JPH08502837A - 多重安定カイラルネマチックディスプレー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ポリマーのないカイラルネマチック液晶光変調材料を含む光変調反射セルが開示されている。このセルは正の誘電異方性を有するネマチック液晶と、フォーカルコニックテクスチャー及びツイストプレーナーテクスチャーを形成するに有効な量のカイラル剤を含む。このカイラル材料は可視スペクトルの光を反射するに有効なピッチ長さを持ち、ここに上記フォーカルコニックテクスチャー及びツイストプレーナーテクスチャーは電界がないときに安定であり、液晶材料が電界を適用するときにテクスチャーを変えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 多重安定カイラルネマチックディスプレー 発明の背景 技術分野 本発明は、一般に液晶光変調装置に関し、より詳しくは新規なポリマーの無い 液晶ディスプレーセル及び異なった電界条件下に異なった光学的状態を示す材料 に関し、光学的多重安定性及び電界−オン又は電界−オフの両方の状態で全ての 観測角にて濁りのない光透過を含む特異な性質の組み合わせによって特徴付けら れる。 電気光学的装置に使用しようとする電気的に切り換え可能な液晶フィルムが種 々の種類と濃度の液晶及びポリマーを用いて調製されてきた。そのような方法の １つは、プラスチック又はガラスシートの微小孔中に液晶を吸収させることを含 む。他の方法は、ポリビニルアルコールのような水溶性ポリマーの溶液中の、又 はラテックスエマルジョン中のネマチックエマルジョンの水性エマルジョンから 水を蒸発させることを含む。 機械的封入法及び乳化法よりも大幅な利点を提供する異なった方法は、液晶を 適当な合成樹脂との均質な溶液から液晶を相分離し、ポリマー相を差し入れた液 晶相を形成することである。これらのタイプのフィルム、それらの内のいくつか はＰＤＬＣと呼ばれているが、大面積ディスプレー及び窓の切り換え可能な皮膜 からプロジェクシヨンデイスプレー（ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｄｉｓｐｌａｙｓ ）及び高品位テレビにわたる多数の用途に有用であることが示された。 上述の全ての物質及び方法は、多数で高価な薬剤及び出発物質を必要とすると いう欠点を有する。これらの装置に付随する種々の吸収法、乳化又は重合方法は 、大いにコスト及びそれらの製造の複雑さを加える。更に、多量のポリマーを用 いると、それらは斜め観測角が増すにつれて「濁り」という特有の欠点を示し始 め、液晶の有効な屈折率とポリマーの屈折率との間にミスマッチが知覚されて、 充分に斜めの角度では、本質的に不透明な外観が観測される。 親出願（米国特許出願Ｎｏ．０７／６９４，８４０、米国特許出願Ｎｏ．０７ ／８８５，１５４及び米国特許出願Ｎｏ．０７／９６９，０９３）において、カ イラルネマチック液晶及びポリマーを用いて良好な色を反射するディスプレーが 調製されることが見いだされた。これらのディスプレーは、多重な安定な色反射 状態、及びポリマーの量が少ないときは濁りの外観を与えるという利点を持って いた。しかしながら、それらの多数の利点にも拘わらず、これらのディスプレー はポリマーを必要とし、それ故それに付随する欠点を有する。 驚くべきことに、ポリマーのない多重安定（ｍｕｌｔｉｓｔａｂｌｅ）色反射 セルが調製できることが見いだされた。これは安定な色反射と光散乱状態と、そ れらの間の多重の安定な光学的状態であって反射の種々の度合いによって特徴付 けられたものとを有する。電界アドレッシングパルス（ａｄｒｅｓｓｉｎｇ ｐ ｕｌｓｅ）の電圧に依存して、この材料はこれらの多重な光学的状態の間で切り 換えることができる。これらの状態の全ては印加された電界（ｆｉｅｌｄ）の不 存在下に安定である。 発明の開示 本発明の重要な態様は、反射カラーディスプレーセルはポリマー なしで調製され、それ故それは多重な光学的に異なった種類の状態を示し、それ ら状態の全ては印加された電界の不存在下に安定であることである。このディス プレーは、電界によって、１つの状態から他の状態に追いやることができる。電 界パルスの大きさと状態に依存して、前記材料の光学的状態は新しい安定な状態 に変化でき、この状態はそのような状態の連続体に沿った色光のどんな望みの強 さも反映し、こうして安定な「無彩色スケール（ｇｒｅｙ ｓｃａｌｅ）」を提 供する。驚くべきことに、これらの材料はそれに付随するポリマー及び追加の出 費及び製造上の複雑さの必要なしに調製できる。 一般的に言って、前記材料に充分に低い電界パルスをかけると外観が白い光散 乱状態をもたらす。この状態において、何らかの表面効果、弾性力及び電界の間 の競合の結果、ある割合の液晶分子はフォーカルコニックテクスチャーを有する 。充分に高い電界パルス、即ち、液晶ディレクターをホメオトロピックに配列す るに充分に高い電界を印加した後、この材料は弛緩して、カイラルネマチック液 晶のピッチ長さに依存して緑、赤、藍、又はいずれかの予め選択された色に見え るようにできる、ある光反射状態になる。この光散乱及び光反射状態は電界ゼロ で安定である。前記材料を、それを光反射状態から散乱状態へ切り換える、又は その反対の電界の間の電界にさらすことにより、反射状態及び散乱状態によって 示されるものの間で種々の度合いの反射によって特徴付けられる無彩色スケール を得ることができる。カイラルネマチック液晶がプレーナー色光反射テクスチャ ーにあり、中間の電界パルスが印加されたときは、プレーナーテクスチャーにあ る材料の量及び色光の反射の強さは、減少する。同様に、この材料がフォーカル コニックテクスチャーにあり、中間の電界パルスが印加されると、プレーナーテ クスチャーに ある材料の量は増大し、セルからの反射の強さも増大する。電界が除かれると、 前記材料は安定であり、どんなテクスチャーから出発しようとも、既に確立され たテクスチャーを保持し、不定にその強さの光を反射する。 もし、液晶ディレクターをホメオトロピックに配列するに充分高い電界が維持 されると、この材料はこの電界が除かれるまで透明である。この電界が急に消去 されると、この材料は光反射状態に矯正され、この電界がゆっくりと消去される と、この材料は光散乱状態に矯正される。それぞれの場合において、電界パルス は好ましくはＡＣパルスであり、より好ましくは方形ＡＣパルスである。ＤＣパ ルスは、イオン性電気伝導を引き起こし、セルの寿命を限定するからである。 理論によって限定されたくないが、電圧がかけられると、電界がオンの間に、 一部の材料が濁った相にはいると考えられる。濁った相を示す前記材料のこれら の部分は、電界を除くと、弛緩してフォ一カルコニックな光散乱テクスチャーに なる傾向がある。前記材料の電界によって影響されなかった部分、即ち濁った相 に入らなかった部分はプレーナーな光反射テクスチャーの状態で残留する。この セルから反射された光の量はプレーナー反射テクスチャーの状態にある材料の量 に依存する。電界の電圧が増すと、電界がオンの間は、より高い割合の材料が濁 った相に入り、その後、電界が除かれると、弛緩してフォーカルコニックテクス チャーになる。セルからの反射はプレーナー反射テクスチャーの状態にある材料 の量に比例するので、セルからの反射は、電界の大きさが増大する結果、無彩色 スケールに沿って減少する。これは、この材料のより多くが濁った相に入り、フ ォーカルコニックテクスチャーに切り換わるからである。あるしきい値電圧で（ これは材料に依存する）、電界を除いた とき、実質的に全てのフォーカルコニックテクスチャーに切り換わり、セルの反 射率が最小であるかこれに近い光散乱状態によって特徴付けられる。さらに電圧 を増加して、液晶のねじれを戻し、液晶ディレクターをホメオトロピックに配列 するに充分高い点にすると、この材料は透明であり、電圧を除くまでは透明さを 保つであろう。電界を除くと、この材料はホメオトロピックテクスチャーから弛 緩して安定な色反射プレーナーテクスチャーになる傾向がある。 この材料が光散乱フォーカルコニックテクスチャーにあり、低電圧パルスがか けられているときは、この材料はテクスチャーを変えはじめ、再び安定な無彩色 スケール反射率（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｉｅｓ）が得られる。ここで、この材 料は散乱フォーカルコニックテクスチャーから始まるので、無彩色スケール反射 率は、実質的に全ての材料が散乱フォーカルコニックテクスチャーに存在すると きに示していたものからの反射率の増加によって特徴付けられる。反射率の増力 旧よ印加された電界の結果としてホメオトロピックに配列した材料の割合に比例 することに帰せられると考えられる。ホメオトロピックに配列した部分は、電界 を除くと、弛緩して（ｒｅｌａｘ）安定なプレーナー光反射テクスチャーになり 、一方ではこの材料の残りは電界の結果濁った相を示し、電界を除くとフォーカ ルコニックテクスチャーに戻る。電圧をさらに増して液晶の全てを実質的にホメ オトロピックに配列する点まで行くと、前記材料は再び透明になり、電界を除い たとき、弛緩して安定なプレーナー色反射テクスチャーになる。 要約すれば、電界をかけた結果濁った相に入った前記材料の部分は、電界を除 くと、弛緩して安定なフォーカルコニックテクスチャーになり、電圧をかけたた めにホメオトロピックに配列された部分は、電界を除くと、弛緩して安定なプレ ーナーテクスチャーになる と考えられる。高い電圧をゆっくり除くと、前記材料がホメオトロピックに配列 した液晶から散乱フォーカルコニック状態に戻るのは、ゆっくりとした除去は、 それから電界の除去の後一致して弛緩してフォーカルコニックテクスチャーにす るように見える濁った相に材料を移行させる（ｔａｋｅ ｉｎｔｏ）からである と考えられる。高い電界が急に除去されると、この材料は濁った相に入らず、従 って弛緩してプレーナー反射テクスチャーになる。いずれにせよ、前記材料を安 定な反射状態から安定な散乱状態に、又はその反対に、追いやるに必要な大きさ より低い種々の大きさの電界パルスは、この材料をそれ自体安定な中間の状態に 追いやることを見ることができる。これらの多重の安定な状態は、反射状態及び 散乱状態によって反映される強さの間の強さの色光を不定に反射する。従って、 電界パルスの大きさに依存して、前記材料は、ポリマーの必要なしに安定な無彩 色スケール（ｇｒｅｙ ｓｃａｌｅ）の反射率を示す。前記材料を種々の状態の 間で駆動させるに必要な電界の大きさは、勿論、特定の液晶及びセルの厚さの量 に依存して変化する。この材料に機械的応力をかけることも、この材料を光散乱 状態から光反射状態に駆動するのに用いられうる。 多重安定な材料の主な利点は、それが高品位平坦パネルスクリーンを作るため のアクチブマトリックスを必要としないことである。このスクリーンは、各画素 部位での活性要素（ａｃｔｉｖ ｅｌｅｍｅｎｔｓ）及びディスプレーをアドレ スする（ａｄｒｅｓｓ）ために用いられる多重化スキーム（ｓｃｈｅｍｅ）なし に、調製できる。これは生産を大いに簡素化し、収率を増し、そしてディスプレ ーのコストを減らす。この材料はポリマーを必要としないので、本発明により、 より大きな製造の簡素化及びコストの節約が実現される。本発明の他の利点は、 光散乱状態及び光反射状態が、ポリマ ーも基体の繊細な表面状態も必要としないことである。本発明の材料を用いて作 ったディスプレー装置は、ディスプレーの明るさを制限する偏光子を必要とせず 、色はその材料自体で導入されて、やはり明るさを減らしうる色フィルターの必 要性がない。 上述の有利な性質は、本発明においてポリマーのないカイラルネマチック液晶 光変調材料を含む光変調セルを提供することにより達成される。前記材料は正の 誘電異方性を有するネマチック液晶並びに可視スペクトルの状態において光を反 射するに有効な長さのピッチを有し、フォーカルコニック及びツイストプレーナ ーテクスチャーを形成するに有効な量のカイラル材料を含み、この場合、前記フ ォーカルコニックテクスチャー及びツイストプレーナーテクスチャーは電界の不 存在下に安定であり、この液晶材料は電界の印加によってテクスチャーを変える ことができるものである。 前記アドレス手段はこの技術分野で公知のどんなものであってもよい。例えば 、アクチブマトリックス（ａｃｔｉｖｅ ｍａｔｒｉｘ）、多重化回路（ｍｕｌ ｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ）、電極及びレーザーがある。その結果、 この新しい材料は、ポリマーが必要でなく、それに付随する複雑な製造プロセス の必要もなしに、種々の光学的状態、即ち、光透過状態、光散乱状態、光反射状 態及びこれらの状態の間の安定な無彩色スケール（ｇｒｅｙ ｓｃａｌｅ）を示 すように作ることができる。 このカイラルネマチック液晶は、正の誘電異方性及び望みのピッチ長さを提供 するに充分な量のカイラル材料の混合物である。適当なネマチック液晶及びカイ ラル材料は商業的に入手可能であり、この明細書の記載から当業者の知るところ であろう。ネマチック液晶及びカイラル材料の量は、用いられる特定の液晶及び カイラル材料、及び望みの運転方法（ｍｏｄｅ ｏｆ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）に 依存して変化するであろう。 この材料によって反射される光の波長は関係λ＝ｎｐで与えられる。ここに、 ｎは平均屈折率であり、ｐはピッチ長さである。約３５０nm及び８５０nmは可視 スペクトルの範囲にある。従って、当業者は、関係する諸材料の屈折率、及び最 適なピッチを得るための液晶のカイラルドーピングの一般的な原則に基づいて本 発明のために適当な材料を選択することができるであろう。例えば、この過程は Ｈｏｆｆｍａｎｎ−Ｌａ Ｒｏｃｈｅ， Ｌｔｄ．によって頒布された、題名： Ｈｏｗ ｔｏ Ｄｏｐｅ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍｉｘｔｕｒｅ ｉ ｎ Ｏｒｄｅｒ ｔｏ ＥｎｓｕｒｅＯｐｔｉｍｕｍ Ｐｉｔｃｈ ａｎｄ ｔ ｏ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅ ｔｈｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｄｅｐｅｎｄｅ ｎｃｅ，Ｓｃｈａｄｔ ｅｔ ａｌ．，（１９９０）（ここに引用して記載に含 める）のマニュアルに教えられている。 好ましい態様において、カイラルネマチック液晶のピッチ長さは、約０．２５ 〜約１．５μm、より好ましくは約０．４５〜約０．８μmの範囲にある。典型的 なピッチ長さは、藍色について０．２７μm、緑色について０．３１μm及び赤色 について０．４０μmである。更に、このカイラルネマチック液晶は、ネマチッ ク液晶及びカイラル材料の合計の重量を基準として好ましくは約２０〜約６０ｗ ｔ％のカイラル材料、及び更に好ましくはネマチック液晶及びカイラル材料の合 計の重量を基準として約２０〜約４０ｗｔ％のカイラル材料を含む。しかしなが ら、この範囲はカイラル材料及び液晶に基づいて変化しうる。このネマチック液 晶は、好ましくは少なくとも約５の、より好ましくは約１０の正の誘電異方性を 有する。この重量基準の量は用いられるこの液晶の種類及びカイラル材料に依存 して変化しうることが理解されよう。 本発明を実施するにあたって、望みの量のネマチック液晶及びカイラル材料を 含む溶液が調製され、少なくとも１つが透明な複数のセル基体の間に導入される 。次いで、このセルはその端部の周りを、例えばエポキシ又は他のこの技術分野 で公知の材料でシールする。このセルは、当業者に公知の方法、例えば毛管作用 によって充填できる。好ましい方法はこのセルを真空充填することである。これ はセルの均一性を改善しセル中の気泡を除く。電気的にアドレス可能なセルとす るために、液晶の導入に先立って、このセルの壁は透明電極、例えば酸化イリジ ウム錫で被覆される。 本発明に必ずしも必要ではないが、場合によってはセルの壁を電極に加えて、 コントラスト又はスイッチング特性に変化を与えるために洗剤又は化学薬品のよ うな物質で処理するのが望ましい。これらの処理は、この液晶の均一性に影響を 与えるために、種々のテクスチャーの安定性を変えるために、及び何らかの表面 投錨効果の強さを変えるために、用いることができる。そのような表面処理のた めに広範な種々の材料を用いることに加えて、相対する表面の処理が異なっても よい。例えば、前記複数の基体は異なった方向にラビングされていてもよく、１ つの基体は追加の処理がされていて、他の基体はされていなくてもよく、又は相 対する基体は異なった物質で処理されていてもよい。上述のように、そのような 追加の処理はセル応答の特性を変化させる効果を持ちうる。 随意に、セルの特性を変えるために、他の添加剤がカイラルネマチック液晶混 合物に添加されてもよい。例えば、色を液晶材料それ自体に導入する一方で、セ ルによって反射される色を強めたり変化させたりするために多色性の染料を加え てもよい。同様に、フュームドシリカのような添加物を、種々のコレステリック テクスチャーの安定性を調節するために液晶混合物中に溶解することができる。 本発明は、また、最大レフェレンス強さ（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｉｎｔｅｎｓｉ ｔｙ）を反映する色反射状態と最小レフェレンス強さを示す光散乱状態との間を スイッチする（切り換わる）ことのできる、ポリマーのないカイラルネマチック 液晶材料をアドレスする改善された方法を１つの態様とする。この改善は前記最 大及び最小の間の色反射を達成するに充分な種々の大きさの電圧パルスを印加し 、これによって前記材料からの安定な無彩色スケール反射率を生み出すことを含 む。 好ましくは、この方法は、この材料を充分な期間及び電圧のＡＣパルスを前記 材料にかけて、前記カイラルネマチック材料の一部を第１の光学的状態を示すよ うにさせ、このカイラルネマチック材料の残りの部分を第１の状態とは異なる第 ２の光学的状態を示すようにさせることである。好ましい態様において、第１の 光学的状態の材料の部分はプレーナーテクスチャーを示し、第２の光学的状態に あるこの材料の残りはフォーカルコニックテクスチャーを示す。反射の強さはプ レーナー反射テクスチャーにあるこの材料の量に比例する。 本発明の多数の追加の態様、利点及び更なる理解は、以下の好ましい態様の説 明及び添付の図面から得られるであろう。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の液晶材料を含む光変調セルの概略断面図である。 図２は、液晶がホメオトロピックに配列して光学的に透明な状態になったとき の材料の部分拡大断面概略図である。 図３は、光散乱状態の材料の部分拡大概略断面図である。 図４は、液晶がねじれプレーナーテクスチャーを有するときの材 料の部分拡大概略断面図である。 図５は、プレーナーテクスチャーから出発する約３０〜１４０ボルトの範囲の 、及びフォーカルコニックから出発する約１４０と１８０の間の電圧における無 彩色スケールを表す種々の電圧のＡＣパルスに対するセルの電気光学的応答のプ ロットである。 好ましい態様の説明 図１に概略的に示したセルは、ガラスプレート１０、１１を有し、これらはそ れらの端部をシールされており、スペーサー１２で分離されている。図示のよう に、ガラスプレート１０、１１は酸化インジウム一錫（ＩＴＯ）等でコートされ 透明電極１３を形成する。引用符号１４は、液晶ディレクターに影響を与えるた め、又はセルのコントラスト、反射又はスイッチング特性を変化させるため、電 極に被覆できる光学的表面皮膜を表す。相対する皮膜１４は、同じの又は異なる 材料でありえ、異なる方向にラビングでき、またこの皮膜１４の一方又は両方は 全く除去できる。 図１のセルは、本発明のポリマーのない液晶材料で満たされている。この液晶 光変調材料は、一般に正の誘電異方性及びカイラルな成分を有するネマチック液 晶を有するカイラルネマチック液晶１６から一般になる。異なる光学的状態の間 でセルを切り換えるために、ＡＣ電源１７は電極１３に接続されている。 図１に表されたセルの形は、本発明のポリマーのない液晶材料の特別な具体例 と機能を述べるためにのみ選んだのであって、この物質は種々にアドレスする（ ｂｅ ａｄｄｒｅｓｓｅｄ）ことができ、他のタイプのセルに入れることができ る。例えば、外部活性化電極、でアドレスする代わりに、前記材料はアクチブマ トリックス、多重配列（ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ）又は他の種 類の回路（これら全ては当業者に明らかであろう）によってアドレスすることが できるであろう。同様に、前記セルは、光学的表面処理層１４なしに調製できる であろう。 セルの特性を変化させることを目的として、ラビングした又はラビングしてい ないＩＴＯ又は他の適当な電極に加えて任意の表面処理層を用いるときは、広範 な材料を用いうる。適当な材料は、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ラ ビングしていないポリイミド、ポリイソビリルメタクリレート、ポリ−ｎ−ブチ ルメタクリレート、ポリビニルホルマール（ＰＶＦ）及びポリカーボネートを含 む。両方のプレートは、同じの又は異なった材料であってもよく、またラビング されていてもよく、ラビングされていなくてもよく又は他のテクスチャーを出し （ｂｅ ｔｅｘｔｕｒｅｄ）てもよい。 同様に、相対する表面は異なった方向にラビングしてもよく、又は異なった態様 でテクスチャーを出してもよい。最良の結果は追加の表面処理がなくラビングさ れたＩＴＯで得られる。 この液晶材料は正の誘電異方性及びカイラル成分を持つネマチック液晶、例え ばコレステリック液晶を含み、ポリマーを全く含まない。この技術分野で公知の 適当な正の誘電異方性シアノビフェニルは充分であろうが、適当なネマチック液 晶は、例えばＥ．Ｍｅｒｋの製造するＥ７、Ｅ４８、Ｅ３１及びＥ８０を含む。 適当なカイラル剤は、例えはやはりＥ．Ｍｅｒｋの製造するＣＢ１５、ＣＥ２及 びＴＭ７４Ａを含む。本発明に使用するに適した他のネマチック液晶及びカイラ ル成分は、ここに開示する事項にかんがみて、当業者に公知であろう。前記カイ ラルネマチック液晶混合物に加えうる他の任意の成分は、例えば種々のテクスチ ャーの安定性を調節するためのヒュームドシリカ及び色を調節するための染料を 含む。 図１に示すセルを調製する好ましい態様において、もしあれば追 加の染料又は添加物等と共にカイラルネマチック液晶の溶液が調製される。次い で、この溶液をここに示した任意の皮膜１４を有するガラスブレート１０、１１ の間に前記溶液を導入する。これは、当業者に公知の方法、例えば毛管充填、よ り好ましくは真空充填の方法によって行いうる。両プレートの間に一旦導入する と、公知のように、このセルはその端部の回りをシールする。 安定なプレーナー状態の、フォーカルコニック状の及び無彩色スケール状態の 間で切り替わりうる本発明に従って調製されたポリマーのないディスプレーを、 以下の本発明を制限しない例に示す。 例１ ３７．５ｗｔ％のＥ４８（ＥＭ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓからのネマチック液晶） 及び６２．５ｗｔ％のＴＭ７４Ａ（ＥＭ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓからのカイラル添 加剤）を含むカイラルネマチック液晶混合物を調製した。次いで、１インチ平方 のセルを、ＩＴＯで被覆した２つの基体から形成した。両基体のこのＩＴＯ皮膜 は相互に平行に磨いた。１０μmのガラススペーサーを１つの基体上にスプレー し、第２の基体をサンドイッチして、その２つの端が第１の基体と重なるように し、このセルを締め金で相互に保持した。次いで、５分間エポキシ（Ｄｅｖｃｏ ｎ）を用いてこの２つの非重複端をシールした。 このセルを鉛直に保持し、カイラルネマチック液晶の一滴をセルの頂部端開口 部に沿って置いた。次いでこのセルを約１５分間かけて毛管作用によって自発的 に充填した。一旦充填すると、残りの液晶混合物を前記端部から除き、この端部 開口を５分間エポキシでシールした。 このセルは当初はプレーナー反射状態であった。約１１５ボルト 及び１ＫＨｚの１００ｍｓ低い電圧パルスは、このセルをフォーカルコニック分 散状態に切り換えた。約１８０ボルト及び１ＫＨｚの１００ｍｓ高い電圧パルス は、このセルをプレーナー反射状態に戻した。前記プレーナー状態及びフォーカ ルコニック状態は、電界（ｆｉｅｌｄ）がないときは安定であり、このセルは分 散状態及び反射状態の間で多重安定無彩色スケール反射状態を示した。 例２ 先の例のように、１０μmの間隔をおいたＩＴＯで被覆されたガラス基体の間 に、Ｅ４８及びＴＭ７４Ａの重量比０．６：１の混合物を導入した。これらの基 体をラビングしていないポリイミド層で更に被覆した。このセルは、当初はフォ ーカルコニック、散乱テクスチャーであり、これはこのセルを通して僅かに約３ ０％のＨｅＮｅビームを通した。１０ｍｓ、１５５ボルト、１ＫＨｚのＡＣパル スはこのセルをプレーナーテクスチャー反射性緑色光に切り換えた。この反射状 態のセルからの透過率は約６５％であった。同じ期間の９５ボルトのパルス及び 波長はこのセルをフォーカルコニック、散乱状態に戻した。このセルは複数の状 態間を１０ｍｓ未満で切り換わった。 例３ ＣＢ１５，ＣＥ２（ＥＭ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ）及びＥ４８ネマチック液晶の 重量比０．１５：０．１５：０．７の混合物を用い、先行の例のようにして調製 した。このセルにおいては、駆動電圧は約半分にカットした。この混合物の誘電 異方性がＴＭ７４Ａを用いたときよりも高かったからである。この材料の電気− 光学応答は例１と同様であった。 表Ｉは、先行の例に従って調製した材料の多数の追加の例を示す。カイラル材 料の濃度、及びネマチック液晶の種類と濃度をこれら のセルでは変化させた。各ケースにおいて、カイラル材料はＣＥ２及びＣＢ１５ の５０：５０混合物であった。各セルは、基体上の唯一の表面処理としてラビン グしていないＩＴＯ電極を用いた。表Ｉの材料はすべて、可視スペクトル中に多 重安定性、即ち安定な反射、散乱及び無彩色スケール状態を示した。 表IIは種々の表面処理材料及びセル厚さを有し、多重安定性を示す先行の例に 従って調製した材料の例を示す。各場合において、ネマチック液晶はネマチック 液晶の組合わさった重量に基づいて６０ｗｔ％のＥ３１（ＥＭ Ｃｈｅｍｉｃａ ｌｓ）及びカイラル材料であった。各場合におけるカイラル材料は、ＣＥ２及び ＣＢ１５（ＥＭ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ）の５０：５０混合物であり、カイラル材 料及びネマチック液晶の重量を基準として４０ｗｔ％の量存在した。各セルは緑 色の反射状態を示した。電界の非存在下に、反射及び散乱状態は安定でありこの セルは安定な無彩色スケール状態をそれらの間に示した。例１７及び１８におい て、相対する基体上のＰＶＦ皮膜をそれぞれ平行に及び相互に直角にラビングし た。同様に、 例２２及び２３の相対する基体上の皮膜をそれぞれ平行に及び相互に直角にラビ ングした。例２１及び２４の皮膜は単にラビングしていないＩＴＯ電極であり、 例２５の場合は、相対する基体上のＩＴＯ皮膜は相互に平行にラビングした。例 １３〜１５のｎ−ブチル及びｉ−ブチルは、それぞれｎ−ブチルメタクリレート 及びｉ−ブチルメタクリレートを表す。これらの例における間隔は、先行の例の ように、ガラス球によって調製した。 表面処理及びセル厚みを変化させて、例１と同様にして得られた 多重安定な材料の追加の例を提供する点で、表IIIは表IIに類似している。しか しながら、表IIIの材料は、カイラル材料及びネマチック液晶の重量を基準とし て６ｏｗｔ％の量のＴＭ７４Ａカイラル材料からなっていた。前記ネマチック液 晶は、Ｅ４８で、４０ｗｔ％の量存在した。これらのセルも、テクスチャーを反 映する（ｒｅｆｌｅｃｔ）プレーナー光中の緑色光を反射し（ｒｅｆｌｅｃｔｅ ｄ）、多重安定性を示した。 本発明のポリマーのない多重色ディスプレーセルは、安定な無彩色スケール現 象を示し、前記材料が反射状態によって反射される強 さと、散乱状態によって反射される強さとの間の不定のどんな選択された強さの 光も反射する能力を有することを特徴とする。前者は実質的に全ての材料がプレ ーナーテクスチャーを示すときに起こり、後者は実質的に全ての材料がフォーカ ルコニックテクスチャーを示すときに起こる。本発明の目的にとって、反射状態 は、与えられた材料について最大の強さにて着色された光を反射し、反射光の色 はカイラル材料のピッチの長さによって決定される。適当なしきい値電圧の電界 パルスは、少なくとも一部の材料にその光学的状態を変化させ、反射の強さを減 らさせるであろう。もし、前記ＡＣパルスが充分高いが、液晶をホメオトロピッ クに配列するものよりも未だ低いならば、この材料の光学的状態は完全に散乱状 態に変化し、この状態は与えられた材料について最小の強さで光を反射する。与 えられた材料についてその材料の最大反射強さを規定すると考えられる反射状態 と、最小反射強さを規定すると考えられる散乱状態の間において、反射強さは、 反射状態と散乱状態とによって示されるものの間の強度値の単なる連続体（ｃｏ ｎｔ ｉｎｕｕｍ）である無彩色スケールに沿った範囲に亘る。前記材料を反射 状態から散乱状態へ変換し、又はその反対を行うものの間における電圧のＡＣパ ルスで前記材料にパルスを与えることにより、この無彩色スケール範囲の反射の 強さを得る。 理論に拘束されたくないが、前記材料がプレーナーテクスチャーに始まる無彩 色スケールに沿う反射の強さは、パルスの電圧にほぼ直線的に比例することが観 察された。パルスの電圧を変化させることにより、与えられた反射の強さは比例 して変化しうる。電界が除かれるときは、この材料は不定にその強さを反射する であろう。この無彩色スケールの電圧範囲内でのパルスは、ある割合の前記材料 を反射状態のプレーナーテクスチャー特性から、散乱状態のフォー カルコニックテクスチャー特性へ変換すると考えられる。無彩色スケールに沿っ た反射の強さは、プレーナーテクスチャーからフォーカルコニックテクスチャー へ切り換えられたカイラル材料の量に比例し、また逆の場合も同じである。この ことは今度はＡＣパルスの電圧に比例する。 図４は、本発明のポリマーのない多重安定な材料の光反射状態を概念的に示す 。この状態では、カイラルな液晶分子４０はセル壁に平行なツイストプレーナー 構造に配列している。ツイストプレーナー構造の故に、この材料は光を反射し、 その色は特定のピッチ長さに依存する。この安定な反射状態において、この材料 は、それより小さいと無彩色スケール強さが観測される最大参照強さを構成する 最大反射率を示す。この液晶のプレーナーテクスチャーはポリマーの無いときは 安定である。概念的に図３に示したように、多重色ディスプレー材料はその光散 乱状態にある。この安定な散乱状態において、この材料は最小の反射強さ（即ち 、最大散乱）を示し、それはそれより大きいと無彩色スケール強さが観測される 反射率の最小参照強さを規定する。 図４の光反射状態及び図３の光散乱状態の両方、並びにそれらの間の無彩色ス ケールは、電界の無いときに安定である。もしこの材料が図４の光反射状態にあ り、電界パルスがかけられると、この材料は図３の光分散状態に移行させられ、 ゼロの電界においてその状態を維持するであろう。もし多重安定材料が図３の光 散乱状態にあり、カイラル分子のねじれを戻すに充分な比較的高い電界パルスが かけられるならば、液晶材料はパルスの終わりのところで図４の光反射状態に矯 正され、その状態に止まるであろう。光学的状態の間の前記材料を駆動するに必 要なセル厚さ１μmあたりの電圧はこの材料の組成に依存して変化しうること、 しかし必要な電圧の決定は この明細書の開示に鑑みて、充分に当技術分野の熟練の範囲内であることを理解 すべきである。 液晶分子のねじれを戻すために必要な高い電界が維持されているならば、この 液晶ディレクターはホメオトロピックに配列され、この材料は透明である。もし 、この電界をゆっくりと除くと、この液晶の配列は図３の光分散状態に矯正され るであろう。これは、おそらく、ゆっくりと除去すると、この材料の大きな部分 が濁った層に入るからであろう。この電界を急に除くと、配向は図４の光反射状 態に矯正されるであろう。図４の反射状態及び図３の反射状態の間で反射される 反射率の強さは、安定な無彩色スケール反射率である。勿論、反射及び散乱の状 態の強度値は、この材料の組成が変化するに連れて変化するであろうが、無彩色 スケールはそれらの間の強さの範囲によって規定される。 この材料を図４の反射状態から図３の散乱状態に転化するであろう電圧よりも 低い電圧では、ゼロの電界でそれ自体安定な無彩色スケール状態が得られる。こ れらの無彩色スケール状態におけるこの材料からの反射は安定である。それは、 ある割合の材料は図４のプレーナー反射状態にあり、ある割合の材料は図３のフ ォーカルコニック散乱テクスチャーの状態にあり、この両方が電界のない状態に おいて安定であるからである。 従って、例えばこの材料が図４の反射状態にあり、全ての液晶１６を図３の５ ０に示したフォーカルコニックテクスチャーに追いやるに不十分な、即ちこの材 料を完全に散乱状態に追いやるに不十分である電界パルスがかけられたときは、 プレーナー反射テクスチャー中に残る材料の量に比例した強さの色光を反射する であろう。即ち、この反射率は全てのカイラルネマチック液晶の全てがプレーナ ー反射テクスチャーであるとき、この材料から反射されるものより も低いが、完全にフォーカルコニック散乱テクスチャーに切り換わったときより も高いであろう。電界パルスの電圧が増すにつれて、カイラル材料のより多くが プレーナー反射テクスチャーから散乱フォーカルコニックテクスチャーに切り換 わり、パルスの電圧が増加してこの材料の全て又は殆どが濁り相に入り、それが 弛緩して完全に散乱状態に切り換わるに至る。もし、このパルスの電圧が更に増 すならば、反射の強さは再び増えはじめ、パルスの大きさが殆どのカイラル分子 のねじれを戻し、これら分子が再びプレーナー光反射テクスチャーに矯正される に充分となり、このパルスを急に除いたときこれら分子が再びプレーナー光反射 テクスチャーに矯正され、この材料が再び図４の光反射状態になるに至る。 この材料が図５のフォーカルコニック散乱状態にあれば、印加された電圧パル スは、セルがプレーナーテクスチャーから出発するときよりもこのセルの反射率 に対する効果ははるかに劇的ではなくなり、電圧はこのカイラル材料のねじれを 戻すに充分な大きさに達するに至り、ここで、上述のように、電界が除かれたと き、それを図４の光反射状態へ矯正するであろう。前記材料がフォーカルコニッ クテクスチャーから始まるときの無彩色スケールは、電界の印加の結果、ある割 合の分子のねじれが戻り、ホメオトロピックに配列する結果をもたらすようであ る。次いで、電界を取り除いたとき、この分子の割合は弛緩してプレーナー反射 テクスチャーになる。 上述のように、セルの応答を図６に示す。この図は、例１で調製した材料のパ ルス電圧に対する応答を示す。 種々の電圧のＡＣパルスに応答してセルの反射率を測定した。この測定におい て、１００ミリ秒、１ＩＫＨｚＡＣパルスを用いた。この材料について、約１８ ０Ｖを超えるパルスをかけると、パルスの前にセルが散乱状態であろうが反射状 態であろうが関係なく反射 状態に、セルを切り換えた。ここで最大反射、即ち透過を観察した。電圧が１３ ０〜１４０Ｖの範囲であるとき、この材料がパルスの前にフォーカルコニックテ クスチャーのプレーナーにあるか否かを問わず、最大散乱を示した。 変化する電圧のパルスに応答したセルの無彩色スケール応答も図６に見られる 。ここで、パルスの電圧を変化させ、セルからの反射（透過％）を測定した。パ ルスの前に前記材料が確実に完全に反射状態になるように、曲線Ａ上にプロット された各パルスの前に前記材料を高いＡＣパルスで処理した。パルスの電圧が約 ３０Ｖ未満であるときは、セルの反射はあまり影響を受けない。パルスの電圧が 約４０Ｖと１１０Ｖの間にあるときは、セルの反射率はパルスの電圧が増すにつ れてほぼ直線的に減少する。無彩色スケール反射率はこの電圧範囲で観察される 。各場合において、前記材料はパルスが除かれた後も反射し続けた。パルスの電 圧が約１２０〜１３０Ｖに増大したときは前記材料は散乱状態であり最大散乱近 くを示した。パルスの大きさが更に大きくなって、約１５０〜１６０Ｖを超える と、セルの反射率は増大し当初の値、即ち１８０Ｖを超える反射状態のそれに近 づくに至った。 曲線Ｂは、前記材料がＡＣパルスをかける前に当初フォーカルコニック散乱状 態であったときのセルの応答を示す。ここでは、セルの反射率は、約３０Ｖ未満 でＡＣパルスに対してさほど変化しない。約５０〜１５０Ｖの間では、前記散乱 は実際少し増大し、最大散乱がセルから観察される。約１６０Ｖを超えると透過 は急速に増大し、セルは、約１８０Ｖを超える最大透過に近い反射状態に切り換 わった。 前記材料がブレーナーテクスチャーから出発するときは、無彩色スケールの電 圧に対する直線関係は、はるかに顕著であり、前記材 料がプレーナーテクスチャーから出発するときは前記無彩色スケールはよりなだ らかになる。従って、無彩色スケール現象の最も実際的な応用は、プレーナーテ クスチャーから出発する前記材料を用いるようである。 上述の記載から、当業者にとって多数の修正と変形が明らかであろう。従って 、請求の範囲の範囲内で、本発明は特に示し、記載した以外に実施が可能である ことが理解されよう。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９４年１１月１日 【補正内容】 請求の範囲 １．セル壁構造体と、正の誘電異方性及び可視スペクトルの光を反射するに有 効なピッチ長さを有するカイラルネマチック液晶光変調材料とを含み、前記セル 壁構造体及び液晶は共同して電界の不存在下に安定なフォーカルコニックテクス チャ一及びツイストプレーナーテクスチャーを形成し、また前記液晶材料をアド レスする手段を含み、この手段は前記液晶の少なくとも一部をフォーカルコニッ クテクスチャーから光反射ツイストプレーナーテクスチャーに転化するに有効な 大きさの電界パルス、及び前記液晶の少なくとも一部を光反射ツイストプレーナ ーテクスチャーからフォーカルコニックテクスチャーに転化するに有効な大きさ の電界パルスを選択的に確立するように適合された光変調反射セル。 ２．前記カイラルネマチック液晶のピッチ長さが約０．２５〜約１．５μmの 範囲にある請求の範囲１で請求したセル。 ３．前記カイラルネマチック液晶のピッチ長さが約０．４５〜約０．８μmの 範囲にある請求の範囲１で請求したセル。 ４．前記液晶が、この液晶をホメオトロピックに配列するに充分な大きさの電 界パルスを突然取り除いた後に安定な光反射ツイストプレーナーテクスチャーを 、この液晶をホメオトロピックに配列する大きさよりも小さい大きさの電界パル スの除去の後に安定な光分散フォーカルコニックテクスチャーを示す請求の範囲 １で請求したセル。 ５．正の誘電異方性及び可視スペクトルの光を反射するに有効なピッチ長さを 有するカイラルネマチック液晶光変調材料、前記液晶と共同して電界のないとき に安定であるフォ一カルコニックテクスチャー及びツイストプレーナーテクスチ ャーを形成するセル壁、並 びに前記液晶材料をアドレスする手段を含む光変調セルをアドレスする方法であ って、材料液晶の少なくとも一部をフォーカルコニックテクスチャーから光反射 ツイストプレーナーテクスチャーに転化し、又は前記液晶の少なくとも一部を光 反射ツイストプレーナーテクスチャーからフォ一カルコニックテクスチャーに転 化するに有効な大きさの電界パルスを、前記材料に印加することを含む前記方法 。 ６．前記液晶をホメオトロピックに配列するに充分な大きさの電界パルスを突 然除いた後、光反射性ツイストプレーナーテクスチャーに、そして前記液晶をホ メオトロピックに配列するであろう大きさより小さな大きさの電界パルスの除去 の後、光散乱フォーカルコニックテクスチャーに、前記材料を選択的に切り換え ることを含む請求の範囲５に記載の方法。 ７．方形ＡＣ電圧を印加することを含む請求の範囲５に記載の方法。 ８．正の誘電異方性及び可視スペクトルの光を反射するに有効なピッチ長さを 有するカイラルネマチック液晶光変調材料と、前記液晶と共同して電界の不存在 下に最大及び最小の強さの間で安定であるフォーカルコニックテクスチャ一及び ツイストプレーナーテクスチャーを形成するセル壁構造体とから色光の反射の強 度を選択的に調節する方法であって、前記材料を前記カイラルネマチック材料の 第１の部分が電界の不存在下にツイストプレーナーテクスチャーを示し、前記カ イラルネマチック材料が電界の不存在下にフォーカルコニックテクスチャーを示 すようにするに充分な期間及び大きさの電界パルスに前記材料をさらし、これに よって、電界がないときに、前記材料が前記最大値と最小値の間の、前記フォー カルコニックテクスチャー及びツイストプレーナーテクスチャーにおける前記材 料の量に比例する選択された強さを連続的に反射する前記方法。 ９．セル壁構造体及び正の誘電異方性と可視スペクトルの光を反射するに有効 なピッチ長さを有するカイラルネマチック液晶光変調材料とを有し、前記セル壁 構造体及び液晶は共同して、電界の不存在下に安定なフォーカルコニックテクス チャーとツイストプレーナーテクスチャーとを形成し、ここに前記材料の第１の 部分は電界の不存在下にツイストプレーナーテクスチャーを示し、前記材料の第 ２の部分は電界の不存在下にフォーカルコニックテクスチャーを示し、そして、 前記材料を通して電界を確立する手段を有し、前記手段は材料ツイストプレーナ ーテクスチャー及びフォーカルコニックテクスチャー中における前記材料の部分 を変化させるに充分な大きさと期間の電界パルスを提供するように適合させられ ており、ここに前記反射される光の強さは選択的に調節される、光変調装置。 １０．前記液晶を配列するように処理されたセル壁構造体を含む請求の範囲１ 又は９に記載の装置。 １１．前記セル壁構造体が前記液晶をホメオトロピックに配列するように処理 されている請求の範囲１又は９に記載の装置。 １２．前記材料を通して電界を確立するための前記手段がＡＣパルスを提供す るように適合されている請求の範囲９に記載の装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ０８／０５７，６６２ (32)優先日 1993年５月４日 (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＪＰ，ＫＲ，ＮＯ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．正の誘電異方性を有するネマチック液晶と、フォーカルコニックテクスチ ャー及びプレーナーテクスチャーを形成するに有効な量のカイラル材料と、を含 むポリマーのないカイラルネマチック液晶光変調材料を含み、前記カイラル材料 は可視スペクトルの光を反射するに有効なピッチ長さを有し、前記フォーカルコ ニックテクスチャー及びツイストプレーナーテクスチャーは電界の不存在下に安 定であり、前記液晶材料は電界の印加によりテクスチャーを変えることができる 、光変調反射セル。 ２．前記カイラルネマチック液晶の前記ピッチ長さが約０．２５〜約１．５μ mである請求の範囲１で請求したセル。 ３．前記カイラルネマチック液晶の前記ピッチ長さが約０．４５〜約０．８μ mである請求の範囲１で請求したセル。 ４．前記ネマチック液晶が正の誘電異方性少なくとも約５を有する請求の範囲 １で請求したセル。 ５．前記ネマチック液晶が正の誘電異方性少なくとも約１０を有する請求の範 囲１で請求したセル。 ６．前記カイラルネマチック液晶が、ネマチック液晶及びカイラル材料の合計 の重量を基準として、約２０〜約６ｏｗｔ％のカイラル材料を含む請求の範囲１ で請求したセル。 ７．前記カイラルネマチック液晶が、ネマチック液晶及びカイラル材料の合計 の重量を基準として、約２０〜約４０ｗｔ％のカイラル材料を含む請求の範囲１ で請求したセル。 ８．前記液晶が、高い電界オン条件を除いた後の電界オフの状態において安定 な光反射性ツイストプレーナー構造を示し、低い電界オン条件を除いた後の電界 オフの状態において安定な光散乱フォー カルコニックテクスチャーを示す、請求の範囲１で請求したセル。 ９．正の誘電異方性を有するネマチック液晶と、フォーカルコニックテクスチ ャー及びプレーナーテクスチャーを形成するに有効な量のカイラル材料と、を含 むポリマーのないカイラルネマチック液晶光変調材料を含み、前記カイラル材料 は可視スペクトルの光を反射するに有効なピッチ長さを有し、前記液晶材料は、 電圧パルスの印加により、最大のレフェレンス（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）強さを反 射する安定な色反射反射状態と、反射の最小レフェレンス強さを示す安定な色散 乱状態との間でスイッチが可能である、光変調セルのアドレス方法であって、前 記最大レフェレンス強さ及び最小レフェレンス強さの間の強さの色反射を有する 安定な状態の連続体（ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ）を達成する（ａｃｈｉｅｖｅ）のに 充分な種々の大きさの電圧パルスを印加するステップを含む前記方法。 １０．方形ＡＣ電圧パルスを印加することを含む請求の範囲９に記載の改良方 法。 １１．前記材料を前記反射状態から前記散乱状態にスイッチする大きさの前記 ＡＣパルスを印加することを含む請求の範囲９に記載の改善された方法。 １２．正の誘電異方性を有するネマチック液晶と、フォーカルコニックテクス チャー及びプレーナーテクスチャーを形成するに有効な量のカイラル材料とを含 み、前記カイラル材料は可視スペクトルの光を反射するに有効なピッチ長さを有 し、前記液晶材料は電界をかけると最大強さと最小強さの間のでテクスチャーを 変えることができるポリマーのないカイラルネマチック液晶光変調材料から色光 の反射の強さを選択的に調節する方法であって、前記カイラルネマチック材料の 第１の部分を第１の光学的に安定な状態にさせ、前記 カイラルネマチック材料の第２の部分を第２の光学的に安定な状態にさせ、前記 最大及び最小の間で、前記第１の光学的状態の前記材料の量に比例する選択され た強さを、前記材料が連続的に反射するに充分な期間及び電圧の電界パルスに前 記材料をさらすことを含む前記方法。 １３．前記第１の光学的状態の前記カイラルネマチック材料がプレーナーテク スチャーを示し、前記第２の光学的状態の前記カイラルネマチック材料がフォー カルコニックテクスチャーを示す請求の範囲１２に記載の方法。 １４．正の誘電異方性を有するネマチック液晶と、フォーカルコニックテクス チャー及びツイストプレーナーテクスチャーを形成するに有効な量の、可視スペ クトルにおける光を反射するに有効なピッチ長さを有するカイラル材料とから本 質的になり、ここに前記フォーカルコニックテクスチャー及びツイストプレーナ ーテクスチャーは電界の不存在下に安定化され、前記液晶材料は電界を適用した ときテクスチャーを変えることができ、ここに前記材料の第１の部分は第１の光 学的状態にあり、前記材料の第２の部分は第２の光学的状態にあるカイラルネマ チック液晶の液晶光変調材料、並びに前記材料を通して電界を確立する手段であ って、前記第１の光学的状態の前記材料の部分を変化させるに充分な電圧と期間 のパルスを提供するように適合され、これによって光反射の強さが選択的に調節 される前記手段を含む光変調装置。 １５．前記第１の光学的状態がプレーナーテクスチャーを示し、前記第２の光 学的状態がフォーカルコニックテクスチャーを示す請求の範囲１４に記載の装置 。 １６．液晶を配列するように処理されたセル壁構造を有する請求の範囲１４の 装置。 １７．前記材料を通る電界を確立するための前記手段がＡＣパルスを提供する ように適合されている請求の範囲１４に記載の装置。