JP5389310B2

JP5389310B2 - 光変調素子またはディスプレイ

Info

Publication number: JP5389310B2
Application number: JP2004244543A
Authority: JP
Inventors: ミヒャエル・ヘックマイヤー; アヒム・ゲッツ; マルクス・ツァンタ
Original assignee: Merck Patent GmbH
Current assignee: Merck Patent GmbH
Priority date: 2003-08-25
Filing date: 2004-08-25
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2024-08-25
Also published as: JP2005070789A

Description

本発明は、光変調素子および電気光学的ディスプレイに関し、応答時間、これらの光変調素子およびディスプレイのそれぞれの応答挙動、およびこれらの光変調素子およびディスプレイのための媒体に関し、特に、光学的等方状態、例えば光変調素子およびディスプレイの作動温度で液晶ブルー相であるメソゲン性変調媒体を用いた、光変調素子およびディスプレイに関する。

光変調素子、ディスプレイの作動温度で光学的等方状態である、メソゲン性変調媒体を用いた光コントローリング（controlling）素子およびディスプレイが近年記載されてきている。DE10217273A1、および非公開特許出願DE10241301、DE10253325、およびDE10252250は、素子の作動温度で等方状態である変調媒体を用いた光コントローリング素子を記載しているが、いまだ非公開であるDE10313979は、作動時に、光学的に等方性のブルー相である変調媒体を用いた素子を記載している。しかしながら、これまで、これらの光変調素子およびディスプレイに対して、作動温度範囲は充分に広くなく、および作動電圧の温度依存性は極めて高く、より広い温度範囲にわたって、より容易なアドレッシングを可能とするために、低下させなければならない。

さらに、光変調素子およびディスプレイのタイプは、非常に速い応答時間、および最小視野角依存性を伴う優れたコントラストにより特徴付けられる。しかしながら、とりわけ光変調素子およびディスプレイのこの新規なタイプにおいて、好ましくない応答時間が観察される。この望ましくない効果は、望ましい状態、すなわち単一指数緩和（single exponential relaxation）タイプ応答としてでなく、異なる２つの特徴的な応答時間を有する応答とした、電界の変化から成る。これらの場合、好ましくは、相対的コントラストの極端に速い減衰は、変調素子が典型的に数ｍｓ、例えば５ｍｓまたはそれ以下の応答時間、および高温でたった１ｍｓまたはそれ以下でスイッチオフされたときにだけ、相対的コントラストの変化の一部、例えば約１０％の残存する相対的コントラストの変化に観察される。この速い応答は、その後、残存する相対的コントラストの減衰に対し０％の相対的コントラストまで、または少なくとも０％に近い、極めて低い応答となる。このより遅い応答の時間定数は、しばしば速い応答の時間定数より高い一桁以上高い、例えば、６０ｍｓの桁、または数１００msecの範囲である。これは、有望な新規なタイプの光変調素子およびディスプレイの目立って速い応答時間を、完全に生かすことができず、ある場合には、実用に対し禁止的であることさえ意味する。

したがって、変調媒体が光学的等方状態、例えばブルー相の液晶である温度で作動するまたは作動可能で、望ましくない２元的（dual）応答現象に陥らない、または少なくとも妨害されない、改善された光変調素子およびディスプレイに対する顕著な需要がある。

驚くべきことに、例えばDE１０２１７２７３A1および特にDE１０３１３９７９に開示されるものと類似の、変調媒体が光学的等方状態である温度で作動する、または作動可能な改善された光変調素子およびディスプレイを実現することができることが見出され、それは従来技術の材料の欠点を示さないか、または少なくとも極めて小さい程度でそれらを示す。

本発明は、素子の作動温度で光学的等方状態である光変調媒体に関し、それは、
ａ）２．０００ｍｓまたはそれ以下の連続的なアドレッシング時間を有する、または
ｂ）４ｍｓｅｃより短いパルス幅を有し、および１０ｍｓｅｃまたはそれ以上のパルスの間にタイムリーセパレーションを有する、パルスされたアドレッシングを有する、または
ｃ）作動電圧の水平な空間分布を有する、または
ｄ）作動電圧の垂直な空間分布を有する、または
ｅ）過度に駆動されたアドレッシング、最初と最後のスイッチング電圧の間の高い電圧を駆動中に適用する、
ｆ）光学的に等方な相が最初に現れるまで温度を上昇させて、遷移温度より少なくとも３度高い作動温度で、または
ａ）、ｂ）それぞれと、ｃ）からｆ）までから選択される２つまたはそれ以上のいかなる条件の組み合わせでもアドレスされることを特徴とする。

本発明の第一の態様では、これらの光変調素子およびディスプレイを、改善されたアドレッシング方法、それぞれ光変調素子を駆動させることで実用化される。この方法では、連続的な駆動電圧（例えば、方形波、トライアングルまたは他の連続的な波形）を、限定された時間周期、好ましくは５００ｓまたはそれ以下、より好ましくは１００ｍｓまたはそれ以下、および最も好ましくは５０ｍｓまたはそれ以下で、中断なく光変調素子に適用する。

本発明の他の態様には、駆動電圧は、連続波型でなく電圧パルスを伴って適用され、これらのパルスは、電圧がアドレスされないかまたは充分に低い電圧がアドレスされる間、時間周期で分けられている。典型的な電圧パルス幅は、１０msecまたはそれより低く、好ましくは８msecまたはそれ以下で、より好ましくは４msecまたはそれ以下である。電圧がアドレスされない、そのようなパルス間の時間周期は、２０msecから１msecの間、好ましくは１５msecから２msecの間である。好ましい態様には、パルス幅および印加電圧のない時間周期の合計は、１６msecまたはそれ以下である。

この態様では、光変調素子は、電圧、次のリフレッシュメントパルスまで作動状態の変化を保たなければならない。したがって、これらの光変調素子は、作動温度で、好ましくは、９０％またはそれ以上、より好ましくは９５％またはそれ以上、および最も好ましくは９８％またはそれ以上の電圧保持率を有し、および好ましくは高温下および／または光照射下でも有する。
このアドレッシング方法で変調媒体に電圧が実際に適用される、時間制限は、好ましくは、ディプレイのエリアにわたって変調素子に適用される電圧の空間分布により、実現される。この空間分布は、ディスプレイの主要な面に関して水平または垂直のいずれかであるか、または同時に双方となっていてもよい。

ここで、アドレッシング電圧のディスプレイにわたる、水平分布適用は、異なる領域、例えば、ディスプレイの領域にわたって分布されるピクセルまたはピクセル群における、光変調素子に対するアドレッシング電圧の分布を意味すると考えられる。異なるアドレス領域は、その後、時間とともに変化する。

対照的に、アドレッシング電圧の垂直分布適用は、２種またはそれ以上の導電性材料の層を有し、例えば、DE10241301に記載されるように、実質的に互いに重複している電極構造を含む光変調素子が、相互に異なる電圧でアドレスされること、または相互に異なる電位で少なくともある程度の時間保つことを意味する。２種またはそれ以上の導電性材料の層を有し、実質的に互いに重複しているこれらの電極構造は、光変調セルが対応する電極対を備え、各々の電極対が、変調素子またはディスプレイの主要面に垂直な方向に互いに位置しており、およびそれぞれの領域の少なくとも実質的な部分にわたり、誘電体により互いを分離されるようにして実現される。電極対の対応部分は、変調素子またはディスプレイの互いに対抗する基板に位置する場合、この誘電体は、変調媒体それ自身である。それらが一つの同一基板に位置する場合、誘電体は固体誘電体であることができ、好ましくは固体誘電体である。

本発明の他の好ましい態様は、応答時間問題を克服するための、いわゆるオーバードライビングまたはステップドライビングの使用である。オーバードライビングは、スタート電圧から所望の最終電圧まで直接的にスイッチングすることなく、中間のより高い電圧を伴ってスイッチングすることを意味する。例えば、V₁₀₀から０Vまでスイッチングすることなく、まずV₁₀₀の１．３倍にスイッチングし、その後に０Vに戻る。驚くべきことに、これは、スイッチング時間を著しく加速させ、および上記したスイッチング時間の限界を克服する可能性もある。

このオーバードライビングは、好ましくは、V₁₀とV₁₀₀との間のスタート電圧から０Vまでのオフスイッチングに適用される。

本発明のさらなる好ましい態様には、１００％相対的コントラスト（V₁₀₀）に対し、可能な限り低い特徴的な電圧を有する光変調媒体が用いられ、二元的応答時間を伴う望ましくない応答挙動を減少させ、より長いタイムコンスタント（定数）を伴う応答を効果的に抑制することが見出された。好ましくは、本発明の光変調素子は、４０Vまたはそれ以下、より好ましくは３５Vまたはそれ以下、および最も好ましくは３０Vまたはそれ以下の特徴的な電圧V₁₀₀を有する。

さらに、本発明の光変調素子、本発明ディスプレイのピクセルそれぞれの（電気的）容量は高い。好ましくは、それは、TN-モードで作動する比較可能なTFTディスプレイのピクセルの２倍またはそれ以上、より好ましくは、３倍またはそれ以上、および最も好ましくは５倍またはそれ以上のファクターである。

容量比較のために、典型的な参照セルおよびそのレイアウトは、“Merck Liquid Crystals, Physical Properties of Liquid Crystals”, Status Nov. 1997, Merck KGaA, Germanyを挙げることができる。

作動温度範囲で光学的等方性の相、例えばブルー相である液晶媒体を含む、光変調素子がとりわけ好ましい。
本発明の他の態様は、より低い温度で存在する相、例えばキラルネマチック相（ここではコレステリック相と呼ぶ）からブルー相への遷移温度より、好ましくは４°またはそれ以上、より好ましくは６°またはそれ以上、および最も好ましくは１０°またはそれ以上の温度での、光変調素子、ディスプレイそれぞれの作動である。

本発明の液晶化合物は、それ自身で液晶相を有する化合物、容認し難いほどに透明点を減少させることなく、メソゲン相、とりわけネマチック相に適合する化合物も包含する。後者の化合物は、メソゲン構造を有し、メソゲン性化合物とも呼ばれる。

本明細書の“含む”は、組成物と関連して、例えば媒体または成分とみなされる実在物が、当該化合物を好ましくは、１０％またはそれ以上、および最も好ましくは２０％またはそれ以上の全体濃度で含有することを意味する。
“主に〜から成る”は、本明細書中、言及される実在物が、当該化合物を８０％またはそれ以上、好ましくは９０％またはそれ以上、および最も好ましくは９５％またはそれ以上含有することを意味する。
“完全に〜から成る”は、本明細書中、言及する実在物が、当該化合物を９８％またはそれ以上、好ましくは９９％またはそれ以上、および最も好ましくは１００．０％含有することを意味する。

本明細書中、誘電的に正の化合物の用語は、Δε＞１．５の化合物を記述し、誘電的に中性の化合物は−１．５≦Δε≦１．５の化合物であり、誘電的に負の化合物はΔε＜−１．５の化合物である。成分に対しても同様である。Δεは、１ｋHzおよび２０℃で決定される。化合物の誘電的異方性は、ネマチックホスト混合物における個々の化合物の１０％溶液の結果から決定される。これらのテスト混合物の容量は、セル内のホメオトロピック配向およびホモジニアス配向の双方で決定される。双方のタイプのセルギャップは、約１０μｍである。適用される電圧は１ｋHzの振動数、および典型的には０．１V（０．５V）から１．０Vの平均二重根を有する矩形波であるが、それは、それぞれのテスト混合物の容量しきい値以下に選定される。

誘電的に正の化合物に対し混合物ZLI-4792、および誘電的に負の化合物だけでなく誘電的に中性の化合物に対し、混合物ZLI-3086,Merck KGaA, Germanyの双方がホストミクスチャーとしてそれぞれ用いられる。化合物の誘電率は、ホスト混合物に対象の化合物を添加したときのそれぞれの値の変化から決定され、対象化合物１００％の濃度まで外挿する。
２０℃の測定温度でネマチック相を有する成分もそのように測定され、他のすべても化合物同様に処理される。

本明細書中、しきい値電圧の用語は光学的しきい値を表し、１０％相対的コントラスト（V₁₀）に対し与えられ、飽和電圧の用語は光学的飽和を意味し、特に明示しない場合は、９０％相対的コントラスト（V₉₀）に対し与えられる。容量性しきい値電圧（V_０、フレデリックスしきい値 VFrとも呼ばれる）は、明示された場合のみ用いられる。
本明細書で用いられるパラメーターの範囲は、明示しない場合、限界値を含むすべてである。

本明細書中、別段の記載がない限り、濃度は重量パーセントであり、それぞれの完全な混合物に関し、すべての温度は、摂氏で与えられ、すべての温度差異も摂氏である。すべての物理的性質は、”Merck Liquid Crystals, Physical Properties of Liquid Crystals”, Status Nov. 1997, Merck KGaA, Germanyに記載されるように決定され、別段の記載がない限り、２０℃の温度について示される。光学的異方性（Δｎ）は５８９．３ｎｍの波長で決定される。誘電異方性（Δε）は１ｋＨｚの周波数で決定される。他の電気光学的性質だけでなく、しきい値電圧もMerck KGaA, Germanyで作成されたテストセルで決定される。Δεの決定のためのテストセルは２２μｍのセルギャップを有していた。電極は保護リングと１．１３ｃｍ２の面積を有する円状ＩＴＯ電極であった。配向層は、ホメオトロピック配向（ε||）に対してはレシチンであり、ホモジニアス配向（ε_┴）に対しては、日本合成ゴムからのポリアミドＡＬ−１０５４であった。容量は、０．３V_ｒｍｓの電圧を伴って、正弦波を使う周波数応答分析器Solatron１２６０で決定した。電気光学的測定で用いられる光は白色光であった。用いられるセットアップは、商業的に入手可能なOtsuka, Japanの装置であった。特徴的な電圧は垂直な観察下で決定された。しきい値（V_１０）−中間のグレー（V_５０）−および飽和（V_９０）電圧は、それぞれ１０％、５０％および９０％の相対的コントラストに対し決定された。

本発明による液晶媒体は、更なる添加剤およびキラルドーパントを通常量で含有することができる。これらの添加剤の全体濃度は、混合物全体量に基づき、全体で０〜１０％、好ましくは０．１〜６％である。用いられる個々の化合物濃度は、好ましくは、０．１〜３％である。本明細書中、これらおよび同様の添加剤濃度は、液晶成分および液晶媒体の化合物の濃度値および濃度範囲を指すとき、考慮にいれない。

本発明の液晶媒体は、複数の化合物、好ましくは３〜３０種、より好ましくは５〜２０種、および非常に好ましくは６〜１４種の化合物からなる。これらの化合物は通常の方法で混合される。一般的に、より少量で用いられる化合物の所望量を、より多量に用いられる化合物中に溶解させる。温度がより高濃度で用いられる化合物の透明点より高い場合、完全な溶解を観察することは容易である。しかしながら、他の従来の方法、例えば同族体または化合物の共融混合物であるプリミックスを用いて、またはいわゆるマルチボトルシステム、それ自体での混合物を用いることができる構成物質を用いて、媒体を調製することも可能である。

液晶およびメソゲン性物質の融点Ｔ（Ｃ、Ｎ）、スメクチック相（Ｓ）からネマチック（Ｎ）相への遷移Ｔ（Ｓ、Ｎ）および透明点Ｔ（Ｎ、Ｉ）ならびに他のすべての遷移温度を摂氏温度で示す。
本明細書および以下の例で、液晶化合物の構造は、頭文字で呼ばれる略称で示される。略称の対応する構造への変換は、以下の２つの表AおよびBに従って行われる。Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋１およびＣ_ｍＨ_２ｍ＋１のすべての基は、それぞれｎおよびｍ個の炭素原子を有する直鎖状アルキルである。表Ｂの解釈は自明である。表Ａは、構造コアに対する略称のみが示されている。個々の化合物は、コアの略称で表示され、ハイフン、および置換基Ｒ^１、Ｒ^２、Ｌ^１およびＬ^２に対するコードが後に続く。

表Ａ：

表Ｂ：

本発明の液晶媒体は、好ましくは、
−表ＡおよびＢの化合物群から選択される６つまたはそれ以上の化合物
−表Ｂの化合物群から選択される５つまたはそれ以上の化合物
を含有する。

例：
以下の例は、本発明を限定することなく説明する。
しかしながら、とりわけ化合物の物理データは、どの範囲でどの性質が達成され得るかを専門家に説明する。とりわけ、好ましくは達成され得る様々の性質の組み合わせは明確である。

例１
メソゲン性混合物である、混合物Ａは以下の構成でなっている：

この混合物は以下の性質を有する：
コレステリック相からブルー相への遷移温度は３３℃である。
この媒体は、１つだけの基板上にインターデジタル（interdigital)電極を有するテストセルに導入される。セル中のメソゲン性層の厚さは、１０μｍである。電極の幅は１０μｍであり、電極間の距離も１０μｍである。
このテストセルは、いくつかの固定温度での応答挙動について調査される。光学的に等方性の相の３５℃、３７℃、３９℃で調査される。
結果を表１に示す。

表１：５２Ｖ、５４Ｖ、または、５６Ｖから０Ｖへのスイッチングに対する応答挙動（Ｖ_ｒｍｓ、矩形波、１００Ｈｚ、アドレッシング時間：１００ｍｓｅｃ）
次に、３７℃の温度で、様々のアドレッシング時間、および１００％相対的コントラストから、それぞれ１０％、５％相対的コントラストへの相対的コントラストの変化に対する応答時間で、テストセルを調査する。結果を表２に示す。

表２：異なる（ｔ _ａｄｒ .）のアドレッシング時間での、Ｖ _１００から０Ｖへのスイッチング（矩形波、１００Ｈｚ）に対する、異なる温度での応答時間
この表から、１０％相対的コントラストまでの減少に対する応答時間が、調査されたすべてのアドレッシング時間より極めて速く、アドレッシング時間の増大に伴いわずかに増大することが明らかである。対照的に、５％相対的コントラストまでの減少に対する応答時間は、著しいアドレッシング時間依存性を示す。

表３：１００ｍｓの（ｔ _ａｄｒ .）のアドレッシング時間での、Ｖ _１００から０Ｖへのスイッチング（矩形波、１００Ｈｚ）に対する様々な温度での応答時間
変調媒体が光学的に等方性の相であり、ブルー相への遷移温度より充分に高い場合、すなわちここでは３５℃以上、好ましくは３６℃以上、より好ましくは３７℃以上であるときに、Ｖ_１００から１０％相対的コントラストまでおよび５％相対的コントラストまでのスイッチングバックに対する、双方の応答時間が早いことが、この表から明らかである。これらの比較的高温下、これらのアドレッシング条件下で、双方の応答時間が、昇温に伴うわずかの非常に小さい増大を示すだけであることが更に明らかである。

Claims

素子の作動温度で、光学的に等方性のブルー相である液晶変調媒体を用いた光変調素子またはディスプレイであって、
以下のａ）、または、ｂ）、または、ａ）およびｅ）、または、ｂ）およびｅ）でアドレスされ、
以下のｃ）またはｄ）のアドレス電圧分布、および
以下のｆ）において作動することを特徴とし、ならびに
１００％相対コントラスト（Ｖ _１００）の、温度依存性が１℃あたり１Ｖである温度範囲が４度またはそれ以上であるか、または、１００％相対コントラスト電圧から０Ｖにスイッチングした際の、１０％の相対的コントラストに至るためのスイッチング応答時間が、５％の相対的コントラストに至るためのスイッチング応答時間の６０％以上であること
を特徴とする、前記光変調素子またはディスプレイ：
ａ）２０００ｍｓまたはそれ以下の連続的なアドレッシング時間；
ｂ）４ｍｓｅｃより短いパルス幅、およびこれらのパルスの間に、１０ｍｓｅｃまたはそれ以上のタイムリーセパレーションを有する、パルスされたアドレッシング；
ｃ）ディスプレイの領域にわたって分布されるピクセルまたはピクセル群におけるアドレッシング電圧の分布；
ｄ）光変調素子またはディスプレイの主要面に互いに垂直な方向に位置しており、誘電体により互いに分離されている電極対を有する光変調セルを有する電極構造を含む光変調素子における相互に異なるアドレッシング電圧の垂直方向の分布；
ｅ）駆動中に、スタート電圧と最終電圧との間に、スタート電圧および最終電圧より高い電圧を経由する、オーバードライビングアドレッシング；
ｆ）最初に発生する光学的に等方性の相まで昇温しながら、コレステリック相からブルー相への遷移温度より少なくとも３度高い作動温度。
１００％相対コントラスト（Ｖ_１００）の、温度依存性が１℃あたり１Ｖである温度範囲が４度またはそれ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の光変調素子またはディスプレイ。
１００％相対コントラスト電圧から０Vにスイッチングした際の、１０％の相対的コントラストに至るためのスイッチング応答時間が、５％の相対的コントラストに至るためのスイッチング応答時間の６０％以上であることを特徴とする、請求項１に記載の光変調素子またはディスプレイ。
作動温度で、９０％またはそれ以上の電圧保持率を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光変調素子またはディスプレイ。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の１つまたは２つ以上の光変調素子を含む電気光学的ディスプレイ。
光変調素子またはディスプレイの作動方法であって、
以下のａ）、または、ｂ）、または、ａ）およびｅ）、または、ｂ）およびｅ）でアドレスされ、
以下のｃ）またはｄ）のアドレス電圧分布、および
以下のｆ）において作動することを特徴とし、ならびに
１００％相対コントラスト（Ｖ _１００）の、温度依存性が１℃あたり１Ｖである温度範囲が４度またはそれ以上であるか、または、１００％相対コントラスト電圧から０Ｖにスイッチングした際の、１０％の相対的コントラストに至るためのスイッチング応答時間が、５％の相対的コントラストに至るためのスイッチング応答時間の６０％以上であることを特徴とする、前記方法：
ａ）２０００ｍｓまたはそれ以下の連続的なアドレッシング時間；
ｂ）４ｍｓｅｃより短いパルス幅、およびこれらのパルスの間に、１０ｍｓｅｃまたはそれ以上のタイムリーセパレーションを有する、パルスされたアドレッシング；
ｃ）ディスプレイの領域にわたって分布されるピクセルまたはピクセル群におけるアドレッシング電圧の分布；
ｄ）光変調素子またはディスプレイの主要面に互いに垂直な方向に位置しており、誘電体により互いに分離されている電極対を有する光変調セルを有する電極構造を含む光変調素子における相互に異なるアドレッシング電圧の垂直方向の分布；
ｅ）駆動中に、スタート電圧と最終電圧との間に、スタート電圧および最終電圧より高い電圧を経由するオーバードライビングアドレッシング；
ｆ）最初に発生する光学的に等方性の相まで昇温しながら、コレステリック相からブルー相への遷移温度より少なくとも３度高い作動温度。
光変調素子またはディスプレイの作動温度時に、変調媒体が光学的に等方性の相であることを特徴とする、請求項６に記載の、光変調素子またはディスプレイの作動方法。
作動温度時にブルー相を示すことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光変調素子またはディスプレイに用いられる液晶変調媒体。
以下の式から選択される少なくとも1つの化合物を含有することを特徴とする、請求項８に記載の液晶変調媒体：
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以下の式から選択される少なくとも1つの化合物を含有することを特徴とする、請求項８または９に記載の液晶変調媒体：
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以下の式から選択される少なくとも1つの化合物を含有することを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の液晶変調媒体：
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以下の式から選択される少なくとも1つの化合物を含有することを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の液晶変調媒体：
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以下の式から選択される少なくとも1つの化合物を含有することを特徴とする、請求項８〜１２のいずれか一項に記載の液晶変調媒体：
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以下の式から選択される少なくとも1つの化合物を含有することを特徴とする、請求項８〜１３のいずれか一項に記載の液晶変調媒体：
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以下の式から選択される少なくとも1つの化合物を含有することを特徴とする、請求項８〜１４のいずれか一項に記載の液晶変調媒体：
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以下の式から選択される少なくとも1つの化合物を含有することを特徴とする、請求項８〜１５のいずれか一項に記載の液晶変調媒体：
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