JPH0326368B2 - - Google Patents

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JPH0326368B2
JPH0326368B2 JP56166513A JP16651381A JPH0326368B2 JP H0326368 B2 JPH0326368 B2 JP H0326368B2 JP 56166513 A JP56166513 A JP 56166513A JP 16651381 A JP16651381 A JP 16651381A JP H0326368 B2 JPH0326368 B2 JP H0326368B2
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JP
Japan
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liquid crystal
cell
state
voltage
cells
Prior art date
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Application number
JP56166513A
Other languages
Japanese (ja)
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JPS57100412A (en
Inventor
Uiruton Bereman Deuito
Rudorufu Hefunaa Uiriamu
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AT&T Corp
Original Assignee
AT&T Technologies Inc
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Filing date
Publication date
Application filed by AT&T Technologies Inc filed Critical AT&T Technologies Inc
Publication of JPS57100412A publication Critical patent/JPS57100412A/en
Publication of JPH0326368B2 publication Critical patent/JPH0326368B2/ja
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/137Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering
    • G02F1/139Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on orientation effects in which the liquid crystal remains transparent
    • G02F1/1391Bistable or multi-stable liquid crystal cells

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、少なくとも二つの安定状態により特
徴付けられ、二つの安定な状態の間を交互にスイ
ツチさせることのできる液晶ツイストセルに関す
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a liquid crystal twist cell characterized by at least two stable states and capable of switching alternately between the two stable states.

異方性の結果、液晶の配列は適当な電界にさら
すこによつて変えることができる。その様な配列
の変化は液晶の光学異方性により液晶を透過特性
の変化を伴うこともある(ここにおいて「透過特
性」とは任意の電磁線の透過を指すものであるが
主な適用は光学的透過の分野、即ち通常約4500〜
約8000Åの波長領域にある可視電磁線の透過にあ
る)。
As a result of the anisotropy, the alignment of the liquid crystal can be changed by exposing it to a suitable electric field. Such a change in arrangement may also be accompanied by a change in the transmission characteristics of the liquid crystal due to the optical anisotropy of the liquid crystal (here, "transmission characteristics" refers to the transmission of any electromagnetic radiation, but the main application is Field of optical transmission, i.e. usually about 4500~
(It consists in the transmission of visible electromagnetic radiation in the wavelength range of approximately 8000 Å).

液晶配列を制御して、偏光することによりセル
の透過特性を変化させることができる。これらの
装置はデイスプレイ要素として相当な潜在的用途
を有する最初の液晶セルであつた。
By controlling the liquid crystal alignment and polarizing the light, the transmission characteristics of the cell can be changed. These devices were the first liquid crystal cells to have considerable potential use as display elements.

初期の装置は動的散乱として知られる現象に基
づいて操作された。その様な装置に用いられた液
晶は少なくとも二つの異つた状態によつて特徴付
けられる。これらの状態の一つにおいては液晶は
規則的に配列されている。電界の存在によつて誘
導される他の状態においては液晶は不規則配列を
とる。セルの透過特性は規則配列状態と不規則配
列状態において異るので、このセルをデイスプレ
イ装置として使用することができる。その様な装
置において不規則配列領域は例えば明かるく見え
るのに対し、規則配列領域は暗く見える。適当に
選択的な電界の印加によつて文字数字式の字を形
成することができる。
Early devices operated based on a phenomenon known as dynamic scattering. Liquid crystals used in such devices are characterized by at least two distinct states. In one of these states, the liquid crystals are regularly arranged. In other states induced by the presence of an electric field, the liquid crystals assume a disordered arrangement. Since the cell's transmission properties are different in the ordered and irregularly arranged states, the cells can be used as display devices. In such a device, irregularly arranged areas, for example, appear bright, whereas regularly arranged areas appear dark. Alphanumeric characters can be formed by application of suitably selective electric fields.

その他の初期に作られた液晶セルは不規則配列
状態の存在を用いるものではない。その様な装置
はシヤツト及びヘルフリツヒの仕事によつて特徴
付けられる〔M.Schadt及びW.Helfrich,Appl
Phys.Lett.,18,127(1971)参照〕。その様な通
常呼ばれているシヤツト−ヘルフリツヒセルは、
そのいずれも規則配列であるが、異つた分子配向
を有する少なくとも二つの状態を有するものであ
つた。その様なセルの透過特性は液晶の特別の状
態によつて異る。その結果、セルの一つの状態か
ら他の状態への透過特性の差を利用することによ
つてデイスプレイ装置を作ることができる。シヤ
ツト−ヘルフリツヒセルの特別な態様においては
少なくとも一つの状態における液晶がらせん形の
立体配置に配向しており、らせん軸がほぼ境界面
に直角であり、らせんがセルの一表面から他の表
面に延在している液晶セルを含むものである。そ
の様なセルは通常液晶“ツイスト”セルと呼ばれ
ている。ツイストセルの操作は液晶がセルを透過
する電磁線の偏光に対して有する効果に基づくも
のである。適当な偏光子及び検光子を使用するこ
とにより、この偏光の差を利用して二つの状態の
間の異つた透過特性を得ることができる。その様
な装置においては液晶セルは一つの透過状態から
他の非透過状態に適当な電界を印加することによ
つてスイツチすることができ、その様な電界の液
晶に及ぼす影響の結果液晶の配向が変化し、その
光学的透過特性が変化する。
Other early liquid crystal cells did not utilize the presence of irregularly aligned states. Such devices are characterized by the work of Schadt and Helfrich [M. Schadt and W. Helfrich, Appl.
See Phys. Lett., 18, 127 (1971)]. Such a shutter-helfrichsel, as it is usually called, is
All of them had a regular arrangement, but had at least two states with different molecular orientations. The transmission properties of such cells depend on the particular state of the liquid crystal. As a result, display devices can be made by exploiting the difference in transmission properties from one state of the cell to another. In a special embodiment of a shutter-helfrich cell, the liquid crystal in at least one state is oriented in a helical configuration, the helical axis being approximately perpendicular to the interface, and the helix extending from one surface of the cell to the other. It includes the existing liquid crystal cell. Such cells are commonly referred to as liquid crystal "twist" cells. The operation of twisted cells is based on the effect that liquid crystals have on the polarization of electromagnetic radiation passing through the cell. By using appropriate polarizers and analyzers, this difference in polarization can be exploited to obtain different transmission characteristics between the two states. In such devices, the liquid crystal cell can be switched from one transmissive state to another non-transmissive state by applying a suitable electric field, and the effect of such electric field on the liquid crystal results in an alignment of the liquid crystal. changes, and its optical transmission properties change.

ある種の状況下においては液晶の光学的異方性
が二つの状態の間の光学的差を得るに十分でない
場合がある。その様な場合には、その配向が液晶
の配向に従い及びその光学的特性が二つの状態間
に必要とされる差をもたらすために十分に異方性
を有するものである“ゲスト”材料を添加するこ
とができる。ゲスト材料は又、偏光子及び或いは
検光子の使用を避けるために、その他の場合にも
使用することができる。その様な装置は通常ゲス
トホストセルとして総称されている〔G.H.
Heilmeier,J.A.Castellano及びL.A.Zanoni,
Mol.Cryst.Lig.Cryst.,8,293(1969)、及びG.
H.Heilmeier及びL.A.Zanovi,Appl.Phys.
Lett.13,91(1968)参照〕 上記セルにおいては、特別の状態は適当な電界
(零電界を含む)をセルに印加した場合にのみ安
定である。この電解は各状態毎に異ならなければ
ならない。各セルをその適当な状態に保つために
適当な電界を連続してセルにおけるために数多く
の接触を行う必要から欠点が生ずる。その様な問
題はここでは詳細に立入つて説明しないが“マル
チプレツキシング”と総称されている問題に属す
るものであり、そのため液晶ツイストセルの応用
が比較的に簡単なデイスプレイ装置に限られてい
た(A.R.Kmetz及びF.K.von Willisen編著Non
−Emissive Electrooptic Displays中の
「Matrix Addressing of Non Emissive
Displays」,Plenum,New York,1976)。
Under certain circumstances the optical anisotropy of the liquid crystal may not be sufficient to obtain an optical difference between the two states. In such cases, a "guest" material whose orientation follows that of the liquid crystal and whose optical properties are sufficiently anisotropic to provide the required difference between the two states is added. can do. Guest materials can also be used in other cases to avoid the use of polarizers and/or analyzers. Such devices are usually referred to collectively as guest host cells [GH
Heilmeier, JACastellano and LAZanoni,
Mol.Cryst.Lig.Cryst., 8, 293 (1969), and G.
H. Heilmeier and LAZanovi, Appl. Phys.
See Lett. 13, 91 (1968)] In the above cell, the special state is stable only when an appropriate electric field (including zero electric field) is applied to the cell. This electrolysis must be different for each state. A disadvantage arises from the need to make numerous contacts in order to apply a suitable electric field to the cells in succession to keep each cell in its proper state. Although such problems will not be explained in detail here, they belong to a problem collectively called "multiplexing," and for this reason, the application of liquid crystal twist cells has been limited to relatively simple display devices. (Edited by ARKmetz and FKvon WillisenNon
−“Matrix Addressing of Non Emissive” in Emissive Electrooptic Displays
Plenum, New York, 1976).

最近、電界の印加をスイツチングの際にのみ必
要としセルを特別の状態に維持するために電界の
印加を必要としない安定な状態によつて特徴付け
られている液晶ツイストセルが開示されている
〔例えば特願昭55−48805号及びD.W.Berreman及
びW.R.Heffner,Appl.Phys.Lett.37109(1980)
参照〕。その様なセルは通常二安定性液晶ツイス
トセルと呼ばれているが、はじめて液晶セルの大
規模デイスプレイ装置への応用を実用的なものと
した。
Recently, liquid crystal twist cells have been disclosed which are characterized by a stable state that requires the application of an electric field only during switching and does not require the application of an electric field to maintain the cell in a particular state. For example, Japanese Patent Application No. 55-48805 and DWBerreman and WRHeffner, Appl.Phys.Lett.37109 (1980)
reference〕. Such cells, commonly referred to as bistable liquid crystal twist cells, are the first to make liquid crystal cells practical for large-scale display applications.

本発明は、少なくとも二つの安定な状態が同一
の与えられた維持電圧の印加によつて維持され、
よつて異つた状態を維持するために異つた維持電
圧を印加することを要求する従来技術のセル(シ
ヤツト−ヘルフリツヒセル)或いは維持電圧を全
く要求しないセルとは異つている二安定液晶ツイ
ストセルである。少なくとも二つの安定な状態間
のスイツチは一つの液晶状態から他の状態に転換
させるに必要な時間撹乱電界を印加することによ
つて行われる。スイツチに引続いて電界は維持電
圧値に戻され、セルは新たな立体配置において安
定する。維持電圧を使用することにより、二安定
性セルの操作をセルパラメーターの広範な範囲に
亘つて可能にする。この新たな種類のセルの特徴
は、スイツチが液晶の如何なる動的特性に訴える
ことなく“断熱的”におこることである。本発明
のセルにおいて、アドレスされた領域(非アドレ
ス領域及び境界とは反対に)は安定状態において
実質的にデイスクリネーシヨン及び壁がなく、ス
イツチはデイスクリネーシヨンを通過することな
く、液晶ツイストセルの活性領域を通じておこ
る。
The present invention provides that at least two stable states are maintained by application of the same given sustaining voltage,
Thus, the bistable liquid crystal twist cell is different from prior art cells that require the application of different sustaining voltages to maintain different states (shut-helfrich cells) or cells that require no sustaining voltage at all. . Switching between at least two stable states is accomplished by applying a perturbing electric field for a period of time necessary to convert from one liquid crystal state to the other. Following the switch, the electric field is returned to the holding voltage value and the cell stabilizes in its new configuration. The use of a holding voltage allows operation of bistable cells over a wide range of cell parameters. A feature of this new type of cell is that the switch occurs ``adiabatic'' without resorting to any dynamic properties of the liquid crystal. In the cell of the present invention, the addressed region (as opposed to the non-addressed region and the boundary) is substantially free of disclination and walls in the steady state, and the switch does not pass through the disclination, but the liquid crystal twist cell occurs through the active region of

本発明の二安定液晶ツイストセルは、セルを安
定状態に維持するために単一の維持電圧を使用す
ることによつて特徴づけられる。第1図は、本発
明の特別のセルのエネルギー特性を表示するもの
である。本図において、セルに印加された電圧は
横軸に表示され、セルに伴つたエネルギーは縦軸
に表示されている。同図によつて説明されている
二つの状態は点aから点dまで延びている“ダウ
ン”状態及び点fから点jまで延びている“アツ
プ”状態である(点dから点fまで延びている曲
線部分は下安定状態を表わす)。
The bistable liquid crystal twist cell of the present invention is characterized by the use of a single sustain voltage to maintain the cell in a stable state. FIG. 1 displays the energy characteristics of a particular cell of the invention. In this figure, the voltage applied to the cell is shown on the horizontal axis, and the energy associated with the cell is shown on the vertical axis. The two states illustrated by the figure are the "down" state extending from point a to point d and the "up" state extending from point f to point j (extending from point d to point f). (The part of the curve shown below represents the lower stable state).

電圧が0から上げられるに従つた挙動がセルの
操作を示すものである。Vダウン電圧に対しては
ダウン状態のみが存在する。電圧が増大すると共
にアツプ状態あるいはダウン状態のいずれもが存
在しうる領域(即ちVダウン乃至Vアツプに至る
電圧領域)に到達する。しかしながら、アツプ状
態ではよく多くのエネルギーを必要とするのでセ
ルはダウン状態である場合にはダウン状態であり
続ける傾向を示す。電圧がV交点まで増加される
と、二つの状態がエネルギー的に縮退する点に到
達する。しかしながら、ここにおいてもセルはダ
ウン状態にあるのでダウン状態で存続しつづけ
る。V交点より大きな値に対してはアツプ状態は
より少ないエネルギーを有する。しかしながら、
セルはこの領域においてもダウン状態であり続け
る傾向を示す。何故ならば、ダウン状態からアツ
プ状態への分子立体配置の変化には二つの状態間
のエネルギー障壁に打勝つことが要求されるから
である(線d−fはスイツチがおこる前に越えら
れなければならない障壁のエネルギー値を示す)。
電圧がVアツプより大きく増大されると、セルは
最早ダウン状態では存続しえず、アツプ状態にス
イツチがおこなわれる。セルがアツプ状態にスイ
ツチされてから電圧をV交点に戻してもセルはア
ツプ状態に留まる。電圧をVダウンに下げること
により再びセルのスイツチがおこる。この場合に
はアツプ状態からダウン状態へのスイツチがおこ
なわれる。電圧をV交点に戻すことによりセルは
ダウン状態を保ち続ける。従つて、セルの実際の
操作はセルの全活性領域に維持電圧を印加するこ
とであり、電圧の変化はスイツチが必要とされる
場合のみ行われる。
The behavior as the voltage is increased from zero is indicative of the operation of the cell. For V down voltages only down states exist. As the voltage increases, a region is reached where either an up state or a down state can exist (ie, a voltage region ranging from V down to V up). However, since the up state often requires more energy, the cell tends to remain in the down state if it is in the down state. As the voltage is increased to the V-intersection, a point is reached where the two states become energetically degenerate. However, since the cell is also in the down state here, it continues to exist in the down state. For values greater than the V-intersection, the up state has less energy. however,
Cells tend to remain down in this region as well. This is because the change in molecular configuration from the down state to the up state requires overcoming an energy barrier between the two states (the line d-f must be crossed before the switch occurs). ).
When the voltage is increased above V UP, the cell can no longer survive in the DOWN state and is switched to the UP state. Once the cell has been switched to the UP state, if the voltage is returned to the V crossing, the cell will remain in the UP state. Switching of the cell occurs again by lowering the voltage to V down. In this case, a switch is made from the up state to the down state. The cell continues to remain down by returning the voltage to the V intersection. Therefore, the actual operation of the cell is to apply a sustain voltage to the entire active area of the cell, and changes in voltage are made only when a switch is required.

又、別の操作特性を実用的な装置において使用
することができる。例えば、ほぼ一定の厚みのセ
ルを操作するにあたつては、電圧が印加される操
作領域とそれを囲む電圧を印加されない領域を設
けることができる。その様な実施態様において、
操作領域がアツプ状態にある場合には、アツプ及
びダウン状態の交点によつて定められる維持電圧
を用いることは操作領域の不安定化を招き、つい
にはダウン状態に崩壊してしまう。この様な条件
におけるエネルギーが縮退しアツプ状態にある操
作領域がエネルギー的に縮退したダウン状態にあ
る領域によつて囲まれているからである。この様
な状況においては、ダウン状態にある周囲の領域
が究極的に壁を通して操作領域に成長することに
なる。従つてV交点よりも上の維持電圧を使用す
ることによつて実際の態様において利点が得られ
る。典型的には、維持電圧値は、V交点とVアツ
プの電圧差の10%を越える量程度に大きい。その
様な維持電圧においては、アツプ状態はダウン状
態よりもより少さいエネルギーを有するので、即
ち、アツプ状態からダウン状態への変換は利用不
可能な余分のエネルギーを必要とするので、アツ
プ状態からダウン状態への崩壊が妨げられる。勿
論、維持電圧はVアツプの値に決して近付くべき
ではない。何如ならば、これらの値においてはダ
ウン状態からアツプ状態へのスイツチが必ずおこ
るからである。又、周囲の領域はある印加電圧に
対して異つた厚みを有してもよい。
Also, other operating characteristics can be used in practical devices. For example, when operating a cell having a substantially constant thickness, it is possible to provide an operating area to which a voltage is applied and a surrounding area to which no voltage is applied. In such embodiments,
When the operating range is in the UP state, using a sustaining voltage defined by the intersection of the UP and DOWN states will lead to instability of the operating range, which will eventually collapse to the DOWN state. This is because under such conditions, the operating region which is in an up state due to energy degeneration is surrounded by an energy degenerate region which is in a down state. In such a situation, the surrounding area that is down will eventually grow through the wall into the operating area. Advantages can therefore be obtained in practice by using a sustain voltage above the V-crossing point. Typically, the sustain voltage value is large, on the order of more than 10% of the voltage difference between V-cross and V-up. At such a sustaining voltage, the up state has less energy than the down state, i.e., the conversion from the up state to the down state requires extra energy that is not available. Collapse into a down state is prevented. Of course, the sustain voltage should never approach the value of V-up. This is because, at these values, a switch from the down state to the up state always occurs. Also, the surrounding regions may have different thicknesses for a given applied voltage.

上記の維持電圧の好ましい値についての説明
は、正誘電異方性を有する液晶を使用することに
基づいている。負誘電異方性を有する液晶の場合
には、しかしながら、第1図のアツプ及びダウン
の方向を反対にして同様の考慮を行えばよい。
The above description of preferred values of the sustaining voltage is based on the use of liquid crystals with positive dielectric anisotropy. In the case of a liquid crystal having negative dielectric anisotropy, however, similar considerations may be made with the up and down directions in FIG. 1 reversed.

本発明のセルのあるものの特徴はスイツチ現象
が液晶の動きに伴う動力学に依存する必要がない
ということである。むしろ、スイツチ点f及びd
がゆつくり近づいた場合にもスイツチはおこり得
る。これは液晶分子の動きに伴う動的特性が考慮
される場合にのみおこるスイツチとは区別される
ものである。スイツチに液晶の動的特性に依存す
る必要のない液晶セルの種類はやや厳密ではない
が“断熱的にスイツチ可能”として特徴づけられ
る。しかしながら、この様なセルはスイツチに際
して液晶分子の動的特性に依存する必要がないと
いう事実にも拘らず、その様な動的特性を利用す
ることによりより迅速なスイツチ特性を得ること
ができる。従つて、例えばスイツチを維持電圧を
点dあるいはfよりも上の点に変えることによつ
て行うこともできる。これらの状況下において
は、セル挙動の適当な数字的な記述には液晶分子
の動きに伴う動的特性によるエネルギー寄与の考
慮が必要である。ここで採用される言葉の範囲内
において、このセルを用いる人がスイツチにあた
つて液体動的特性に本来頼る必要がない限りにお
いて、なおこの液晶ツイストセルは“断熱的にス
イツチ可能”ということができる。本発明の広い
定義内において、一つのスイツチ点のみが断熱的
にスイツチ可能であり、他のスイツチ点は動的に
のみスイツチ可能であるセルも含まれる。
A feature of some of the cells of the invention is that the switching phenomenon need not depend on the dynamics associated with the movement of the liquid crystal. Rather, switch points f and d
A switch can also occur if the wind slowly approaches. This is distinguished from a switch that occurs only when dynamic characteristics associated with the movement of liquid crystal molecules are taken into account. Types of liquid crystal cells that do not need to rely on the dynamic properties of the liquid crystal for switching can be characterized, somewhat less precisely, as "adiabaticly switchable." However, despite the fact that such cells do not have to rely on the dynamic properties of the liquid crystal molecules for switching, faster switching properties can be obtained by exploiting such dynamics. It is therefore also possible to do this, for example, by changing the holding voltage to a point above points d or f. Under these circumstances, a proper numerical description of cell behavior requires consideration of the energy contribution due to the dynamic properties associated with the movement of liquid crystal molecules. Within the terminology employed herein, this liquid crystal twist cell is "adiabaticly switchable" insofar as the person using the cell does not inherently have to rely on liquid dynamic properties for switching. Can be done. Within the broad definition of the invention, cells are also included in which only one switch point is switchable adiabatically and the other switch points are only dynamically switchable.

スイツチを行われない領域はある与えられた維
持電圧値に維持されると想定されたが、実際の多
領域セルを利用するに際してはスイツチされない
領域までも含めて全てのアドレスすることのでき
る領域に対して印加される電圧をスイツチの際に
変えて行う場合が含まれる。このような状況は、
例えば、スイツチに必要な大きさでスイツチされ
る領域に印加される電圧の偏光及びスイツチに必
要とされる大きさよりも少ない大きさにスイツチ
されない領域の電圧を変化する場合におこる。こ
の様な代替的な実施態様の意義は、各種の電圧を
全てのアドレス可能な領域に印加し、スイツチさ
れる領域のみをスイツチに十分な電圧偏光を行う
場合のマルチプレキシングにおいて得られる相対
的な単純化にある。
It was assumed that the area where switching is not performed is maintained at a given maintenance voltage value, but when using an actual multi-area cell, all addressable areas, including the area where switching is not performed, are This includes cases in which the voltage applied to the switch is changed at the time of switching. This situation is
This occurs, for example, when changing the polarization of the voltage applied to a region that is switched to a magnitude that is required for the switch, and the voltage in a region that is not switched to a magnitude less than that required for the switch. The significance of such an alternative implementation is that the relative voltages obtained in multiplexing where the various voltages are applied to all addressable areas and provide sufficient voltage polarization to switch only the areas that are switched are It's about simplification.

第2図は、本発明のセルの特別の実施態様にお
ける液晶分子の配向の概略図である。第2図の表
示は第1図のエネルギー曲線に一致していること
に注意されたい。アツプ状態というのはこの状態
においてセル中心の近くにある液晶分子がセル表
面に対して直角に配向していることに由来する。
ダウン状態において及びダウン状態である無電界
状態においてはセルの中心近辺の分子はセル表面
に対して平行に配向している。これらの二つの状
態の区別は偏光子、あるいはゲスト材料の使用に
よつて行うことができる。ダウン状態においては
入射光の偏光がアツプ状態とは異つた量だけ回転
されることによつて二つの状態の光学的区別を可
能にする。
FIG. 2 is a schematic diagram of the orientation of liquid crystal molecules in a particular embodiment of the cell of the invention. Note that the representation in FIG. 2 corresponds to the energy curve in FIG. The up state originates from the fact that in this state, the liquid crystal molecules near the cell center are oriented at right angles to the cell surface.
In the down state and in the no-field state, which is the down state, molecules near the center of the cell are oriented parallel to the cell surface. Distinction between these two states can be achieved by using a polarizer or a guest material. In the down state, the polarization of the incident light is rotated by a different amount than in the up state, allowing optical differentiation of the two states.

液晶技術の開発が専ら各種セルの立体配置の実
験的な分析によつて行われていた近年において、
液晶装置の複雑さがそのような液晶技術の開発を
制限してきた。それらの立体配置の多様性は、そ
れらの実験室における研究を極めて時間のかかる
ものとしているために一定の確実性をもつた進歩
が期待されず、その様な研究方法はそれによつて
非実用的となる。その結果、その分野における最
近の研究者たちは各種のセルの立体配置をコンピ
ユーター技術を用いて分析しはじめており、この
様にして相当な進歩をなしている。これらの分析
結果を用いて実験上の努力を方向づけている。本
発明はこのようにして実現されたものであり、無
限の数の液晶の数学的な記述の中に単一の適当な
維持電圧が印加された場合に安定である少なくと
も二つの状態を伴つたエネルギー曲線によつて記
述されるセル群が存在することが判明した。これ
らの状態は相互に断熱的にスイツチすることがで
き、断熱的にかつデイスクリネーシヨンを通るこ
となく液晶ツイストセルの活性領域を通つてスイ
ツチすることができる。
In recent years, the development of liquid crystal technology was carried out exclusively through experimental analysis of the three-dimensional configuration of various cells.
The complexity of liquid crystal devices has limited the development of such liquid crystal technology. The diversity of their configurations makes their laboratory studies extremely time-consuming, so progress cannot be expected with any degree of certainty, and such research methods are thereby rendered impractical. becomes. As a result, recent researchers in the field have begun to analyze the configuration of various types of cells using computer techniques, and have thus made considerable progress. The results of these analyzes are used to direct experimental efforts. The present invention has thus been realized, in which a mathematical description of an infinite number of liquid crystals involves at least two states that are stable when a single suitable sustaining voltage is applied. It turns out that there are groups of cells described by energy curves. These states can be switched adiabatically to each other and can be switched adiabatically and through the active region of the liquid crystal twist cell without passing through the disclination.

本発明の説明の範囲内の液晶立体配置の計算は
当業者に容易に教えられている技術を用いるもの
である。この計算は弾性歪み及び印加電界による
エネルギー寄与の考慮を含むものである。弾性歪
み電界は境界条件及び印加電界によつて生ずる液
晶の歪みである。その様な弾性歪みエネルギーは
液晶ツイストセルの説明にオセーン(Oseen)及
びフランク(Frank)によつて適用された〔C.
W.Oseen,Trans.Discass.Faraday.Soc.,29,
883(1933)及びF.C.Frank,Discuss.Faraday
Soc.,25(1958)参照〕。静電気電界の寄与につい
てはグルーラー,シエツフアー及びメイヤー
〔H.Gruler,T.J.Scheffer及びG.Meier,Zett.
Naturforsch,27A.966〜976(1972),“Elastic
Constants of Nematic Liquid Crystals I.
Theory of the Normal Deformation”参照〕
液晶配合の特性付けは適当な弾性及び誘電定数に
よつて表わされる。これらの方程式は公知のオイ
ラー−ラグランジユの技術によつて解くことがで
き、最終的にエネルギー対電圧曲線による特別の
セル立体配置の記述を得ることができる。オイラ
ー−ラグランジユ方程式を解くことによりそのエ
ネルギーを計算することができる特別のセル立体
配置を得ることができる。明らかに境界条件及び
選択される定数によつて各種の曲線を得ることが
できる。この多くの多数の解の中から本出願人等
は本発明のセルの特性を有する解を発見したもの
である。
Calculations of liquid crystal configurations within the scope of the present description employ techniques readily within the skill of those skilled in the art. This calculation includes consideration of energy contributions due to elastic strain and the applied electric field. An elastic strain electric field is a strain in a liquid crystal caused by boundary conditions and an applied electric field. Such elastic strain energy was applied by Oseen and Frank in the description of liquid crystal twist cells [C.
W.Oseen, Trans.Discass.Faraday.Soc., 29,
883 (1933) and FCFrank, Discuss.Faraday
See Soc., 25 (1958)]. Regarding the contribution of electrostatic fields, see Gruler, Scheffer and Meier [H.Gruler, TJScheffer and G.Meier, Zett.
Naturforsch, 27A.966–976 (1972), “Elastic
Constants of Nematic Liquid Crystals I.
See “Theory of the Normal Deformation”]
Characterization of the liquid crystal formulation is expressed by appropriate elastic and dielectric constants. These equations can be solved by the well-known Euler-Lagrange technique to finally obtain a description of the particular cell configuration in terms of energy versus voltage curves. A particular cell configuration can be obtained whose energy can be calculated by solving the Euler-Lagrange equation. Obviously, depending on the boundary conditions and the constants chosen, different curves can be obtained. Among these many solutions, the present applicant discovered a solution having the characteristics of the cell of the present invention.

上記計算に基づき各種出発パラメーターを想定
して電圧対変位電界のプロツトが得られる。次い
で、与えられた系のパラメーターを用い、演算技
術を用いて印加電圧の挙動を平衡状態における変
位電界の函数として決定する。実際には、方程式
は一定の変位電界を想定し、それによつて得られ
る電圧を計算することによつて解かれる。次いで
変位値が電圧の函数として3倍である解を選択す
る。その様な解は通常第1図に示される一般的ギ
ブスー自由エネルギー対電圧挙動を伴う。よつて
上記の如く与えられた維持電圧に関して二安定性
である。
Based on the above calculations and assuming various starting parameters, a plot of voltage versus displacement electric field is obtained. Using the given system parameters, computational techniques are then used to determine the behavior of the applied voltage as a function of the displacement electric field in equilibrium. In practice, the equation is solved by assuming a constant displacement electric field and calculating the resulting voltage. Then choose the solution whose displacement value is 3 times the function of the voltage. Such solutions usually involve the general Gibbs-free energy versus voltage behavior shown in FIG. It is therefore bistable for a given sustaining voltage as described above.

演算に好ましい出発パラメーターとしては、5
より大きい誘電異方性及びほぼ一回のツイストセ
ル長のセル厚みを有する液晶が含まれる。本発明
のセルは通常少なくとも一方の安定状態において
ツイストされた状態にあり、もう一方の状態にお
いて非ツイスト状態或いはその非束縛値以外のツ
イストを有するように束縛されている液晶が含ま
れる。通常二つの状態における正味のツイストは
同一であるか或いは整数の回転数で異る。少なく
とも一方の安定状態において、液晶は表面に垂直
な軸の廻りにゼロトルクの状態におかれる。しか
しながら、少なくとも一方の他の安定状態におい
ては液晶は表面の垂直な軸の廻りにトルクを有す
る。液晶の方向ベクトル(director)に伴うピツ
チと異り、液晶分子に伴う方向ベクトルの傾斜は
境界の不存在下に方向ベクトルによつてとられる
値とは異つた値を常に有する。即ち、傾斜角度は
境界の一方或いは両方において法線から90度以外
の値を常に有する。
A preferred starting parameter for the calculation is 5
Liquid crystals with greater dielectric anisotropy and cell thicknesses of approximately one twist cell length are included. Cells of the present invention typically include liquid crystals that are in a twisted state in at least one stable state and are constrained to have an untwisted state or a twist other than its unconstrained value in the other state. Usually the net twist in the two conditions is the same or differs by an integer number of revolutions. In at least one stable state, the liquid crystal is placed in a state of zero torque about an axis perpendicular to the surface. However, in at least one other stable state, the liquid crystal has a torque about the normal axis of the surface. Unlike the pitch associated with the liquid crystal director, the slope of the direction vector associated with the liquid crystal molecules always has a value different from the value taken by the direction vector in the absence of boundaries. That is, the slope angle always has a value other than 90 degrees from the normal on one or both of the boundaries.

本発明のセルを構成するに必要な演算技術は多
分単純なコンピユーターで半時間未満のコンピユ
ーター時間しか必要としない効率のよいものであ
り、本発明のセルを構成するために実験的技術も
又利用することができる。その様な技術として
は、例えば、ツイストされた液晶が置かれるウエ
ツジを作る技術が含まれる。ウエツジ表面には隣
接する液晶分子を配列する手段が含まれる。ウエ
ツジ形状のキヤビテイーの二つの表面間に次第に
増加する電圧差を印加するとウエツジを横切る
“壁”が動くのが判る。二安定性は一つの場所に
おける壁の消失及び或る与えられた電圧における
至る所における再現或いはそのより迅速な動きに
よつて示される。壁が表われた及び消失した領域
におけるウエツジセルの特徴は次いで本発明の特
徴を有するセルを製造するために利用することが
できる。
Although the computational techniques required to construct the cells of the present invention are likely to be simple and efficient, requiring less than half an hour of computer time, experimental techniques may also be utilized to construct the cells of the present invention. can do. Such techniques include, for example, techniques for creating wedges on which twisted liquid crystals are placed. The wedge surface includes means for aligning adjacent liquid crystal molecules. When an increasing voltage difference is applied between the two surfaces of the wedge-shaped cavity, the "wall" across the wedge is seen to move. Bistability is indicated by the disappearance of the wall at one location and its reappearance or more rapid movement everywhere at a given voltage. The features of the wedge cell in the areas where the walls are exposed and disappeared can then be utilized to produce cells having features of the present invention.

実施例 本発明のセルの一実施態様において、酸化スズ
で被覆されたガラススライドを用いて液晶を密封
した。このスライドは更に表面に平衡な方向から
5度の角度で蒸着された一酸化ケイ素によつて被
覆された。酸化スズは電極パターンで形成され、
適当な電圧を印加して例えば文字数字式立体配置
を得るために用いられ、蒸着一酸化ケイ素は方向
ベクトルをセル壁の近くに配列するために用いら
れる〔J.L.Janning,Appl.Phys.Lett.,21,173
(1972)参照〕。用いられた液晶は約1.342パーセ
ントのコレステリルノナノエートによつてドービ
ングされたブリテイツシユドラツグハウス(the
British Drug House)製のE7である。E7は4−
シアノ−4′−n−アルキルビフエニル、4−シア
ノ−4′−n−アルコキシビフエニルおよび4−シ
アノ−4″−n−アルキル−P−ターフエニルから
なる共融混合物のためのブリテイツシユドラツグ
ハウスの記号名で、あり、例えばE7は4−シア
ノ−4′−n−ペンチルビフエニル、4−シアノ−
4′−n−ペプチルビフエニル、4−シアノ−4′−
n−オクトキシビフエニルおよび4−シアノ−
4″−n−ペンチル−P−ターフエニルの共融混合
物を表わす。セル内に液晶を挿入した後セル表面
をセルの周辺部の廻にセル厚が13.95ミクロンと
なるようにエポキシ接着した。セル内の全ツイス
ト角度は360度であつた。表面近辺の液晶の傾斜
角度はクロスランド(Crossland)等の方法
〔Journ.Phys.D.,Appl.Phys.,9,100(1976)〕
により法線から55度と測定された。この場合の維
持電圧は1.7ボルトであつた。ダウン状態からア
ツプ状態へのスイツチは約1.8ボルトから開始し、
一方アツプ状態からダウン状態へのスイツチは約
1.5ボルトから開始する。迅速にスイツチを行う
ためにはセルの動的特性もまた使用される。アツ
プ状態からダウン状態への動的スイツチは電圧を
0.075秒間ゼロに落すことによつて得られた。又、
ダウン状態からアツプ状態への動的スイツチは電
圧を0.055秒間3ボルトに上げることによつて得
られた。この種の動的スイツチは電圧変化の大き
さ及びその様な変化電圧が印加される時間によつ
て異る。従つて、同様な電圧をより少ない時間印
加すること、或いは、より少ない電圧変化を同一
時間印加することは動的スイツチには有効でない
ことが判明した。従つて、全ての要素が何らかの
電圧を受取ることを要求するマトリツクスアドレ
スの態様を動的スイツチ方法においても利用する
ことができる。二つの状態間の区別のためには偏
光子及び検光子が用いられた。検光子は一酸化ケ
イ素被覆の蒸着の方向と平衡に置かれ、偏光子は
その方向に垂直に置かれた。セルは光学台に置か
れ、各種方向に傾斜して入射光のコントラスト依
存性を調べた。計算によれば、二つの状態におけ
る比肩しうる傾斜角度が得られるならば、全ツイ
スト角度が270゜のセルが有用な光学的特性を有す
るものであることが示されている。
EXAMPLE In one embodiment of the cell of the present invention, a glass slide coated with tin oxide was used to seal the liquid crystal. The slide was further coated with silicon monoxide deposited on the surface at an angle of 5 degrees from the equilibrium direction. Tin oxide is formed in an electrode pattern,
Appropriate voltages are applied to obtain, for example, an alphanumeric configuration, and evaporated silicon monoxide is used to align the directional vectors close to the cell walls [JL Janning, Appl. Phys. Lett., 21 ,173
(1972)]. The liquid crystal used was a British drug doped with approximately 1.342% cholesteryl nonanoate.
E7 manufactured by British Drug House. E7 is 4-
Breitate Shudra for Eutectic Mixtures Consisting of Cyano-4'-n-alkylbiphenyl, 4-cyano-4'-n-alkoxybiphenyl and 4-cyano-4''-n-alkyl-P-terphenyl This is the symbol name for Tsughaus, for example, E7 is 4-cyano-4'-n-pentylbiphenyl, 4-cyano-
4'-n-peptylbiphenyl, 4-cyano-4'-
n-octoxybiphenyl and 4-cyano-
4'' represents a eutectic mixture of n-pentyl-P-terphenyl. After inserting a liquid crystal into the cell, the cell surface was bonded with epoxy around the periphery of the cell so that the cell thickness was 13.95 microns. Inside the cell The total twist angle was 360 degrees.The tilt angle of the liquid crystal near the surface was determined by the method of Crossland et al. [Journ.Phys.D., Appl.Phys., 9, 100 (1976)]
It was measured as 55 degrees from the normal. The sustaining voltage in this case was 1.7 volts. The switch from the down state to the up state starts at about 1.8 volts,
On the other hand, the switch from up state to down state is approximately
Start at 1.5 volts. The dynamic properties of the cell are also used to quickly switch. A dynamic switch from an up state to a down state changes the voltage
Obtained by dropping to zero for 0.075 seconds. or,
A dynamic switch from the down state to the up state was obtained by increasing the voltage to 3 volts for 0.055 seconds. Dynamic switches of this type depend on the magnitude of the voltage change and the time for which such voltage change is applied. Therefore, it has been found that applying a similar voltage for a shorter period of time, or applying fewer voltage changes for the same period of time, is not effective for dynamic switches. Therefore, aspects of matrix addressing that require all elements to receive some voltage can also be utilized in the dynamic switching method. A polarizer and analyzer were used to differentiate between the two states. The analyzer was placed in equilibrium with the direction of deposition of the silicon monoxide coating, and the polarizer was placed perpendicular to that direction. The cell was placed on an optical bench and tilted in various directions to examine the contrast dependence of incident light. Calculations have shown that a cell with a total twist angle of 270 DEG has useful optical properties if comparable tilt angles in the two states are obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、本発明の液晶ツイストセルのエネル
ギー特性を例す図で、第2図は本発明のセルの一
実施例の各種状態における液晶の概略図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating the energy characteristics of the liquid crystal twist cell of the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram of the liquid crystal in various states of one embodiment of the cell of the present invention.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 歪みをかけられない状態においてらせん形状
となるコレステリツク液晶、 その少なくとも一つが所定の波長の電磁線を透
過させる境界表面、 境界表面に近接した液晶分子を配列させる手
段、 少なくともセルの一部に電位差を与えるための
手段、及び、 液晶の少なくとも二つの異なつた配向を光学的
に弁別するための手段よりなる液晶ツイストセル
において、 液晶が単一の非零維持電圧の存在下において少
なくとも二つの安定な状態を有し、この二つの安
定状態はセルのデイスクリネーシヨンを経ること
なく一方から他方へ切り換えることができること
を特徴とする液晶ツイストセル。 2 特許請求の範囲第1項に記載の液晶ツイスト
セルにおいて、印加電圧の大きさを変えることに
より両安定状態はその一方から他方へと切り換え
ることを特徴とする液晶ツイストセル。 3 特許請求の範囲第1項または第2項記載の液
晶ツイストセルにおいて、液晶が断熱的に切り換
え可能であることを特徴とする液晶ツイストセ
ル。
[Scope of Claims] 1. A cholesteric liquid crystal that takes a spiral shape when no strain is applied to it; a boundary surface at least one of which transmits electromagnetic radiation of a predetermined wavelength; a means for arranging liquid crystal molecules close to the boundary surface; In a liquid crystal twist cell comprising means for applying a potential difference to a portion of the cell and means for optically discriminating between at least two different orientations of the liquid crystal, the liquid crystal is in the presence of a single non-zero sustaining voltage. 1. A liquid crystal twist cell characterized in that it has at least two stable states in which the two stable states can be switched from one to the other without going through disclination of the cell. 2. The liquid crystal twist cell according to claim 1, wherein the two stable states are switched from one to the other by changing the magnitude of the applied voltage. 3. A liquid crystal twist cell according to claim 1 or 2, characterized in that the liquid crystal can be switched adiabatically.
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