JPH1083000A - ツイステッドネマティック液晶装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 幅広い用途において用いることができるツイ
ステッドネマティック液晶装置を提供する。 【解決手段】 ツイステッドネマティック液晶装置は、
一対の配向層２２および２４の間の液晶層２０を有して
いる。ガラス基板３０および３２は、電極２６および２
８をそれぞれ有しており、液晶層２０および配向層２２
および２４を挟むように配置されている。配向層２２お
よび２４の配向方向は直交しており、かつ直線偏光子３
４および３６の隣接するものに対して±４５度の角度を
なしている。配向層２２に隣接する液晶層２０の表面領
域２０ａにおける液晶分子のプレチルト角は、配向層２
４に隣接する液晶層２０の表面領域２０ｃにおける液晶
分子のプレチルト角とは異なっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、テレビ、
イメージングディスプレイ、バーチャルリアリティディ
スプレイ、投射型ディスプレイ、およびコンピュータの
画面に使用するための、アクティブマトリックス駆動型
であり得る、アルファヌメリック（alpha-numeric)ある
いは画素化液晶ディスプレイのための光学シャッタとし
て適したツイステッドネマティック液晶装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ツイステッドネマティック液晶装置は、
一般的に、ツイステッドネマティック液晶層と、液晶層
の両側に設けられている第１の配向層および第２の配向
層と、液晶層の選択された領域に電圧を印加するための
電極とを備えている。透過モードで用いられる装置の場
合、液晶および配向層は、第１の直線偏光子と第２の直
線偏光子との間に設けられる。このような直線偏光子の
偏光軸は、互いに平行か、あるいは互いに垂直に配置さ
れ得る。反射モードで用いられる液晶装置の場合、直線
偏光子および反射板は、液晶層および配向層の反対側の
面に設けられている。ツイステッドネマティック液晶層
は光導波路として動作し、光が液晶層を横切るときに、
入射する光の偏光ベクトルをある角度（代表的には９０
度）回転させる働きを行う。電極への印加電圧を制御す
ることによって、液晶層を通過した光を受け取る偏光子
の偏光軸に偏光ベクトルが揃っているか否かに依存し
て、装置は明状態と暗状態との間で切り替えられ得る。

【０００３】装置が電圧ゼロの状態で、ネマティック液
晶が要求されるツイスト構造を確実に有するようにする
ために配向層が設けられる。ツイスト構造は、ラビング
処理、あるいは例えば、配向層が液晶材料と接触しない
うちに配向層の表面へ表面活性剤などの化学物質を塗布
するというようなその他の配向技術によって、公知のよ
うに達成される。隣接する配向層の配向方向で配向され
るのに加えて、液晶分子は、プレチルト角（θ_p）と称
される角度で隣接する配向層の表面から立ち上がる。

【０００４】ラビング方向は、通常、隣接する偏光子の
偏光軸と平行であるかあるいは偏光軸に垂直であるかの
いずれかであるが、スーパーツイステッドネマティック
液晶装置には異なる偏光子の向きを有するものがある。

【０００５】したがって、ツイステッドネマティック液
晶装置は、通常、上記のように偏光ベクトルを回転させ
るかあるいは誘導するように動作する。

【０００６】別のタイプの液晶装置は、入射光の上述し
たような透過を利用する代わりに、光学リタデーション
を用いる。そのようなリタデーションモード装置の例と
して、パイセルおよび表面安定化強誘電性液晶ディスプ
レイがある。このような装置中の液晶層は、光学リター
ダのように振る舞い、各直線偏光子の偏光軸に対して４
５度に配置される。光学リターダを通過する光が異なる
偏光状態を有することには異なる位相ずれが生じるとい
う問題があり、最終的には、そのような層を横切る光は
異なる偏光状態を有するという結果になる。例えば、４
分の１波長光学リターダは、光学軸に対して４５度で入
射する直線偏光光を円偏光光に変えて出射する。同様
に、垂直軸に対して４５度の光学軸を有する２分の１光
学リターダは、縦方向に偏光している直線偏光を水平方
向に偏光している直線偏光に変える。

【０００７】誘導タイプあるいは光学リタデーションタ
イプのいずれかの装置に印加された電圧は液晶分子の配
向に影響を与え、液晶層の光学特性を制御する。ツイス
テッドネマティック液晶装置の場合、光誘導が行われる
か否かを決定するために電圧が用いられ、不完全な光誘
導の中間状態には階調を達成するために使用可能なもの
がある。いわゆる透過モードで用いられる光学リタデー
ションタイプ装置の場合、ほぼ２分の１波長のリタデー
ションとゼロリタデーションとの間で装置を切り替える
電圧が選択され、階調を提供するための光学リタデーシ
ョンの中間値が使用され得る。

【０００８】以下の記載において、ゼロ光学リタデーシ
ョンと２分の１または４分の１波長光学リタデーション
との間での動作に対する言及は、理想的な動作が達成さ
れるものとして当業者に容易に理解される。実際には、
装置は、完全なゼロ光学リタデーション、２分の１波長
または４分の１波長光学リタデーションをめったに達成
し得ないので、以下におけるゼロ光学リタデーション、
２分の１波長または４分の１波長光学リタデーションに
対する言及は、実際に可能であるように、これらの光学
リタデーションの近傍で通常動作される実際の装置をカ
バーすると解釈されるべきである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】S.Matsumotoら (J. Ap
pl. Phys.、vol 47、No.9、1976年９月、第3842〜3845
頁)およびF J Kahn（Appl. Phys. Lett.、Vol22、No.
3、1993年２月、第111〜113頁）は、一方の配向面では
ほぼゼロのプレチルト角を有し、他方の配向面では９０
度（ホメオトロピック）プレチルト角を有する、電気的
に調整可能な光学リタデーションタイプ（あるいは複屈
折）装置を開示している。しかし、このような装置の適
用は限られており、配向面のタイプおよび装置の状態間
での切り替えのために使用可能な電圧に制限を与える。

【００１０】米国特許第4385806号は、ネマティック液
晶装置を開示している。このネマティック液晶装置にお
いては、互いに直交する軸を有する別々の固定された
（すなわち、切り替え不可能な）リタデーション板が平
行にラビング処理された表面を有する透過型装置におい
て、偏光子のうちの一つと配向板のうちの一つとの間の
液晶セルの外部に設けられる。また、側面から見たとき
に、２つの配向板に隣接する液晶分子が単一平面にあ
り、同一プレチルト角で反対側に傾斜するように配向板
がラビング処理されている装置が開示されている。しか
し、この後者の装置については、米国特許第4385806号
は、視野角を広げるために、前側の偏光子および後側の
偏光子に平行な、一対の分離した互いに直交するリタデ
ーション板を付加的に使用することが好ましいことを教
示している。

【００１１】P D Berezinら(Sov. J. Quant. Electro
n.、Vol 3(1)、78/79頁、1973)は、位相遅延を０からπ
に変え得る電気的に切り替え可能な光学リターダとし
て、クロスするように配置された偏光子の間で４５度に
配向されたネマティック液晶層の使用を開示している。
しかし、プレチルト角の使用についての開示はない。

【００１２】米国特許第4635051号は、電子光学光ゲー
トを開示している。この電子光学光ゲートは、実質的に
互いに平行な関係に配置された一対の光学リターダを有
する液晶素子を備えている。光学リターダの光学軸は、
投影されたときに直交しており、かつ、一対の偏光フィ
ルタの偏光軸に対して４５度の角度を成すように配置さ
れている。光学リターダは、ゼロ光学リターダから実質
的に２分の１波長光学リターダとしてまで動作し得る。
各光学リターダとしてパイセルを用いることが記載され
ている。このパイセルでは、配向面でのプレチルト角は
同一であり、１つの実施の形態においては２度と５度と
の間のプレチルト角が好ましく、別の実施の形態に用い
るためには、プレチルト角は１０度から３０度の範囲、
好ましくは１５度から２５度の範囲である。

【００１３】欧州特許公開公報第0467456号は、液晶表
示セルにおいて用いるための表面配向層を設ける方法を
開示している。この液晶表示セルにおいて、配向層は、
分子の少なくとも一部が永久的に固定された配向を有し
ている液晶からなる。

【００１４】欧州特許公開公報第0549283号は、ツイス
テッドネマティック液晶層が、偏光子および配向層をそ
れぞれ有する第１の透明ガラス基板と第２の透明ガラス
基板との間に配置されている液晶表示装置を開示してい
る。配向層は、液晶層中の複数の微小なユニット領域を
規定し、各領域はそれぞれ異なる第１の液晶配向ドメイ
ンおよび第２の液晶配向ドメインにさらに分割される。
各第１の液晶配向ドメイン内で、第１の配向層近傍の液
晶層の分子が第１のプレチルト角で第１の線に沿って第
１のプレチルト方向に配向され、第２の配向層近傍の液
晶層の分子が第２のプレチルト角で第１の線に直交する
第２の線に沿って第２のプレチルト方向に配向されるよ
うに、配向層は配置および処理される。第２のプレチル
ト方向は、一般的に、第１のプレチルト方向とは逆方向
であり、第１のプレチルト角は第２のプレチルト角より
も大きい。各第２の液晶配向ドメインにおいて、液晶層
の分子は、第２の配向層近傍の第２の液晶配向ドメイン
における液晶分子と同様に配向されるが、第１の配向層
近傍では第１のプレチルト角で第１の線に沿って第２の
プレチルト方向に配向される。これによって、ディスプ
レイの視野角が改善される。使用時には、配向層と配向
層とのちょうど中間に配置されている液晶分子は、液晶
層に電圧が印加されるときの第１のプレチルト角に従っ
て立ち上がる。液晶の光学的特性は、これらの液晶分子
の振る舞いに依存することが述べられている。

【００１５】米国特許第5280375号は、液晶パネルと、
第１の基板と第２の基板との間のツイステッドネマティ
ック液晶層と、を有する液晶表示装置を開示している。
第１の配向層および第２の配向層は、第１のプレチルト
角および第２のプレチルト角を与えるように第１の基板
および第２の基板上にそれぞれ設けられている。第２の
プレチルト角は、第１のプレチルト角よりも小さい。第
３の配向層は、第２の配向層近傍の第２の基板上に設け
られ、第１のプレチルト角よりも大きい第３のプレチル
ト角を有している。チルト構造を持たないネマティック
液晶材料が第１の基板と第２の基板との間に封入されれ
ば、液晶分子は、プレチルト角の影響によって、所定方
向に延びるらせん構造を有するように配向される。しか
し、第１の基板と第２の基板との間に実際に充填される
液晶材料は、前記の所定方向と反対の方向に延びるらせ
ん状構造を有するように液晶パネルを配向させるツイス
ト力を有している。この結果、第２の配向層および第３
の配向層と関連する領域における液晶層の中心の液晶分
子が互いに反対方向に傾き、それによって視野角が上方
／下方視野角方向に変化するときの輝度変化を減少させ
ることになってしまう。

【００１６】欧州特許公開公報第0699938号は、液晶層
と偏光保持反射板との間に配置されたリターダ層の使用
を開示している。このリターダ層は、好ましくは、液晶
層と接触している。

【００１７】欧州特許公開公報第0616240号は、アクテ
ィブマトリックス液晶ディスプレイを開示している。こ
の液晶ディスプレイにおいて、ネマティック液晶層は正
の誘電異方性を有し、かつ、第１の配向層表面および第
２の配向層表面における液晶分子のプレチルト角が実質
的に互いに平行になるように配置された配向層の間に配
置されている。

【００１８】しかし上記説明からわかるように、従来の
構成のいずれにおいても用いることができる用途が限ら
れてしまう。

【００１９】本発明はこのような現状に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、幅広い用途において用いるこ
とができるツイステッドネマティック液晶装置を提供す
ることである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明によると、ツイス
テッドネマティック液晶層と、液晶層の両側の面にそれ
ぞれ配置されている第１の配向層および第２の配向層
と、液晶層に電圧を印加する電極とを備えたツイステッ
ドネマティック液晶装置が提供される。第１の配向層お
よび第２の配向層は、液晶層中に実質的に９０度のツイ
スト構造を生じさせるように互いに垂直に配置された配
向方向をそれぞれ有している。第１の直線偏光子は、第
１の配向層の液晶層の反対側の面に配置され、第１の配
向層の配向方向に対して実質的に±４５度の角度で配置
された偏光軸を有している。それぞれの配向層に隣接す
る液晶層の表面領域における液晶分子は、０度よりも大
きく９０度よりも小さいプレチルト角を有している。第
１の配向層に隣接する表面領域における液晶分子のプレ
チルト角は、第２の配向層に隣接する表面領域における
液晶分子のプレチルト角とは異なる。

【００２１】このようにプレチルト角を等しくならない
ように設定することによって、有限電圧が電極に印加さ
れると、液晶層の中心領域における液晶分子が電界方向
に配向し始め、配向層に隣接する液晶層の表面領域は、
互いに垂直であるが、プレチルト角が等しくないために
同一ではない２つの非ねじれ光学リターダに類似し始め
る。

【００２２】これらの光学リターダは互いに対して垂直
であるので、液晶層全体の複屈折率は、光学リターダ
（または波長板）の値を減算することによって見出され
る。液晶層に印加される電圧を変化させることによっ
て、これらの波長板の厚さを変化させることができ、そ
れにより装置全体の複屈折率を連続的に調整することが
できる。任意の複屈折率を生じさせる正確な電圧は、２
つの表面領域におけるプレチルト角にいくぶん依存す
る。したがって、本発明による装置は、電圧ゼロ状態で
９０度のツイスト構造を有する非対称表面プレチルト角
を有する調整可能な複屈折装置である。動作は有限電圧
状態の間で行われ、液晶構造は２つの等しくない交差光
学リターダに対応する。

【００２３】したがって、好ましくは、少なくとも１つ
の電圧供給手段が電極と接続され、使用時に、装置は有
限電圧状態の間で動作し、表面領域の液晶分子は、液晶
層の中心領域における液晶分子によって光学的に切り離
された２つの互いに直交する同一ではない光学リターダ
として働く。

【００２４】本発明は、単一の装置において２つの交差
している（それゆえに減算される）切り替え可能リター
ダ素子を組み合わせる利点を有している。反対に、米国
特許第4385806号は、２つの反平行な（それゆえに加算
される）光学リターダとして働く液晶の表面領域を切り
替えることによって動作する装置を開示している。その
ような場合、ゼロリタデーション状態は、通常、高電圧
によって、あるいは互いに直交するリターダ板を別途設
けることによってのみ得られる。これらの互いに直交す
るリターダ板が別途必要になることによって、液晶セル
内でそのような素子を製造することが困難になる。例え
ば、配向したポリマー鎖からなる代表的なリターダは、
液晶セル内に光学リターダと配向面との両方に兼用され
る場合、米国特許第4385806号の装置によって要求され
るように、液晶分子を光学軸に平行に配向させ、ポリマ
ー鎖に垂直には配向させない傾向がある。

【００２５】本発明のように、２つの配向層に隣接する
表面領域における液晶分子で等しくないプレチルト角を
用いることによって、広範囲な電圧にわたって複屈折率
モード動作が可能になる。互いに対して９０度に設定さ
れた２つの等しいプレチルト表面からなる従来のツイス
テッドネマティック装置では、２つの交差光学リターダ
に対応する構造が得られる電圧を超えると、複屈折率が
ゼロになる。これは、これらの光学リターダが同一であ
るように規定されており、それゆえに常にゼロ光学リタ
デーションに減算するためである。

【００２６】原則では、２つの表面間のプレチルト角の
差は、どのようなものであっても複屈折動作に十分であ
る。これによって、一方はゼロのプレチルト角を有し、
他方は９０度のプレチルト角を有する２つの表面を用い
るF J Kahn（上記）によって記載されている装置で利用
可能な配向面よりも、より幅広い範囲の配向面の選択が
可能になる。

【００２７】本発明の装置のプレチルト角は、約１度と
約８９度との間、好ましくは約１度と約８７度との間で
あり得る。一つの実施の形態において、配向層のうちの
一つに隣接するプレチルト角は約３度であり、別の配向
層に隣接する液晶分子のプレチルト角は約７０度であ
る。別の実施の形態において、一方のプレチルト角は約
３度であり、別のプレチルト角は約３０度である。しか
し、プレチルト角の差は、代表的には約３度よりも大き
く、好ましくは約１０度よりも大きく、最も好ましくは
約２０度よりも大きい。プレチルト角の差は、液晶層の
表面領域の光学的厚さに差（Δｎ・ｄ）をもたせるため
に必要である。例えば、プレチルト角の差が小さい場
合、２分の１波長に相当する差を厚さにわたって蓄積さ
せ得るように、表面層のうちの少なくとも１つは非常に
厚いか、大きいΔｎを有する材料からなるかのいずれか
であり得る。光学的厚さは、プレチルト角、表面層厚
さ、またはΔｎを適切に調整することによって、あるい
はこれらの１つ以上の組み合わせによって所望のように
調整され得る。ルートの選択は、装置の意図された用途
に依存する。例えば、高い複屈折率を有するΔｎ材料
は、電界への応答を改善する高誘電異方性を有する傾向
にあるが、そのような材料は同時に高粘度を有する傾向
にあり、それによって切り替え速度が低下する。

【００２８】光学層の表面領域によって使用時に規定さ
れる光学リターダを確実に分離するために、液晶層全体
の厚さは、好ましくは少なくとも約１μｍであり、代表
的には３〜１５μｍの範囲である。

【００２９】必要とされるプレチルト角の差は、異なる
材料で第１の配向層および第２の配向層を形成すること
によって最も好都合に達成され得る。例えば、一方の配
向層はポリイミド層であり、他方の配向層は蒸着された
酸化シリコン層であり得る。しかし、プレチルト角に所
望の差を生じさせるためも、同一材料を用い、かつ、異
なるラビング処理あるいは他の配向手順を利用すること
は、本発明の範囲内である。

【００３０】本発明は、透過モードで動作することが意
図される装置に適用可能である。この場合には、第２の
配向層の液晶層とは反対側の面に配置され、かつ、第２
の配向層の配向方向に対して実質的に±４５度に配置さ
れる偏光軸を有する第２の直線偏光子がさらに設けられ
る。そのような場合、装置は２つの有限電圧で、あるい
はそれらの有限電圧の間で動作させられる。一方の有限
電圧は、（光の与えられた波長について）最終的な実質
的に２分の１の波長光学リタデーションを生じさせ、他
方の有限電圧は、実質的にゼロの光学リタデーションを
生じさせる。これらの２つの有限電圧の中間電圧レベル
での動作によって、ある用途において必要とされ得る階
調が得られる。

【００３１】本発明は、反射モードで動作することが意
図される装置にも適用可能である。この場合、反射板は
第２の配向層の液晶層とは反対側の面に配置され、装置
は、２つの有限電圧であるいはこれらの電圧の間で動作
させられる。一方の有限電圧は、（光の与えられた波長
について）最終的な実質的に４分の１波長光学リタデー
ションを生じさせ、他方の有限電圧は、実質的にゼロの
光学リタデーションを生じさせる。反射モードにおいて
は、液晶層を介する両方向への光の反射によって、全体
的な実質的に２分の１波長の光学リタデーションが生じ
ることが理解される。

【００３２】液晶層は、ツイステッド（またはカイラ
ル）ネマティック液晶分子によって構成されても、ある
いは一方のツイスト状態を他方のツイスト状態に対して
９０度のツイスト構造で安定化させるために、カイラル
ドーパントが液晶に組み入れられてもよい。ほぼすべて
のネマティック液晶材料が、本発明において用いられ得
る。代表的な例は、メルク社から入手可能なシアノビフ
ェニル化合物から主になるネマティック液晶材料Ｅ７、
高複屈折率材料ＢＬ０３７、および薄膜トランジスタツ
イステッドネマティック（ＴＦＴ ＴＮ）装置で用いる
ために設計された材料ＺＬＩ４７９２である。

【００３３】また、少なくとも一つの付加的な固定（パ
ッシブ）光学リターダを液晶セルに組み込んで、ゼロ光
学リタデーション状態が得られる電圧を低下させること
も、本発明の範囲内である。この固定された光学リター
ダは、液晶セルの外側にあっても内側にあってもよい。
固定されたセル内光学リターダの使用は、液晶と固定光
学リターダとの間の視差の問題が低減されるので、反射
モードで装置を用いるときには有利である。固定された
セル内光学リターダは、欧州特許公開公報第0699938号
に開示されているタイプであり得る。

【００３４】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態は、添付の図面
を参照して例として記載される。

【００３５】図１を参照すると、ツイステッドネマティ
ック液晶装置は、液晶セルを備えている。このセルで
は、ネマティック液晶層２０が、第１の配向層２２と第
２の配向層２４との間に配置されている。第１の配向層
２２および第２の配向層２４は、液晶層２０中に９０度
のツイスト構造を生じさせるように互いに対して垂直な
配向方向をそれぞれ有している。図１で、電圧ゼロ状態
での液晶層２０の厚さにわたる液晶分子の配向分布は、
代表的に、領域２０ａ、２０ｂおよび２０ｃで示されて
いる。図１（印加電圧がゼロのときの装置を示してい
る）において模式的に示されているように、第１の配向
層２２に隣接する表面領域２０ａにおける液晶分子は、
第１の配向層２２の配向方向に揃えられたディレクタを
有し、第２の配向層２４に隣接する表面領域２０ｃ中の
液晶分子は、第２の配向層２４の配向方向に揃えられた
ディレクタを有する。配向層２２および２４の配向方向
は、層上の矢印によって示されている。

【００３６】また、図１に示されるように、本発明によ
ると、プレチルト角θ_p（すなわち、表面領域２０ａお
よび２０ｃにおける液晶分子がそれぞれの層から傾いて
いる角度）は異なる。領域２０ａにおける液晶分子のプ
レチルト角は、領域２０ｃにおおける液晶分子のプレチ
ルト角よりもはるかに小さい。領域２０ａ、２０ｂおよ
び２０ｃにおける液晶分子のチルト角は、液晶層２０の
厚さ方向にわたって電圧ゼロ状態において連続的かつ滑
らかに変化する。

【００３７】図１の装置のセルは、第１の透明導電電極
２６および第２の透明導電電極２８も有している。これ
らの電極は、層２０、２２および２４からなるアセンブ
リのそれぞれ反対側の側に設けられ、第１の透明ガラス
基板３０および第２の透明ガラス基板３２上のコーティ
ングによってそれぞれ規定されている。通常の実施によ
ると、これらのガラス基板３０と３２との間は、液晶材
料が配向層２２と２４との間に通常の方法で導入され得
るように、適切に配置したスペーサ（例えば、球、ファ
イバー、またはストリップ）を用いて間隔があけられ
る。電極層２６および２８は、液晶層２０のすべての部
分および選択された部分への可変電圧の印加を可能にす
る、それ自体が公知のいずれもの所望の方法で構成され
得る。例えば、電極層２６および２８は、個々にアドレ
ス可能な画素にアクティブマトリックス駆動あるいはパ
ッシブマトリックス駆動を行うために、それ自体が公知
の方法で構成され得る。したがって、薄膜トランジスタ
あるいはダイオードなどの非線形／半導体電気素子は、
装置の層構造に含まれ得る。

【００３８】図１の装置は、第１の直線偏光子３４およ
び第２の直線偏光子３６をさらに含む。これらの偏光子
３４および３６の偏光軸は、これらの層上に図示されて
いる双頭矢印によって示されるように、互いに垂直に配
置される。図１からわかり得るように、第１の偏光子３
４は、第１の配向層２２の液晶層２０に対して反対側の
面に配置され、偏光軸は配向層２２の配向方向に対して
４５度に配置されている。同様に、第２の偏光子３６
（使用時には検光子として動作する）は第２の配向層２
４の液晶層２０に反対側の面に配置され、偏光軸は第２
の配向層２４の配向方向に対して４５度に配置されてい
る。改変例（図示せず）において、偏光子３４および３
６のうちの一つの偏光軸が他方の偏光子の偏光軸と平行
になるように、その偏光子の偏光軸が図１に示される状
態から９０度配向される。

【００３９】電極２６および２８は、多画素表示の場合
に行および列の端部に位置する、可変電圧ドライバ３８
あるいは複数の電気的ドライバに電気的に接続される。

【００４０】上記のように、図１に示されている液晶層
２０は電圧印加がゼロの状態を示しており、領域２０
ａ、２０ｂおよび２０における液晶分子のチルト、液晶
層２０の厚さにわたって滑らかに変化する。ドライバ３
８を用いて電極２６および２８に有限電圧が印加される
場合、液晶層２０の中心領域２０ｂ中の液晶分子は、電
界の方向に沿って配向し始め、事実上ホメオトロピック
状態になる。また、表面領域２０ａおよび２０ｃは、互
いに対して９０度に配向された２つの非ねじれ光学リタ
ーダに類似し始め（図２参照）、中心領域２０ｂによっ
て光学的に切り離される。これらの２つの光学リターダ
（または波長板）は、２つの表面でのプレチルト角が一
致しないように慎重に決められているので、互いに同一
ではない。図２において、液晶分子２０ａは、頭部を有
する釘の形状で示されている。釘頭部は観察者に向かっ
て傾斜し、釘先端は観察者から離れて傾斜している。

【００４１】これらの２つの波長板は互いに９０度に配
向されているので、液晶セル全体の複屈折率は、表面領
域２０ａにおける複屈折率および表面領域２０ｃにおけ
る複屈折率の値を減算することによって見出され得る。
液晶層２０に印加される電圧を変化させることによっ
て、表面領域２０ａおよび２０ｃの厚さが変化し得る。
したがって、装置全体の複屈折率が連続的に調整され得
る。与えられた複屈折率を生じさせる電圧は、正確に
は、表面領域２０ａおよび２０ｃの分子のプレチルト角
に一部依存する。図２に図示される装置について、２分
の１波長のリタデーションは、表面領域２０ａおよび２
０ｃの光学リタデーション差が２分の１波長である電圧
で得られる。ゼロの光学リタデーションは、液晶層２０
のすべての分子が電界方向に配向され、光の入射時の偏
光状態に垂直に配向されるときに高電圧で得られる。２
分の１波長およびほぼゼロの光学リタデーションにそれ
ぞれ対応する２つの電圧の間で液晶に印加される電圧を
変化させることによって、光の最大透過と最大消光との
間の変化が観察された。中間電圧レベルによって、中間
レベルの階調が生じた。

【００４２】第１の実施例において、液晶層２０のネマ
ティック液晶材料がＥ７（メルク社）である図１に類似
の装置を構成した。第１の配向層２２としては、約３度
のプレチルト角を生じさせるラビングされたポリイミド
を用いた。蒸着された酸化シリコンによって、約３０度
のプレチルト角を有する第２の配向層２４を形成さし
た。ガラス基板３０と３２とは、ガラススペーサビーズ
（図示せず）を用いて約１０μｍの間隔をおいて配置さ
れた。１ｋＨｚの方形波電圧は、ドライバ３８によって
電極２６および２８を介して液晶層２０に印加された。
図３は、液晶セルが約５３０ｎｍで２分の１波長リター
ダに近似する、２．２Ｖｒｍｓ方形波についての装置の
透過率を示している。図４は、液晶セルがゼロ光学リタ
ーダに近似する、１０Ｖｒｍｓ方形波についての装置の
透過率を示している。

【００４３】次に図５を参照する。図示されている装置
は、図１および図２の構成と類似しており、同一の構成
要素は同一の参照符号によって示されている。しかし、
図５の装置は反射モードで使用されるように設計されて
いるので、第２の偏光子３６は省かれ、第２のガラス基
板３２の上には、ミラーとして機能する反射膜が設けら
れている。必要に応じて、第２の電極層２８にミラーと
しての機能を持たせ、ミラーを省くこともできる。図５
の装置は、２つの有限電圧の間で動作させられる。一方
の電圧は、ある波長の光について最終的な４分の１波長
分の光学リタデーションを生じさせ、他方の電圧はゼロ
の光学リタデーションを生じさせる。入射光は直線偏光
子３４によって偏光され、光が液晶層２０を横断すると
きに、電極２６および２８に印加される電圧に依存して
ゼロあるいは４分の１波長の最終的な光学リタデーショ
ンを獲得する。第２の偏光子３２のところでミラーによ
って反射されると、光は再び液晶層２０を横断し、それ
によってゼロまたは４分の１波長のいずれかの光学リタ
デーションをさらに獲得する。最終的にゼロの光学リタ
デーションを持った状態で直線偏光子３４に到達した光
は、液晶層２０を通過することによっても偏光状態は変
化しないので、直線偏光子を透過する。しかし、最終的
に２分の１波長分の光学リタデーションをもって直線偏
光子３４に到達した光は、偏光状態が９０度回転される
ので消光する。

【００４４】本発明の装置は、第３の固定（すなわちパ
ッシブ）光学リターダを有していてもよい。この第３の
光学リターダは、ゼロの光学リタデーション状態が得ら
れる電圧を低下させるために、液晶層２０によって与え
られる可変（すなわちアクティブ）光学リタデーション
と関連して用いられる。この固定光学リターダは、液晶
セルの外側にあっても内側にあってもよい。図６は、使
用時に液晶層２０の表面領域２０ａおよび２０ｃによっ
て規定される光学リターダと関連して示される第３の光
学リターダ４０の使用の原理を示している。便宜上、表
面領域２０ａおよび２０ｃによって規定される光学リタ
ーダを、以下では光学リターダ２０ａおよび２０ｃと称
する。光学リターダ２０ａのリタデーションが、光学リ
ターダ２０ｃのリタデーションよりも大きいと仮定す
る。実際には、より大きいプレチルト角を有する液晶層
の表面領域は、ガラス基板３０および３２に対して法線
方向に入射した光に対してより低いリタデーションを示
す。これらの２つの光学リターダ２０ａおよび２０ｃを
総合したリタデーションは、光学リターダ２０ｃのリタ
デーションを光学リターダ２０ａのリタデーションから
減算することによって見出される。またこのリタデーシ
ョンは、支配的な光学リターダである光学リターダ２０
ｃと同じ方向に位置する光学軸を有している。光学リタ
ーダ２０ｃの光学軸と揃っている光学軸を有する第３の
光学リターダ４０を付加することによって、またリター
ダ２０ａと２０ｃとのリタデーション差と等しいリタデ
ーションを用いることによって、３つの光学リターダの
最終的なリタデーションを、ゼロに等しくすることがで
きる。したがって、第２の光学リターダ４０を用いるこ
とによって、液晶のすべての分子を電界方向に配向させ
ることを必要とせずに、すなわち、実際には高電圧を必
要とせずに、装置からゼロ光学リタデーション状態を得
ることが可能になる。

【００４５】第３の光学リターダ４０は、図１に図示さ
れている第１のガラス基板３０の外側表面に、例えば、
接着剤によって取り付けられ得る外付け素子であり得
る。あるいは、第３の光学リターダ４０は、第１のガラ
ス基板３０と第２のガラス基板との間に規定される液晶
セルの内部にあってもよい。この後者の構成は、液晶セ
ルの外側に配置された液晶リターダに関連する視差の問
題を低減させる利点を有している。さらに、セル内に設
けられる固定光学リターダを、配向層２２および２４の
うちの一つとして機能するように設計してもよい。この
点に関して欧州特許公開公報第0699938号に留意された
い。この公報の開示は、本明細書で参考として援用され
る。この公報は、内部光学リターダの液晶ディスプレイ
との使用を開示しているが、この素子が液晶層で生じさ
せ得る配向のタイプには言及していない。例えば、固定
光学リターダ４０は、第２の配向層２６の機能を行い得
る。

【００４６】次に、図７を参照すると、ガラス基板４２
（図示しない電極を有する）と、配向層４４と、図１の
装置における第２の基板３２、第２の電極２８および第
２の配向層２４の代わりに用いられ得る液晶層４６とを
備えたアセンブリが示されている。例えば、インジウム
酸化錫（ＩＴＯ）からなる透明電極によって一部が覆わ
れたガラス基板４２は、それ自体が公知の方法でスピン
コーティングされたポリイミドの薄層４４を有してい
る。このポリイミド層４４は、液晶層４６のための配向
表面を提供するためにラビングされている。次いで、ネ
マティック液晶材料（例えば、メルク社製Ｅ７）とアク
リレートベースの材料（例えば、BDH LimitedのＲＭ８
２；メルク社製ＲＭ２５３；またはメルク社製ＲＭ３０
８）の混合物を、ラビング処理されたポリイミド表面４
４に薄層４６（代表的には約１００ｎｍ）としてスピン
コーティングする。スピンコーティングされた混合物の
ネマティック成分は、その下に位置するポリイミド層４
４の表面によって配向され、そのような表面で小さい角
度（代表的には約３度）だけプレチルトされる。薄層４
６の別の表面４８は自由表面であり、窒素雰囲気下に維
持される。表面４８では、液晶分子は、代表的には７０
度を超える大きいプレチルト角を得る。したがって、ス
ピンコーティングされた薄い層４６のネマティック成分
は、その下に位置するポリイミド層４４の表面で規定さ
れる小さいプレチルト角から表面４８で適用されるそれ
よりもはるかに大きいプレチルト角まで、厚さ全体にわ
たって連続的に変化する。気体／液晶界面での液晶分子
によって適用される実際のプレチルト角は、液晶のタイ
プ、気体のタイプ、および外部磁界あるいは電界が存在
しているか否かなどに依存する。さらに、このような界
面におけるプレチルト角は、下に位置するポリイミド層
４４への近さ（すなわち、スピンコーティング層４６の
厚さ）に依存する。図８からわかり得るように、層４６
が薄くなると、表面４８で形成されるプレチルト角が小
さくなる。

【００４７】ネマティック／アクリレート混合物をＵＶ
露光することによって、アクリレート成分は光化学反応
を起こし、低モル質量アクリレートをポリマーに変え
る。このように形成されたポリマーは、液晶４６中の液
晶分子の配向およびチルト構造を永続的に固定するよう
に機能する。したがって、ＵＶ照射を行った結果、ネマ
ティック／ポリマー薄層４６は、ネマティック分子の少
なくとも一部が固定され、層４６の厚さによって決定さ
れた角度にプレチルトされた露出表面４８を有すること
になる。したがって、プレチルト角は所望のように調整
され、そのような層は、装置中のバルク液晶層２０につ
いて配向表面２２および２４のうちの一つを規定するた
めにも用いられ得る。

【００４８】バルク液晶層２０にプレチルト配向表面を
設けることに加えて、図７および図８に関連して記載さ
れたネマティック／アクリレートポリマー薄層４６は本
質的に複屈折性でもあり、それによって上記のように第
３の光学リターダとして機能する。これらの特徴を組み
合わせることは、第１の配向層２２および第２の配向層
２４が互いに垂直に配置される本発明による装置におい
て有利である。２つの配向層２２および２４が、代表的
なパイセルあるいはフレデリクス装置において互いに平
行または反平行である場合、図７および図８を参照して
記載される固定光学リターダは、低電圧においてゼロ光
学リタデーションの達成に実際は逆効果となる。

【００４９】図９は、重量パーセント比９０：１０のＥ
７およびＲＭ８２からなる薄膜の光学リタデーション変
化を示している。ｘ軸は、層のスピンコーティングの間
に溶媒を形成するＴＨＦ（テトラヒドロフラン）中のＥ
７／ＲＭ８２の濃度を示している。スピニングは、２０
００ｒｐｍで１０秒間行われ、ポリイミドでプレコーテ
ィングされラビング処理されたＩＴＯガラス基板にコー
ティングを形成する。次いで、プロットされたリタデー
ション値を記録する前に、１０分間の窒素気体流下で層
がＵＶ硬化された。図１０は、このようなＥ７／ＲＭ８
２配向表面上に積層されたときに液晶Ｅ７によって適用
されるプレチルト角を示している。

【００５０】別の実施例において、図１に類似の装置
を、高プレチルト角および光学リタデーションの両方を
有する配向層の使用を示すために構成した。この実施例
においては、約３度のプレチルト角を有するラビング処
理されたポリイミドを第１の配向層２２として用い、第
２の配向層２４は約３度のプレチルト角を有するラビン
グ処理されたポリイミドの層からなり、その上には９
０：１０の重量比でＥ７液晶およびＲＭ８２アクリレー
トからなる層がスピンコーティングされている。ＴＨＦ
中に２０ｗｔ％のＥ７／ＲＭ８２混合物混合物を溶かし
たＴＨＦ溶剤から、Ｅ７／ＲＭ８２混合物を２０００ｒ
ｐｍで１０秒間スピンコーティングした。スピンコーテ
ィングされた層を、窒素雰囲気下で１０分間ＵＶ露光し
た。これによって、約１１０ｎｍの固定された光学リタ
デーションを有するＥ７／ＲＭ８２ポリマー配向層が形
成された。Ｅ７は、層２０中の液晶材料として用いられ
た。上記のように形成される第２の配向層２４のプレチ
ルト角は約７０度であった。第１の直線偏光子３４およ
び第２の直線偏光子３６は、互いに直交する偏光軸を有
していた。第１の偏光子３４の偏光軸は、ポリイミド配
向表面２２のラビング方向に対して４５度に配置され
た。

【００５１】１ｋＨｚの方形波を液晶に印加した。図１
１は、印加電圧の関数として装置を通過する５５０ｎｍ
波長の光の透過率を示している。図１２は、偏光子の間
の装置が２分の１波長リターダに近い動作をする、印加
電圧２．０５Ｖｒｍｓについての光の波長に対する装置
の透過率の変化を示している。図１３は、装置がゼロ波
長光学リターダに近い動作をする、５Ｖｒｍでの透過率
を示している。

【００５２】図１２から推測され得るように、バルク液
晶層２０において用いられた材料と同一の液晶材料（例
えば、Ｅ７）から内部の固定光学リターダを形成するこ
とが有利である。大半の材料は光を拡散させる。すなわ
ち、与えられた光学リターダのリタデーション値は、リ
タデーションが測定される波長の関数である。したがっ
て、異なる材料から得られる２つの光学リターダは、共
に配置されると、波長の関数である最終的な光学リタデ
ーションを生じさせる。しかし、内側固定光学リターダ
が、バルク液晶層２０と主に同じ材料からなる場合、光
散乱は補償され、ほぼ無彩色の光学リタデーションゼロ
の状態が達成され得る。

【００５３】セル内固定光学リターダを形成する材料の
選択は、上記したものに限られない。例えば、他の光重
合性メソゲン、他の液晶、あるいはそれ自体がメソゲン
である光重合性材料（すなわち、液晶相を示す）を用い
ることが可能である。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
幅広い用途で使用することができる液晶装置を実現する
ことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による液晶装置の１つの実施形態を形成
する液晶表示素子の分解斜視図である。

【図２】電界印加状態で図１に示される液晶構造の断面
図である。

【図３】互いに平行な直線偏光子を用いた、２．２Ｖｒ
ｍ電圧印加状態での、図１および図２の装置について波
長に対してプロットされた透過率を示すグラフである。

【図４】互いに平行な直線偏光子を用いた、１０Ｖｒｍ
電圧印加状態での、図１および図２に示されるタイプの
装置について波長に対してプロットされた透過率を示す
グラフである。

【図５】反射モードで使用するために設計された、本発
明による液晶装置の概略断面図である。

【図６】３つの光学リターダによって生じる偏光効果を
示す、概略分解斜視図である。

【図７】ポリイミド配向面に設けられた液晶の断面図で
あり、液晶の他方の面には何も設けられていない。

【図８】薄い液晶層の、図７と同様の図である。

【図９】スピンコーティング溶液の濃度に対するネマテ
ィック／ポリマー層の光学リタデーションの変化を示す
グラフである。

【図１０】スピンコーティング溶液の濃度に対する図９
で用いたものと同一のネマティック／ポリマー層のプレ
チルト角の変化を示すグラフである。

【図１１】直線偏光子が互いに垂直であるネマティック
／ポリマー配向装置の電圧に対する透過率の変化を示す
グラフである。

【図１２】図１１で用いられたものと同じネマティック
／ポリマー配向装置の波長に対する透過率の変化を示す
グラフであり、印加電圧は２．０５Ｖｒｍであり、直線
偏光子は互いに垂直である。

【図１３】図１１および図１２で用いられたものと同じ
ネマティック／ポリマー配向装置の波長に対する透過率
の変化を示すグラフであり、印加電圧は５Ｖｒｍであ
り、直線偏光子は互いに垂直である。

【符号の説明】

２０ 液晶層 ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ 領域 ２２ 第１の配向層 ２４ 第２の配向層 ２６ 第１の電極 ２８ 第２の電極 ３０ 第１のガラス基板 ３２ 第２のガラス基板 ３４ 第１の直線偏光子 ３６ 第２の直線偏光子 ３８ 可変電圧ドライバ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーティン デービッド ティリン イギリス国 オーエックス14 ２ピージ ー，オックスフォードシャー， アビンド ン， サマー フィールズ 11

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ツイステッドネマティック液晶層と、 該液晶層の反対側の面に配置された第１の配向層および
   第２の配向層であって、該液晶層中に実質的に９０度の
   ツイステッド構造を生じさせるように直交している配向
   方向を有する第１の配向層および第２の配向層と、 該第１の配向層の該液晶層に対して反対側の面に配置さ
   れ、該配向層の配向方向に対して実質的に±４５度をな
   すように配置された偏光軸を有する第１の直線偏光子
   と、 該液晶層に電圧を印加するための電極と、を備えたツイ
   ステッドネマティック液晶装置であって、 該第１の配向層および該第２の配向層にそれぞれ隣接す
   る該液晶層の表面領域における液晶分子は、０度よりも
   大きく９０度未満のプレチルト角を有しており、 該第１の配向層に隣接する該表面領域中の該液晶分子の
   プレチルト角は、該第２の配向層に隣接する該表面領域
   中の該液晶分子のプレチルト角とは異なっているツイス
   テッドネマティック液晶装置。
2. 【請求項２】 前記ツイステッドネマティック液晶装置
   は、前記電極と接続された少なくとも１つの電圧供給手
   段をさらに備えており、 該ツイステッドネマティック装置は２つの有限電圧状態
   の間で動作し、前記表面領域における前記液晶分子は、
   前記液晶層の中心領域の液晶分子によって光学的に分離
   された２つの互いに垂直な異なる光学リターダとして機
   能する、請求項１に記載のツイステッドネマティック液
   晶装置。
3. 【請求項３】 前記ツイステッドネマティック液晶装置
   は固定光学リターダをさらに備えている、請求項１また
   は２に記載のツイステッドネマティック液晶装置。
4. 【請求項４】 前記固定光学リターダは前記第２の配向
   層を規定する、請求項３に記載のツイステッドネマティ
   ック液晶装置。
5. 【請求項５】 前記固定光学リターダは液晶材料を含
   む、請求項３または４に記載のツイステッドネマティッ
   ク液晶装置。
6. 【請求項６】 前記固定光学リターダ中の前記液晶材料
   は、前記第１の配向層と前記第２の配向層との間の前記
   液晶層の前記液晶材料と同じである、請求項５に記載の
   ツイステッドネマティック液晶装置。
7. 【請求項７】 前記固定光学リターダは前記液晶層から
   は離れている、請求項３に記載のツイステッドネマティ
   ック液晶装置。
8. 【請求項８】 前記プレチルト角が約１度と約８７度と
   の間である、請求項１から７のいずれかに記載のツイス
   テッドネマティック液晶装置。
9. 【請求項９】 前記プレチルト角の差が約５度よりも大
   きい、請求項９に記載のツイステッドネマティック液晶
   装置。
10. 【請求項１０】 前記プレチルト角の差が約１０度より
    も大きい、請求項９に記載のツイステッドネマティック
    液晶装置。
11. 【請求項１１】 前記プレチルト角の差が約２０度より
    も大きい、請求項１０に記載のツイステッドネマティッ
    ク液晶装置。
12. 【請求項１２】 前記ツイステッドネマティック液晶装
    置は透過モードで動作し、 前記第２の配向層の前記液晶層に対して反対側の面に配
    置されており、かつ該第２の配向層の前記配向方向に対
    して実質的に±４５度の角度をなす偏光軸を有する第２
    の直線偏光子をさらに備えている、請求項１から１１の
    いずれかに記載のツイステッドネマティック液晶装置。
13. 【請求項１３】 前記ツイステッドネマティック液晶装
    置は、２つの電圧でまたは該２つの電圧の間で動作し、 該２つの電圧の一方は、前記液晶層中に最終的に実質的
    にゼロの光学リタデーションを生じさせる電圧であり、
    他方は該液晶層中に最終的に実質的に２分の１波長の光
    学リタデーションを生じさせる電圧である、請求項１２
    に記載のツイステッドネマティック液晶装置。
14. 【請求項１４】 前記ツイステッドネマティック液晶装
    置は反射モードで動作し、前記第２の配向層の前記液晶
    層に対して反対側の面に配置された反射板をさらに備え
    ている、請求項１から１１のいずれかに記載のツイステ
    ッドネマティック液晶装置。
15. 【請求項１５】 前記ツイステッドネマティック液晶装
    置は２つの電圧で、または該２つの電圧の間で動作し、 該２つの電圧の一方は、前記液晶層中に最終的に実質的
    にゼロの光学リタデーションを生じさせる電圧であり、
    他方は該液晶層中に最終的に実質的に４分の１波長の光
    学リタデーションを生じさせる電圧である、請求項１４
    に記載のツイステッドネマティック液晶装置。