JPH03503455A - 液晶カラーディスプレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 液晶カラーディスプレイ 本発明は、情報が背景上に背景とは異なる色でディスプレイされる液晶カラーデ ィスプレイに係る。

公知の形態のカラーディスプレイの１つは、投写形ディスプレイ及びディジタル 記憶装置中のレーザによってアドレスされるスメクチック液晶材料を使用してい る０例えば、Ｆ、Ｊ、Ｋｉｈｎ、＾ｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅ ｒｓ、　２２．　ｐ、１１１（１９７３）；＾、Ｇ、Ｄｅｗｅｙ、　０ｐｔｉｃ ａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、　Ｖｏｌ、２３．　Ｎｏ、３．　ｐ、２３０（ １９８４）　；及びＨ，Ｂｉｒｅｃｋｉ他、　５ＰＩＥ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｓ　Ｖｏｌ、４２０゜＾、Ｅ、Ｂｅ１ｌ　＆＾、＾、Ｊａｍｂｅｒｄｉｎｏｍ　 （１９８３）を参照するとよい。

スメクチック液晶材料を用いる代表的な投写形ディスプレイでは、表示画面を与 えるためにスメクチック材料の散乱状態及び透過状態を利用している。光の散乱 状態及び透過状態が双方とも安定であり、両方の状態が表示画面の異なる部分に 同時に共存する。情報は、光透過性組織を有する背景上に光散乱性組織を有する 領域として、即ち、明るい背景上に暗い形態として書き込■れるが、址たは上記 と反転した明暗で書き込まれる。この場合にはディスプレイはモノクロである。

各々が各１つのフィルタと協働する複数のシステムを使用し、これら複数システ ムの出力を例えば１つのスクリーン上で結合させることによって多色ディスプレ イが得られる。これは極めて複雑でまた高価である。

ディスプレイは、アーク灯のような高度に局限された小さい光源と、シュリーレ ン絞りのごとき光学的絞り素子とを必要とする。これらの素子はパワー消費量が 大きく、また表示画面の適正な輝度を得ることが難しい。

本発明は、有色偏光子と共に偏光スイッチとして配置されたスメクチック材料の 単一セルを使用した２色ディスプレイを提供することによって前記のごとき困難 を解消する。

これらの２色が、光の不在とも考えられる黒色と、色の不在とも考えられる白色 とから成ってもよい、またはこれらの２色が赤色及び緑色から成ってもよい。

本発明によれば、液晶カラーディスプレイは、スメクチック液晶セルと、セルを 照射する光源と、光源の光をセルを介してディスプレイスクリーンに導くレンズ 系と、セルを局部的に加熱するレーザ光源と、レーザ光でセルを走査する走査系 とを含む、この液晶セルは、セルの２つの壁の間に配置されたスメクチック液晶 材料層から形成され、２つの壁は双方とも、スメクチック液晶材料層に電界を印 加する平面状電極でコートされている６本発明の液晶カラーディスプレイの特徴 は、 セル内のスメクチック材料がスメクチック相と等方性相との間のネマチック相を 有すること、 セル壁の互いに向き合った表面がホモジニアス分子配列を生じるように表面処理 されており、一方の壁の配列方向が他方の壁の配列方向に対して少なくとも４５ °の角度を成すこと、 光源とセルとの間に中性（ｎｅｕｔｒａｌ）平面偏光子を有すること、 セルから光を受容すべく少なくとも１つの偏光子が配備されていること、 印加電界の非存在下に等方性状態から急激に冷却された液晶材料はねじれた旋光 性の空間的配列（ｔｗｉｓｔｅｄ　ｌｉｇｈｔｒｏｔａｔｉｎｇ　ｃｏｎｆｉｇ ｕｒａｔｉｏｎ）を生じ、電界の存在下に等方性状態から冷却されたときは非回 転性の空間的配列（ｎ　ｏ”ｎ　−ｒｏｔａｔｉｎｇ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉ ｏｎ）を生じるように構成されていること、及び、 ２つの偏光子と２つの異なる空間的液晶配列とが協力し、一方の色の情報が他方 の色の背景上にディスプレイされることである。

セルから光を受容する偏光子は中性無影色調光子でもよく、この場合には白黒デ ィスプレイが得られる。黒以外の有色偏光子を単独で使用する場合、黒以外の色 と白とのディスプレイが得られる。黒以外の有色偏光子を２つ使用した場合、異 なる２色のディスプレイが得られ、一方の色の情報が他方の色の背景上に表示さ れる。

２つの有色偏光子は、夫々の光学軸が互いに直交するように且つ最も近いセル壁 における分子配列方向に垂直または平行になるように配置されるのが好ましい。

均一なねじれ方向を生じさせ易くするために、少量、例えば０．１〜１０重量％ のコレステリック材料をスメクチック材料に溶解してもよい。

セル壁における配列方向は９０°±１０°、好ましくは±５°以下である。

レーザ波長吸収性の少量の染料を液晶材料に溶解してもよい。

好ましい光源は、裏面に反射膜を設けたハロゲンランプのごとき白熱フィラメン ト電球である。

添付図面に基づいて本発明を非限定的に以下に説明する。

図面の簡単な説明 第１図はモノクロディスプレイを与える従来技術のシステムの概略設計図、 第２０は第１図で使用されるセルの断面図、第３図は第１図のシステムにおける 材料の相変化の説明図、 第４図は本発明の２色ディスプレイの概略設計図、第５図は第４図で使用される セルの説明図、第６図は第５図のセルの断面図、 第７図は第４図のシステムにおける材料の相変化の説明図である。

第１図に示す従来技術の投映システムは、水銀アーク灯１と集光レンズ２とＵ■ 及び赤外線フィルタ３．４とダイクロイックビーム結合器５と液晶セル６と投映 レンズ７とシュリーレン絞り８と前方散乱スクリーン９とを直列に含む、更に、 ｔｉｅ−Ｎｅレーザ１０から発した光ビーム１１は、符号１２で概略的に示す２ つのミラー系によってＸ方向及びＸ方向で走査され、走査レンズ１３を介してダ イクロイックビーム結合器５に与えられ、次いでセル６に与えられる。このシス テムは通常は、その出力がスクリーン９で焦点合わせされるマツプディスプレイ のごとき第２の投映システム１４に結合されている。

マツフチイスプレイは、光源１５と２つのレンズ１６．１７とマツプスライドを 担持するスライドホルダ１８とを含む。

水銀アーク灯１は、平行化した光ビームをセル６に照射するためにできるだけ点 光源に近い光を与える３５０−ランプである。セル６は極めて散乱性であり、従 ってシュリーレン絞り８によって不要な散乱光を除去する必要がある。従って、 投映用には小さい点光源が必要であるが、これはシステムの効率を低下させる。

このため、強い周囲光が存在するという条件の場合、適正な輝度のディスプレイ を得ることが難しい。

第２図のセルは、２つのガラス壁２１及び２２の開に配！された厚さ１２μ鞘の ５２（ＢＤＨ材料）層を含む、レーザ放射を吸収して層２０の内部に局部加熱を 生じさせるために少量の染料が材料に溶解されている。各壁の内面はインジウム スズ酸化物の透明な導電性コーティング２３．２４でコートされている。これら のコーティングは層２０に電界を印加するために使用され、また、層の温度を所 望の値に維持するために抵抗加熱器として使用され得る。壁２１及び２２の双方 は、接触する液晶分子がホメオトロピック分子配列を生じるように、即ち接触す る分子が壁に垂直に配列し易くなるように表面処理されている。

ダイクロイックビーム結合器５は、Ｈｅｒｅレーザ波長に反射性であり、またア ーク灯ｌからの赤色波長にも反射性である。赤色波長に反射性であるため、セル の不要な加熱が阻止される。残念ながらアーク灯１の光出力が均一でないため、 セルの不要な温度勾配はまだ残っている。結合器５はランプからのその他の可視 波長をすべて透過する。

一般にレーザ出力は８１であり、これはスラリ゛−ン上で約ｉｓ／秒の書込み速 度を与える。

透明背景上で層２０の領域が光散乱性になるがまたはその逆の現象が生じること によって情報がスクリーン９にディスプレイされる。これに関しては第３図に基 づいて説明する。

Ｓ２のごときスメクチックＡ型液晶材料の特徴は、これらの材料が限定されずに ２つの状態または組織、即ち、（ａ、）光学軸が壁に垂直で均一に配列された透 明状態、及び、 （ｂ）配列領域の空間範囲が小さく一般に約１μ論程度である緻密な散乱性の放 射状収束円錐状状態 のいずれかで存在し得ることである。

Ｓ２材料の場合、スメクチック相とネマチック相との間の相転移は４８℃で生じ 、更にネマチック相と等方性相との間の相変化は４９℃で生じる。

強力な＾、Ｃ１電界、例えば５　Ｘ　１０’Ｖｍ−’以上の電界を印加すると、 スメクチック相の組織は散乱性か乙透明に変化する。

層２０内にレーザ放射を吸収させて層２０を局部加熱すると等方性相になる。こ の等方性相は無秩序構造であり、散乱性または透明なスメクチック組織が転移温 度である４９℃よりも高温に加熱されたときに生じる。

等方性相からは２つの相転移経路が考えられる０等方性相からネマチック相を経 由してスメクチック相まで急激に占然冷却するときは散乱性組織（ｂ）が得られ る。約５ｘｌＯ’Ｖ＋−’の適度な電界の存在下に急激に自然冷却したときは透 明なスメクチック組織（ａ）が得られる。従って、散乱性組織の領域及び透明組 織の領域は、レーザ１０による局部加熱と電界の選択的印加を伴う冷却とによっ て得られる。これを利用してスクリーン上に情報の選択的書込みまたは消去を行 なう。層２０に高電界を印加することによってセル６の完全消去が得られる。

スクリーン上の表示画面はモノクロである。即ち、明るい形態または暗い形態が 一色でディスプレイされる。複数個の第１図のシステムをセル６とシュリーレン 絞り８との間に配置された種々の色フィルタと組み合わせて使用すると多色ディ スプレイが得られる。このディスアレイは高価であり、また、多色ディスプレイ を与えるためには全部のシステムの正確な位置合わせが必要である。

本発明の２色システムを第４図から第７図に示す。第４図は、第１図と同様の設 計図を示す、しかしながら、点光源を使用する必要がないので、ランプ３０は従 来の投射形白熱フィラメント電球であり、反射層３０′を使用している。

シュリーレン絞りら不要である。ランプ３０からでた光は集光レンズ３１によっ て導かれ、ＵＶ及びＩＲフィルタ３２．３３を通り、偏光軸が垂直になるように 配置された中性偏光子３４を通る。偏光子３４を通過した光は、ダイクロイック ビーム結合器３５と液晶セル３６と第１の色調光子３７と第２の色調光子３８と 投映レンズ３９とを通ってスクリーン４０に達する。第１色偏光子３７は偏光軸 が垂直になるように配置されているが、第２色偏光子３８の偏光軸は水平である ０色偏光子は夫々、赤色偏光子及び緑色偏光子でよい、ランプ３０の利点は、液 晶セル３６に適正な均一温度勾配を与えることである。このため、セルがネマチ ック相転移により近付いて動作できるのでレーザのアドレシングが容易になり、 また、より低出力のレーザをアドレシングに使用し得る。

第１図に示すように、Ｂｅ−Ｈｅレーザ４１の出力ビーム４２は、２つのミラー 系４３と走査レンズ４４とグイクロイック結合器３５とを介してセル３６に案内 される。

この２つのミラー系４３は、モータ４７′及び４８°によって直交軸４７及び４ ８の周囲で夫々回転しレーザビーム４２を水平方向及び垂直方向で走査させる２ つのミラー４５．４６を含み、レーザビームは固定ミラー４９を介してセル３６ に達する。

第５図及び第６図に示すセル３６は、厚さ１．５ｍｍの２つのガラス壁５１．５ ２を含み、これらのガラス壁はスペーサリング５３によって１２μＩＩＩＭ間し ている。両方の壁の内面は厚さ１０００人の透明な導電性インジウムスズ酸化物 層５４．５５でコートされている。液晶分子をホモジニアス分子配列にするため に、組立てる前に壁を従来の方法で表面処理する。このような分子配列を得るた めには、ＳｉＯを傾斜蒸着させるかまたはＮｏ１１ｍ１ｄｅ　３２（Ｔ、Ｍ、） のごときポリイミドでコーティングしレーヨン布で単一方向に研摩するとよい、 かかる処理を行なうと研摩方向に沿った単一方向の液晶分子配列が得られる。好 ましくは一方の壁を角度３０”の傾斜蒸着によって処理して接触する液晶分子を 傾斜０°で分子配列させ、他方の壁を角度的５°の傾斜蒸着によって処理して液 晶分子を傾斜的３０°で分子配列させる。矢印Ｒ１，Ｒ２で示すような直交する 配列方向が得られるように壁５１と５２とを組立てる。セル３６は、中性偏光子 ３４に最も近い壁における方向Ｒ１が水平になるように、即ち方向Ｒ１が中性偏 光子３４の光学軸に垂直になるように組立てられる。

壁５１と５２との間にスメクチックＡ液晶材料５６が収容されている。この材料 ５６は、Ｓ２　ＢＤＩＩ材料４−ｎ−アルキル及び４−ｎ−アルキルオキシ−４ ゛−シアノビフェニルと、約１％のＣ１５ＢＤＨコレステリック材１　（−）− ４−（２−メチルブチルオキシ）−４゛−シアノビフェニルとから成ってもよい 、その他の適当な材料は、ＢＤ）Ｉ材料カタログ番号Ｓ１及びＳ３〜Ｓ６である 。レーザ放射を吸収しスメクチック層５６を局部加熱するために、少量、例えば ５％以下、典型的には２％の染料を添加する。適当な染料は、ＩＥＥＥ　Ｔｒａ ｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ、　Ｖｏｌ。

Ｅ−０３０，Ｎｏ、５．　ｐ、４９９（１９８３＞所収のＦ、　Ｃ，５ａｕｎｄ ｅｒｓ他の論文に記載されている。近赤外領域で動作するレーザと共に使用され る適当な染料は英国特許出願第８，３２３，３５９号に記載されており、例えば ＩＣＩ染料番号５Ｃ１００８７０のようなニツケルジチェン誘導体である。

電ｆｉ５４．５５に電圧を供給するために電圧源５７が配備されている。走査ミ ラー４５．４６及びレーザ４１の制御並びに電圧源５７からの電圧の制御は制御 装置５８によって行なわれる。

これは、セル３６に従来の記号を走査する標準手順を含み得る。

第７図に示すように、Ｓ２及びＣ１５を充填したセルは、４８°Ｃでスメクチッ ク−ネマチック相転移を生じ、４９°Ｃでネマチック−等方性相転移を生じる９ 印加電界の非存在下に等方性相から冷却されたときには、この材料のネマチック 相はねじれネマチック状態になる。このねじれは、表面の分子配列Ｒ１，Ｒ２が 直交することによって誘発される。コレステリック材料Ｃ１５は均一なねじれ方 向を確保する。印加電界の非存在下にネマチック相からスメクチック相に更に冷 却されると、材料のスメクチック相がねじれ構造を維持している。かかるねじれ 構造は光学的に活性であり、入射する面偏光の平面を９０”回転させ、公知のね じれネマチック効果と同様の効果を与んる。

約５Ｘ１０’Ｖ１’の印加電界の存在下に材料を等方性相からネマチック相を経 由してスメクチック相まで冷却すると、材料は壁５１．５２に垂直な分子配列を 有する透明な組織になる。

レーザ加熱によって局部加熱されるとねじれ構造及び透明構造の双方が等方性状 態になる０例えば約５ｘ　１０１ｍ−’の強電界を印加することによってねじれ 組織が透明組織に変化し得る。

動作の際には例えば、セル３６が透明組織であるときにスクリーン４０に赤色が 得られる。ランプ３０からの光は中性偏光子３４によって垂直に偏光され、変化 しないでセル３６に入り、次いで赤色光だけがスクリーン４０に達するように赤 色偏光子３７で濾過される。セル３６が回転した組織であるとき、中性偏光子３ ４からの垂直偏光はセル３６によって回転させられて水平偏光となる。この水平 偏光が緑色偏光子３８によって一過されてスクリーン４０に緑色光が照射される 。

電圧を全く印加しないでレーザビーム４２がセル３６を走査すると、透明背景上 でスメクチック材料の領域がねじれ組織になる。この結果、赤色背景上に緑色領 域が生じる。この緑色領域は、数字、文字または記号などの情報を与える形状で ある。局部加熱された材料が透明組織になるべく冷却するときに、これらの緑色 領域をレーザビーム４２で走査し適度な電界を印加することによって、該領域を 選択的に消去してもよい。

または、緑色の背景上に赤色のディスプレイが与えられてもよい、この場合、セ ル３６全体がねじれ組織に変化し、適度な電界の存在下にレーザビーム４Ｚがセ ル３６を走査する、従って、層５６のねじれ組織の背景上に透明組織の領域が形 成される。赤色及び緑色の偏光子３７．３８の相対位置を逆転させるかまたはそ れらの光学軸を９０°回転させることによって色を反転させてもよい。

種々の色調光子を使用することによってその他の色及び色の組み合わせが得られ る。

２つの色調光子の代わりに英国特許第１，４６９，６３８号に記載のごとき多色 スイッチを使用して３色以上にしてもよい例えば、２つの色調光子３７．３８の 代わりに、セル３６からでる光の面に平行または垂直に位置合わせされた１つの 中性偏光子を使用すると黒白の２色が得られる。または、例えば赤色偏光子を使 用すると、有色、例えば赤白のディスプレイが得られる。第４図に示すように夫 々の光学軸が互いに直交するように配置された青色偏光子と中性偏光子とを使用 すると、有色、例えば青色と黒色即ち無光色（ｚｅｒ。

１　ｉｇｈｔ）が得られる。

異なる光学通路に沿って２つのセル３６を並列配置し２つの通路をスクリーンに 結合することによって３色例えば赤、緑、青色ディスプレイが得られる。一方の セルが赤色及び緑色を与え、他方のセルが青色及び黒色（光不在）を与える。

または、異なる３つの光学通路に沿って配列された３つのセルを使用して３色デ ィスプレイを与えてもよい。各セルに協働する２つの１光子が結合され、一方は 黒（無光）を与える中性偏光子で他方が有色偏光子である。３つの光学通路が結 合してスクリーン４０に１つの像が結ばれる０例えば第４図の装置を３つ組み合 わせ、夫々に異なる色調光子を配備し、得られた３つの像をスクリーン４０で結 合して１つの多色像を形成させる。かかる３色ディスプレイは従来技術よりも効 率がよい。その理由は、従来同様のフィラメント白熱電球を光源として使用でき 、シュリーレン絞りが不要になるからである。

Ｆｉｇ　、７．　　イガ二釆イ３・３ 国際調査報告

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．スメクチック液晶セルと、セルを照射する光源と、光源からの光をセルを介 してディスアレイスクリーンに導くレンズ系と、セルを局部的に加熱するレーザ 光源と、レーザ光でセルを走査する走査系とを含み、前記液晶セルが、セルの２ つの壁の間に配置されたスメクチック液晶材料層から形成され、前記２つの壁が 、スメクチック材料層に電界を印加すべき平面状電極でコートされている液晶カ ラーディスプレイであって、 セル内のスメクチック材料がスメクチック相と等方性相との間のネマチック相を 有すること、 セル壁の互いに向き合った表面がホモジニアス分子配列を与えるように表面処理 されており、一方の壁の配列方向が他方の壁の配列方向に対して少なくとも４５ °の角度を成すこと、 光源とセルとの間に中性平面偏光子を有すること、セルから光を受容すべく少な くとも１つの偏光子が配備されていること、 印加電界の非存在下に等方性状態から急激に冷却された液晶材料はねじれた旋光 性の空間的配列を生じ、電界の存在下に等方性状態から冷却されたときは非回転 性の空間的配列を生じるように構成されていること、及び、２つの偏光子と２つ の異なる空面的液晶配列とが協力し、一方の色の情報が他方の色の背景上にディ スプレイされることを特徴とする液晶カラーディスプレイ。
2. ２．セル壁における配列方向が互いに９０°±１０°であることを特徴とする請 求項１に記載のディスプレイ。
3. ３．スメクチック液晶材料中に１０％以下のコレステリック材料が混入されてい ることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイ。
4. ４．セルからの光を受容すべく配置された偏光子が単一中性偏光子であることを 特徴とする請求項１に記載のディスプレイ。
5. ５．セルからの光を受容すべく配置された偏光子が単一有色偏光子であることを 特徴とする請求項１に記載のディスプレイ。
6. ６．セルからの光を受容すべく配置された偏光子が中性偏光子と有色偏光子とか ら形成されていることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイ。
7. ７．セルからの光を受容すべく配置された偏光子が異なる色の２つの有色偏光子 から形成されていることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイ。
8. ８．請求項１に記載のディスアレイを複数個含み、各ディスプレイが異なる色の 有色偏光子を有し、得られる多数像が単一ディスプレイスクリーン上で結合され るように構成された多色ディスプレイを形成する請求項１に記載のディスプレイ 。
9. ９．光源が白熱フィラメント電球であることを特徴とする請求項１に記載のディ スプレイ。
10. １０．赤外放射を吸収するために適当量の染料が液晶材料に混入されていること を特徴とする請求項１に記載のディスプレイ。