JPH10512058A - 不感圧性液晶セル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は実質的に圧力の影響を受けない不感圧性液晶セルに関する。電極を備えた（５，６）プレート（１，２）は互いに所定距離を隔てて配置され、厚みｄの液晶層を形成する。少なくとも第１プレート（１）は透明性であり、１ｍｍを超えない厚みｂと弾性率Ｅを有する。キャビティに固定され、高さｈを持つスペーサ（１１）は、間隔Ｌで分散され、実質的に前記第１プレートと同一の弾性率Ｅを持つ。スペーサ（１１）は少なくとも一方向に５０μｍを超えない幅を持つ。前記第１プレート（１）のスペーサ（１１）の支持領域による表面網羅度ｓは、液晶の種類による最小値を超えるか、またはそれに等しい。Ｌはｄとｂの現在値の従属値により選択され、第１プレート（１）に圧力Ｐをかける際、圧力Ｐにより発生した、スペーサ間の前記第１プレートの、最大相対偏差Δｄ／ｄが条件（Ａ）：Δｄ／ｄ＝ＰＬ⁴／４Ｅｂ³ｄ≦−Ｇを満たし、ここでＧは式（Ｂ）の値に等しく、同一圧力Ｐにより発生したスペーサの相対圧縮率を表し、表面網羅度ｓが上記の最小値（Ｂ）：Δｈ／ｈ＝Ｐ／ｓＥとする。

Description

【発明の詳細な説明】 不感圧性液晶セル 本発明は、一般的には、互いに所定距離を隔てて配置され内部キャビティを形 成する電極を備えた２枚のプレートと、キャビティにシールされた液晶層と、キ ャビティに分散され液晶層の厚みに相当する高さのスペーサとを備えた液晶セル に関する。 更に詳細には、本発明は、実質的に外部圧力の影響を受けない液晶セルに関す る。 本発明は、ディスプレイ、非反射装置（ノングレア装置）、溶接用ゴーグルな どのセルの大型活性面を必要とする用途に特に有用なものである。したがって、 本発明の背景技術と利点は、主にディスプレイに関して記述されており、本発明 の産業上の利用分野、または請求の範囲のいずれかに限定されるべきものではな い。 冒頭に記述した種類の液晶セルまたはディスプレイは、従来技術において知ら れているところである。一方または両方のプレートがガラスなどの透過材で製造 され、プレートに適用された少なくとも１つの電極構造もまた透過性である。さ らに従来的に、界面層の液晶分子をプレートに配列する配向層がある。 印加された電界の影響下で、液晶材は入射光の方向に対して局部的に方向を変 えることができ、伝送光または反射光の偏光、吸収、または散乱に影響を及ぼす 。セルの一方または両側に偏光子を適用することによって、偏光の変化を観察す ることができる。 通常、光学効果は液晶層の厚みに作用するが、厚みの局部変化がディスプレイ の性能に極めて大きな悪影響を及ぼし、最悪の場合は液晶層の厚みの変化により 完全に役立たなくってしまうことさえある。 最も一般的に使用される液晶ディスプレイには、正誘電異方性を備えたネマチ ックまたはキラルネマチック液晶が内蔵されている。これらのディスプレイでは 、液晶材の光軸が最も多くプレートに対して平行になり、また必要に応じて液晶 層を通じて、最も一般的には90度にねじられる。この、いわゆる導波路モードに おいて、入射光の偏光はシステムの局部固有モードのうちの１つに完全に、また はほぼ相当する。液晶層に電界を印加すると、液晶材の光軸は電界に沿って再配 向され、入射光の偏光が液晶により影響されなくなる。 さらに、液晶ディスプレイは、導波路モードに基づいておらず、その代わりに 光の変調が入射光の偏光の一般変化による、他の様々な電気光学効果で動作する ことができる。光学性がこの効果に基づくディスプレイは一般に、液晶層の厚み の変化に、また最終的にはプレートの相互間隔の変化に非常に左右される。 液晶層の厚みは一般に、色彩だけでなく、セルの電圧対コントラストの依存性 やアクセス可能な最大コントラスト、他のパラメータにも影響する。 米国特許第４６５３８６５号明細書に記述されているように、薄型ＴＮディス プレイ（ツイストネマチック）とＳＴＮディスプレイ（スーパーツイストネマチ ック）において、特に後者のツイスト角が２７０度以上になる場合は特に、液晶 層の一定厚みを維持することが重要である。切換速度を増すため、４μｍ未満の 薄型液晶層へ移行しつつあるので、液晶層の一定厚みはＴＮ及びＳＴＮディスプ レイに対してますます重要な要求技術となってきた。このディスプレイは導波路 モードでは動作せず、光伝送は厚みが少しでも変化すると非常に影響する。 もう一つの問題は、ディスプレイ面全体にわたってプレートを平行に維持する 方法と、ディスプレイの剛性への対処方法である。機械応力や温度によりプレー ト間隔が変化すると、液晶材のマクロフローに繋がり、その結果としてプレート の内側の配向層を損傷することがある。プレート間隔を減少すると、ディスプレ イの局部短絡を伴い、液晶ディスプレイの最初のプレート間隔が減少するに従っ て、この発生危険率が増加する。 親指などの外部圧力が取り除かれた後、ＴＮセルが通常の光学状態に頻繁に戻 るということは事実である。一般にこのことはまた、ツイスト角があまり大きく なく、例えば１８０度から２００度であり、２７０度といったような大きな角度 ではないという条件で、また圧力変形がヘリックス構造に変化を生じ、容易に元 に戻らない場合、ＳＴＮディスプレイに適用される。 せいぜい、再配列はディスプレイの加熱冷却によって、さらには電界を印加す ることによって達成される。 結論として言えば、ツイスト角が大きいＳＴＮディスプレイは、外部圧力を受 けると容易に損傷する。 強誘電性（ＦＬＣ）または反強誘電性（ＡＦＬＣ）液晶を含むスメクチックデ ィスプレイの機械圧力によって起こる損傷の問題は、例えばＳ．Ｔ．Ｌａｇｅｒ ｗａｌｌ，Ｎ．Ａ．Ｃｌａｒｋ，及びＪ．Ｆ．Ｃｌｅｒｃの論文（「Ｆｅｒｒｏ ｅｅｌｅｃｔｒｉｃｓ（強誘電体）」第９４巻，１９８９年３月）により記述さ れているように、今日の大きな問題である。特定スメクチック材の性質に関係無 く、液晶層がセルプレートに対して平行でないスメクチックディスプレイは、全 てプレート変形に非常に大きな影響を受け、また衝撃に左右される。 スメクチックディスプレイは、ＴＮ型及びＳＴＮ型と比較して許容変形を制限 する、完全に異なる機構を使用する。スメクチックディスプレイは一般に、対応 するネマチックディスプレイよりもはるかに衝撃の影響を受ける。第１近似法で は、液晶層はガラスプレート（理想的な直立式ブックシェルフ形状）に対して垂 直に立つが、詳細なモデルでは、液晶層はいわゆる山形構造のガラスプレートに 対してきわめてしばしば傾く。この構造は、プレートの垂線に対して液晶層の角 度が非常に小さい場合、ＱＢＳ構造（準ブックシェルフ構造）と呼ばれる。山形 及びＱＢＳ構造は両方とも圧力の影響を大きく受け、ＦＬＣ及びＡＦＬＣの両方 にとって、液晶層構造の配列は、親指で直接圧力をかけることによって損傷する 。 山形構造は通常、加熱無しには再配列されず、一方、過剰に変形していないＱ ＢＳ構造は適度にＡＣ領域を使用することにより再配列される。しかし、ある一 定の変形限度を超えて、液晶層の配列は山形構造のように元に戻せないほど損傷 する。そしてディスプレイは使用不可能になる。 液晶セルが比較的広い表面に明確に規定した液晶層の厚みを有するようにする ため、キャビティに分散された複数のスペーサまたは支点を持つ、プレストレス を与えた３ｍｍのガラスプレートを使用することが、米国特許第４１５０８７８ 号（１９７８年、Ｂａｒｚｉｌａｉらの名義で出願）明細書により公知である。 スペーサの機能は主に、面全体に均一な液晶層の厚み、いわゆる正確な面の平行 度を提供することにある。第１例では、２ｍｍの相互間隔で分散された直径５０ μｍの円筒スペーサを使用することであり、面の平行度が１０ｃｍｘ１０ｃｍの 面に０．１μｍから０．６μｍの公差を有すると言われている。同明細書の第２ 例では、相互間隔が１ｍｍの直径０．１ｍｍのスペーサを使用することであり、 公差が０．２μｍの面の平行度が与えられると言われている。しかし、これらの 公差は今日の液晶ディスプレイ（１９７８年のＳＴＮでもなくＦＬＣでもない） にとって不十分であって受け入れられるものではない。さらに、公知のこの画面 のスペーサは、以下さらに詳述するように、圧力の影響を受けないディスプレイ とはならない。３ｍｍのプレートの厚みとスペーサの直径は両方とも、商用的に は受け入れ困難である。 欧州特許出願公開第０４０７９９３号（１９８９年優先、出願人Ｈｏｅｃｈｓ ｔ ＡＧ）明細書では、ＬＣＤセルの製造方法について記述されている。液晶層 の厚みの高均一度を達成するため、均一に分散されたスペーサは１枚のガラスプ レートでエッチングされる。本明細書では、セルの変形特性についての説明、な らびに液晶セルが「機械的に極めて安定」であるという、未確認の記述について 述べられていない。しかし、液晶セルは米国のＡｎａｈｅｉｍで１９９１年５月 ６日から１０日に行われたＳＩＤ会議でＲｉｅｇｅｒらのＰｒｏｃ．で説明され ている。また液晶セルは様々な会議で説明され、その機械特性は公知となってい る。前述した記事及び公的文書から、液晶セルは親指の圧力で容易に変形すると いうことが明らかとなっている。ＥＰ文書及び前記記事の両方から、プレートの 厚みは０．５ｍｍで、スペーサのサイズが約２０μｍ、かつ６００μｍの間隔で 分散されるということが明らかとなっている。 今まで製造かつ説明されたディスプレイは、保護ガラスに局所的にかけられた 機械圧力、例えば親指の圧力によりセルを変形させ、液晶セルに光学変化と材料 フローの両方を発生するという点で、機械的に剛性または耐衝撃性のものではな い。これは液晶セル、特に技術的に高度のＦＬＣ及びＡＦＬＣディスプレイに向 けての開発が妨げられたスメクチック液晶セルにおける一般的な問題である。 例えば約３ｍｍ以上の厚型プレートを使用するという、圧力の影響を受けない 不感圧性のディスプレイを得る最も直接的な方法は、今日の薄型ＬＣＤセルにと って非現実的である。今日一般に使用される最大厚みは１ｍｍであり、厚型プレ ートは完全に使用されなくなっている。また現在、０．９ｍｍ、０．６ｍｍ、０ ．５ｍｍ、及び０．３ｍｍの厚さがあり、後者の寸法はこれまで超小型のディス プレイにのみ使用されてきた。 本発明の目的は、現在使用されている液晶セル、特に比較的大型の活性面を有 するセルに起きる、これらの問題を除去することにある。 本発明の主な目的は、通常発生する機械的影響、例えば取扱い中や輸送時に本 質的に影響を受けない、冒頭に述べた型の液晶セルを提供することにある。 本発明のさらなる目的は、ネマチック（ＴＮ／ＳＴ）及びスメクチック（ＦＬ Ｃ／ＡＦＬＣ）液晶の両方に使用可能な、不感圧性セルを提供することにある。 本発明の別の目的は、確実かつ正確な方法で製造できる不感圧性セルを提供す ることにある。 本発明の別の目的は、少なくともＶＧＡ解像度を有するディスプレイとして実 装できる圧力の影響を受けないセルを提供することにある。 本発明の更なる目的は、ノングレア装置、溶接用シールドなどとして実装され る不感圧性セルを提供することにある。 これら及び他の目的と利点は、独立請求項および従属請求項に記載された好ま しい実施の形態で記述される特徴を有する液晶セルにより達成される。 本発明によれば、冒頭に記載した型の液晶セルにおいて、キャビティに設けら れたスペーサのサイズ及び相互間隔が液晶セルの他の設計パラメータに関連して 選択されるため、液晶セルは圧力の影響を受けず、一方同時にプレートの厚みが 制限され、スペーサは裸眼では見えない。 本発明によれば、ディスプレイ、非反射装置（ノングレア装置）、溶接用ゴー グルなどとして実装され、上述の先行技術と比較して機械剛性と耐衝撃について の極めて驚くほど高度に改良された液晶セルを提供することが可能である。例え ば、本発明は、今日のディスプレイより１００倍以上の耐圧力性を有するＳＴＮ ディスプレイとして実装され、基本的にディスプレイがガラス製の場合、破損す るまで、機械的影響に基づき完全固体として動作するよう設計できるということ を意味している。 本発明は幾つかの条件が同時に上述の目的を達成するよう満たされるものでな くてはならず、特に超薄型液晶層の場合や、超薄型プレートを使用することによ り、これらの条件を同時に達成させることが、設計パラメータを適切に選択する ことによって可能になるといった概念に基づいている。 本発明の概念に関連して、以下の２つの主な条件（ｉ）及び（ｉｉ）を確立し ているが、適正な限度内における加圧時、液晶層が非許容度まで圧縮されないよ うにするため、すなわち不感圧性ディスプレイとなるよう、この両方の条件が満 たされるものでなくてはならない。条件（ｉ）及び（ｉｉ）は独立して満たされ なくてはならず、同等に重要なものである。 （ｉ）第１プレートの外部圧力により発生したスペーサの相対圧縮率が最大値を 超えないこと。 （ｉｉ）スペーサ間の前記第１プレートの最大偏差が同一限度内にあること。 本発明を構想する時、以下の２つの式（１）及び（２）が確立されているが、 上述の条件に一致しており、特に式（２）ではまた超薄型プレートで達成される 、剛性についての驚くべき改良点が説明されている。 ここで、 ｈは、スペーサの高さを表し、 Δｈは、スペーサの高さの変化率を表し、 Ｐは、セルの第１プレートの外部圧力を表し、 Ｅは、スペーサの弾性率を表し、 ｓは、第１プレートのスペーサの表面網羅度を表す。 さらに、 ｄは、液晶層の厚みを表し、 Δｄは、プレートの最大偏差を表し、 Ｌは、スペーサの相互間隔を表し、 Ｅは、プレートの弾性率（通常スペーサと同じ）を表し、 ｂは、プレートの厚みを表す。 式（１）は長方形スペーサ用に確立されており、下記に述べるように最も利点 がある。 しかし上述の条件に付け加えて、スペーサの幅とプレートの厚みの両方に関す る重要な二次条件がある。これらの二次条件もまた満たされなくてはならない。 実際、表面網羅度ｓが十分大となるよう選択した場合、例えば非常に幅が広く、 非常に密接に実装されたスペーサを選択した場合、スペーサΔｈ／ｈの相対圧縮 率が無限に小さくなり、またプレートの厚みｂが大となるよう選択した場合、プ レートΔｄ／ｄの相対偏差が必要に応じて小さくなるということが、上記（１） 及び（２）式から自明である。言い換えれば、この問題は十分小さい支点と十分 薄いプレートの厚みを有する不感圧性ディスプレイを提供することにある。実際 、これらの二次条件はディスプレイの他の設計パラメータの許容限度について非 常に制限的なものである。 本発明の概念に関連して、本発明者はＳＴＮディスプレイ、またいわゆる第１ 最小モードで動作するＴＮディスプレイにおいて、ディスプレイの機能障害を回 避する場合、液晶層の相対厚み変化率が２％を超えてはならないということを発 見した。 今日、ＳＴＮディスプレイは、例えば１ｍｍ当たり３ピクセル以上の解像度、 すなわち約３００μｍｘ３００μｍの最大ピクセル表面にて製造され、１０イン チ（２５．４ｃｍ）型ディスプレイのＶＧＡグラフィックスに相当する。この場 合、ディスプレイの活性面の容認されない大部分を占めるだけでなく、裸眼で見 えるため、サイズが１００μｍｘ１００μｍのスペーサは認められない。 本発明の目的を達成するため、５０μｍｘ５０μｍのスペーサは、このサイズ が適正な上限値であることが発見されているため使用でき、裸眼でディスプレイ の不均等性を識別することが可能である。実際、この５０μｍの極限値は、液晶 ディスプレイの各ピクセルを取り囲む、エッチングされた絶縁溝の幅に対する標 準上限値に相当する。言い換えれば、１方向に５０μｍの最大幅を持つスペーサ は、ディスプレイの活性ピクセル外でこれらの間の空間に配置される。 スペーサのサイズに関連する二次条件については、液晶セルがピクセルに分割 されない場合、例えば遮光板、ノングレア装置、溶接用シールドなどとして用い る場合、スペーサは裸眼では見えず、またはセルの不均等性として感知されると いうことが更に重要となることに注目すべきである。 更に、スペーサに光の最小散乱効果、すなわち吸収作用、液晶に対応する屈折 率、及び透過カバープレートを備えるのがよい。 プレートの厚みに関する二次条件については、本発明は、少なくとも１枚のプ レート（外部圧力に耐える）の厚みが１ｍｍを超えず、ＬＣＤ用の市販ガラスに 対する適正な上限値である液晶セルを利用する。また、上述の米国特許第４１５ ０８７８号明細書に記述された厚みが３ｍｍなどの厚いガラスの場合、ガラスが 正確に噛み合うほど十分に変形されないため、申し分なく高精度な液晶層の厚み を得ることは不可能である。 上述のように、本発明を使用して、公知のディスプレイと比較して機械剛性を 極めて高度に改良することができる。この改良点が取るに足らないものではなく 、全くセンセーショナルなものであるということは、上記式（２）に関して少な からず説明でき、スペーサ間の最大相対偏差Δｄ／ｄがＬ⁴ｂ^-3という形を有す る相関関係に従うということが明らかである。Ｌ⁴従属値は、原点に近づくよう に非常に平坦な曲線で表される。 図示の例として、上述の欧州特許出願公開０４０７９９３号明細書で述べられ ている、Ｌ＝６００μｍとＢ＝０．５ｍｍのセルで比較を行うことができる。本 発明によれば、Ｌ＝３００μｍ（１／２ずつ減少）と、ｂ＝１ｍｍ（２ずつ増加 ） を選択した場合、Δｄが公知のセルと比較して２⁷＝１２８ずつ減少する。 このＬ⁴ ｂ^-3従属値はまた、ディスプレイ使用に非常に本質的な別の特性を与 え、すなわち解像度（低域Ｌ）が高いほどディスプレイは剛性になり、一方同時 に、Ｌとｂの両方が減少する際、Ｌ4はｂ-3より早く減少するため、薄型プレー トが条件（２）から逸脱せずに選択され、同時に条件（１）としてのこれは、ピ クセル間の不活性面の許容幅で満たされる。この本発明の方法により、小型で、 超薄型、軽量の高解像度グラフィックディスプレイが製造でき、とりわけ時計学 及び光学産業、例えばカスケードに多数の液晶コンポーネントが内蔵される光学 機器に役立つ。この使用例では、従来の方法で設計された場合、通常の取扱いで 衝撃の影響を受けてしまう程非常に薄い独立コンポーネントを有することが往々 にして望ましい。 外部圧力Ｐの適正な上限値は、１ｃｍ²当たり５０ｋｇの重量に対応する５０ ａｔｍ（ほぼ、５０＊１０⁵Ｎ/ｍ²）に設定できる。試験により、本発明により 製造された液晶ディスプレイは、光学的または機械特性の変化を示さずに、この 重量と高圧力に耐えるということが発見されている。 上述したように、液晶層の厚みの最大相対偏差は、ＴＮ及びＳＴＮセルでは２ ％を超えてはならない。ｐ＝５０ａｔｍ及びＥ＝５＊１０⁵Ｎ／ｍ²（ガラスの種 類が異なる場合、ほんの少しだけ変化する）として、表面網羅度ｓ＞Ｐ／（１％ ＊Ｅ）＝１％はスペーサの過剰圧縮を回避する必要があるということが（１）か ら発見されている。 この表面網羅度ｓの１％の最小値と比較して、例えば直線ピクセル幅がＬ＝３ ００μｍ、プレートの厚みがｂ＝１ｍｍ、幅がΔＬ＝５０μｍの長方形スペーサ を有するディスプレイの場合、我々は表面網羅度ｓ＝（５０／３００）²＝２． ８％を発見し、スペーサの圧縮率が上記式（１）による許容限度内にあると保証 する。上記（２）によるプレート間の相対偏差（Δｄ／ｄ）は、Ｐ＝５０ａｔｍ 及びｄ＝５μｍでは、２＊１０^-4μｍに等しくなり、また５μｍの２％＝０．１ μｍの許容限度内にある。ここでの５μｍの厚みは今日、ＳＴＮディスプレイの 標準値に対応する。 先行技術と比較して、上述した欧州特許出願公開第０４０７９９３号明細書の セルのスペーサの表面網羅度ｓの対応値を計算することが以下のように可能であ る。すなわち、ｓ＝（２０μｍ／６００μｍ）²（ほぼ、０．１％）として、ｐ ＝５０ａｔｍでスペーサの１０％の相対圧縮率Δｈ／ｈに一致し、式（１）によ る許容値をはるかに上回り、セルが耐衝撃性で機械的に安定される場合、完全に は受け入れられないということが明らかである。 同様に、受け入れられないｓ値は、Ｌ＝４００μｍ、スペーサ直径＝１００μ ｍでｓ＝（１００／４００）²（０．０６％）が得られる、米国特許第４１５０ ８７８号明細書のセルの場合に取得可能であり、３ｍｍの厚いガラスに関わらず 、容易に変形可能なディスプレイを生じる。 この公知の方法に反して、超薄型・超軽量であるが、同時に例えばクロックデ ィスプレイの全く新しい世代用の超剛性ディスプレイを製造することが、本発明 により可能である。このディスプレイでは、１ｍｍ当たり最高２０ピクセルを有 することが現在の目的である。本発明によれば、Ｌ＝５０μｍ、ΔＬ＝１０μｍ （スペーサ幅）を選択した場合、表面網羅度ｓ＝（１０／５０）²=４％が得られ 、許容限度値を十分上回る。同時に０．１ｍｍもの薄いプレートの厚みｂを選択 した場合、１０^-4μｍに等しい偏差Δｄが５０ａｔｍで得られ、（２）を極めて 十分に満たす。 冒頭で述べたように、スメクチックディスプレイ（ＦＬＣまたはＡＦＬＣ）は 、ＴＮ及びＳＴＮディスプレイと比較して許容変形値を制限する、全体的に異な る機構を備える。光学的許容変形値は、ＳＴＮよりも少なくとも５倍大きいが、 機械的許容変形値は約１０倍小さい。従って、この後者の変形値は決定的となる 。 緩和及びフローについて留意しないため、スメクチックセルの感度を過大評価す る単純化モデルに基づく計算から、また偏差が表面半径Ｒを有する球状キャップ として表され、スメクチック液晶層はΔｄ／ｄ＝４ｄ／Ｒの場合、元に戻らない ほど変形することが発見されている。親指の圧力に殆ど相当するｒ＝０．５から １ｃｍの場合、またＦＬＣまたはＡＦＬＣセルにより要求される薄型液晶層に対 応するｄ＝２μｍの場合、上記式は約０．１％の相対偏差Δｄ／ｄを与え、０． ００２μｍの最大偏差Δｄに対応する。これは、スメクチックセルが、相当する ネマチックセルよりもはるかに衝撃の影響を受け、上記式（２）の下限値に導く ということを示している。別の表面網羅度ｓの最小限度値はまた、ネマチックと 比較して得られる。ＦＬＣの「耐衝撃試験」の標準荷重が、欧州Ｆｅｌｉｃｉｔ ａプログラムにより、１０ａｔｍ（１ｃｍ2当たり１０ｋｇに相当）に設定する と、２％のｓ値が得られ、セルが（１）を満たし、機械的に安定される場合、ス ペーサの表面網羅の最小許容度となる。 以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施の形態について説明するが、 本発明はそれらの実施の形態に限定解釈されるものではない。 図１は、外部圧力をかけた際の歪みを示すセルの概略図であり、スケールを無 視した縦断面図である。 図２は、様々なスペーサの種類の場合の、表面網羅度ｓの相関関係にあるもの としてスペーサの相対圧縮率を示す図である。 図３Ａ及び３Ｂは、本発明の１つの実施の形態による液晶ディスプレイの概略 図であり、それぞれスケールを無視した断面図である。 図４は、図３Ａ及び３Ｂのディスプレイの上面図である。 図５は、セル全体の概略上面図であり、また周辺スペーサの使用例を示す。 図６、伸張スペーサの使用原理である。 下記の表は参照用に作成され、行った実験結果を要約し、本発明が高耐圧力性 の液晶セルを提供することを示している。表面密度ｓは約０．１％と４％の間で 変化し、同時にｄ、Ｌ、及びｂの値として、条件（２）が全ての場合に満たされ るようになっている。液晶層の厚みは、ＳＴＮの場合ｄ＝５μｍ、ＦＬＣの場合 ｄ＝２μｍとなるよう選択され、試験圧力ＰはＳＴＮセルの場合約５０ａｔｍ、 ＦＬＣセルの場合１０ａｔｍとなった。 試験番号８から１０は、ＦＬＣディスプレイの場合のみに行われたが、下記に 詳述する。しかし、使用された伸張スペーサは、ネマチックディスプレイには使 用可能である。 約１％のｓ値の場合、実験結果の変化量は比較的大きく、ｓはいずれにしても １％を超える必要があると思われる。最も有利な選択肢では、ｓが２％と４％の 間の場合に思える。少なくともＳＴＮディスプレイの場合、４％より大きいｓを 選択する理由はない。 ｓ（すなわち条件（１））の条件及び条件（２）の両方を満たす上記例の試験 では、圧力の影響を受けないセルが得られることを示す。スメクチック材で設計 かつ満たされた試験セルでは、元に戻らないほどの変形の場合の圧力閾値に関す るＦＬＣ及びＡＦＬＣとの間で本質的な違いが見られない。一方、直立式ブック シェルフ構造は少し変形した後、その両方の場合の再配列が山形構造より容易に なる。 特に、スメクチックセルの場合では、正方形、長方形、または円筒状の断面を 持たないスペーサの使用、その代わりに縦方向を横断する幅が、上記条件に準拠 して、スペーサが見えないようにするため５０μｍを超えてはならない、極めて 伸張したスペーサの使用が好ましい。試験番号８から１０は、スメクチックセル で行われる。それらの安定機能に付け加えて、この伸張スペーサには、スメクチ ック層が山形構造の場合、また特に分子が表面に大きなプレチルト角を持つ場合 、極めて重要な２つの機能がある。第１機能はネマチック及びスメクチックセル の両方に適用されるが、セルを満たす際液体フローを案内することであり、分子 の一般的な方向は支持ラインに沿う。スメクチックセルでは、スメクチック層は 支持ラインを横断して形成する。第２機能はスメクチックセルに適用されるが、 電界を適用する際セル内の材料輸送を回避することである。添付の図６は、スケ ールを無視して示した伸張スペーサの原理及び配置を示す。 図１は、外部圧力Ｐにより負荷がかかり、上部プレート１及び下部プレート２ としてそれぞれ呼ばれる２枚の平行プレート１及び２から成り、液晶層が内蔵さ れる内部キャビティＣを形成した液晶セルの断面概略図を示す。プレート１の厚 みはｂ、キャビティＣの影響されない厚みはｄとして示す。一般に、第２プレー トの厚みは、本発明によれば、第１プレートの厚みに等しいか、または任意にそ れよりも厚い。下部プレート２で一体となり、相互間隔Ｌにて配置される、スペ ーサ１１間で歪みが発生する。スペーサ１１の幅はΔＬ、スペーサ１１間の上部 プレート１の最大偏差はΔｄとして示す。 上述したように、２つの条件は圧力の影響を受けないセルを得るよう満足する ものでなくてはならない。まず条件（２）によれば、圧力Ｐを発生した最大偏差 Δｄはあまり大きくてはいけない。次に、条件（１）によれば、スペーサ１１は それ自体、圧力Ｐにより過剰に圧縮されてはならない。スペーサの高さがｈ（図 １の液晶層の厚みｄに等しい）と示され、また圧力をかけられた圧縮率が条件１ によってΔｈの場合、様々な形状のスペーサの相対圧縮率を計算する、以下の式 を使用することが少しの変形では可能である。Ｅはスペーサの弾性率であり、通 常プレート１及び２のＥに等しく、ｓは圧力Ｐを受けるプレート上のスペーサの 支持または噛み合い面についての表面網羅度である。 各曲線により図２に示されたこれらの式から、任意の値ｓ、Ｐ、及びＥの場合 、最小圧縮率が長方形スペーサ用に得られ、また好ましいものであることが明ら かである。 図３Ａ、３Ｂ、及び４に示されたディスプレイの参照として、同一の参照数字 を図１のように使用する。ディスプレイは透明性の上部または前部プレート１と 、 下部または後部プレート２から成る。プレート１及び２は、ガラスで好ましく製 造されているが、石英やポリマーなどの他の材料からでもできている。エッジシ ール４は、プレート１及び２の周辺間に配置され、プレート１及び２と密閉して 相互接続し、液晶層３を囲む。図示された実施例では、プレート１及び２は、導 電性の、液晶３に電界を適用するための公差型電極層５及び６を備え、少なくと も上部層５が透過性である。下部層６は透過性または反射性のいずれかである。 これらの層の設計と材料選択については、技術熟練者に公知であるため、これ以 上説明する必要がない。図４の上面図では、４つの中央スペーサ１１間の細かい 平行線を引いた正方形１５は、１つのピクセルを形成する。 セルが反射状態で動作する場合、反射性の下部プレート２または下部電極６の 代替えとして、反射面７がディスプレイ後部に配置される。 偏光フィルム８は上部プレート１の外側に配置され、使用に応じて、第２偏光 フィルム９が液晶３と反射面７との間に配置される。更に、配向層１０は、液晶 ３に最も近いプレート１及び２の両方に配置され、最初の配向を得る。材料の選 択と、偏光子及び配向層の配向は、技術熟練者にとって公知の概念であり、例え ば米国特許第４６５３８６５号明細書に記載されているようにして製造される。 プレート１及び２の間のキャビティに複数のスペーサ１１が固定されるが、こ の設計では下部プレート２をエッチングすることによって製造される。上記のパ ラメータの表面網羅度ｓは、プレート１上のスペーサ１１の上部噛み合い面の合 計と、スペーサ１１が分散されるプレート１の面全体との間の商に相当する。 スペーサ１１が電極層５及び６間に配置される場合、例えばシリカ製の少なく とも１枚のプレートが絶縁層１３を有する必要がある。 図示された実施例では、特定の周辺スペーサ１２がディスプレイの周辺部分に 配置され、中央スペーサ１１と同一方法により製造される。周辺スペーサ１２（ 図５に図示）は、均一フローの実現、液晶の配向欠陥の回避に鑑みて、製造時 液晶フローを案内する伸張形状と配向を備える。 周辺スペーサ１２は、低温度でのディスプレイの活性かつ中央部分のキャビテ ィすなわち間隙形成を回避する重要な機能を持つ。液晶セルを満たす際、この間 隙が頻繁に形成され、真空状態で発生するが、実際液晶ディスプレイの全てに一 般的な問題を確立する。特に、これらは輸送時非常に低い温度に曝され、ガラス と比較して液晶のかなりの体積縮小が液体内の間隙形成に繋がり易い。この間隙 は、室温に加熱した後、極端に長時間維持される。 この間隙形成が毛管作用により妨げられ、表面エネルギーが大きいほど間隙の 曲率半径が小さくなるということが要求されるため、ディスプレイの活性領域外 の領域に間隙形成を位置付けることが、この周辺スペーサにより可能である。 周辺スペーサの幅と相互間隔は、図５に示すように、中央スペーサの幅と相互 間隔よりも各々著しく大きくなくてはならない。この周辺スペーサ間の比較的長 い距離により、上述のスペーサ高さが高くなるように、距離の中央部分と比較し て、周辺領域の大きな曲率半径を間隙が有することができ、スペーサは互いに近 接して位置付けられる。更に、形成されるため、この間隙が核形成の表面を必要 とすることを考慮すると、周辺スペーサの幅が広くなることは、間隙が比較的広 い表面により限界を定められることを意味し、核形成がし易くなる。周辺領域の スペーサ高さが高くなれば、間隙の曲率半径がディスプレイの活性領域内よりも 大となり、間隙のエネルギーが低下する。 周辺スペーサ間の大きな間隙はまた、温度変化に基づいた材料フローを局部的 に容易にすることを目的としている。 −４０℃までサイクルする温度にて行った試験により、我々は周辺スペーサが 二列の外部列で任意に配置され、熱形成された無傷の間隙を収集かつ提供し、デ ィスプレイの活性領域にこの形成を抑制するのに効果的であるということを発見 した。 我々の試験では、約１０％から２０％のスペーサ高さの小さな差が、図５に示 すように、周辺スペーサ間の比較的長い距離で組み合わされ、この領域に正確に 間隙形成を位置付けるのに効果的であることを示している。 本発明によれば、剛性のディスプレイを得るために、例えば約０．１から０． ５ａｔｍの負圧により、セル、すなわちプレートを結合することが一般に望まし く、セルを満たし、完成したセルのプレートがスペーサと十分噛み合うか確認す る際、この負圧がかけられる。また他の方法、例えばスペーサのバインダまたは 他のいかなる種類のジョイントを適用することによって、この結合力をもたらす ことが考えられる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 コノバロフ，ビクトール エイ. ベラルーシュ国ミンスク、220095、ヤクボ バ、66−４−26 (72)発明者 ミンコ，アナトーリ エイ. ベラルーシュ国ミンスク、220085、プリコ ーバ、31−１−３ (72)発明者 ツターレフ，バレリ ピー. ベラルーシュ国ミンスク、モスコフスカ ヤ、７−47

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 互いに所定距離を隔てて配置され、内部キャビティ（Ｃ）を形成する、 電極を備えた（５，６）２枚のプレート（１，２）と、少なくとも第１プレート （１）は透明性であり、１ｍｍを超えない厚みｂと弾性率Ｅを有し、前記キャビ ティにシールされ、ネマチック材を含み、前記キャビティの高さに対応する厚み ｄを有する液晶層（３）と、前記キャビティに固定され、前記液晶層の厚みｄに 対応する高さｈを持ち、間隔Ｌのキャビティに分散され、前記第１プレートと同 一の弾性率Ｅを実質的に有するスペーサ（１０）とを備えたネマチック液晶セル において、前記スペーサ（１１）は少なくとも一方向に幅５０μｍを超えず、前 記第１プレート（１）上の前記スペーサ（１１）の支持領域による表面網羅度ｓ が１％以上であり、Ｌ値がｄとｂの現在値の従属値において選択され、前記第１ プレート（１）に圧力Ｐをかける際、前記圧力Ｐにより発生した、スペーサ間の 前記第１プレートの最大相対偏差Δｄ／ｄが、 として、Ｇ１が以下の式（Ｂ）の値以下であり、前記圧力Ｐにより発生した、ス ペーサ（１１）の相対圧縮率を表し、表面網羅度ｓを１％の最小値として、 という条件を満たすことを特徴とするネマチック液晶セル。 ２． 前記変形上限値Ｇ１が２％、好ましくは１％以下であることを特徴とす る請求項１記載のネマチック液晶セル。 ３． 液晶層（３）がＳＴＮ構造を持つことを特徴とする請求項１または２記 載のネマチック液晶セル。 ４． 前記ＳＴＮ構造が２００度を超えるツイスト角を持つことを特徴とする 請求項３記載のネマチック液晶セル。 ５． 前記スペーサ（１１）の高さｈが０．５から２０μｍ、好ましくは１か ら１０μｍの範囲にあることを特徴とする請求項1から4のいずれか1つに記載の ネマチック液晶セル。 ６． 互いに所定距離を隔てて配置され、内部キャビティ（Ｃ）を形成する、 電極を備えた２枚の（５，６）プレート（１，２）と、少なくとも第１プレート （１）は透明性であり、１ｍｍを超えない厚みｂと弾性率Ｅを有し、前記キャビ ティにシールされ、スメクチック材を含み、前記キャビティの高さに対応する厚 みＤを有する液晶層（３）と、前記キャビティに固定され、前記液晶層の厚みｄ に対応する高さｈを持ち、間隔Ｌのキャビティに分散され、前記第１プレートと ほぼ同一の弾性率Ｅを有するスペーサ（１１）とを備えたスメクチック液晶セル において、前記スペーサ（１１）は少なくとも一方向に幅５０μｍを超えず、前 記第１プレート（１）上の前記スペーサ（１１）の支持領域による表面網羅度ｓ が２％以上であり、Ｌ値がｄとｂの現在値の従属値において選択され、前記第１ プレート（１）に圧力Ｐをかけたとき、前記圧力Ｐにより発生する、距離間の前 記第１プレートの最大相対偏差Δｄ／ｄが、 として、Ｇ２が以下の式（Ｂ）の値と等しく、前記圧力Ｐにより発生した、前記 スペーサの相対圧縮率を表し、表面網羅度ｓを２％の最小値として、 という条件を満たすことを特徴とするスメクチック液晶セル。 ７． 前記変形上限値Ｇ２が０．１％以下であることを特徴とする請求項６記 載のスメクチック液晶セル。 ８． 前記液晶層（３）が強誘電性液晶（ＦＬＣ）を含んでいることを特徴と する請求項６または７記載のスメクチック液晶セル。 ９． 前記液晶層（３）が反強誘電性液晶（ＡＦＬＣ）を含んでいることを特 徴とするという点で特徴付けられる請求項６または７記載のスメクチック液晶セ ル。 １０． 前記スペーサ（１１）の高さｈが０．５から２０μｍ、好ましくは１ から２μｍの範囲にあることを特徴とする請求項６から９のいずれか１つに記載 のスメクチック液晶セル。 １１． 第１プレートのスペーサ（１１）の支持領域による表面網羅度ｓが２ から４％であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の液晶 セル。 １２． 少なくとも第１ガラスプレート（１）、好ましくは両方のプレート（ １，２）の厚さｂが０．５ｍｍを超えないことを特徴とする請求項１ないし９の いずれか１つに記載の液晶セル。 １３． 前記プレート（１，２）を結合する力が、活性領域のセルに存在する ことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の液晶セル。 １４． 負圧が前記プレートを結合する力を提供するための前記キャビティに 勝ることを特徴とする請求項１３記載の液晶セル。 １５． 前記スペーサ（１１）が前記プレートを結合する力を提供するための 少なくとも１枚のプレート（１）に粘着的に接続されることを特徴とする請求項 １３記載の液晶セル。 １６． 少なくともスペーサ（１１）の幾つかが、一方向に５０μｍを超えな い幅を持ち、前記方向を横断する実質的に広い範囲を有して伸張スペーサを形成 することを特徴とする請求項１ないし１５のいずれか１つに記載の液晶セル。 １７． 液晶セルが、セルの活性領域のキャビティに分散される前記スペーサ （１１）に付け加えて、セル周辺の離隔関係に配置され、セルの活性領域の最初 に記述したスペーサ（１１）よりも実質的に広い横断面を有する複数の周辺スペ ーサ（１２）を備えていることを特徴とする請求項１ないし１６のいずれか１つ に記載の液晶セル。 １８． 液晶セルが、セルの活性領域のキャビティに分散される前記スペーサ （１１）に付け加えて、セル周辺に配置され、セルの活性領域の最初に記述した スペーサの高さｈを超える高さを有する複数の周辺スペーサ（１２）を備えてい ることを特徴とする請求項１ないし１７のいずれか１つに記載の液晶セル。 １９． 周辺スペーサ（１２）が伸張状であり、離隔関係に短い面が互いに向 き合って配置されることを特徴とする請求項１７または１８記載の液晶セル。 ２０． 前記ペーサ（１１）が長方形状の断面を有することを特徴とする請求 項１ないし１９のいずれか１つに記載の液晶セル。 ２１． 前記プレート（１，２）とスペーサ（１１，１２）がガラス製である ことを特徴とする請求項１ないし２０のいずれか１つに記載の液晶セル。 ２２． 前記スペーサ（１１，１２）が前記プレート（１，２）の少なくとも １つ（２）をエッチングすることによって提供されることを特徴とする請求項１ ないし２１のいずれか１つに記載の液晶セル。 ２３． セルが離隔関係に配置された複数のピクセルから成るディスプレイと して設計され、スペーサ（１１）が前記ピクセル間に配置されていることを特徴 とする請求項１ないし２２のいずれか１つに記載の液晶セル。