ」状態ではホメオトロピックに配列されており、「電界オン」状態で複屈折となる。コントラスト向上のためにダイクロイック染料が使用されることもある。
【０００７】
液晶（液晶）のプレーナー配列は通常、液晶セルの内壁上にある薄いポリイミド配列層を単一方向に研磨（ラビング）することによって実現される。これは僅かなプレチルト角の付与された、単一方向の配列を生じさせる。”Pretilt angle control of liquid-crystal alignment by using projections on substrate surfaces for dual-domain TN-LCD” T. Yamamoto et al, J. SID, 4/2, 1996では、ラビングされた配列層に小さな突起を組み入れることによって、ラビングされた表面のプレチルト角を増大させることが提案されている。
【０００８】
デバイスの光学的特性に対して望ましい影響を有するとはいえ、ラビング処理は理想的なものではない。というのは、これは多くの処理ステップを必要とし、また一様なディスプレイ基板を与えるためには、ラビングパラメータの精密な誤差制御が必要とされるからである。さらに、ラビングは配列層の下側にあるアクティブマトリクス素子に対し、静的および機械的な損傷を生じさせうる。ラビングはまた、ディスプレイの製造に対して有害なダストを生成する。
【０００９】
最近、光配列技術が導入さている。それによれば、一定のポリマーコーティングを偏光した紫外線光に曝露すると、プレーナー配列を誘導することができる。これはラビングに伴う問題点の幾つかを回避するが、コーティングは液晶材料に敏感であり、また通常は小さなプレチルト角しか付与しない。
【００１０】
代替手段は、酸化ケイ素（ＳｉＯ）のパターン化された傾斜蒸着を用いて、配列層を形成することである。これはまた、望ましい光応答をもたらす。しかしながらこのプロセスは、真空蒸着およびリソグラフィプロセスが付加されるため、複雑である。さらに、一様性を与えるためにはＳｉＯ蒸着の処理パラメータの制御が極めて重要であるが、これを大きな面積について達成することは、通常は困難である。
【００１１】
液晶の配列に関する方法についての有用な概要は"Alignment of Nematic Liquid Crystals and Their Mixtures", J. Cognard, Mo液晶ryst. Liq. Cryst. 1-78 (1982) Supplement 1に見られる。
【００１２】
表面ミクロ構造を用いて液晶を配列させることは、長年にわたって周知である。例えば"The Alignment of Liquid Crystals by Grooved Surfaces" D. W. Berriman, Mol. Cryst. Liq. Cryst. 23 215-231 (1973)に記述がある。
【００１３】
プレーナー配列のメカニズムには、液晶材料の変形に由来する歪みエネルギーを最小にするために、液晶分子が溝に沿って配列することが含まれると考えられる。かかる溝は、フォトレジストその他の適当な材料で単回折格子を形成することで備えることができる。
【００１４】
ＧＢ２２８６４６７には、感光性ポリマーをレーザから発せられた光の干渉パターンに曝露することによって、セルの少なくとも一方の壁面上にシヌソイド複回折格子（bigrating）を設けることが提案されている。この複回折格子は、液晶分子が、例えば４５°又は９０°離れた、二つの異なるプレーナー角方向に存在することを許容する。非対称な複回折格子構造は、片方または両方の角方向において、傾斜を付与することが可能である。回折格子による配列の他の例は、ＷＯ９６／２４８８０、ＷＯ９７／１４９９０、ＷＯ９９／３４２５１、およびThe liquid crystal alignment properties of photolithographic gratings", J. Cheng and G. D. Boyd, Appl. Phys. Lett. 35(6) 15 September 1979に記述がある。"Mechanically Bistable Liquid-Crystal Display Structures", R. N. Thurston et al, IEEE trans. on Electron Devices, Vol. ED-27 No 11, November 1980には、四角形構造物の周期的アレイによる液晶プレーナー配列が理論付けされている。
【００１５】
液晶のホメオトロピック配列も、制御が難しいプロセスであり、通常はレシチンまたはクロム錯体といった、表面用の化学処理剤が用いられる。これらの化学処理剤は経時的に安定でなく、処理される表面に対して極めて一様には接着しないことがある。ホメオトロピック配列は、特殊なポリイミド樹脂（日本合成ゴム社製）を使用して実現されてきた。これらのポリイミドは高い硬化温度を必要とするが、これはガラス転移温度の低いプラスチック基板にとっては望ましくない。無機酸化物層も、適切な角度で蒸着されればホメオトロピック配列を誘導する。これは真空プロセスを必要とするが、こうしたプロセスはプレーナー配列に関して上述した不具合を被る。ホメオトロピック配列を生成する別の可能性は、ＰＴＦＥなどの表面エネルギーの低い材料を使用することである。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
液晶デバイスのための、より制御可能で、かつ製造可能性のある配列を得ることが望ましい。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは驚くべきことに、ダイレクタの配向が、アレイ又は格子自体ではなく、主としてアレイの表面の特徴（造作）の幾何学的形状によって誘導されることを見出した。これはこの技術分野で今まで前提とされていたことに反する。
【００１８】
しかして本発明の第一の側面によれば、液晶材料の層を囲む第一のセル壁及び第二のセル壁と、液晶材料の少なくとも幾らかに電場を加えるための電極と、液晶ダイレクタに単一の所望の配列を付与する、少なくとも第一のセル壁の内側表面上の表面配列構造からなる液晶デバイスが提供される。この表面配列構造は、直立した特徴（造作）の二次元アレイからなり、これらの特徴は所望の配列を生成する形状及び／又は配向を有するが、表面配列構造がシヌソイド複回折格子からなるデバイスは含まれない。
【００１９】
本発明のほかの側面は、上記デバイスの製造に使用されるセル壁、こうしたセル壁の製造方法、およびデバイスの製造方法を提供することにある。
【００２０】
好ましい実施例では、特徴（造作）は複数の直立したポスト（柱）状のものからなる。またこの特徴は、小丘状、ピラミッド状、ドーム状、壁状、および液晶ダイレクタが特定のディスプレイモードのために所望の配列をとることを可能にする形状及び／又は配向を有する、その他の隆起からなることができる。本発明はこれ以降、便宜上ポストに関して説明する。しかしながら、本発明がこの実施例に限定されないことは理解されよう。ポストは実質的に真っ直ぐな、デバイスの主平面に対して垂直又は傾斜した側面を有することができ、或いはポストは湾曲又は不規則な表面形状又は構成を有していてもよい。例えばポストの断面は、三角形、四角形、円形、楕円形、または多角形であってよい。それぞれのポストは別々の構造物であることが好ましいが、製造プロセスの結果として、隣接するポストが基部において、材料ウエブによって一緒につながっていてもよい。
【００２１】
ポストは液晶ダイレクタを変形させる。この変形はセルを経由して伝播し、全体の配列を画定する。一般にこの配列は、一つ又はより多くの別個の方位角（アジマス）方向において行われ、加えて一つ以上の傾斜値が存在することもある。
【００２２】
方位角配列方向は、ポストの形状によって決定される。四角形のポストでは、こうした方向は二つの対角線沿いに二つある。三角形断面の場合には、三つの方向が存在する。その他の形状では、三つより多く存在することもある。セルに対するポストの配向が、安定な方位角配列方向を固定する。一つより多い安定な方位角方向がある場合には、その一つ又はより多くが、形状を適宜調節することによって好ましく選ばれ、優位なものとなる。例えば、四角形ポストを傾斜させることで、一方の対角線を好ましく選ぶことができる。三角形のポストを適切な方向に傾斜させると、三つの可能な方向のうちの二つが好ましく選ばれうる。
【００２３】
楕円形又は菱形は、一方の軸が他方の軸よりも実質的に長い場合、方位角方向を画定する単一の局所ダイレクタの配向を誘導することがある。同じように、円形のポストを傾斜させると、傾斜方向の配列を誘導しうる。こうした配向は、極めて広範囲のポスト形状によって誘導可能なことが理解されよう。
【００２４】
方位角方向に加えて、ポストはよく知られた傾斜角を誘導しうる。低いポストはプレーナー配列を誘導しやすい。本発明者らはまた、より高いポストは傾斜した配列を誘導する傾向があることを見出した。高く細いポストは表面から離れた大きな傾斜を誘導する傾向があり、その限界では実質的にホメオトロピックな配列となる。このホメオトロピック配列は多くの場合、セル壁の法線を含む平面において、セル壁の法線から離れて、好ましい方位角配列方向に傾きやすい。この傾斜角は、ポストの形状、寸法、および少なくとも一つのポストの壁の方向を適切に調節することで、調整可能である。
【００２５】
中間の高さのポストについて、本発明者らは、傾斜角度は異なるが方位角配列方向が同じである、二つの安定した配列が存在することを見出した。本発明者らはこれを「ポスト配列双安定ネマチック」（ＰＡＢＮ）モードと呼ぶ。
【００２６】
本明細書では、「方位角方向」という用語は次の通りに用いられる。セル壁がＸ、Ｙ平面にあるとして、これらのセル壁に対する法線がＺ軸であるとする。同じ方位角方向の二つの傾斜角とは、同じＸ、Ｚ平面にある二つの異なるダイレクタ配列を意味し、ここでＸはダイレクタのＸ、Ｙ平面上への投影と考える。
【００２７】
少なくとも第一のセル壁上に、複数の直立した高いまたは細いポストを設けることによって、液晶分子は、ダイレクタがポストの局所表面の面に実質的に平行で、且つセル壁の面に対して垂直な状態をとるように誘導される。ポストがより密に充填されると、配列はセル壁の面に対してより垂直となる傾向がある。
【００２８】
ポストがセル壁に垂直で比較的密に充填されていれば、液晶はセル壁の面に９０°で実質的にホメオトロピックに配列される。しかしながら幾つかの用途については、傾きが数度のホメオトロピック配列を達成することが望ましい。これは、相互により離れ、及び／又は垂線から傾いた、高いポストを用いることによって容易に達成できる。ポストがさらに傾斜するにつれて、法線からの液晶の平均傾斜角は増大する。したがって本発明は、任意の好適な傾き角を持つ液晶のホメオトロピック配列を誘導する簡単な方法を提供する。本明細書では「傾斜したホメオトロピック」という用語は、第一のセル壁の面に対して垂直から４５°までの、ゼロでない角度の液晶ダイレクタ配列を参照するために使用される。
【００２９】
適切な寸法および間隔を有するポストを提供することによって、広い範囲の配列方向、すなわちプレーナー型、傾斜型、およびホメオトロピック型の配列方向を容易に達成することができ、したがって本発明の種々の側面を、所望の液晶ディスプレイモードに利用することができる。
【００３０】
ポストの好適な高さは、所望の配列やセルギャップといったファクタに依存する。典型的な高さの範囲は、双安定性配列（セルギャップを３μｍとして）について０．５から５μｍあたり、特に１．０から１．２μｍであり、傾斜したホメオトロピック配列およびホメオトロピック配列についてより高い。
【００３１】
局所的なダイレクタの配向はポストの幾何学的形状によって決定されるので、アレイが規則邸なアレイである必要はない。好ましい実施例では、ポストは規則的な格子ではなく、ランダムまたは疑似ランダムなアレイに配置される。この配置は、規則的な構造の使用に由来する回折色を排除するという利点を有する。こうしたアレイは拡散手段として作用しうるものであり、一部のディスプレイにおける外部拡散手段の必要性を取り除く。もちろん、ディスプレイに回折色が望ましい場合には、アレイは規則的にされ、ポストは所望の干渉効果を生ずるような間隔で配置される。このように、必要な配列を与え、またテクスチャのある表面からもたらされる光学効果を緩和または増強するように、構造を個別に最適化することができる。
【００３２】
好ましい実施例では、直立した特徴はフォトレジスト材料またはプラスチック材料から形成される。
【００３３】
ポストは任意の適切な手段によって形成できる。例えばフォトリソグラフィ、エンボス加工、鋳造、射出成形、或いはキャリヤ層からの転写などである。プラスチック材料のエンボス加工は、ポストを簡単に、かつ低コストで形成可能にするため望ましい。適切なプラスチック材料は当業者に周知のところであり、例えばポリメチルメタクリレートである。
【００３４】
フォトレジストを露光する場合には、フォトレジスト材料の屈折率を考慮するために、所望の角度に対して既知のようにスネルの法則によって関連付けられた角度でもって、適切なマスクを通じてフォトレジストを光源に曝露することにより、所望のポスト傾斜角を容易に達成することができる。
【００３５】
ポストの好ましい高さは、セルの厚み、ポストの太さおよび数、液晶材料などのファクタに依存する。ホメオトロピック配列については、ポストは少なくとも、平均ポスト間隔に等しい垂直高さを有することが好ましい。ポストは、全部又は幾つかがセル全体にわたっていてもよく、それによってスペーサとしても機能する。
【００３６】
一つの電極構造（通常はインジウムスズ酸化物などの透明な導体である）が、周知の仕方でそれぞれのセル壁の内側表面上に設けられることが好ましい。例えば、第一のセル壁に複数の「行」電極を設け、第二のセル壁に複数の「列」電極を設けることができる。しかしながら、幾つかのディスプレイモードでは、一方の壁、好ましくは第一のセル壁の上だけに、平坦な（インターデジタル即ち櫛形の）電極構造を設けることも可能である。
【００３７】
セル壁は、１５μｍ未満のセルギャップ、とりわけ５μｍ未満のギャップによって、相互に離間されていることが好ましい。
【００３８】
第二のセル壁の内側表面は低い表面エネルギーを持つようにすることができ、それによって任意の特定の配列型を生ずる傾向を殆ど又は全く示さないようにし、かくしてダイレクタの配列が基本的に、第一のセル壁上の特徴によって決定されるようにしうる。しかしながら、第二のセル壁の内側表面には、局所ダイレクタの所望される配列を誘導する表面配向が設けられることが好ましい。この配列はホメオトロピック、プレーナー、或いは傾斜配列であってよい。この配列は、適切な形状及び／又は配向の特徴のアレイによって、或いはラビング、光配列、単回折格子などの在来の手段によって、或いはホメオトロピック配列を誘導する剤で壁表面を処理することによって設けることができる。
【００３９】
プレーナー配列および傾斜配列については、特徴の形状は好ましくは、この特徴に隣接する一つの方位角ダイレクタ配向だけを好ましく選ぶようなものとされる。この配向はそれぞれの特徴について同じであってもよく、或いは配向を特徴ごとに異ならせて、二つの状態のうちの一方で散乱効果が付与されるようにしてもよい。
【００４０】
代替的に、特徴の形状は、複数の安定した方位角ダイレクタ配向をもたらすようなものであってもよい。かかる配列は、双安定性ねじれネマチック（ＢＴＮ）モードなどのディスプレイモードに有用である。これらの方位角ダイレクタ配列は、エネルギーが実質的に等しいものでもよく（例えば、垂直な等辺三角形のポストはエネルギーの等しい三つの方位角配列のダイレクタを与える）、或いは一つまたはより多くの配列ダイレクタが異なるエネルギーを有し、一つ又はより多くの低エネルギー配列が好ましく選ばれるとしても、少なくとも一つの他の安定な方位角配列が得られるようにしてもよい。こうした配列は、僅かな長さだけ異なる二本の主軸を持つ形状のポスト、例えば凧状に歪んだ四角形、或いは円に近い楕円から得ることができる。代替的にはこうした配列は、ポストの断面の主軸が格子の軸に正確に揃って配向されておらず、又は格子の軸に対して４５°をなしておらず、むしろ何らかの中間の角度にあるため、格子の僅かな配向効果によって一つの方位角配列が他より好ましく選ばれ、しかしエネルギー差が比較的小さいためいずれの方位角方向に沿っても安定なダイレクタ配列が可能であるような、規則的な格子上にあるポスト（例えば四角形のポスト）の配列から得ることができる。
【００４１】
液晶デバイスは典型的にはディスプレイデバイスとして用いられ、スイッチされた状態とスイッチされていない状態を識別する手段、例えば偏光子またはダイクロイック染料が備えられる。
【００４２】
セル壁は、ガラスなどの非可撓性材料、或いは、例えばポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの、液晶ディスプレイ製造技術の当業者に周知の剛性または可撓性プラスチックから形成できる。
【００４３】
多くのディスプレイについて、視野全体にわたって均一な配列を得ることが望ましい。こうしたディスプレイでは、ポストは全て実質的に同じ形状、寸法、配向および傾斜角でよい。しかしながら、配列の変化が望ましい場合、これらのファクタまたはその何れかを、所望の効果を生ずるように変えることができる。例えば、異なる配列方向が望ましい場合、ポストは異なる領域で違う配列を有することができる。４分割されたサブピクセルを有するＴＮセルは、こうした異なる配向を必要とするディスプレイモードの一例である。ポストの寸法が変わると、液晶との相互作用の強さが変化し、グレースケールを与えることができる。同様にして、ポストの形状変化は、液晶との相互作用の強さを変化させる。
【００４４】
任意選択的に、特徴を両方の壁上に設けて、両方の壁の領域で所望の局所的ダイレクタ配列をもたらすことができる。それぞれの壁上に異なる特徴を備えさせることもでき、所望の配列に応じて、特徴をそれぞれの壁の異なる領域で個別に変化させることもできる。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下では添付図面を参照して、本発明を例に基づいてさらに説明する。
【００４６】
図２に概略的に示した双安定ネマチックセルは、第一のセル壁２と第二のセル壁４とを含み、これらは負の誘電率異方性を有するネマチック液晶材料層を挟んでいる。液晶分子は楕円で表してあり、その長軸が局所ダイレクタを示す。それぞれのセル壁の内側表面には、透明な電極パターン、例えば第一のセル壁２上の行電極１２および第二のセル壁４上の列電極１４が、周知の仕方で設けられている。
【００４７】
第一のセル壁２の内側表面は、四角形ポスト１０の規則的なアレイでテクスチャ化されており、第二のセル壁４の内側表面は平坦である。ポスト１０は約１μｍの高さであり、セルギャップは典型的には３μｍである。平坦な表面は処理され、ホメオトロピック配列を付与するようにされる。ポストにはホメオトロピック的な処理はされていない。
【００４８】
四角形ポストのかかるアレイは、ポストの二つの対角線沿いに、好ましい二つの方位角配列を有する。図１は、周囲に歪んだ液晶を備えたポストを通じてとった断面を、一つの角から対角線方向に反対側にある角にまでわたって示す。ポストの周囲のこの配列は、次に、ポスト上方の液晶の配列の種となる傾向があり、かくして平均的な配列もこの対角方向に沿うことになる。
【００４９】
ポストを一方の対角線沿いに傾けることによって（図２）、その配列方向を好ましく選ぶことが可能である。本発明者らはこの幾何学的形状のコンピュータシミュレーションを通じて、方位角配列方向は一つしか存在しないものの、実際にはエネルギーが同じ程度で、液晶がどの位傾いているかが異なる二つの状態が存在することを見出した。図２はその二つの状態の概略図である。一方の状態（図２の左側に示す）では液晶は大きく傾いており、他方の状態では液晶はポストの周囲で平面状をなしている。液晶配向の正確な性質は構造の詳細によるが、ある範囲のパラメータに関しては、傾きが異なる二つの別個の状態が存在する。これら二つの状態は、偏光子８および検光子６を介して見ることで識別できる。傾斜が小さな状態は高い複屈折を示し、傾斜が大きな状態は小さな複屈折を示す。
【００５０】
本発明の範囲を如何なる形でも制限するものではないが、本発明者らの考察によれば、これら二つの状態は、液晶がポストによって変形される仕方によって生ずるものであろう。ポスト周囲における流れは、方向が鋭く変化するポストの前縁および後縁部分で、エネルギー密度の高い領域を生じさせる。これは図１において、ポストの下側左と上側右の角に見ることができる。このエネルギー密度は液晶分子が傾いていると減少するが、これは厳しい方向変化が少なくなるためである。このことは、セル全体にわたって分子がホメオトロピックでいられる限界のところで明らかである。その場合、ポストの縁部に歪みの大きな領域は存在しない。したがって、傾きが大きな状態ではこの歪みエネルギーは減少するが、ポストの基部におけるより大きな曲げ／スプレー変形エネルギーという犠牲が払われる。ポスト間の平坦な表面と接触している液晶は傾いていないが、ポストの周囲で傾きを取り入れていくにつれて、鋭い方向変化を受ける。
【００５１】
傾きが小さな状態では、エネルギーは反対の意味でバランスしている。すなわちポストの前縁および後縁部分の周囲での大きな変形は、ポストの周囲で傾きが一様であるためポスト基部において曲げ／スプレー変形がないことによって、部分的にバランスされている。本発明者らによるコンピュータシミュレーションが示唆するところでは、現在の構成では、傾きが大きな状態ほどエネルギー状態は低い。
【００５２】
このことは、コンピュータシミュレーションの結果と実際のセルによって裏付けられる。直交した偏光子の間の適当な角度から見ると、セルは常に、二つの状態のうち暗い方に落ち着く。図２からは、傾きが大きな状態が小さな複屈折を有し、したがって傾きが小さな状態よりも暗く表れることが分かる。傾きの大きな状態における傾斜の正確な量は、液晶材料の弾性定数およびポスト材料の平面定着エネルギーの関数である。
【００５３】
さて図３を参照すると、四角形のポストの周囲における液晶配列に関するコンピュータ生成モデルが図示されている。これは図２に示したものと同様であるが、第二のセル壁の内側表面は、プレーナー配列を与えるように処理されている。
図３の左側に示された状態では、局所ダイレクタは大きく傾いており、他方では局所ダイレクタはポストの周囲で平坦である。図２に示したセルと同様に、これら二つの状態の間のスイッチングは、適切な電気信号を印加することによって行なわれる。
【００５４】
図４は本発明の代替的な実施例に関するポストの疑似ランダムアレイを示し、これは相互干渉作用のない双安定配列を与える。それぞれの四角形ポストは約０．８×０．８μｍであり、疑似ランダムアレイは５６μｍの繰り返し距離を有する。
【００５５】
【実施例】
セルの製造
インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）で被覆した清浄なガラス基板２を使用し、在来のリソグラフィと湿式エッチング手順を用いて、電極パターン１２を形成した。この基板を適切なフォトレジスト（Shipley社製S1813）で、１．３μｍの最終厚みまでスピンコートした。
【００５６】
適切な寸法の四角形の不透明領域のアレイを四角形のアレイでもって備えたフォトマスク（Compugraphics International PLC社製）を基板に堅固に接触させ、適切なＵＶ源を用いてフォトレジストを〜１００ｍＷ／ｃｍ²で１０秒間露光した。脱イオン水で１：１に稀釈したMicroposit Developerを用いて基板を約２０秒間現像し、洗浄し乾燥した。この基板を３６５ｎｍのＵＶ源を用いて３０ｍＷ／ｃｍ²で３分間投光露光し、８５℃で１２時間焼き固めた。次いで２５４ｍｎのＵＶ源を用いて基板を〜５０ｍＷ／ｃｍ²で１時間、強く紫外線硬化した。セルの壁面に対する垂直に対してオフセットした角度でもって、ＵＶ源を用いマスクを通して露光することによって、傾いたポストを生成できた。この傾斜角（またはブレーズ角）はオフセット角度に対し、スネルの法則によって関連している。現像液への曝露もまた、ポストの形状に影響を与える。
【００５７】
電極パターン１４を備えた第二の清浄なＩＴＯ基板４を使用して、ステアリルカルボキシクロム錯体を用い、周知の仕方で処理することによって、液晶にホメオトロピック配列をもたらした。
【００５８】
紫外線硬化接着剤（Norland Optical Adhesives社製N73）中に含まれた適切なスペーサビーズ（Micropearl）を基板２、４の周辺周囲に用い、これらの基板を一緒にし、３６５ｎｍのＵＶ源を用いて硬化することによって、実験用の液晶セルを形成した。このセルにネマチック液晶混合物（Merck社製ZLI 4788-000）を毛管充填した。液晶セルのスペーシング、アセンブリおよび充填方法は、液晶ディスプレイ製造技術の当業者には周知であり、そうした在来の方法もまた、本発明によるデバイスのスペーシング、アセンブリおよび充填に使用可能である。
実験結果
図５および図６は、直交した偏光子の間から観察し、４２．５℃で記録した双安定セルのスイッチング応答を示す。セルは次の特性を有していた。
スペーシング：３μｍ
ポスト高さ：１．４μｍ
ポスト間のギャップ：０．７μｍ
オフセット角：１２°
液晶：３％のＮ６５（Norland社製）でドープしたＺＬＩ４７８８−０００（Merck社製）
界面活性剤オリゴマーを液晶に少量添加すると、スイッチングが改良されることが判明した。在来の液晶デバイスにおけるスイッチングは、液晶に少量の界面活性剤オリゴマーを添加すると改善されることが分かっている。例えば、G P Bryan-Brown, E L Wood and I C Sage, Nature Vol. 399 p.338 (1999)を参照されたい。本発明者らは液晶をＮ６５紫外線硬化型接着剤（Norland社製）でドープし、等方性相にある間に硬化した。ドープされた液晶を次にマスフィルターにかけて、鎖長の長いものを除去した。本発明者らは、液晶への３重量％のＮ６５のドープが最適であることを見出した。
【００５９】
直流バランスされた単極パルスをセルに印加し、透過率に及ぼす影響を記録した。各試験パルスは振幅Ｖ、持続時間τであり、その次に振幅はＶの約５％であるが持続時間が２０倍の、極性が反対の別のパルスが続く。この第二のパルスはスイッチングを生ずるには小さすぎるが、多くの試験パルスが加えられた後に、セルに電荷が蓄積することを防止した。図５および図６は、透過率の変化をパルス長および振幅の関数として示す。図５は高エネルギー状態から低エネルギー状態へのスイッチングの結果を示し、図６は反対方向のスイッチングの結果を示す。黒い部分は透過率が変化してセルがスイッチングされたことを示す。白い部分は透過率に変化がなくスイッチングが起きなかったことを示す。
【００６０】
高エネルギー状態から低エネルギー状態へのスイッチングは一般に符号と無関係であるが、このことは、この方向におけるスイッチングが誘電率異方性を介して行なわれていることを示す。別の方向におけるスイッチングには符号依存性があり、このスイッチングが線形電子光学効果によって媒介されていることが示される。
【００６１】
本発明者らの考えるところでは、これは恐らく撓電（flexoelectric）効果である。図５では、非スイッチング域は図６のスイッチング域と一致する。これは、高エネルギー状態から低エネルギー状態へのスイッチングが撓電効果によって妨害されることを示唆する。
【００６２】
本発明者らは一連のさらなる実験で、デバイスのスイッチング特性を最適化する方向で、セルのパラメータを変化させた。好適なセル構造は、セルギャップ３μｍ、ポスト寸法１μｍ、ポストの一方の対角線に沿ったオフセット角５°、Ｓ１８１３のコーティング１．１μｍ、及びＮ６５の初期濃度３％というものである。
ポストアレイのＳＥＭによる考察
適切な四角形パターンのマスクを用いて形成した実験的ポストアレイのＳＥＭ像を図７から図１０に示す。図７および図８のポストは０．７μｍの四角形不透明領域と、９０％のＳ１８１３と、５°のオフセット角を用いて形成した。よく見れば０．７μｍの「四角形」ポストは完全な四角ではなく、かなり丸い上部を持っていることに気づくであろう。これらのポストの基部は、ポストの上部よりも丸みはずっと少ない。このことは、この丸みが現像過程に起因するということと矛盾しない。ポストの上部は基部よりも長時間、現像液に曝される。したがって、上部はより侵されやすい。ポストを構成する未曝露のレジストであっても、レジストに幾らかの限られた溶解性を有するので、これによって角などの鋭い特徴（造作）が最初に侵される。大きなポストほどより丸みは少ない。例えば図９は幾つかの２μｍのポストを示す。
【００６３】
図７および図８で特に明白な他の特徴は、ポストの側面の波打ちである。これは基板から反射された光の干渉に起因すると考えられる。というのは、これらのポストアレイは４４２ｎｍのレーザビームで露光されているからである。この影響は、コヒーレントでない、多波長を放射するＵＶランプを用いるマスクアライナで露光した回折格子では殆ど明らかでなく、干渉の影響は減少される。これらの波打ちは、スイッチングに影響を与えるとは思われない。
【００６４】
ＳＥＭ像から見られる別の興味ある特徴は、最もブレーズされたポストでさえも、張り出しがないことである。例えば図１０は、３０度で露光された、顕著な張り出しのない０．７μｍのポストを示している。この場合も、張り出しは現像液に極めて侵されやすいものであると考えられる。
丸められたポストについてのコンピュータシミュレーション
本発明者らは、図７および図８の丸くなった０．７μｍポストに極めて類似するコンピュータモデルを作成した。これらのポストは先のシミュレーションで用いた理想的な四角形ポストからは程遠いが、これらのより現実的なポストは依然として同様の、ブレーズされた対角線沿いに配列された、二つの異なる大きさの傾きをもつ状態を与える。これら二つの状態のエネルギーは先の場合よりも僅かに低いが、傾いた状態は依然として最低のエネルギーをもつ。ポストに鋭い縁が存在することは本質的ではないと思われる。これら二つの状態は（既に考察したように）、液晶がポスト周囲で歪ませられる仕方のために発生すると考えられる。これは、ポストの断面がどのような形状であっても正しいと思われる。円筒形のポストであっても、同じ二つの方位角配列をもたらすはずである。しかしながら円筒状の対称性がある場合は、液晶の方位角配列を固定するものがなく、全ての方向で縮重が生じうる。ポストは、この縮重性を向上させる何らかの非対称性を必要とする。これは例えば、少量のブレーズを有する楕円形、菱形、または四角形の断面である。
ポストによるホメオトロピック配列のコンピュータシミュレーション
本発明者らは、ポストによるホメオトロピック配列について、幾つかのコンピュータシミュレーションを行なった。一つの基板上には３００ｎｍにわたるアレイをなす四角形ポストを用いて３μｍの厚みのセルをモデル化し、他方の基板は平坦であるが強いプレーナー配列を与える材料としてモデル化した。本発明者らは種々のポストの高さとスペーシングをモデル化し、いつ液晶がポストの周囲でホメオトロピック配列をとるかを見た。図１１は、下部基板上で約１．８μｍの高さの単一のポストを含む領域についての、コンピュータシミュレーションした側面図を示す。ポスト周囲では液晶は強く傾いているが、ポストの上では上部基板との相互作用にために配列はより平坦である。
【００６５】
本発明者らはコンピュータシミュレーションで、ポストの高さが０．２から２．６μｍまで変化する影響を、ポスト間のギャップを０．６から１．２μｍまで変化させてモデル化した。ポストの高さが増加するにつれて、配列は単なるプレーナーから、プレーナー状態とより傾いた状態の間の双安定状態、或いは多安定状態へと進む。さらにポストの高さが増加すると、プレーナー状態は過度に高いエネルギーとなり、極めて大きな傾きのホメオトロピック状態だけが存在する。この知見は、ポストの高さが平均のポストスペーシングと大体等しいときにホメオトロピック配列が始まることを示す。この効果は、断面が極めて小さなポストに至るまで同様に生ずると期待される。ホメオトロピック配列に関してポスト断面に予想される上限は、ポスト幅がセルギャップのオーダとなる時点にある。
【００６６】
図１２は、等辺三角形の断面形状を有するポスト周囲における液晶配列のコンピュータ生成モデルを示す。このモデルは、図示のものが四角なアレイをなす四角形のユニットセルであることを想定している。四角形のそれぞれの辺は、約１．５μｍの長さである。ポストはアスペクト比が約１：１の、比較的薄いものとしてモデル化されている。それぞれの三角形の二等分線は、四角なアレイの側部と平行な軸に対して２０°をなして配列されている。液晶の局所ダイレクタは図１２Ａ−Ｃに例示したように、三つの方位角配列の一つをとることができる。
【００６７】
液晶のダイレクタの配向は主としてポストの形状および配向によって決定されることは、図１３に最もよく示されている。この図は、図１２と同じ寸法の四角形アレイをなす、四角形のユニットセルを示す。ポストは断面が楕円形である。図１３Ａでは、楕円の長軸はアレイの軸の一つに平行であるようにモデル化されている。図１３Ｂ−Ｄはそれぞれ、１５°、３０°および４０°にわたるポストの回転が、液晶ダイレクタの配向にどのような影響を与えるかを示している。図１３Ａでは、ダイレクタは楕円の長軸、およびアレイの軸と整合している。ポストを徐々に回転させると、液晶ダイレクタも徐々に回転するようにされるが、アレイからの幾らかの弱い配列作用が、１５°および３０°のポスト配列について見られる。ダイレクタの配列は主として、ポストの形状と配向によって決定される。例えば図４に示すようにポストを疑似ランダムアレイに配置することによって、アレイからの影響は全て除去することができる。
【００６８】
図１４から図１８は、本発明の代替的な実施例によるデバイスのポストの斜視図を示す。図１４では、楕円形のポストが規則的なアレイに配置されている。これらのポストは全て同じ高さであり、長軸が互いに平行となるように配置されている。アスペクト比に応じて、これは単一の方位角方向を有する一様なダイレクタ配列を生ずる。ポストは高さに応じて、一様なプレーナー配列、双安定性または多安定性配列（プレーナー又は傾斜）、或いはホメオトロピック配列（傾斜していることもある）のいずれかを生じる。図１５のポストは同様であるがランダム配列であり、干渉の影響を実質的に排除する。これらのポストは図２０に示すように不均一な断面のこともあり、或いは例えば図１９に示すように張り出しを有することもある。図１６ではポストは規則的なアレイをなすが、異なる領域で違う高さを有する。これはポストが高い領域では大きな傾きをもたらし、したがって異なる光学的効果をもたらす。例えばＨＡＮディスプレイモードでは、より傾斜の大きい配列はより低い電圧でスイッチングされる。図１７では、楕円形のポストがランダムに配向されており、ネマチックダイレクタについて、長い範囲にわたり強く好まれる配向が存在しないという配列構造をもたらす。この構造、およびこれに似た他の構造は、散乱モードのディスプレイにおける正の誘電率異方性のある液晶材料についての使用が見込まれる。図１８は、異なる領域で制御された配列をもたらし、またグレースケールなどの異なる効果をもたらすために使用される、複数の異なる形状および寸法のポストの配置を示す。図１９のポストは、ディスプレイの異なる領域で異なる角度で傾いており、それによって液晶配列に異なる傾斜角を生じさせ、また例えばＨＡＮモードでグレースケールを生じさせる可能性を生み出す。
【００６９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、液晶デバイスのための、より制御可能で、かつ製造可能性のある配列が、主としてアレイの表面の特徴（造作）の幾何学的形状を調節することによって誘導される。これによって種々の型の配列を容易に得ることができる。
【００７０】
以下、本発明の種々の実施態様を例示的に示すが、これらは本発明を限定するものではない。
１．液晶材料の層を囲む第一のセル壁及び第二のセル壁と、液晶材料の少なくとも幾らかに電場を加えるための電極と、液晶ダイレクタに単一の所望の配列を付与する、少なくとも第一のセル壁の内側表面上の表面配列構造とからなる液晶デバイスであって、
前記表面配列構造が直立した特徴（造作）の二次元アレイからなり、この特徴が所望の配列を生成する形状及び／又は配向を有するが、前記表面配列構造がシヌソイド複回折格子からなるデバイスを含まない、液晶デバイス。
２．前記特徴が０．５から５μｍの範囲の高さを有する、上記１に記載のデバイス。
３．前記特徴が１．０から１．２μｍの範囲の高さを有する、上記１に記載のデバイス。
４．前記特徴の側壁の少なくとも一部が第一のセル壁の面の法線に対して傾いている、上記１に記載のデバイス。
５．前記特徴の各々が０．２から３μｍの範囲の幅を有する、上記１に記載のデバイス。
６．前記特徴が相互に０．１から５μｍ離れている、上記１に記載のデバイス。
７．前記液晶材料が界面活性剤を含む、上記１に記載のデバイス。
８．前記特徴がフォトレジスト材料またはプラスチック材料から形成される、上記１に記載のデバイス。
９．前記特徴がデバイスの異なる領域において、異なる高さ、異なる形状、異なる傾斜、及び／又は異なる配向を有する、上記１に記載のデバイス。
１０．前記直立した特徴がフォトレジス材料またはプラスチック材料から形成される、上記１に記載のデバイス。
１１．上記１に記載の液晶デバイスの製造に使用されるセル壁であって、壁と、液晶材料のダイレクタに所望の単一の配列を付与するための、その一方の表面上の配列構造とを含み、この配列構造が直立した特徴（造作）の二次元アレイからなり、この特徴が所望の配列を生成する形状及び／又は配向を有するが、前記表面配列構造がシヌソイド複回折格子からなるセル壁を含まない、セル壁。
１２．壁の表面にフォトレジスト材料を適用し、適用されたフォトレジスト材料を適切にパターニングされたマスクを通して適切な光源に曝露し、可溶性フォトレジストを除去し、及び曝露されたフォトレジスト材料を硬化して前記壁上に配列特徴の二次元アレイを生成することからなり、シヌソイド複回折格子を生成する方法を含まない、上記１１に記載のセル壁の製造方法。
１３．壁の表面にプラスチック材料を適用し、配列特徴の二次元アレイをプラスチック材料にエンボス加工することからなり、シヌソイド複回折格子を生成する方法を含まない、上記１１に記載のセル壁の製造方法。
１４．離間したセル壁を有するセルを生じるように上記１３に記載の第一のセル壁を第二のセル壁に対して固定し、このセルを液晶材料で充填し、当該セルをシールすることからなり、デバイスが液晶材料の少なくとも一部に電場を加えるための電極構造を有するように、セル壁の一方または両方がその上に少なくとも一つの電極構造を有してなる、上記１に記載の液晶デバイスの製造方法。
１５．液晶材料の層を囲む第一のセル壁及び第二のセル壁と、液晶材料の少なくとも幾らかに電場を加えるための電極と、液晶ダイレクタに所望のホメオトロピック又は傾斜ホメオトロピック配列を付与する、少なくとも第一のセル壁の内側表面上の表面配列構造とからなる液晶デバイスであって、
前記表面配列構造が所望の配列を生成する形状及び／又は配向を有する直立した特徴（造作）のアレイからなる、液晶デバイス。
１６．前記特徴の高さが前記特徴の間の平均スペーシングに少なくとも等しい、上記１５に記載のデバイス。
１７．前記特徴の側壁の少なくとも一部が第一のセル壁の面の法線に対して傾いている、上記１５に記載のデバイス。
１８．液晶材料の層を囲む第一のセル壁及び第二のセル壁と、液晶材料の少なくとも幾らかに電場を加えるための電極と、単一の方位角方向において液晶ダイレクタに所望の配列を付与する、少なくとも第一のセル壁の内側表面上の表面配列構造とからなる液晶デバイスであって、
前記表面配列構造が所望の配列を生成する形状及び／又は配向を有する直立したポストのアレイからなる、液晶デバイス。
１９．前記ポストが第一のセル壁の面の法線に対して傾いている、上記１８に記載のデバイス。
２０．前記ポストの各々が別々の構造物である、上記１８に記載のデバイス。
２１．液晶材料の層を囲む第一のセル壁及び第二のセル壁と、液晶材料の少なくとも幾らかに電場を加えるための電極と、複数の方位角方向において液晶ダイレクタに所望の配列を付与する、少なくとも第一のセル壁の内側表面上の表面配列構造とからなる液晶デバイスであって、
前記表面配列構造が所望の配列を生成する形状及び／又は配向を有する特徴（造作）のアレイからなり、前記液晶材料の歪みエネルギーが前記方位角方向の全てについて同じでない、液晶デバイス。
２２．液晶材料の層を囲む第一のセル壁及び第二のセル壁と、液晶材料の少なくとも幾らかに電場を加えるための電極と、少なくとも三つの方位角方向において液晶ダイレクタに所望の配列を付与する、少なくとも第一のセル壁の内側表面上の表面配列構造とからなる液晶デバイスであって、
前記表面配列構造が所望の配列を生成する形状及び／又は配向を有する特徴（造作）のアレイからなる、液晶デバイス。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による単一のポストおよび周囲の液晶を介してとった概略断面図である。この断面はＸ、Ｙ平面にあり、楕円は局所ダイレクタに対応する長軸を持つ液晶分子を表わす。
【図２】本発明による一実施例の双安定ネマチックデバイスの単一のポストと周囲の液晶を、ポストの一方の対角線を介してとった、異なる状態にある概略断面図を示す。
【図３】本発明による別の実施例の双安定ネマチックデバイスの単一のポストと周囲の液晶を、ポストの一方の対角線を介してとった、異なる状態にある概略断面図を示す。
【図４】疑似ランダムアレイのポストを有する、本発明によるデバイスのユニットセルの平面図である。
【図５】本発明の一実施例による実験用セルの透過率の変化を、パルス長および振幅の関数として、二つの状態間のスイッチングに関して示す。
【図６】本発明の一実施例による実験用セルの透過率の変化を、パルス長および振幅の関数として、二つの状態間のスイッチングに関して示す。
【図７】本発明による液晶デバイス製造に用にられたポストのアレイのＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図８】本発明による液晶デバイス製造に用にられたポストのアレイのＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図９】本発明による液晶デバイス製造に用にられたポストのアレイのＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図１０】本発明による液晶デバイス製造に用にられたポストのアレイのＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図１１】本発明のさらなる実施例によるデバイスのポストの側面に平行で近接した、セル壁に垂直な断面図である。
【図１２】三角形ポストについての、図１と同様の概略断面図である。
【図１３】楕円形ポストについての、図１と同様の概略断面図である。
【図１４】本発明のさらなる実施例によるデバイスの、異なる特徴のアレイを示す図である。
【図１５】本発明のさらなる実施例によるデバイスの、異なる特徴のアレイを示す図である。
【図１６】本発明のさらなる実施例によるデバイスの、異なる特徴のアレイを示す図である。
【図１７】本発明のさらなる実施例によるデバイスの、異なる特徴のアレイを示す図である。
【図１８】本発明のさらなる実施例によるデバイスの、異なる特徴のアレイを示す図である。
【図１９】本発明のさらなる実施例によるデバイスの、異なる特徴のアレイを示す図である。
【図２０】本発明のさらなる実施例によるデバイスの、異なる特徴のアレイを示す図である。
【符号の説明】
２第一のセル壁
４第二のセル壁
６検光子
８偏光子
１０四角形のポスト
１２行電極
１４列電極

Claims

液晶材料の層を囲む第一のセル壁及び第二のセル壁と、液晶材料の少なくとも幾らかに電場を加えるための電極と、少なくとも第一のセル壁の内側表面上の表面配列構造とからなる液晶デバイスであって、
前記表面配列構造は、前記第一のセル壁の表面の法線に対して傾きを有する三角形又は四角形のポストの二次元アレイからなる、液晶デバイス。
前記ポストが、０．５から５μｍの範囲の高さを有する、請求項１に記載のデバイス。
前記ポストが、１．０から１．２μｍの範囲の高さを有する、請求項１に記載のデバイス。
前記ポストの各々が、０．２から３μｍの範囲の幅を有する、請求項１に記載のデバイス。
前記ポストが、相互に０．１から５μｍ離れている、請求項１に記載のデバイス。
前記液晶材料が、界面活性剤を含む、請求項１に記載のデバイス。
前記ポストが、フォトレジスト材料またはプラスチック材料から形成される、請求項１に記載のデバイス。
前記ポストが、デバイスの異なる領域において、異なる高さ、異なる形状、異なる傾斜、及び／又は異なる配向を有する、請求項１に記載のデバイス。
請求項１に記載の液晶デバイスの製造に使用されるセル壁であって、壁と、前記壁の表面の法線に対して傾きを有する三角形又は四角形のポストの二次元アレイとを含む、セル壁。
壁の表面にフォトレジスト材料を適用し、適用されたフォトレジスト材料を適切にパターニングされたマスクを通して適切な光源に曝露し、可溶性フォトレジストを除去し、及び曝露されたフォトレジスト材料を硬化して前記壁上に三角形又は四角形のポストの二次元アレイを生成することからなる、請求項９に記載のセル壁の製造方法。
壁の表面にプラスチック材料を適用し、三角形又は四角形のポストの二次元アレイを前記プラスチック材料にエンボス加工することからなる、請求項９に記載のセル壁の製造方法。
離間したセル壁を有するセルを生じるように請求項１１に記載の製造方法に従って作成された第一のセル壁を第二のセル壁に対して固定し、このセルに液晶材料を充填し、当該セルをシールすることからなり、デバイスが液晶材料の少なくとも一部に電場を加えるための電極構造を有するように、前記セル壁の一方または両方がその上に少なくとも一つの電極構造を有してなる、請求項１に記載の液晶デバイスの製造方法。