JPH0151818B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、双安定性セルに関するものである。

秩序配列分子の影響並びに効果は、スウイチン
グ用装置、変調用装置やその他、光線の特性を変
えるための装置を構成するため、広い応用範囲で
用いられてきた。液晶とは、液体状態において
の、秩序配列分子又は分子群から成るものである
が、この観点で、特に有用であることが判つてい
る。というのは、秩序性の程度と性質を変えるこ
とができ、これに伴う液の透過特性の変化を、比
較的容易に得られるからである。このような液晶
の透過性の差、並びに偏光効果の差は、液晶腕時
計の増産で証明されるように、今日一般に用いら
れているデイスプレイを得るために、両者とも利
用されてきた。しかしながら、二種の安定状態を
それと連けいして有し、而も一つの安定状態から
もう一つの安定状態へと、迅速に且つ最小のエネ
ルギー消費で容易に移行することができる液晶が
あれば、しばしばより実用的であることだろう。
そのような装置では、二種の安定状態のいずれか
一方に結晶を維持するためには、エネルギーはほ
とんど必要ないか、全く必要としないだろう。

従来の研究者達は、ネマテイツク液晶中の偽安
定状態の特性を、ねじれと非ねじれ両方について
研究してきた。しかしながら、市販の双安定性液
晶装置がないのは、実用的で効果的な双安定性液
晶デイスプレイを得る先行技術が失敗しているこ
とを証拠だてゝいる。

本発明は双安定性液晶セルである。このセル
は、それと関連して、エネルギーを印加せずとも
永続存在し、しかし適当な切り替えエネルギーを
印加すれば切換えられ得る、二種の安定状態を持
つものである。液晶セルは、二つの境界面内に含
有されるコレステリツク液晶を含む。液晶は、通
常の歪のないら旋形ではなくて、あるら旋形に、
これらの安定状態の少なくとも一つにおいて、束
ばくされている。安定状態では、デイスクリネイ
シヨンと壁はほゞない。セルは、動作領域を横切
つてデイスクリネイシヨンを通過することなく、
少なくとも二つの安定状態間を切換えられること
ができる。切換えは、先行技術の多重周波数アド
レス法によつて行われることができるし、あるい
は指定したフオール時間特性をもつ適当な印加電
場の特定の断路回数を惹起する、新しく発明され
た方法によつて行なわれてもよい。特定実施例
は、セルの特定範囲が、パターン表示を得るため
に“分離”されている配列を含んでいる。

本発明は、液晶ねじれセルの数学的説明の範囲
内で、その特性として双安定性を含む一群の解が
存在するという認識を基礎としている。本願の文
脈においては、双安定性とは、液晶がそれに印加
された境界条件の影響のもとに、少なくとも二つ
の異なつた状態に存在することが可能であり、そ
のいずれかは、もう一つの状態に移行せしめるた
めに特定のステツプが取られる迄、永続的に存在
するという事実を云う。これらの状態は、外部エ
ネルギー、例えば電界のようなものの印加がなく
てさえも、永続的に存在するだろう。この双安定
性の定義は、当該技術分野に属する者の用法と矛
盾せず、本発明セルの利点を明らかにするもので
ある。特に、セルを一つの状態からもう一つの状
態に移行したい場合にのみ、エネルギーが消費さ
れる。その他の時にはすべて、セルは、エネルギ
ーの消費をせずに望む状態に保たれるものであ
る。安定状態の寿命に関連する“永続的に”とい
う術語の用法は厳密であることを意味するもので
はなく、むしろ、切換え時間と比較して長い時周
期を少なくとも云い、そして多くの実施例では、
セルとその部品の化学的寿命と匹敵し得る時間を
云う。しかしながら現今諒解されているように、
擾乱する外力が印加される迄の絶対的安定を、数
学的解は実際に顕示している。現今諒解されてい
るように、これら外力とは、上記に開示した切換
え用電場の形でのみ、現われている。安定状態の
寿命を有限とするような、望ましくない力、又さ
もなければコントロールし得ない力があるという
証拠は一般にない。最も本源的な形では、本発明
は、双安定性を指示する。これらの数学的解によ
つて最も良く説明される。これらの数泣的解は、
液晶ねじれセルと連けいした物理現象並びに種々
のエネルギー寄与をもちこんだ方程式から出てく
る。エネルギー寄与は、ねじれ、傾き、曲げ弾性
エネルギーに起因する項を含み、これらエネルギ
ーは、例えばセル壁と連けいした束縛のような、
外部から印加された条件、及び界、すなわち、電
界、磁界、電磁場の印加による寄与の結果とし
て、少なくとも部分的に生起するものである。こ
れらの方程式は、高度に精微な数値法を用いるこ
とによつて解かれるものであり、本質的に無数の
解を持ち、その大部分は、関心がなく無関係であ
る。それらのうち、莫大な数の解は本発明者が発
見したものであり、且つ双安定現象を含むもので
ある。これらの解は、指定の境界条件と、例えば
傾斜、ねじれ、曲げ弾性定数のような、エネルギ
ー方程式のパラメータの特定の値に対して表わさ
れる。

本発明の数学的説明は恐らく最も厳密であるの
に、その扱い難い性質から、本発明者は、その初
歩的特徴とセルメトリツクな特性に関して発明の
セルを説明することになつた、この質的な定義
は、歪のない時のねじれの特定値を定義と関連し
て有する液晶を含有するセルを要求している。こ
の限りで、液晶はコレステリツクとして説明され
ることができ、すなわち、何らの束縛もなけれ
ば、液晶の最低エネルギー状態は特定ピツチを有
するら旋配列としている。液晶は、適当なねじれ
のら旋を規定するようなデイレクタ（方向子）を
その特定と関連して有するものとしてみなされる
ことができる。本願の目的においては、歪のない
状態におけるコレステリツクのねじれは“歪みの
ないねじれ”と称する。

本発明セルの特徴は、安定状態の少なくとも一
つにおいては、セル内の液晶は、歪みのないねじ
れではないある値のあるピツチに束縛されている
という事実である。この束縛は、配列性界面活性
剤でセル壁を適当に処理することにより、溝でエ
ツチングすることにより、あるいは非対称性蒸着
膜を付けることにより、行うことができる。セル
の動作領域にある液晶は、安定状態にあるのに、
デイスクリネイシヨンとドメイン壁はほゞない。

これらの条件をセルの数学的説明に挿入する
と、液晶が少なくとも二つの安定状態のいずれか
に存在し得る、一群の解が存在するということが
判る。更に、これらの解の、そして本発明セルの
特徴は、液晶は外部エネルギーの印加より一つの
安定状態から他の安定状態に変換されることがで
きること、且つこの変換は通常、液晶がデイスク
リネイシヨンを通ることなく、あるいは動作領域
を横切つてデイスクリネイシヨンを通ることな
く、生じるであろうということである。この要件
は、比較的低い切換えエネルギー入力で切換えを
得るものである。

本発明セルのエネルギー論について。

実施例のエネルギー図を、第１図に模式的に示
す。この図では、三種の安定状態をＡ、Ｂ、Ｃと
して示す。これらの状態にある時、液晶デイレク
タによつてみなされる配列を第２図に示す。エネ
ルギー状態Ａでは、デイレクタはねじれていな
い。このよう状態の存在は、コレステリツクと呼
ばれる液晶と両立しないことに留意することは重
要なことである。というのは、通常コレステリツ
クと連けいするねじれは、最低のエネルギーにお
いてのみ、歪んでいない状態で存在する必要があ
り、その状態は必ずしも示されておらず、且つ事
実上、ある特定の境界条件によつて許され得ない
ものである。Ｃ状態では、デイレクタは第２Ｃ図
に表わされる配列とする。Ｄとして同定されて、
第２Ｄ図に模式的に示されている、第三の安定状
態が、同様に示してある。第１図と第２図の実施
例においては、Ｄ状態は、歪まないことができ
る。通常０−15⁵Hzもしくは０−14⁴Hzの周波数範
囲で、且つ特定の実施例でセル壁に垂直に、電界
を印加すると、電界が充分強く、つまり１−100
ボルトであれば、Ｂ状態となるものである。Ｂ状
態は、電界が印加されている限り、存在するもの
である。電界を除去すると、後記するように、Ａ
又はＣいずれかの状態となるものである。その両
者は、電界の除去の詳細に依存し、又はオンの間
のその強度に依存して、安定である。

Ｄ状態の性質の理解は重要なことである。又、
双安定装置において、それが果す役割、あるいは
果さない役割を理解するのも、重要なことであ
る。セルを、Ａ又はＣのいずれかの状態からＤ状
態へと切換えるためには、Ａ及びＢの状態の間で
切換えるためよりも、大きなエネルギーが必要と
される。これは第１図で、これら各種の状態を分
離している高ポテンシアルのバリアで示されてい
る。この場合のポテンシアルバリアは、液晶ねじ
れがＤ状態に達することができる前に通過しなけ
ればならない。デイスクリネイシヨンと関連す
る。Ｄ状態がされるためには、Ｄ状態のエネルギ
ーが、第１図で点線で示すように、ＡもしくはＣ
状態のエネルギーよりも高くあるべきだと一度考
えられたことがあつた。このようなエネルギーを
増すことは例えば、セル表面での比較的大きな傾
斜角、例えば45度、と関連づけてもよい、傾きエ
ネルギーをを更に導入することによつて、行なわ
れるかもしれない。（両セル壁での等しい傾きは、
Ａ又はＣ状態での表現中の傾きエネルギーより
も、Ｄ状態の表現中の傾きエネルギーが大きいよ
うに導びく。）しかしながら、Ｄ状態を他の状態
から分離しているバリアの高さは大きいので、図
示するように、たとえＤ状態が他の状態より低い
エネルギーであるにしても、液晶にデイスクリネ
イシヨンを通過せしめ、且つＤ状態への転移に悪
影響を及ぼすのに充分な高さのエネルギーに上げ
ることなく、ＡとＣ状態間に効果的に切換えを印
加することができることを発見した。

第１図と第２図に論じている実施例において
は、液晶の歪のない自由なねじれはほゞ180度で
あり、すなわち、Ｃ状態の配列である。明らか
に、このパラメータは、液晶の性質と壁間隔によ
つて支配されている。種々のいずれかの実施例に
あつては、180度以外の値を用いてもよい。例え
ば、有意義な傾斜が、境界壁で液晶に課せられる
と、最も望ましい解は、270度程の大きさの、又
は90度程の小さい歪のないねじれをもつてもよ
い。そのような配列では、ＡとＣの状態は、恐ら
く尚、ほゞ360度で分離されているようである。
すなわち、しかしながら、これらの状態のねじれ
は、それぞれ０度と360度である必要はないので
ある。

第２図に示した配列の詳細なことは、液晶ねじ
れセルにほとんど接していない人達により簡単に
涼解できるよう作図するため、図中では特に省い
た。この詳細なことは、ＡとＣとＤ状態におい
て、表面近くのデイレクタは、１〜60度の任意の
位置のある量だけセル壁に対して相対的に傾斜す
るという事実を生ずる。壁のいずれかに隣接する
デイレクタは、それらが平行であるような様相で
傾いている。ＡとＣの状態においては、この傾き
は、セルの厚みを通じて本質的には均一である。
Ｄ状態においてはしかしながら、デイレクタの向
きは、ある中間面では、セル壁に平行である傾斜
に変つてよい。このような配列は、充分な傾斜の
ために、第１図で点線で示すエネルギーレベルを
得るＤ状態に、付加的な傾きエネルギーを導入す
る。

傾斜は二つの目的に役に立つ。第一には、Ａ状
態又はＣ状態をＢ状態にもち上げる切換え電界が
印加される時、さもなければ存在するかもしれな
いあいまいなものを、取り除く。傾斜は加えて、
Ｄ状態のエネルギーを、Ａ状態又はＣ状態のエネ
ルギー以上のレベルに持ち上げる、上記付加的傾
斜項を導き出す。

第２図が更に精密ではないのは、図を簡略化す
るために意図的に挿入したものであるが、Ｂ状態
の配列におけるセルの中心デイレクタは、正確に
垂直ではないことである。

切換えのメカニズムについて。

Ａ状態とＣ状態との間の切換えは、第２図のＢ
として示すものゝような中間状態への移行をまず
最初に生じせしめるセルエネルギー中に導入する
ことによつて行なわれる。次いで界を取り除く
と、Ａ状態又はＣ状態へ更に進んで転移すること
になろう。先行技術の切換えメカニズムを、要求
されている転移を行うために利用することができ
る。そのような切換えメカニズムは、Gerritsma
著の、90度ねじれネマテイツクセル用の二周波切
換え法を含むものである。（Gerritsma他著：
Solid State Comm.誌、第17巻、1077頁、1975
年。）このメカニズムは、Ｂ状態におけるデイレ
クタの位置からデイレクタの前方への緩和又は後
方への緩和のいずれかを得るために、液晶の透電
的異方性と液晶の流体動力学的特性の周波数依存
性（C.J.Van Doorn著；J.App.Physics誌、第46
巻、373B頁、1957年）に依存する。

しかしながら、先行技術のGerritsmaの二周波
数メカニズムに加えて、出願人は、効果的で発明
装置に特に有用な、代替的切換え技術を発見し
た。それらは、Ａ状態又はＣ状態いずれかへの緩
和を得るための切換え期間中生ずるターン・オフ
期間の、場合変化率の違いを含んでいる。（すな
わち、Ａ状態を求めるための５ミクロンセルのゆ
つくりしたターン・オフに対し１／100秒。Ｃ状
態を求めるための速いターン・オフに対して大ざ
つぱにいつてもつと小さい桁の値。これらの数字
は、セル厚みの二乗で大ざつぱにいつて変化す
る。）本発明セルと共に使用するために、出願人
が発見した更に他の切換えメカニズムは、望まれ
ている最終状態に依存する異つた大きさの場を利
用することを含んでいる。広い意味では、このメ
カニズムは、場の減少率に依存するという、既述
のメカニズムの中に含まれるかもしれない。

セル配列について いくつかの実施例では、セル全体がオン又はオ
フに切換えられなければならない。しかしなが
ら、数多くの表示の実施例では、文字・数字のキ
ヤラクタやその他のパターンに限定されなければ
ならない。先行技術のセルでその種々の状態が外
部界の連続印加を必要とするものでは、これらの
キヤラクタは、必要な電界誘導圧を印加している
透明導電フイルムの適当な配列によつて、容易に
限定されていた。本発明セルにおいては、しかし
ながら、セルが二つの安定状態のいずれかにある
時は、そのような電界は必要としない。切り換え
電界が取り除かれると、隣接領域の配列は、効果
的に切換えられてはいないことがあり得て、それ
を望ましくない状態にならしめる切換えられた領
域に伝ぱすることができる。本発明セルを利用す
るパターン表示の製造における意義ある問題は、
それ故に、パターン表示において要求される種々
の領域を分離するための適切な技術の必要性を招
く。そのような技術は、本発明者によつて示唆さ
れ、第３図に示してある。この図では、三つの異
なつた領域３３、これは文字・数字表示のような
パターン表示の一部であるが、これが境界領域３
２、これは表示領域の厚みとは異つた関連セル厚
みを持つているのだが、これによつて分離されて
いる、（３３では、例として示した透明導電フイ
ルムと、既述のように、透明基板３１上に付着さ
せた配列界面活性剤とがある。）特定実施例では、
境界領域のセル厚みが表示領域の厚みより小さい
場合には、ゼロ度のねじれ配列（第２図参照）が
境界領域３２の最低エネルギー状態であろう。こ
の実施例では、セルは、360度配列が表示領域３
３における最低エネルギー状態を有するよう設計
されている。そこでそのような条件下では、どの
領域の配列もその境界をこえて伝ぱすることはな
いことは容易に理解できよう。代替実施例では、
表示領域の間の境界領域は、最低エネルギー状態
において360度ねじれを有することができる。表
示領域は、第３図のようにより大きいセル厚みを
持つセルの領域であることもできるし、あるいは
より小さいセル厚みを有する領域であることもで
きる。第３図では、領域おのおのにおける状態の
相対エネルギーは、これら種々の領域におけるセ
ル厚みを変更することにより決められる。代替的
に、このようなコントロールは、種々の領域の境
界条件を変化することにり、例えば、表示と境界
の領域において異なつて方位傾斜を得るためにセ
ル壁を処理することによつて、得ることができ
る。

光学的示差について。

第１図と第２図の特定実施例と関連した状態、
同じく代替的実施例と関連した状態は、偏光子及
び連けいする偏光検光子を用いることにより、光
学的に容易に識別できる。360度ねじれ状態にお
いては、光は通常、線形に偏光よりはむしろ、楕
円偏光でセルに存在する。というのは、光学異方
性と波長で割つたセル厚みとの積が15又は５より
小さく、そして望ましくは２より小さいからであ
り、この数字で逆にコントラストを良くするから
である。ゼロ度のねじれ状態ではしかしながら、
適切な配向性のある面偏光の光の偏極はセルによ
つて悪影響されることなく、且つセルに存在する
光は、最初の偏光子により線形に偏光されてい
る。

偏光子と検光子の必要性を最小にすることがで
きる。あるいは、光学吸収能が、投入光線の偏光
と伝ぱの方向に対して相対的な方向性に依存する
ような色素を挿入することによつて、全くさける
ことができる。そのような色素の局所的配向は、
種々の状態における液晶の局所的配向によつて影
響されるあろう。それにより、液晶の状態に依存
する色素の吸収能を変更し、且つそれにより、
種々の液晶状態の光学分化のメカニズムを与える
ことになる。（D.L.White他著：J.Applied
Physics誌、第11巻、4718頁、1974年。G.H.
Heilmeir他著：App.Phys.detters誌、第13巻、
91頁、1968年。） 本発明セルの顕著性について。

こゝに描出したように、本発明セルは先行技術
のセルとは区別することができる。先行技術セル
は下記の特徴により、偽安定性のある形を生ずる
ものであり、この特徴は本発明セル中に次の組合
わせで存在する。(1)液晶はコレステリツク液晶か
ら成る。(2)安定状態の少なくとも一つにおける液
晶のねじれは、歪んではいない値以外の値に束縛
されている。(3)安定状態においては、液晶は双安
定性を有する動作領域内では、デイスクリネイシ
ヨンと壁は殆んどない。すなわち、液晶の分子配
列は、セル境界に平行な任意の二次元動作面を横
切つて均一である。(4)セルは、少なくとも二つの
安定状態の間で切換えることができ、この状態
は、通常、動作領域を横切るデイスクリネイシヨ
ンを通ることなく、ほゝ360度だけねじれで異な
つている。

本発明セルの諸特性、先行技術の装置、及び双
安定装置に対する先行した試みは容易に区別する
ことができる。例えば、渦巻パターン装置が最近
開示された。これらの装置は通常、コレステリツ
クな液晶とゲスト色素から成る。非吸収性の、渦
巻ではない、均一な状態を、均一な電界を印加し
て始動させる。この状態から、セルを、異なつた
周波数の均一な電界により、渦巻パターン吸収状
態に切り替えることができる。渦巻パターン状態
は、上から見ると指紋が現われたような無数のデ
イスクリネーシヨンを含んでいる方向性のない状
態である。この配列の結果として、色素は無配向
性で、そして光のすべての成分に対し、少なくと
もある程度迄は、吸収的になる。

渦巻パターンセルは、H.Melchior他（App.
Physics Letters、第21巻、392頁1972年）により
既述のセルにやゝ似ている。こゝでは、更にデイ
スクリネーシヨンをもつた状態が、ゲスト色素を
吸収性にせしめるのに用いられた。この極あて配
向性のない状態は、“フオーカル・コニツク
（focal conic）”と呼ばれるが、液晶をその等方
性液相におき、次いで電界を印加せずにそれを冷
却せしめて異つた構造のコレステリツク状態に戻
すことにより達成させられた。電界と共に冷却す
ると、均一な本質的に非吸収性の状態が得られ
た。フオーカル・コニツク状態を適用すると、ゲ
スト色素と関連した吸収よりはむしろ、デイスク
リネイシヨンそのものゝ散乱をひき起した。

渦巻パターンとフオーカル・コニツクの両者
は、安定状態がデイスクリネイシヨン又は壁をひ
き起すという点で、本発明セルとは異なる。加え
て、これらは、ほんとうに双安定性であり得な
い。

Porteによる最近の論文（Ｇ・Porte他：J.de
Phys、第39巻、213頁1978年）は、引用文献が装
置への応用にその有意義性を評価していないの
に、事実上二つの安定状態を有する液晶セル配列
を論じている。これらの二つの状態は、ねじれネ
マテイツクをもたらしている。これら二つの状態
は、ねじれのない状態の式に傾きと曲げの項を導
入した境界条件から部分的に生じて来る。これら
の付加的な項を考慮に入れた解は、増加するエネ
ルギーを持つたねじれのない状態であり、そして
同様に、当然液晶にとつて好ましいより低いエネ
ルギーのねじれ状態ともなる。Porteの配列にお
いては、しかしながら、安定状態は対称性があ
り、±piだけ異なつているこれらの状態でのねじ
れ、そしてそれらの対称性の観点で二つの状態の
間に結晶を一貫して切替えるであろう既知のメカ
ニズムはない。Porteの開示は、それはコレステ
リツクな結晶を持ちこまないという点で、且つ開
示された切換えメカニズムを持たないという点
で、本発明のセルとは区別される。本発明セルに
おいては、安定状態の間は本来非対称であり、こ
れはコレステリツク性のねじれによつてみちびか
れる。この非対称性は次いで、安定状態間の効果
的な切り換えを許している。

Serritsmaによる開示は、本発明セルの作動で
用いるために検討されたものに類似の切換えメカ
ニズムを、詳細に論じている。Gerritsmaの装置
においては、ネマテイツク液晶はセルの中に置か
れ、このセルは上方表面と下方表面におおける液
晶デイレクタ間のＸ−Ｙ面において90度の方向性
の差を生じせしめる境界を有している。液晶デイ
レクタの方向性は、Ｚ方向すなわち壁面に垂直に
おいて何らの意義ある傾きはなく、この境界壁に
平行である。Gerritsmaの装置では、二つもしく
はそれ以上の状態があり、それはデイスクリネイ
シヨンを通過することなく切換えることができ、
その一つは安定である。その他の状態はは増加す
るエネルギーにおいてのものであり、ポテンシア
ルの丘の頂上に必然的に横たわつている。これら
の状態は、均一な低周波界にてセル壁に垂直に分
子を立ち上がらせて、次いで垂直な高周波電界の
印加によつてそれらをフオールオーバする（ころ
はじめる）ことによつて切換えられる。

Gerritsmaとvan Doornとは、垂直均一状態か
らの液晶の緩和期間中に生起するバツクフロー現
象は、高周波電界が緩和期間印加される時のより
高いエネルギー状態への結晶の切り替えを結果と
して生ずるだろうと開示した。このより高い周波
数の電場は、バツクフローにより後方への傾斜の
短かい期間中、分子を“捕獲”し、そしてそれら
が後方に落下し続けるよう強いる。緩和期間中電
場が印加されなければ、且つ低周波電界が均一な
垂直状態を達成するために用いられるならば、結
晶はバツクフロー現象から当然回復して前方向で
緩和する。Gerritsmaのセルはコレステリツクを
惹起せず又デイスクリネイシヨンを通過すること
なく切換えることのできる二つの本当に安定な状
態を持たないという点で、Gerritsmaセルは発明
セルとは異なる。

本発明セルにおいては、境界条件の組合せ、す
なわち１又は５度から60度迄の傾きと特定実施例
においてはｘ、方向での境界の束縛効果の平行な
相対配向性、及びコレステリツクの使用が、二つ
の安定状態を結果として生ずる。その一つは、中
間面におけるほゞ垂直な配向性からの前方への回
転により、Ｂ状態から到達することができ、もう
一つは、後方への回転により、Ｂ状態から到達す
ることができる。例にあげる低周波界、これは低
周波において正の誘電異方性を有する数多くの既
知の物質が“垂直な”Ｂ状態を起さしめるもので
あるが、これが急激にターン・オフされる時、バ
ツクフロー現象は劇的であり、そして有意義なバ
ツクワード動作と適切な“バツクワード”状態へ
の緩和の起因となる。もし、しかしながら、電界
を緩慢にターン・オフさせると、バツクワードフ
ロー現象はそれ程劇的ではなく、“フオーロード”
状態への緩和を起因して、前方回転が極立つてい
る。しかしながら、代替的実施例では、多重周波
数アドレス法すなわちGerritsmaの切換えメカニ
ズムを有利に用いることができる。そのような実
施例にあつては、種々のパラメータの適切な調整
で、より迅速な切換えをすることができる。

セルの設計について 本発明は、液晶セルにおけるあり得る種々の分
子配列を表現する適切なエネルギー方程式の解
は、安定にして且つ一つの安定な解から他のもの
へと切換えることの可能な配列を包含するとの事
実に部分的に存在する。このような解は、閉ざさ
れた形では簡単に得ることはできない。これらの
状態について出願人が発見したのは、むしろ、適
切な方程式のあり得る無数の解についての研究の
結果である。本発明セルを製造することを望む実
施者は、これら方程式を解いて適切な双安定の解
を求めるよう、このようにして方向づけられるこ
とができる。例えば本発明者は、液晶の動力学的
フロー特性を表わす有名なレスリー・エリクソン
の式を解くことで、進めた。（D.W.Berreman
著：J.Appl.Physics、第46巻、3746頁1975年）。
これらの方程式は、無視し得ると判つているイナ
ーシヤル項を無視して解かれた。これら方程式の
無数の解で、種々の物理定数を補なわなければい
けない。これらの定数の中には、三つのバルク弾
性率、分子間のあり得る種々の相対運動に関連す
る五つの粘性度、二つの独立した誘電テンソル成
分、セル厚み、液晶の光学異方性を表わす項（セ
ルの光学特性を完全に表現するため）、（セル壁の
適切な処理により特定実施例で行なわれた）境界
条件、安定状態間を切換えるのに実施する印加エ
ネルギーを構成する種々の一時電圧、及び初期の
液晶配列が入る。明らかに、数多くの解析で適当
な方程式を解こうとする時、これらパラメータに
割り当てる、あり得る値の数は無限である。現実
の物理系に、より接近した解の何らかのあり得る
ものに関係づけるため、出願人は初期条件とし
て、４，4′−ジヘキシルアゾキシベンゼン
（“HXAB”）と関係した三種の弾性定数を用い
た。HXABの粘性定数は未知である。そして従
つて、メチルベンジリデインブチルアニリン
（“MBBA”）、これは既知で典型的であると思わ
れているのだが、初期条件として用いた。
HXABに対しては、二つのテンソル成分は値で
は本質的に同一であり、必然的に、それらの絶対
値は、方程式の解においては比較的有意義ではな
い役割を演ずる。むしろ、切換え電界強度の二乗
と誘電テンソル成分との積が有意義となる。そし
てその結果、解はその積にノーマライズされるこ
とができる。その他の物質は、有意義に異る誘電
テンソル成分を持つことができ、そのような場合
は、テンソル成分の絶対値は有意義性がより大き
い。例えば、現在ブリテイツシユ・ドラツグ・ハ
ウスから入手可能な液晶セルでＥ−７（シアノバ
イフエノールの混合物）と呼ばれるものは、二つ
の誘電テンソン成分間の差が（３のフアクタで異
つていて）有意義であり、この液晶を想定した解
では、二つの誘電テンソル成分の既知の値が用い
られた。エネルギー方程式の初期の解は、45度の
傾きを持つた、セル厚みに亘つての110度の歪み
のないねじれを想定した。デイレクタは、このよ
うにして境界壁に対して45度に傾いていると想定
されたが、セル表面に直角な方向に沿つての想定
したねじれに支配されているように、相互に相対
的に廻転されていた。ほゞ10ミクロンのセル厚み
を想定した。後から判つたことだが、より簡単な
出発条件は、本発明者がＡ状態と呼び、好ましく
は１−60度の近傍、２−60度、５−60度もしくは
25−45度の有限の傾きをもつたものに、より近く
近似するものであるとは、現在云うことはできな
い。

双安定の解を得るにあたつて実施者の助けとな
ることもある指図のその他のものには、次のよう
な観察が入つている。

(1) たとえ実際には、実際の境界条件における剛
性からのずれが、ねじれのパラメータを10度も
しくはそれ以上の大きさだけ360度より小さい
ことを許している可能性があるにしても、二つ
の安定状態は通常360度だけねじれで異つてい
る。

(2) 想定した境界条件により液晶分子に与えたね
じれトルクは、二つの安定状態間で意味で異な
つている。

二つの安定状態と連けいした配列は、既知の
Oseen−Frankの式（de Gennes著：“Physics of
diquid Crystals”オツクスフオード大学出版局
刊、1975年、243頁）を最適の場のエネルギー項
を付けて解くことにより得ることができる。これ
らの式は、三つの弾性定数、二つの独立した誘電
テンソル成分、セル厚み、適当な境界条件、及び
任意の静電圧電気変位の存在の仮定が必要であ
る。

MBBA、HXAB及びＥ−７はネマテイツク結
晶であり、従つて例示のメチルブトキシアゾシキ
ベンゼン（“MBAB”）又はナノン酸コレステロ
ールを、実際の実施例では、必須のコレステリツ
ク特性を得るために加えなければならない。添加
されるこのような物質の量が、最終組成物のら旋
性を決める。物質のコレステリツク性によるこの
物質の当然のら旋性を、Oseen−Frank式と
deslie−Ericksonの式の両者にある定数として仮
定しなければいけない。

上記適切な方程式の無数の解は、極めて実際的
な意味において、本発明双安定状態のための実験
的探求の一つのタイプである。様々な“実験”
が、望みの双安定の解を探求するためにコンピユ
ータにシユミレートされた。しかしながら、似た
ような意味で、又研究専門家を伴う実施者によつ
てより適切なある技術において、これら実験は、
実際の材料と適当なセルを使つて、研究室で同じ
ようにうまく実施することができる。その結果、
次のような研究指示は、本発明研究用のより伝統
的な研究技術を求めている実施者達に提供するも
のである。

セルの実験的製造における最初のステツプで
は、用いるべきセル厚みに亘つての歪のない液晶
の適当なら旋性の決定を必要とする。上に論じた
ように、本発明実施例ではこのような歪のないら
旋性の広い範囲のものを用いることができる。し
かしながら、特定実施例を得るために、ほゞ180
度の歪のないら旋性を用いた。究極的には作動し
得るセル厚みに対して液晶の歪のないねじれを決
定するには、通常、何らかの実験が必要である。

液晶組成の自然のら旋性は、浅い正曲率のレン
ズと平坦表面との間の区画された薄層における
Grandjean Canoの不連続性（de Gennes著：前
出、第６、２０図）の位置を観察することによ
り、種々の混合成分量の関数として決定される。
用いられるべきセル厚みほゞ40ミクロンであつ
た。従つて、80ミクロンの自然ピッチを持つた組
成が選ばれた。この物質を次いで、0.32mmのガラ
スで、ガラスの内表面上に酸化インジウムと酸化
錫の導電フイルムをもつもの、から作成したくさ
び形セル中に置いた。一酸化珪素を、導電フイル
ムの上に平行から斜めの（〜５度）角で蒸着し
て、一酸化珪素が垂直に沈着したならば、ほゞ
2000オングストロームの厚みとなることだろう。
この沈着は、Ｚ方向における所望の傾き及びXY
方向における配向を得るために、必要な配列メカ
ニズムを提供する。ねじれセルの厚みは30〜50ミ
クロンに亘つている。

この組成物は次いで双安定状態の一つ、すなわ
ちＡ又はＣ状態にあるセル内に置かれる。これ
は、ネマテイツク等方転移温度より上の温度にセ
ル中の液晶組成をおくことによりなされる。液晶
はその結果等方性状態にある。熱源除去でそれか
ら、液晶の室温迄冷えることになる。この工程に
次いで、液晶は、Ｂ状態の分子を持ち上げる電界
の印加に伴つて、Ａ状態又はＣ状態いずれかへ切
換えられることができる。（代替的に、液晶を、
冷却期間中、ねじれていないコレステリツク用の
臨界磁場以上の磁場（de Gennes、前出、247頁）
にさらしてもよい。） 上記工程によるセル内への液晶注入に伴つて、
液晶を、液晶組成に応じて10〜100ボルトの大き
さの、例示すれば60Hzの電界を印加してＢ状態に
変換した。セルを次いで、上記したように、Ａ状
態からＣ状態へと繰り返して切換え、偏光子を検
光子と組合せて用いて、二つの状態を光学的に識
別できるセル領域を探査した。そのような光学的
識別が可能な領域を規定すると、実施者は、与え
られた液晶組成と用いられるセル境界用の、動作
可能なセル厚みを得ることが許される。この均一
な厚みのセルは、そこで、この液晶組成用に、得
られた境界条件用に、又選ばれた特定の切換え法
用に構成することができる。最終的に構成された
セルは、例えば適当な文字・数字表示を得るため
に第３図の論義で記載した限定境界を持つことが
できる。

実施例 １ 本実施例では、発明の液晶セルは、セル境界と
してガラススライドを用いて製造された。ガラス
スライドには、切換え場印加のための手段として
用いるための、インジウム・錫の酸化物を被覆し
た。この透明導電膜を次いで、必要な配列効果を
提供するため一酸化珪素で更に被覆した。一酸化
珪素は、ガラス表面から５度の角で、ガラススラ
イド上に蒸着された。蒸着装置内に置いた蒸着一
酸化珪素源に直角に配位した校正用面は、2200オ
ングトロームであつた。

第二のセル表面は、類似の方法で、しかしなが
ら、この第二のインジウム・錫の酸化物で被覆さ
れたガラスは最初に、水溶のＮ−ジメチル−Ｎ−
オクタデシル−３−アミノプロヒルトリメトキイ
シリルクロライド（DMOAP）に浸漬したこと
で有意義な差をもつて調製された。これは液晶に
ホメオトロピツクな配列を生ずることで知られて
いる。この表面上の0.95cm径のスポツトを、第一
のスライドのように一酸化珪素の斜め蒸着で被覆
した。第二のスライドの処理は、製造されたセル
で、この第二のスライド上の一酸化珪素蒸着スポ
ツトによりほゞ限定される動作領域を得る。ホメ
オトロピツク配列を得る、第二のスライドの残余
部は、セルの動作領域に効果的で安定な境界を提
供する。

二つのガラススライドは、次いで、適当な“馬
てい形”配列で構造境界に沿つて設置されたエポ
キシ薄層によつて分離される。スライドは、相互
に向き合つているインジウム−錫面と共に配向さ
れ、エポキシを木製ブロツクの内に締着して80度
Ｃのオーブン内に構成物を置くことにより熟成し
た。沈着された、配向している面は、180度に配
列された。すなわち、表面は、一酸化珪素が蒸着
された方向が180度異なつているように配向され
た。

熟成後、完成したセルの厚みを、光源として校
正可変波長モノクロメータを用いる単色光干渉じ
まを観察することにより測定した。第二のスライ
ド上の一酸化珪素スポトによつて画成される領域
の厚みは、40〜47ミクロンの範囲であつた。双安
定性は、セルギヤツプで、ほゞ180度の歪のない
ピツチをもつた液晶に対して生起するだろうと期
待された。その結果、約43ミクロンの1/2ピツチ
を得るＥ−７の3.03パーセントMBAB混合物が
用いられた。

ガラスとエポキシのセルは、機械的な真空ポン
プを用いて、約１トールの真空中におき、約70度
Ｃに加熱した。二つのガラス壁間のすき間を、真
空解除時に空気圧で強化して馬ていの開放端を通
つて毛管法により、液晶混合物でみたす。ワイヤ
と導電銀ペーストとを使つて、細線電極を二つの
表面に接続し、可変変圧器を適切に接続した。

はじめに、セルは、電圧ターン・オフ時にＡ、
Ｃ及びＤ状態と関係するドメインを示した。繰り
返し場を印加すると、しかしながら、均一なＡ又
はＣ状態をもつたセルを事実上製造した。一たび
均一な状態が得られると、二つの安定な状態間の
切換えは、場のターン・オフ率を変えることによ
り達成された。Ｃ状態はその後、トグルスイツチ
を用いて60Hz、ピーク・トウ・ピーク15ボルト電
圧をターン・オフすることにより得られた。Ａ状
態は、可変変圧器を用いて約１秒間に亘つて緩慢
に同一電圧をターン・オフすることにより得られ
た。

実施例 ２ 実施例１に類似のセルは、液晶組成として
HXABに溶解した1.15パーセントMBABを用い
て、本実施例では作製した。この組成と関連する
コレステリツクなピツチは62ミクロンである。こ
のセルの厚みは均一ではなく、作動は30ミクロン
と算定した厚みの領域で起つた。より小さい厚み
の領域は、アクテイブ領域に切換えた後でさえ
も、Ａ状態のまゝである。これは、パターン表示
の境界を限定するのに、可変のセル厚を用いるこ
とをはつきり示した。

実施例 ３ 実施例２のセルを、高周波界を用いてＢ状態か
らＣ状態へと切換えた。このメカニズムを理解す
るためには、HXAB中のMBAB混合物は、300K
Hz以上の周波数での誘電異方性は可逆性を示すこ
とを特筆すべきである。その結果、この値以下の
周波数は、Ｂ状態配列に液晶デイレクタを上げる
だろう。この点から、Ａ状態又はＣ状態は、実施
例１にあるように、場を緩慢にターン・オフする
か迅速にターン・オフするかに依存して、得られ
ることができる。

本実施例においては、しかしながら、低周波界
がターン・オフされて、1500KHzの高周波界が直
ちにターン・オフされた。この技術では、急激な
オフ切換のみによつて得られたのよりもセルの大
きい部分にかけて、Ｂ状態からＣ状態へと転移が
結果として生じた。低周波界のターン・オフに
つゞいて、約1/4秒遅延後、同一高周波界を印加
するなら、セルはＡ状態に切換わる。印加時間に
依存する高周波界がＡ状態又はＣ状態を得ている
間、低周波界を中間Ｂ状態を得るために用いると
いう点で、この切換えメカニズムはGerritsmaに
よつて用いられたものと類似している。

実施例 ４ 第三のセルは、Ｅ−７で0.596パーセントのノ
ナン酸酸コレステロールから成る混合物を用いて
製作された。セル厚は20ミクロンと30ミクロンの
間であつた。Ｂ状態からＡ状態への切換えは、上
記のように、60Hz、ピーク・トウ・ピーク12ボル
トの電圧を緩慢にターン・オフすることにより得
られた。一旦、上に論じた境界を再び呈示する
と、セルのより厚い領域はＣ状態のまゝであつ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例と関連づけた、各種
の状態のエネルギー図である。第２図は、第１図
に示される各種の状態における場合の、デイレク
タの模式表示図である。第３図は、本発明の液晶
セルの特定実施例である。 〔主要部分の符号の説明〕 セル境界面…３
３、二つの安定状態の液晶のねじれ…FIG.２の
ＡとＣ、歪みが与えられていない自由な時の液晶
のねじれ…FIG.２のＤ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 液晶；及び 該液晶を配向させるための境界面であつて、液
   晶セルの状態を切り換えるためのエネルギーを印
   加する手段を含む境界面とからなる該セルにおい
   て、 該液晶はコレステリツク液晶からなり、少なく
   とも二つの安定状態を有し、該安定状態の少なく
   とも一方における該液晶のねじれは歪が与えられ
   ていない自由なときのねじれと異なるものになつ
   ており、及び 該液晶は該二つの安定状態で実質的なデイスク
   リネイシヨンとドメイン壁がなく、そして該セル
   は動作領域をデイスクリネイシヨンが通過するこ
   となく該二つの安定状態間で切り換えられている
   ことを特徴とする液晶セル。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の液晶セルにお
   いて、 該セルの厚さに亘る該液晶の歪が与えられてい
   ない自由なときのねじれは90度乃至270度である
   ことを特徴とする液晶セル。 ３ 特許請求の範囲第２項に記載の液晶セルにお
   いて、 該セルの厚さに亘る該液晶の歪が与えられてい
   ない自由なときのねじれは180±10度であること
   を特徴とする液晶セル。 ４ 特許請求の範囲第１項に記載の液晶セルにお
   いて、 該二つの安定状態間のねじれの差は約360度で
   あることを特徴とする液晶セル。 ５ 特許請求の範囲第４項に記載の液晶セルにお
   いて、 該二つの安定状態において、該境界面での該液
   晶デイレクタの傾きが該セルの境界面から１度乃
   至60度であることを特徴とする液晶セル。 ６ 特許請求の範囲第５項に記載の液晶セルにお
   いて、 該液晶デイレクタの傾きは25度乃至45度である
   ことを特徴とする液晶セル。 ７ 特許請求の範囲第２項又は第４項に記載の液
   晶セルにおいて、 光学的異方性と該セルの厚さの積を入射光の波
   長で割つたものが５以下であることを特徴とする
   液晶セル。 ８ 特許請求の範囲第１項に記載の液晶セルにお
   いて、 該セルの動作領域に印加される電界の立下がり
   時間を可変とする手段を含むことを特徴とする液
   晶セル。 ９ 特許請求の範囲第１項に記載の液晶セルにお
   いて、 該セルと該液晶のパラメータは、該境界面によ
   つて挾持された該液晶に拘束力が作用して該液晶
   が低エネルギーの安定状態へと自発的に落ち着く
   ような十分高いエネルギーを有する該液晶の状態
   を生じさせているものであることを特徴とする液
   晶セル。 １０ 特許請求の範囲第１項に記載の液晶セルに
   おいて、 パターン表示を行なうため該セルの拡りに亘る
   該セルの厚さの変化によつて該パターンを画成し
   ていることを特徴とする液晶セル。 １１ 特許請求の範囲第１項に記載の液晶セルに
   おいて、 パターン表示を行なうため該セルの拡りに亘る
   該境界面の配向機構の変化によつて該パターンを
   画成していることを特徴とする液晶セル。