JP5165228B2

JP5165228B2 - ディスプレイ用の、書き換え可能な、光学的入力により光配向された液晶素子

Info

Publication number: JP5165228B2
Application number: JP2006298136A
Authority: JP
Inventors: ブラディミアー・グリゴリエビッチ・チグリノフ; ホイ−シン・コク; アナトリ・アレキサンドロビッチ・ムラウスキ; シーフア・リー
Original assignee: Hong Kong University of Science and Technology HKUST; DIC Corp
Current assignee: Hong Kong University of Science and Technology HKUST; DIC Corp
Priority date: 2005-11-01
Filing date: 2006-11-01
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2026-11-01
Also published as: JP2007148396A

Description

ディスプレイ用の、書き換え可能な、光学的入力により光配向された液晶素子

ディスプレイは、大きな、なお急速に発展している市場である。２００２年には、世界的なディスプレイ市場の大きさは６００億米ドルであった。２００３年には、中国のディスプレイ市場の大きさは、８２４億人民元である。フラットパネルディスプレイは重要であり、かつ、ディスプレイ工業の中心的分野にすぐになるであろう。

香港では、１２００万枚のオクトパスカードが現在流通している。世界中では、団体ブランドのクレジットカード、共同使用クレジットカード、ストアカード等々を含めた無数のカードが存在する。さらに、オクトパスカード又はクレジットカード上への情報の表示が非常に望まれている。我々の発明は、クレジットカードおよびオクトパスカードの表示を直接にターゲットにしている。

液晶ディスプレイは、現在、最も普及しているフラットパネルディスプレイ製品である。液晶セルの配列からなるそのようなディスプレイは、その状態が２つの電極間の電位差の適用によって切り替わることができる。ほとんどの液晶素子は、電場の不存在下で唯一の可能な状態をもち、単安定性である。それらは永続的な電圧印加と頻繁な画像更新とを必要とする。このことはエネルギー消費を増大させ、固有のピクセルメモリーをもたない。高度な多重化レベルを得るためには、アクティブマトリクス又はその他の外部記憶要素を必要とする。

いくつかの応用、例えば、電子ペーパーおよびクレジットカードディスプレイのためには、同一の情報がそのデバイス中に数秒から数日、さらには数年の範囲にわたり、長時間記憶されている必要がある。これらの応用は頻繁な更新を必要としない。そのような場合には、より少ない電力消費とより高いコントラスト比がより重要である。

本発明は、柔軟基材上および剛性基材上の両方の、書き換え可能な、光学的に入力された液晶素子分野に関する。現在の双安定液晶ディスプレイおよび従来の光学書き込み技術と比較して、本発明は書き換え可能な素子の新しい原理を開示するものであり、それはいかなる駆動用組織、伝導層、または半導体層なしに、長時間、非常に高いコントラストで情報を作動させ且つ残しておくことができる。

本発明は、非常に簡単な構造と、クレジットカードなどのセキュリティーカード、オクトパスカード、ＩＤカード、および、電子ペーパー、リライタブルペーパー、ペーパーライクディスプレイ等を含めた書き換え可能な素子のための表示に用いてもよい。

［従来技術の説明］
特開昭５９−１７０８２０号公報（１９８４年）は、高屈折率膜と低屈折率膜とを組み合わせて形成された誘電性多層膜の高屈折率膜としてアモルファスシリコン膜を形成することによって、再現性および安定性を改善する技術を教示している。特開昭６４−５５５２２号公報（１９８９年）は、読み出し光の利用効率を高めることを開示しており、電界誘起再配列を行う消去電圧と、光照射による散乱を生じさせる書き込み電圧と、保持電圧とを、傾斜バルブに印加することによって、書き込み及び消去が加速される。欧州特許公開第０４１２８４３号公報（１９９１年）は、２つの透明基板と、第一の透明電極上に形成された光伝導層とを有し、水素化アモルファスシリコンカーバイド（ａ−Ｓｉｌ−ｘＣｘ：Ｈ）を含む、光書き込み型の液晶ディスプレイ素子の原理と構造とを教示している。

米国特許第５６７８８６３号明細書（１９９７年）は、透明または半透明領域中の透かしに適用したコレステリック液晶物質を有し、それにより透かしが異なる視認条件下で色を変化させる、有価証券または識別手段を開示している。カナダ国特許第２４９３５７４号明細書（２００３年）は、基材と、偏光源で均一に配向された少なくとも１つの光配向層と、その光配向層に適用されたネマチック液晶層とを含む、証券文書用の偏光液晶素子の構築を教示している。しかし、これら全ての素子は、画像を消去し、情報を書き換えることはできない。国際公開ＷＯ０３／００５２８３号パンフレット（２００３年）は、ＲＯＭ型、ＷＯＲＭ型、またはＲＷ型の多層データ担体の新規構造と、それらへの及びそれらからのデータの書き込み、読み出し、消去、書き換えの一般的態様を開示している。

本発明は、いかなる駆動組織、伝導層、または半導体層なしに、長時間、非常に高いコントラストで情報を保持し、かつ作動しうる、光学的に書き換え可能な素子の新しい原理を教示する。本発明は、ツイスト・ネマチック構造と、光配向技術に基づいている。ＩＴＯをもたないガラスおよびプラスチックを含めた全ての種類の基材が使用できる。

１．特開昭５９−１７０８２０号公報（１９８４年）
岡本藤男、中野正和、「光書込型液晶ライトバルブ素子」
目的：高屈折率膜と低屈折率膜とを組み合わせて形成された誘電性多層膜の高屈折率膜としてアモルファスシリコン膜を形成することによって、再現性および安定性を改善すること
構成：この素子は、ガラス基材、ＩＴＯ透明電極、３００℃の基材温度と０．１Ｔｏｒｒ真空度の条件でＳｉＨ_４のグロー放電によって形成されるａ−Ｓｉ.Ｈ光伝導層、ＳｉＦ_４およびＨ_２のガス混合比１０のＳｉＦ_４／Ｈ_２、３００℃の基材温度、０．１Ｔｏｒｒの真空度の条件でのグロー放電法によって形成される光遮断層のａ−Ｓｉ.Ｈ膜、前述と同じ条件で形成される高屈折膜としてのａ−Ｓｉ.Ｆ.Ｈ膜、Ｎａ_２ＯとＳｉＨ_４のグロー放電分解法によって形成されるＳｉＯ_２膜は多層反射膜の低屈折率膜として使用され、傾斜させてＳｉＯ_２を蒸着することによって形成された液晶の配向膜、「マイラ」フィルムのスペーサー、およびディスプレイ用の複合電解効果型ツイスト・ネマチック液晶Ｅ７を用いて提供される。

２．特開昭６４−５５５２２（１９８９年）
曽根原富雄「光書き込み型液晶ライトバルブの記録方法」
目的：読み出し光の利用効率を高め、それゆえ、電界誘起再配列を行う消去電圧と、光照射による散乱を生じさせる書き込み電圧と、保持電圧とを、傾斜バルブに印加することによって、書き込み及び消去を加速すること
構成：傾斜バルブは、透明電極とともに提供される２枚の透明ガラス基材、１つの電極上にラミネートされた光伝導層と光分離ミラー、動的散乱のための添加剤を含有するｐ−型スメクチック液晶層、および駆動電圧源からなる。ドーパントが追従できず且つ動的散乱の生成を未然に防止する周波数の電圧が、バルブに印加されて液晶分子が整列され、表面全体が透明にされる。動的散乱が生じうる低い周波数の電圧が次にバルブに印加され、書き込み光１０８がそこに投影され、上記層のインピーダンスを低下させ、その層の部分電圧を上昇させて、散乱により画像を形成する。ディスプレイの状態はその後、印加された電圧がゼロまで低下したとしても、液晶の強い弾性力によって維持される。

３．欧州特許出願公開第０４１２８４３号公報（１９９１年）
Hatano Akitsugu, Kimura Naofumi, Fujiwara Sayuri, 「光書き込み型の液晶ディスプレイ素子(Liquid Crystal Display Device of Optical Writing Type)」
光書き込み型の液晶ディスプレイ素子は、第一の透明な基材、その第一の透明基材上に形成された第一の透明な電極、及び第一の透明電極上に形成された光伝導層を有し、水素化アモルファスシリコンカーバイド（ａ−Ｓｉｌ−ｘＣｘ：Ｈ）を含む。このディスプレイ素子はまた、第二の透明基材、その第二の透明基材上に形成された第二の透明電極、および、光伝導層と第二の透明電極との間に配置された液晶層を有する。

４．米国特許第５６７８８６３号明細書（１９９７年）
Malcolm Robert Murray Knight, Roland Isherwood, Sarah Anne Rocca, Robin Edward Godfrey, Craig Harvey Nelson, “High value documents”
コピーまたは偽造されがちな、紙またはポリマー領域を含む有価証券、特に紙幣、パスポート、ＩＤカード、または充分な価値の任意の他の文書の識別手段は、ある領域中の透かしと、その領域と少なくともその透かしの一部に適用されて透過光および反射光中で見た場合に異なる光学的効果をうみだす液晶物質とを含む。

５．カナダ国特許第２４９３５７４号明細書（２００３年）
Power Gary Fairless, “Polarizing Liquid Crystal Device For Security Documents”
偏光性液晶デバイスは、基材と、偏光源で均一に配向された少なくとも１つの光配向層と、その光配向層に適用されたネマチック液晶層とを含む。交差偏光子のもとで視認可能である潜在的画像が、可変印刷またはレーザー書き込み法によってマスクの助けなしに、光配向層と液晶層によって形成される。

６．国際公開ＷＯ０３／００５２８３号パンフレット（２００３年）
Kozenkov Vladimir, Levich Eugene, Magnitskii Sergei, “Multilayer Combined Liquid Crystal Optical Memory System with Means for Recording and Reading Information”
ＲＯＭ型、ＷＯＲＭ型、またはＲＷ型の多層データ担体の新規構造と、それらへの及びそれらからのデータの書き込み、読み出し、消去、および書き換えのためのいくつかの態様が示されている。各データ保有層は、感光性記録層として機能する光アニソトロピック物質から作られた少なくとも１つの配向層をもつ薄い電気的に制御された液晶セルを構成するマルチコンポーネント構造として作成され、その中にデータを書き込むことができる。このアニソトロピック吸収物質は、蛍光性または非蛍光性のいずれかであることができる。この種の構造は、液晶マトリクス中に分散された蛍光分子の吸収および発光能力の制御を確かなものにする。このことは、また、ピット・バイ・ピットモードおよびページ・バイ・ページモードの両方において読み出しモードにある隣接のデータ保有層からの蛍光クロストークの部分的または完全な除去を可能にし、担体中の情報層の数を増加させ、読み出しモードにおける寄生収差歪みを最小化する。
特開昭５９−１７８２０号公報特開昭６４−５５５２２号公報欧州特許公開第０４１２８４３号公報米国特許第５６７８８６３号明細書カナダ国特許第２４９３５７４号明細書国際公開ＷＯ０３／００５２８３号パンフレット

〔本発明のまとめ〕
本発明の目的は、ガラスまたは柔軟な基材に基づいた光学的に書き換え可能なＴＮ液晶ディスプレイのための新規な素子構造と作製技術を提供することである。本素子は、作動させる場合に、電子的組織、電源、素子内の伝導層を必要とせず、長時間情報を保持できる。

図２、図３（透過モード）および図４、図５（反射モード）に示したように、液晶は２つの配向層間に挟持される。最上層は特別な光配向物質によって配向され、これは、偏光紫外光（ＵＶ光）下できれいに再配向されうる。最下層は、ポリイミド（ＰＩ）ラビングによって配向され、これはＵＶ光暴露下でも配向を変えることはできない。本素子が偏光ＵＶ光によって暴露される場合、配向方向が回転する。したがって、我々の素子の光学特性が変化する。

〔好ましい態様の詳細な説明〕
本発明によれば、特別な配向層をもち、伝導層をもたないＴＮ液晶セルが提供される。ＴＮセルに非常に類似したその構造を図４に示した。液晶セルの最も下の配向層は、ラビングをしたポリイミド（ＰＩ）層であり、これは偏光のもとで方向を変化できない（一定配向層）。最も上の配向層は、感光性配向層（ＳＤ−１配向層）である。この層は、入射光の偏光（３６５ｎｍに近い波長の光に対してのみ）に対して垂直に配列し、自己配向の方向を変えることができる。

この配置を用いて、液晶はこれら２つの異なる配向層間に挟持される。光配向層は、液晶セル内のねじれ角を変化させる能力を付与する。２つの交差した偏光子を用いて、暗い状態のためにはゼロのねじれ角をもつ構造を用い、明るい状態のためには２つの交差した偏光子の間でねじれ角が９０°に近くなる構造を用いる。光配向性物質の分子の再配列角は、ＵＶ光の照射量によって制御することができるので、暗い状態と明るい状態との間に多くの状態をとること、すなわち、グレースケールを生じさせること、ができる。このようにして、色生成については制限がない。

グレースケールは、液晶に付与される暴露エネルギーを変調することによって生じうる。暴露エネルギーは、フォトマスクを用いることによって、セルの表面で変調させてもよい。

画像を作製するために特別なマスクを用いる。この場合は２段階法が必要である（図７）。第一に、以前の画像を消去しなければならない（ディスプレイ全体を明るい状態に変換する）。この場合、偏光面はＰＩラビング方向に垂直に配向されるべきであり、照射時にはいかなるマスクも必要ない。そうして、ＳＤ−１の配向方向は、ＰＩラビング方向に対して垂直になる。本デバイスは２つの交差した偏光子のもとで明るい状態となる。第二に、マスクを通して照射することによって画像を書き込み、活性化光の偏光は、ＰＩラビング方向に対して平行である。それにより、ＳＤ−１の方向が暴露領域のＰＩラビング方向に対して平行に再配列される。情報は保持されて、交差した偏光子のもとで見ることができる。以前の画像を消去する方法のために暗い状態に切り替え、書き込み方法として明るい状態に切り替えることも選択できる。

マスクの１つの可能性は、通過させたＵＶ光によって書き込みされた、任意の情報をもつＴＮディスプレイである。そのようなイメージ中では任意のグレーレベルを実現でき、方位角アンカリングエネルギーおよびその結果の見かけねじれ角が、マスクを通して通過したＵＶ光の強度に比例する。アゾ染料ＳＤ−１は、いかなる光化学的変換および光化学反応もなく、その配向を可逆的に変化させうるので、我々の方法は、無制限の回数の画像の消去および書き込みを可能にする。偏光に対するＳＤ−１の新しい変化の感度は、偏光について約２０ｍＪ／ｃｍ^２であるので、偏光子を備えた通常のＵＶランプにより、数秒で画像の消去および書き込みができる。３６５ｎｍのＵＶ偏光を避ければ、画像は非常に長時間保持されることができ、偏光子を用いる場合は読み出しのみが可能である。後者は、クレジットカードなどのプラスチックディスプレイなどの応用のためにきわめて合理的である。

本素子に用いる基材物質にはいかなる制限もない。インジウム・スズ・オキシド（ＩＴＯ）あり又はなしのガラス、柔軟ガラス、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ＰＣ、ＰＥＳ、ＰＣＯ、ＰＡＲ、ＰＩなどを含めた柔軟性基材、さらには布、紙などの粗い材料でも用いることができる。

光配向層の最も重要な特性は、偏光ＵＶ光下での純粋な再配列であり、これは光化学的変化をともなわない。

本発明の光配向層のためには、下記一般式（１）で表される、光化学的に安定な二色性アニソトロピック吸収性物質（二色性異方性吸収性物質）を用いることが好ましい。

［式１中、Ｍは独立して、水素原子、アルカリ金属、またはＮＨ_４であり、
Ｂ^１およびＢ^２は独立して、

（式中、Ｒ^３、Ｒ^４、およびＲ^５は独立して、水素原子、ハロゲン原子、カルボキシル基；モノ−、ジ−、またはトリハロメチル基；モノ−、ジ−、またはトリハロメトキシ基；シアノ基、アミノ基、モノ−またはジアルキルアミノ基（アルキル基は独立して、直鎖状または分岐状のＣ_１〜Ｃ_１２、好ましくはＣ_１〜Ｃ_６のアルキル基を表す）、またはヒドロキシル基、を表す。）
である。]

現在、ＳＤ−１（ＣＡＳＮｏ．６２３２−４９−１）が本発明の目的のための非常に優れた候補であり、これは以下の化学構造を有する。

偏光ＵＶ光の波長は、二色性色素の吸収バンドの領域に設定する。この領域は二色性色素に左右され、多くの場合、３００〜５００ｎｍである。例えば、ＳＤ−１は３６５ｎｍと４５０ｎｍに２つの吸収ピークをもつ。書き込み後に環境光に対する書き込まれた画像の耐久性が重要である場合には、３００〜４００ｎｍの範囲がそのＵＶ光については好ましい。例えば、ＳＤ−１を用いる場合は、３６５ｎｍ付近が好ましい。書き換え頻度が重要である場合は、ＵＶ光について、４００〜５００ｎｍの領域が好ましい。例えば、ＳＤ−１を用いる場合は４５０ｎｍ付近が好ましい。

ラビングをしたＰＩ層は、光配向層の再配向工程時には意味をもたない。別の光配向性物質が、再配向するものとは異なる吸収バンドを有する場合は、ＰＩの代わりにその別の光配向層を用いることもできる。様々な種類の光配向性物質をこの場合に用いることができる。

本発明に用いる液晶についてはいかなる特別な要求もない。ＴＮセルに用いることができる任意の液晶を、本発明の素子中でも用いることもできる。

図１は、ＳＤ−１（ＣＡＳＮｏ．６２３２−４９−１）の化学構造を示す。この分子は、偏光ＵＶ光（〜３６５ｎｍ）に垂直に再配向し、これは光化学的変換を実質的に伴わない。図２は、透過型の光学的に書き換え可能な液晶素子の構造を示す。液晶セルの最も下の配向層はラビングしたポリイミド（ＰＩ）層であり、これは偏光ＵＶ光下で配向を変化させることができない（一定配向層）。最も上の配向層は、感光性配向層（ＳＤ−１配向層）である。図３は、透過型の光学的に書き換え可能な液晶素子の構造を示す。最も上の配向層は感光性配向層（ＳＤ−１配向層）である。偏光ＵＶ光（〜３６５ｎｍ）は、この最上層の配向方向を再配向できる。液晶セルの最も下の配向層もまた光配向層であるが、この偏光ＵＶ光（〜３６５ｎｍ）下で配向を変えることができない。図４は、反射型の光学的に書き換え可能な液晶素子の構造を示す。最も下の基材上に反射層がある。液晶セルの最も下の配向層はラビングしたポリイミド（ＰＩ）層であり、これは偏光ＵＶ光下で配向を変えることはできない（一定配向層）。最も上の配向層は感光性配向層（ＳＤ−１配向層）である。図５は、反射型の光学的に書き換え可能な液晶素子の構造を示す。下の基材上反射層がある。最も上の配向層は、感光性配向層（ＳＤ−１配向層）である。偏光ＵＶ光（〜３６５ｎｍ）が、この最も上の層の配向方向を再配列させることができる。液晶セルの最も下の配向層もまた光配向層であるが、これは偏光ＵＶ光（〜３６５ｎｍ）下で方向を変えることができない。図６は、光学的に書き換え可能な液晶素子の原理を示す。ＳＤ−１光配向層は、入射光の偏光（３６５ｎｍに近い波長をもつ光に対してのみ）に対して垂直に配向され、自己の配向の方向を変化させうる。それにより、本素子の光学特性が変化する。図７は、画像書き込みの２段階法を示す。以前の画像を消去するためには、明るい状態（ａ）に切り替える。この場合、偏光面は、ＰＩのラビング方向に垂直に配向させ、照射時にマスクは必要ない。（ｂ）はマスクを通しての照射により、画像を書き込む原理を図示している。活性化光の偏光は、ＰＩのラビング方向と平行である。それにより、ＳＤ−１の方向は、暴露された領域のＰＩのラビング方向に対して平行に再配列される。マスクによって示された情報は、長時間保持されうる。

Claims

１つの基材上の感光性配向層と別の基材上の偏光ＵＶ光下で配向を変化させることができない一定配向層とを有し、書き換え可能な、光学的入力により光配向された液晶素子であって、
前記感光性配向層及び前記一定配向層は、液晶を基材の対向面に対して平行に配列させるものであり、
前記感光性配向層が、偏光もしくは非偏光である直接光の作用下で、基材の対向面に対して平行な液晶配向を維持した状態で、前記一定配向層により安定に液晶が配向された前記別の基材に対して所定の見かけのねじれ角で液晶配向方向を変化させ、その結果、交差しているかまたは平行である２つの偏光子間の液晶セルの透過または反射が、前記液晶セル中の前記見かけのねじれ角に対する暴露エネルギーの相関に応じて変化する、液晶素子。
前記暴露エネルギーが前記セルの表面で変調されて、グレースケールを有する画像を形成する、請求項１記載の液晶素子。
前記暴露エネルギーが、フォトマスクを用いることによって前記セルの表面で変調される、請求項２に記載の液晶素子。
前記安定な配向が、ラビング、バッフィング、又は光配向技術を用いて作られる、請求項１〜３のいずれか一項記載の液晶素子。
前記光配向された層が、二色性染料を有する光化学的に安定な二色性アニソトロピック吸収性物質からなり、前記物質が３００ｎｍ〜５００ｎｍの領域で二色性バンドを示す、請求項１〜４のいずれか一項に記載の液晶素子。
前記光配向された層が、二色性染料を有する光化学的に安定な二色性アニソトロピック吸収性物質からなり、前記物質が３００ｎｍ〜４００ｎｍの領域で二色性バンドを示す、請求項１〜４のいずれか一項に記載の液晶素子。
前記光化学的に安定な二色性アニソトロピック吸収性物質が下記式（１）：

［式１中、Ｍはそれぞれ独立して、水素原子、アルカリ金属、又はＮＨ_４を表し；
Ｂ^１及びＢ^２は、独立して、

（式中、Ｒ^３、Ｒ^４、及びＲ^５は独立して、水素原子、ハロゲン原子、カルボキシル基；モノ−、ジ−、またはトリハロメチル基；モノ−、ジ−、またはトリハロメトキシ基；シアノ基、アミノ基、モノ−またはジアルキルアミノ基（アルキル基は独立して、直鎖状もしくは分岐状のＣ_１〜Ｃ_１２アルキル基を表す）、またはヒドロキシル基、を表す。）
である。］
で表される、請求項５または６に記載の液晶素子。
前記光化学的に安定な二色性アニソトロピック吸収性物質が、下記式：

で表される、請求項５または６に記載の液晶素子。
液晶素子上の画像が、偏光もしくは非偏光である直接光によって消去および書き換え可能である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の液晶素子。
前記基材が、ＩＴＯを有するかまたは有しない、ガラスまたはプラスチックである、請求項１〜９のいずれか一項に記載の液晶素子。
偏光子が前記基材に貼付されており、１つ又は両方の偏光子が、３００ｎｍ〜５００ｎｍのスペクトル範囲において偏光に対して透明である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の液晶素子。
偏光子が前記基材に貼付されており、１つ又は両方の偏光子が、３００ｎｍ〜４００ｎｍのスペクトル範囲において偏光に対して透明である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の液晶素子。
前記偏光子の１つが反射性である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の液晶素子。
前記偏光子が、カラー画像を生成するカラー偏光子である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の液晶素子。