特開 2023-71139 テラヘルツ電磁波に用いる液晶デバイスおよびシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023071139

(43)【公開日】2023-05-22

(54)【発明の名称】テラヘルツ電磁波に用いる液晶デバイスおよびシステム

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/01 20060101AFI20230515BHJP

【ＦＩ】

G02F1/01 D

【審査請求】有

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2022062220

(22)【出願日】2022-04-04

(31)【優先権主張番号】17/522,911

(32)【優先日】2021-11-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】501008945

【氏名又は名称】国立清華大学

【氏名又は名称原語表記】Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｓｉｎｇ Ｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

【住所又は居所原語表記】Ｎｏ．１０１，Ｓｅｃｔｉｏｎ ２，Ｋｕａｎｇ－Ｆｕ Ｒｏａｄ，Ｈｓｉｎｃｈｕ，３００１３，Ｔａｉｗａｎ

(74)【代理人】

【識別番号】110000729

【氏名又は名称】弁理士法人ユニアス国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】大江 昌人

(72)【発明者】

【氏名】鄭 登云

【テーマコード（参考）】

2K102

【Ｆターム（参考）】

2K102AA21

2K102BA05

2K102BB01

2K102BB04

2K102BC04

2K102BD00

2K102BD01

2K102BD09

2K102DC09

2K102DD02

2K102EA02

2K102EA12

2K102EA19

2K102EB11

(57)【要約】

【課題】テラヘルツ電磁波に用いる液晶デバイスおよびシステムを提供する。
【解決手段】液晶デバイスは、単一の、または複数の画素素子を含む。各画素素子は、第１基板、第１基板に対して平行な第２基板、第１基板と第２基板の間に配置された液晶層、第１基板と液晶層の間に形成された複数の第１電極、および第２基板と液晶層の間に形成された複数の第２電極を含む。複数の第１電極および複数の第２電極は、３つの直交方向において電場を生成するよう構成され、３つの直交方向のうちの２つにおける電場は、面内電場であるが、３つの直交方向のうちのもう１つの電場は、面外電場である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

単一の、または複数の画素素子を含み、各前記画素素子が、
第１基板と、
前記第１基板に対向し、且つ前記第１基板に対して平行な第２基板と、
前記第１基板と前記第２基板の間に配置された液晶層と、
前記第１基板と前記液晶層の間に形成され、グレーティング型および／または指型電極である複数の第１電極と、
前記第２基板と前記液晶層の間に形成され、グレーティング型および／または指型電極である複数の第２電極と、
を含み、
前記複数の第１電極および前記複数の第２電極の同じグレーティング型および／または指型電極が、セルギャップを有して形成され、且つ互いに対向しており、
前記複数の第１電極および前記複数の第２電極が、３つの直交方向において電場を生成するよう構成され、前記３つの直交方向のうちの２つにおける前記電場が、面内電場であり、且つ前記第１基板、前記第２基板、および前記液晶層に対して実質的に平行であるが、前記３つの直交方向のうちのもう１つの前記電場が、面外電場であり、且つ前記第１基板および前記第２基板に対して実質的に垂直である液晶デバイス。

【請求項2】

前記液晶層における液晶分子の初期アライメントが、前記複数の第１電極および前記複数の第２電極の前記グレーティング型および／または指型電極のうちの１つの延伸方向からほぼ垂直である請求項１に記載の液晶デバイス。

【請求項3】

前記液晶層における前記液晶分子の前記初期アライメントが、前記複数の第１電極および前記複数の第２電極の前記グレーティング型および／または指型電極のうちの１つの延伸方向から４０～５０度である請求項２に記載の液晶デバイス。

【請求項4】

前記液晶層における液晶分子の初期アライメントが、前記複数の第１電極および前記複数の第２電極の前記グレーティング型および／または指型電極のうちの１つの延伸方向から８５～９５度である請求項１に記載の液晶デバイス。

【請求項5】

前記液晶デバイスが、さらに、
前記複数の第１電極と前記液晶層の間に配置された第１アライメント層と、
前記複数の第２電極と前記液晶層の間に配置された第２アライメント層と、
を含み、
前記第１アライメント層および前記第２アライメント層が、前記液晶層における液晶分子を初期アライメントに並べるよう構成された請求項１に記載の液晶デバイス。

【請求項6】

第１面内電場を生成する前記複数の第１電極のうちの１対の第１電極間の距離と第２面内電場を生成する前記複数の第１電極のうちの１対の第２電極間の距離の比率が、実質的に、１に等しい請求項１に記載の液晶デバイス。

【請求項7】

前記第１面内電場を生成する前記複数の第１電極のうちの前記１対の第１電極間の距離と前記第２面内電場を生成する前記複数の第１電極のうちの前記１対の第２電極間の距離の比率が、０．９～１．１の間である請求項６に記載の液晶デバイス。

【請求項8】

前記液晶層の液晶の初期アライメントに対して垂直な方向に沿って第１面内電場を生成する前記複数の第１電極のうちの１対の第１電極間の距離が、前記液晶層の前記液晶の前記初期アライメントに対して平行な方向に沿って第２面内電場を生成する前記複数の第１電極のうちの１対の第２電極間の距離よりも短い請求項１に記載の液晶デバイス。

【請求項9】

第１面内電場を生成する前記複数の第１電極の電極、前記第１面内電場に対して垂直な第２面内電場を生成する前記複数の第１電極の電極、および面外電場を生成する前記複数の第１電極の電極が、前記第１基板に対して同一平面上に形成される請求項１に記載の液晶デバイス。

【請求項10】

第１面内電場を生成する前記複数の第１電極の電極、前記第１面内電場に対して垂直な第２面内電場を生成する前記複数の第１電極の電極、および面外電場を生成する前記複数の第１電極の電極が、前記第１基板に対して平行な異なる平面上に形成される請求項１に記載の液晶デバイス。

【請求項11】

前記液晶層の一側に配置された第１偏光子と、
前記液晶層の他側に配置された第２偏光子と、
をさらに含み、
前記第１偏光子および前記第２偏光子が、前記液晶層に入った光または前記液晶層から出た光を偏光させるよう構成された請求項１に記載の液晶デバイス。

【請求項12】

前記複数の第１電極および前記複数の第２電極に接続され、前記３つの直交方向において前記電場を生成するよう前記複数の第１電極および前記複数の第２電極を制御する複数の駆動モジュールをさらに含む請求項１に記載の液晶デバイス。

【請求項13】

請求項１に記載の液晶デバイスを含むテラヘルツ電磁波に用いるシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液晶デバイスに関するものであり、特に、テラヘルツ（terahertz, THz）（１ ＴＨｚ＝１０¹²Ｈｚ）電磁波またはサブミリ（sub-mm）電磁波における様々な用途に用いる位相シフトまたは時間遅延を継続的に調整を可能にするデバイス、すなわち、位相シフター（phase shifter）を提供するための液晶装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

テラヘルツ波技術は、タイムドメイン分光法（time-domain spectroscopy）、テラヘルツイメージング（THz imaging）、医療応用を含む分野において急速に発展している。さらに、テラヘルツ通信および位相配列レーダー（phased array radar）も実現可能である。上述した応用は、信号処理を行うために、いずれも偏光子、フィルタ、位相シフター、および変調器等のテラヘルツ準光学素子（THz quasi-optical device）を必要とする。

【0003】

液晶（liquid crystal, LC）デバイスは、テラヘルツ周波数において幅広く使用されている。テラヘルツ周波数で操作するために、液晶デバイスは、必要なリタデーション（複屈折位相差）を満たすために厚いセルギャップ使用する。しかしながら、厚いセルギャップでは、液晶の応答速度が極めて遅い。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

原則として、テラヘルツ周波数において十分な時間遅延および位相変調を得るためには、数百μｍの範囲の大きなセルギャップを必要とする。そのため、この光周波数範囲では、薄い液晶デバイスとは対照的に、この種の異常に厚い液晶デバイスにとって、応答速度が極度に遅くなることは避けられないという問題がある。外場下での一種のスイッチングは、数秒または数分の一秒のタイムスケールで比較的速いが、無電場下では、数十秒または数百秒、あるいはそれ以上を必要とするため、液晶を用いたテラヘルツデバイスにとって深刻な欠点である。一方、液晶技術が発展し続けるにつれ、液晶を双方向的にスイッチングさせるための新しい電極設計が提案され、テラヘルツ周波数において、液晶はスイッチングオンとオフ両方向で電場を利用した能動的駆動が可能であるが、制御可能な位相シフトの範囲は狭く制限がある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

例示的実施形態に係る液晶デバイスは、単一の、または複数の画素素子を含むことができるが、本発明はこれに限定されない。各画素素子は、第１基板、および第１基板に対向し、且つ第１基板に対して平行な第２基板、第１基板と第２基板の間に配置された液晶層、第１基板と液晶層の間に形成され、グレーティング型（grating-type）および／または指型（finger-type）電極である複数の第１電極、および第２基板と液晶層の間に形成され、グレーティング型および／または指型電極である複数の第２電極を含むことができ、複数の第１電極および複数の第２電極の同じグレーティング型および／または指型電極は、セルギャップを有して形成され、且つ互いに対向しており、複数の第１電極および複数の第２電極は、３つの直交方向において電場を生成するよう構成され、３つの直交方向のうちの２つにおける電場は、面内（in-plane）電場であり、且つ第１基板、第２基板、および液晶層に対して実質的に平行であるが、３つの直交方向のうちのもう１つの電場は、面外（out-of-plane）電場であり、且つ第１基板および第２基板に対して実質的に垂直である。

【発明の効果】

【0006】

本発明は、液晶デバイス、特に、一種の液晶スイッチングを有するテラヘルツ電磁波用液晶位相シフターを提供し、液晶の初期配向状態、横電界による面内再配向状態、および縦電界による面外再配向状態の各状態間でのスイッチング、つまり3状態間の六方向での（hexa-directional）スイッチングを行うことにより、位相シフトの範囲を広げ、同時に、速い応答時間を維持することができる。

【0007】

本発明の上記および他の目的、特徴、および利点をより分かり易くするため、図面と併せた幾つかの実施形態を以下に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

添付図面は、本発明の原理がさらに理解されるために含まれており、本明細書に組み込まれ、且つその一部を構成するものである。図面は、本発明の実施形態を例示しており、説明とともに、本発明の原理を説明する役割を果たしている。

【0009】

【図1】図１は、液晶画素素子の概略的断面図である。

【図2A】図２Ａは、液晶画素素子の概略的立体図である。

【図2B】図２Ｂは、図２Ａの液晶画素素子の概略的平面図である。

【図2C】図２Ｃは、図２Ａの液晶画素素子の概略的平面図である。

【図2D】図２Ｄは、図２Ａの液晶画素素子の概略的断面図である。

【図3A】図３Ａは、液晶画素素子の概略的立体図である。

【図3B】図３Ｂは、図３Ａの液晶画素素子の概略的平面図である。

【図3C】図３Ｃは、図３Ａの液晶画素素子の概略的断面図である。

【図4A】図４Ａは、液晶画素素子の概略的立体図である。

【図4B】図４Ｂは、図４Ａの液晶画素素子の概略的平面図である。

【図4C】図４Ｃは、図４Ａの液晶画素素子の概略的断面図である。

【図5A】図５Ａは、液晶画素素子の概略的立体図である。

【図5B】図５Ｂは、図５Ａの液晶画素素子の概略的平面図である。

【図5C】図５Ｃは、図５Ａの液晶画素素子の概略的断面図である。

【図6】図６は、図３Ａ、図４Ａ、および図５Ａの液晶画素素子の概略的平面図および断面図である。

【図7A】図７Ａは、一部の液晶画素素子の概略的平面図である。

【図7B】図７Ｂは、図７Ａの一部の液晶画素素子の概略的断面図である。

【図8A】図８Ａは、一部の液晶画素素子の概略的平面図である。

【図8B】図８Ｂは、図８Ａの一部の液晶画素素子の概略的断面図である。

【図9A】図９Ａは、一部の液晶画素素子の概略的平面図である。

【図9B】図９Ｂは、図９Ａの一部の液晶画素素子の概略的断面図である。

【図10A】図１０Ａは、一部の液晶画素素子の概略的平面図である。

【図10B】図１０Ｂは、図１０Ａの一部の液晶画素素子の概略的断面図である。

【図11A】図１１Ａは、一部の液晶画素素子の概略的平面図である。

【図11B】図１１Ｂは、図１１Ａの一部の液晶画素素子の概略的断面図である。

【図12】図１２は、一部の液晶デバイスの概略的平面図である。

【図13】図１３は、一部の液晶デバイスの概略的平面図である。

【図14】図１４は、一部の液晶デバイスの概略的平面図および断面図である。

【図15】図１５は、一部の液晶デバイスの断面図である。

【図16】図１６は、一部の液晶デバイスの概略的平面図および断面図である。

【図17】図１７は、一部の液晶デバイスの概略的平面図および断面図である。

【図18】図１８は、一部の液晶デバイスの概略的平面図および断面図である。

【図19】図１９は、テラヘルツ電磁波のフォトニックデバイスのブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下の詳細な説明において、説明の目的で、開示される実施形態が十分に理解されるよう、多数の具体的詳細を示す。しかしながら、これら具体的詳細がなくとも、１つまたはそれ以上の実施形態が実施され得ることは明らかである。別の場合では、図面を簡潔にするため、周知の構造および装置は、概略的に示される。

【0011】

以下の実施形態において、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等の方向を示すための用語は、単に添付の図面における方向を指す。そのため、方向性の用語は、説明のために用いるものであって、本発明を限定するものではない。添付の図面において、各図は、ある例示的な実施形態において利用される方法、構造、および／または材料の一般的な特徴を示す。これらの図は、例示的な実施形態が包含する範囲および特性を規定または限定していると解釈されるべきでない。例えば、フィルム層、領域、または構造の相対的な厚さおよび位置は、明瞭さのために、縮小または誇張されている場合がある。

【0012】

図１は、本発明の１つの実施形態に係る液晶画素素子１００の概略的断面図である。

【0013】

図１において、液晶画素素子１００は、第１基板１１０ａおよび第２基板１１０ｂを含む。第２基板１１０ｂは、第１基板１１０ａに対向し、且つ第１基板１１０ａに対して平行である。第１基板１１０ａおよび第２基板１１０ｂは、類似する構造および特徴を有する。第１基板１１０ａおよび第２基板１１０ｂは、いずれもＺ方向において均一な厚さを有する基板である。第１基板１１０ａおよび第２基板１１０ｂは、テラヘルツ周波数に対して透明な材料で作られる。いくつかの実施形態において、テラヘルツ周波数の範囲は、０．１～１０ＴＨｚであるが、本発明はこれに限定されない。いくつかの実施形態において、第１基板１１０ａおよび第２基板１１０ｂの材料は、ガラスまたはプラスチックであるが、本発明はこれに限定されない。

【0014】

液晶画素素子１００は、さらに、液晶分子１２２を有する液晶層１２０を含む。液晶層１２０は、垂直なＺ方向において第１基板１１０ａと第２基板１１０ｂの間に配置される。液晶層１２０は、Ｚ方向において均一な厚さを有する。いくつかの実施形態において、液晶層１２０の厚さは、５０～１５０μｍの間であり、好ましくは、１００μｍまたはそれ以下であるが、本発明はこれに限定されない。

【0015】

液晶画素素子１００は、さらに、第１基板１１０ａと液晶層１２０の間に形成された複数の電極１３０ａ、および第２基板１１０ｂと液晶層１２０の間に形成された複数の電極１３０ｂを含む。電極１３０ａおよび電極１３０ｂは、Ｚ方向においてセルギャップにより分離されるため、液晶層１２０は、セルギャップ内に配置される。絶縁層１４０ａおよび絶縁層１４０ｂは、それぞれ電極１３０ａおよび電極１３０ｂ上に形成され、電極１３０ａおよび電極１３０ｂと液晶画素素子１００の他の層を絶縁する。いくつかの実施形態において、電極１３０ａおよび電極１３０ｂの材料は、金属または他の導電材料、例えば、銅、インジウム・ティン・オキサイド(indium tin oxide)、アルミニウム、ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）ポリスチレンスルホン酸（poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate）、およびグラフェン（graphene）であるが、本発明はこれに限定されない。ただし、THz光に対してなるべく透明な材料であることが好ましい。いくつかの実施形態において、電極１３０ａおよび１３０ｂの厚さは、１００～５００ｎｍの間であり、好ましくは、２００ｎｍであるが、本発明はこれに限定されない。電極１３０ａおよび１３０ｂの幅は、５～１５μｍの間であり、好ましくは、１０μｍであるが、本発明はこれに限定されない。いくつかの実施形態において、絶縁層１４０ａおよび１４０ｂの厚さは、２００～１０００ｎｍの間であってもよく、好ましくは、５００ｎｍであるが、本発明はこれに限定されない。

【0016】

電極１３０ａおよび電極１３０ｂは、グレーティング型および／または指型電極を含む。駆動モジュール（図示せず）によって制御される動力源により電極１３０ａおよび電極１３０ｂに電圧差が印加された時、電極１３０ａおよび電極１３０ｂは、３つの直交方向において（例えば、Ｘ、Ｙ、および／またはＺ方向に沿って）一緒に電場を生成する。３つの直交方向のうちの２つにおいて（例えば、Ｘ方向とＹ方向に沿って）電極１３０ａおよび１３０ｂにより生成された電場は、面内電場と称され、第１基板、第２基板、および液晶層に対して実質的に平行である。３つの直交方向のうちのもう１つの電場は（例えば、Ｚ方向に沿って）、面外電場と称され、第１基板１１０ａおよび第２基板１１０ｂに対して実質的に垂直である。

【0017】

３つの直交方向において電場（互いに垂直な２つの面内電場、および１つの面外電場）を印加することによって、液晶層１２０における液晶分子１２２は、面内と面外配向の間で六方向性スイッチングを行うことができる。

【0018】

液晶画素素子１００は、さらに、電極１３０ａおよび電極１３０ｂの上にそれぞれ配置され、且つ液晶層１２０の対向する２つの側面に接触するアライメント層１５０ａおよび１５０ｂを含む。アライメント層１５０ａおよび１５０ｂは、液晶分子１２２のプレチルト角（pretilt angle）および極角（polar angle）を制御することによって、液晶層１２０に電場がない時に、液晶分子１２２を初期アライメントに並べるよう構成される。プレチルト角は、液晶分子１２２の長軸とアライメント層の表面（ＸＹ平面）の間の角度であり、方位角は、ＸＹ平面に投影された液晶分子１２２の長軸とＺ方向に対して垂直なＸＹ平面における固定軸（例えば、Ｘ方向に沿った）の間の角度である。いくつかの実施形態において、アライメント層１５０ａおよび１５０ｂの材料は、ポリイミド等のポリマーであるが、本発明はこれに限定されない。

【0019】

液晶画素素子１００は、さらに、第１基板１１０ａおよび第２基板１１０ｂの上にそれぞれ配置された偏光子１６０ａおよび１６０ｂを含む。偏光子１６０ａおよび１６０ｂは、液晶層１２０に入った光または液晶層１２０から出た光を偏光させるよう構成される。いくつかの実施形態において、偏光子１６０ａは、第１基板１１０ａと絶縁層１４０ａの間に形成されてもよく、偏光子１６０ｂは、第２基板１１０ｂと絶縁層１４０ｂの間に形成されてもよい。いくつかの実施形態において、グレーティング型および／または指型電極１３０ａおよび１３０ｂは、ワイヤーグリッド（wire-grid）偏光子として一緒に使用される。

【0020】

いくつかの実施形態において、偏光子１６０ａおよび１６０ｂの偏光方向は、互いに垂直または平行である。液晶層１２０の間に電圧が印加された時、液晶分子１２２がねじれるため、今度は、液晶層１２０を通過している光の偏光が回転する。あるひとつの方向に振動しているテラヘルツ光は、別の方向に振動しているテラヘルツ光よりも液晶層120を通過しやすい。屈折率（材料内の光の伝播がどの程度遅くなったかの値）は、光振動面が液晶分子に対して平行か垂直かで異なる。これは、「光学異方性（optical anisotropy）」とも称し、異常屈折率ｎ_eと正常屈折率ｎ_oの間の差として定義され（Δｎ＝ｎ_e－ｎ_o）、「複屈折（birefringence）」と呼ばれる。

【0021】

図２Ａは、液晶画素素子の概略的立体図である。図２Ｂは、図２Ａの液晶画素素子の概略的平面図である。図２Ｃは、図２Ａの液晶画素素子の概略的平面図である。図２Ｄは、図２Ａの液晶画素素子の概略的断面図である。

【0022】

図２Ａ～図２Ｄを参照されたい。明瞭さの目的で、液晶画素素子１００のいくつかの素子を省略している。

【0023】

図２Ａに示すように、複数の第１電極１３０ａおよび複数の第２電極１３０ｂを示す。複数の第１電極１３０ａは、１対の電極１３２ａ、１対の電極１３４ａ、および電極１３６ａを含み、いずれも第１基板１１０ａと同一平面上に形成される。複数の第２電極１３０ｂは、１対の電極１３２ｂ、１対の電極１３４ｂ、および電極１３６ｂを含み、いずれも第２基板１１０ｂと同一平面上に形成される。複数の第１電極１３０ａおよび複数の第２電極１３０ｂは、同じ配列で形成され、且つ互いに対向している。電極１３２ａ、１３２ｂ、１３４ａ、および１３４ｂは、指型電極である。電極１３６ａおよび１３６ｂは、グレーティング型電極である。

【0024】

図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、１対の電極１３２ａは、第１基板１１０ａ上に形成される。電極１３２ａは、指型電極であり、互いに平行である。各電極１３２ａは、ストリップ形状を有し、各電極１３２ａの長軸がＸ方向に対して垂直になっている。いくつかの実施形態において、電極１３２ａは、別の形状を有してもよく、本発明はこれに限定されない。電極１３２ａの間に電圧差を印加した時、１対の電極１３２ａは、第１基板１１０ａおよび液晶層１２０に対して実質的に平行な面内電場を生成する。電極１３２ａによって生成された面内電場の方向は、電極１３２ａに印加された電圧の方向に応じて、正または負のＸ方向に沿ってもよい。Ｘ方向に沿って生成された電場は、Ｘ方向に沿って液晶層１２０内の液晶分子１２２を再配向させる。第２基板１１０ｂ上に形成される１対の電極１３２ｂは、１対の電極１３２ａと類似する特性を有するため、ここでは説明を省略する。

【0025】

図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、１対の電極１３４ａは、第１基板１１０ａ上に形成される。電極１３４ａは、指型電極であり、互いに平行である。各電極１３４ａは、ストリップ形状を有し、各電極１３４ａの長軸がＹ方向に対して垂直になっている。いくつかの実施形態において、電極１３４ａは、別の形状を有してもよく、本発明はこれに限定されない。電極１３４ａの間に電圧差を印加した時、１対の電極１３４ａは、第１基板１１０ａおよび液晶層１２０に実質的に対して平行な面内電場を生成する。電極１３４ａによって生成された面内電場の方向は、電極１３４ａに印加された電圧の方向に応じて、正または負のＹ方向に沿ってもよい。Ｙ方向に沿って生成された電場は、Ｙ方向に沿って液晶層１２０内の液晶分子１２２を再配向させる。第２基板１１０ｂ上に形成される１対の電極１３４ｂは、１対の電極１３４ａと類似する特性を有するため、ここでは説明を省略する。

【0026】

図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、電極１３６ａは、第１基板１１０ａ上に形成され、電極１３６ｂは、第２基板１１０ｂ上に形成される。図２Ａおよび図２Ｂに示すように、電極１３６ａおよび１３６ｂは、グレーティング型電極である。いくつかの実施形態において、電極１３６ａおよび１３６ｂは、別の形状を有してもよく、本発明はこれに限定されない。グレーティング型電極１３６ａおよび１３６ｂの方向は、いずれもＹ方向に沿って延伸している。電極１３６ａと１３６ｂの間に電圧差を印加した時、電極１３６ａおよび１３６ｂは、第１基板１１０ａ、第２基板１１０ｂ、および液晶層１２０に対して実質的に垂直な面外電場を一緒に生成する。面外電場の方向は、電極１３６ａおよび１３６ｂに印加された電圧の方向に応じて、正または負のＺ方向に沿ってもよい。いくつかの実施形態において、Ｚ方向に沿って生成された電場は、Ｚ方向に沿って液晶層１２０内の液晶分子１２２を再配向させる。

【0027】

図２Ｂおよび図２Ｄを参照すると、電極１３２ａ、１３２ｂ、１３４ａ、１３４ｂ、１３６ａ、および／または１３６ｂに電圧が印加されていない時、液晶層１２０に電場が生成されない。そのため、液晶分子１２２は、初期アライメントにある。いくつかの実施形態において、液晶分子１２２の初期アライメントは、面内であるため、液晶分子１２２の長軸は、第１基板１１０ａおよび第２基板１１０ｂに対して平行である。いくつかの実施形態において、液晶分子１２２の初期アライメントは、グレーティング型電極１３６ａの延伸方向に対してほぼ垂直である。つまり、液晶分子１２２の長軸と電極１３６ａの延伸方向の間の角度は、ほぼ垂直である。図２Ｂを参照すると、電極１３６ａの延伸方向は、Ｙ方向に沿っている。いくつかの実施形態において、液晶分子１２２の長軸と電極１３６ａの延伸方向の間の角度は、８５～９５度の間であり、図２Ｄに示すように、ほぼＸ方向の方向であるが、初期配向角は、これに限定されない。

【0028】

図２Ｂを参照すると、電極１３２ａおよび電極１３４ａは、面内電場を生成するよう構成される。図２Ｂに示すように、２つの電極１３２ａ間の距離は、ｄ１として定義され、２つの電極１３４ａ間の距離は、ｄ２として定義される。いくつかの実施形態において、電極１３２ａ間の距離ｄ１と電極１３４ａ間の距離ｄ２の比率ｄ１／ｄ２は、実質的に、１に等しい。いくつかの実施形態において、比率ｄ１／ｄ２は、０．９～１．１の間である。電極１３２ａ間の距離ｄ１と電極１３４ａ間の距離ｄ２は、実質的に同じであるため、電極１３２ａおよび１３４ａに類似する電圧差を印加した時、電極１３２ａによって生成される電場と電極１３４ａによって生成される電場の大きさは、実質的に同じであってもよい。そのため、液晶層１２０内の２つの面内電場は、より類似する電場強度を有することができる。

【0029】

図２Ｂを参照すると、液晶分子１２２の初期アライメントは、Ｘ方向に沿っている。いくつかの実施形態において、液晶分子１２２の初期アライメントに対して垂直な面内電場を生成する電極１３４ａ間の距離ｄ２は、液晶分子１２２の初期アライメントに対して垂直な面内電場を生成する電極１３２ａ間の距離ｄ１よりも短く、ｄ２／ｄ１＜１、またはｄ１／ｄ２＞１である。電極１３２ａは、液晶分子１２２の初期アライメントに対して平行なＸ方向に沿って、面内電場を生成する。電極１３４ａは、液晶分子１２２の初期アライメントに対して垂直なＹ方向に沿って、面内電場を生成する。電極１３４ａ間の距離ｄ２が電極１３２ａ間の距離ｄ１よりも短い時、電極１３２ａ間と電極１３４ａ間に同じ電圧を印加したとしても、電極１３４ａによって生成される電場の強度は、電極１３２ａによって生成される電場の強度よりも強くなるため、電極１３４ａによって生成された電場の方向、つまり、液晶分子１２２の初期アライメントに対して垂直な方向に沿って液晶分子１２２を配向する方が容易である。

【0030】

図２Ｃを参照すると、いくつかの実施形態において、電極１３６ａの延伸方向は、Ｙ方向に沿っている。液晶分子１２２の初期アライメントは、面内であるため、液晶分子１２２の長軸は、第１基板１１０ａおよび第２基板１１０ｂに対して平行である。いくつかの実施形態において、液晶分子１２２の初期アライメントは、電極１３６ａの延伸方向からほぼ４５度である。つまり、液晶分子１２２の長軸と電極１３６ａの延伸方向の間の角度は、ほぼ４５度である。いくつかの実施形態において、液晶分子１２２の長軸と電極１３６ａの延伸方向の間の角度は、４０～５０度の間であるが、本発明はこれに限定されない。

【0031】

図３Ａは、液晶画素素子の概略的立体図である。図３Ｂは、図３Ａの液晶画素素子の概略的平面図である。図３Ｃは、図３Ａの液晶画素素子の概略的断面図である。

【0032】

図３Ａ、図３Ｂ、および図３Ｃを参照すると、本実施形態において、電源１３８は、第１基板１１０ａ上の１対の電極１３２ａ、および第２基板１１０ｂ上の１対の電極１３２ｂに接続される。電極１３２ａの間に電圧差を印加した時、１対の電極１３２ａは、第１基板１１０ａおよび液晶層１２０に対して実質的に平行な面内電場を生成する。電極１３２ａによって生成された電場は、正または負のＸ方向に沿ってもよく、同じ方向に沿って液晶層１２０内の液晶分子１２２を再配向させる。同様に、電極１３２aと同電位である電極１３２ｂの間に電圧差を印加した時、１対の電極１３２ｂは、第２基板１１０ｂおよび液晶層１２０に対して実質的に平行な面内電場を生成する。電極１３２ｂによって生成された電場は、正または負のＸ方向に沿っており、これも同じ方向に沿って液晶層１２０内の液晶分子１２２を並べる。

【0033】

その結果、１対の電極１３２aおよび１３２ｂに電圧差を印加することによって、液晶層１２０内の液晶分子１２２は、生成された電場に沿って、つまり、正または負のＸ方向に沿って、再配向される。一般的に、液晶分子１２２の平均的な配向方向は、Ｘ方向に沿った方向である。

【0034】

図４Ａは、液晶画素素子の概略的立体図である。図４Ｂは、図４Ａの液晶画素素子の概略的平面図である。図４Ｃは、図４Ａの液晶画素素子の概略的断面図である。

【0035】

図４Ａ、図４Ｂ、および図４Ｃを参照すると、本実施形態において、電源１３８は、第１基板１１０ａ上の１対の電極１３４ａ、および第２基板１１０ｂ上の１対の電極１３４ｂに接続される。電極１３４ａの間に電圧差を印加した時、１対の電極１３４ａは、第１基板１１０ａおよび液晶層１２０に対して実質的に平行な面内電場を生成する。電極１３４ａによって生成された電場は、電極１３２ａによって生成された電場に対して垂直である。電極１３４ａによって生成された電場は、正または負のY方向に沿ってもよく、同じ方向に沿って液晶層１２０内の液晶分子１２２を再配向させる。同様に、電極１３４aと同電位である電極１３４ｂの間に電圧差を印加した時、１対の電極１３４ｂは、第２基板１１０ｂおよび液晶層１２０に対して実質的に平行な面内電場を生成する。電極１３４ｂによって生成された電場は、正または負のY方向に沿っており、これも同じ方向に沿って液晶層１２０内の液晶分子１２２を並べる。

【0036】

その結果、１対の電極１３４ｂおよび１３４ｂに電圧差を印加することによって、液晶層１２０内の液晶分子１２２は、生成された電場に沿って、つまり、正または負のY方向に沿って、再配向される。一般的に、液晶分子１２２の平均的な配向方向は、正または負のＹ方向に沿った方向である。

【0037】

図５Ａは、液晶画素素子の概略的立体図である。図５Ｂは、図５Ａの液晶画素素子の概略的平面図である。図５Ｃは、図５Ａの液晶画素素子の概略的断面図である。

【0038】

図５Ａ、図５Ｂ、および図５Ｃを参照すると、本実施形態において、電源１３８は、第１基板１１０ａ上の電極１３６ａ、および第２基板１１０ｂ上の電極１３６ｂに接続される。電極１３６ａと電極１３６ｂの間に電圧差を印加した時、電極１３６ａおよび電極１３６ｂは、第１基板１１０ａ、第２基板１１０ｂ、および液晶層１２０に対して実質的に垂直な面外電場を生成する。電極１３６ａおよび電極１３６ｂによって生成された電場は、１対の電極１３２ａによって生成された電場に対して垂直であり、且つ１対の電極１３４ａによって生成された電場に対して垂直である。電極１３６ａおよび電極１３６ｂによって生成された電場は、正または負のＺ方向に沿ってもよく、同じ方向に沿って液晶層１２０内の液晶分子１２２を再配向させる。

【0039】

その結果、電極１３６ａおよび電極１３６ｂに電圧差を印加することによって、液晶層１２０内の液晶分子１２２は、正または負のＺ方向に沿って、つまり、生成された電場に沿って、再配向される。一般的に、液晶分子１２２の平均配向方向は、正または負のＺ方向に沿った方向である。

【0040】

すなわち、第１基板１１０ａおよび第２基板１１０ｂ上の電極１３２ａ、１３２ｂ、１３４ａ、１３４ｂ、１３６ａ、および／または１３６ｂに電圧差を印加することによって、３つの直交方向（正または負のＸ方向、正または負のＹ方向、および正または負のＺ方向）に沿って電場が生成され、所望の方向に沿って液晶層１２０内の液晶分子１２２を再配向することができる。図６に示すように、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向間の液晶分子１２２の配向は、対応する電極に適切な電圧差を印加することによって切り換えることもできる。液晶分子の異なる配向により、液晶画素素子に入射するテラヘルツ波の位相を所望の位相に遅延（シフト）させることができる。

【0041】

上記の議論では、正の誘電異方性（Δε＞０）を有する液晶分子１２２を使用したが、負の誘電異方性（Δε＜０）を有する液晶分子１２２を使用した時、液晶層に電場を印加すると、液晶分子の配向は、正の誘電異方性（Δε＞０）を有する液晶分子と９０度異なる。

【0042】

図２Ａ～図５Ｃに示すように、液晶層１２０の厚さは、５０～１５０μｍであり、好ましくは、１００μｍまたはそれ以下であるが、本発明はこれに限定されない。いくつかの実施形態において、液晶画素素子１００は、液晶層１２０の厚さが１００μｍよりも小さい時に、より効力を持つ。低損失位相シフターに関しては、さらに薄い液晶層１２０が好ましい。また、低損失位相シフターの目的で、液晶画素素子１００の基板１１０ａおよび１１０ｂの材料は、溶融水晶（fused quartz）、シリカ、ニオブ酸リチウム、その他等の低損失材料であってもよいが、本発明はこれに限定されない。液晶画素素子に低損失材料を使用することによって、液晶画素素子１００の全体の厚さをさらに減らすことができる。いくつかの実施形態において、開示される液晶デバイスは、水晶、シリカ、ニオブ酸リチウム等の方位角的に回転可能な複屈折基板と組み合わせることができるが、本発明はこれに限定されない。複屈折基板は、位相シフトを補償するため、開示される液晶デバイスにおいて、液晶層の厚さを減らすと同時に、位相シフターとして最大位相シフトを維持することができる。

【0043】

別の発明において、液晶分子の配向方向における変化は、約９０度またはそれ以下の値に制限され、通常、面内、または面内方向と面外方向の間で達成される。しかしながら、本発明の液晶画素素子１００は、図３Ａ～図５Ｃに示すように、空間で液晶分子１２２の配向方向に９０度の変化を３つ生成することができるため、液晶層に印加される電場に応じて、ＸＹ、ＸＺ、およびＸＺ平面において達成される。その結果、３対の双方向性の９０度スイッチングが実現する。そのため、１対の偏光子１６０ａおよび１６０ｂを組み合わせることにより、液晶分子１２２の配向に伴う位相変化の範囲は、従来の技術と比較して、非線形に大きくなる。さらに、各９０度の配向方向における各スイッチングは、電場によって双方向的に管理されるため、配向性変化の全ての動的応答は、従来の技術よりもチューナビリティに優れ、且つ速い。

【0044】

基板上の電極は、様々な要件に適合させるために、様々な配列を有することができる。図７Ａ～図１１Ｂにおいて、電極の様々な配列を示す。これらの図面において、第１基板１１０ａおよび第２基板１１０ｂ上の電極１３２ａ、１３４ａ、および１３６ａの配列は、同じであるため、第１基板１１０ａ上の電極１３２ａ、１３４ａ、および１３６ａの配列のみを示し、以下に説明する。

【0045】

図７Ａは、一部の液晶画素素子の概略的平面図である。図７Ｂは、図７Ａの一部の液晶画素素子の概略的断面図である。明瞭さの目的で、第１基板１１０ａ上に形成される素子のみを示す。第２基板１１０ｂ上に形成される電極は、同様に配列される。図７Ａを参照すると、この平面図からわかるように、電極１３２ａ、１３４ａ、および１３６ａの配列は、図２Ｂに示した配列と同じである。しかしながら、図７Ｂに示すように、第１基板１１０ａ上には、電極１３２ａのみが形成される。電極１３２ａは、絶縁層１４０ａで覆われる。電極１３４ａおよび１３６ａは、絶縁層１４０ａ上に形成される。電極１３４ａおよび１３６ａは、絶縁層１４２ａで覆われる。つまり、電極１３４ａおよび１３６ａは、同一平面上に形成されるが、電極１３２ａが形成された平面とは異なる平面上に形成される。異なる平面に電極を配列することによって、電極の配線が容易になるとともに、１つの平面においてより多くの空間が利用可能になるため、電極の形状がよりフレキシブルになる。いくつかの実施形態において、絶縁層１４０ａおよび１４２ａの厚さは、２００～１０００ｎｍであり、好ましくは、５００ｎｍであるが、本発明はこれに限定されない。いくつかの実施形態において、電極１３２ａ、電極１３４ａ、および１３６ａの厚さは、１００～５００ｎｍであり、好ましくは、２００ｎｍであるが、本発明はこれに限定されない。電極１３０ａおよび１３０ｂの幅は、５～１５μｍの間であり、好ましくは、１０μｍであるが、本発明はこれに限定されない。

【0046】

図８Ａは、一部の液晶画素素子の概略的平面図である。図８Ｂは、図８Ａの一部の液晶画素素子の概略的断面図である。図８Ａを参照すると、この平面図からわかるように、電極１３２ａ、１３４ａ、および１３６ａの配列は、図７Ａに示した配列と同じである。しかしながら、図８Ｂに示すように、第１基板１１０ａ上には電極１３６ａのみが形成される。電極１３６ａは、絶縁層１４０ａで覆われる。電極１３２ａは、絶縁層１４０ａ上に形成される。電極１３２ａは、絶縁層１４２ａで覆われる。電極１３４ａは、絶縁層１４２ａ上に形成される。電極１３６ａは、さらに、絶縁層１４４ａで覆われる。つまり、電極１３２ａ、１３４ａ、および１３６ａは、それぞれ異なる平面上に形成される。いくつかの実施形態において、電極１３２ａ、１３４ａ、および１３６ａは、図８ｂに示した層とは異なる層に形成されてもよく、本発明はこれに限定されない。異なる平面に電極を配列することによって、電極の配線が容易になるとともに、１つの平面においてより多くの空間が利用可能になるため、電極の形状がよりフレキシブルになる。いくつかの実施形態において、絶縁層１４０ａおよび１４２ａの厚さは、２００～１０００ｎｍであり、好ましくは、５００ｎｍであるが、本発明はこれに限定されない。いくつかの実施形態において、電極１３２ａ、１３４ａ、および１３６ａの厚さは、１００～５００ｎｍであり、好ましくは、２００ｎｍであるが、本発明はこれに限定されない。電極１３０ａおよび１３０ｂの幅は、５～１５μｍの間であり、好ましくは、１０μｍであるが、本発明はこれに限定されない。

【0047】

図９Ａは、一部の液晶画素素子の概略的平面図である。図９Ｂは、図９Ａの一部の液晶画素素子の概略的断面図である。図９Ａおよび図９Ｂにおける電極１３２ａおよび１３４ａの配列は、図８Ａにおける電極１３２ａおよび１３４ａの配列に類似している。図９Ａおよび図９Ｂにおける相違点は、電極１３６ａが、電極１３２ａおよび１３４ａの下の第１基板１１０ａの上面全体に延伸していることである。第２基板１１０ｂ（図示せず）上に形成される電極１３６ｂが類似する配置を有することにより、電極１３６ａおよび１３６ｂは、Ｚ方向に沿ってより均一な電場を形成することができるため、液晶層１２０に生成される面外電場をより均一にすることができる。

【0048】

図１０Ａは、一部の液晶画素素子の概略的平面図である。図１０Ｂは、図１０Ａの一部の液晶画素素子の概略的断面図である。図１０Ａおよび図１０Ｂにおける電極１３２ａおよび１３４ａの配列は、図９Ａおよび図９Ｂにおける電極１３２ａおよび１３４ａの配列に類似している。図１０Ａおよび図１０Ｂにおける相違点は、グレーティング型電極の代わりに、電極１３６ａが、ここでは、Ｙ方向に沿って延伸する複数の指型電極であることである。いくつかの実施形態において、各指型電極は、Ｘ方向において同じ幅を有する。いくつかの実施形態において、指型電極間の空隙は、同じである。第２基板１１０ｂ（図示せず）上に形成される電極１３６ｂが類似する配置を有することにより、電極１３６ａおよび１３６ｂは、Ｚ方向に沿って周期的に変化する電場を形成することができる。

【0049】

図１１Ａは、一部の液晶画素素子の概略的平面図である。図１１Ｂは、図１１Ａの一部の液晶画素素子の概略的断面図である。図１１Ａおよび図１１Ｂにおける電極１３２ａおよび１３４ａの配列は、図１０Ａおよび図１０Ｂにおける電極１３２ａおよび１３４ａの配列に類似している。図１１Ａおよび図１１Ｂにおける相違点は、指型電極１３６ａが、ここでは、Ｘ方向に沿ってシフトされることであるため、この平面図からわかるように、電極１３２ａと電極１３６ａは、図１０Ａおよび図１０Ｂに示したように互いに重なり合わないのではなく、ここでは、重なり合っている。

【0050】

電極の様々な配列により、所望の目的に応じて、液晶層１２０に様々な電場を生成することができる。

【0051】

図１２は、一部の液晶デバイス２００ａの概略的平面図である。明瞭さの目的で、第１基板１１０ａ上の電極のみを示す。第２基板１１０ｂ上に形成される電極は、同様に配列される。液晶デバイス２００ａは、液晶画素素子１００のアレイ（array）によって形成される。液晶デバイス２００ａにおいて、電極１３２ａは、Ｘ方向において隣接する液晶画素素子と共有され、電極１３４ａは、Ｙ方向において隣接する液晶画素素子と共有される。液晶画素素子１００の電極１３６ａは、隣接する液晶画素素子により共有されない。

【0052】

図１２に示すように、液晶デバイス２００ａにおける液晶画素素子１００のアレイは、位相シフトを用いてビーム成形を行う領域を拡大することができる。単一の液晶画素素子がテラヘルツビームにとって小さすぎても、本発明の液晶画素素子のアレイを使用して液晶デバイスを形成することにより、テラヘルツビームが照射される領域を拡大することができる。

【0053】

図１３は、一部の液晶デバイス２００ｂの概略的平面図である。明瞭さの目的で、第１基板１１０ａ上の電極のみを示す。第２基板１１０ｂ上に形成される電極は、同様に配列される。電極１３２ａおよび１３４ａの配列は、図１２に示した配列に類似している。相違点は、図１２における電極１３６ａが、ここでは、Ｙ方向に沿って隣接する液晶画素素子の電極１３６ａと融合し、新しい電極１３７ａを形成したことである。図１３に示すように、電極１３７ａは、ここでは、Ｙ方向に沿っていくつかの液晶画素素子により共有される。電極１３７ａを共有する液晶画素素子の数は、所望の目的に応じて決定されるため、本発明では限定しない。いくつかの実施形態において、電極１３７ａは、Ｘ方向に沿って延伸してもよい。

【0054】

図１４は、一部の液晶デバイス２００ｃの概略的平面図および断面図である。明瞭さの目的で、第１基板１１０ａ上の電極のみを示す。第２基板１１０ｂ上に形成される電極は、同様に配列される。図１４に示した液晶デバイス２００ｃは、図１２に示した液晶デバイス２００ａに類似している。相違点は、図１４において、液晶デバイス２００ｃが、さらに、電極１３２ａ、１３４ａ、および１３６ａにそれぞれ接続された駆動モジュール１６２ａ、１６４ａ、および１６６ａを含むことである。駆動モジュール１６２ａ、１６４ａ、および１６６ａは、３つの直交方向に電極を生成するよう電極１３２ａ、１３４ａ、および１３６ａを制御する。線ＡＡ’に沿った断面図において、電極１３６ａは、基板１１０ａ上に形成され、且つ絶縁層１４０ａで覆われる。電極１３２ａは、絶縁層１４０ａ上に形成され、且つ絶縁層１４２ａで覆われる。駆動モジュール１６４ａは、絶縁層１４２ａ上に形成される。線ＢＢ’に沿った断面図において、駆動モジュール１６６ａは、基板１１０ａ上に形成され、且つ電極１３６ａと接続する。駆動モジュール１６２ａは、絶縁層１４０ａ上に形成される。電極１３４ａは、絶縁層１４２ａ上に形成される。いくつかの実施形態において、絶縁層１４０ａおよび１４２ａの厚さは、２００～１０００ｎｍであり、好ましくは、５００ｎｍであるが、本発明はこれに限定されない。いくつかの実施形態において、電極１３２ａ、１３４ａ、および１３６ａの厚さは、１００～５００ｎｍであり、好ましくは、２００ｎｍであるが、本発明はこれに限定されない。電極１３０ａおよび１３０ｂの幅は、５～１５μｍの間であり、好ましくは、１０μｍであるが、本発明はこれに限定されない。

【0055】

図１４に示した配列により、駆動モジュール１６２ａ、１６４ａ、および１６６ａは、電極１３２ａ、１３４ａ、および１３６ａにそれぞれ電圧差を供給することができるため、所望の方向に沿った電場を液晶層に生成することができる。

【0056】

液晶デバイス２００ｃにおいて液晶画素素子のアレイを操作するために、電極１３２ａ、１３４ａ、および１３６ａ等の電極を介して、各液晶素子に同じ電位を提供することによって、画素のアレイ全体を通して均一な液晶配向が達成される。このような均一な電気信号を提供する駆動モジュール１６２ａ、１６４ａ、および１６６ａは、液晶ディスプレイの駆動モジュールよりもはるかに簡易化される。絶縁層を介して電極と他の電極を重ね合わせることによってコンデンサとして機能するため、このコンデンサ（絶縁層）は、液晶画素素子の液晶層によって形成されたコンデンサに追加することができる。各素子が薄膜トランジスタ（図示せず）を介して操作された時、層状の電極から追加されたコンデンサは、液晶画素素子において電圧特性を保持する利点を有する。保持電圧特性が優れている時、例えば、大きな誘電異方性、低比抵抗、低い吸収損失等の異なる特性を有する様々な種類の液晶を液晶層に使用することができる。

【0057】

図１５は、一部の液晶デバイス２００ｄの断面図である。液晶デバイス２００ｄは、図１４の線ＡＡ’に沿った液晶デバイス２００ｃの断面に示した構造を有する第１基板１１０ａを有する。液晶デバイス２００ｄは、第１基板１１０ａに対向し、第１基板１１０ａと同じ構造を有する第２基板１１０ｂを有する。第１基板１１０ａおよび第２基板１１０ｂは、セルギャップにより分離される。セルギャップは、絶縁層１４４ａの上面と絶縁層１４４ｂの上面の間の距離である。いくつかの実施形態において、セルギャップの厚さｔは、５０～１５０μｍであり、好ましくは、１００μｍまたはそれ以下であるが、本発明はこれに限定されない。

【0058】

図１６は、一部の液晶デバイス２００ｅの概略的平面図および断面図である。図１６に示した液晶デバイス２００ｅは、図１４に示した液晶デバイス２００ｃに類似している。相違点は、図１６において、水平な指型電極１３２ａおよび垂直な指型電極１３４ａが、図１６に示すように、電極１３２ａ’として接続されていることである。電極１３２ａ’は、駆動モジュール１６４ａと接続される。線ＡＡ’およびＢＢ’に沿った断面図に示すように、電極１３２ａ’および駆動モジュール１６４ａは、絶縁層１４０ａ上に形成され、且つ絶縁層１４２ａで覆われる。図１４に示した液晶デバイス２００ｃと比較して、絶縁層の数は、３から２に減少し、液晶デバイス２００ｅの全体的構造を簡易化している。この実施形態は、電場がＸ方向またはＹ方向に完全に平行になっていないため、正確な六方向スイッチングではない。しかしながら、水平な指型電極１３２ａと垂直な指型電極１３４ａとを接続することにより、ＬＣ配向の変化範囲が狭くなったとしても、駆動モジュール１６４ａ（すなわち、駆動回路）の数を減らすことができる。この実施形態では、各画素素子のほぼ同じｘおよびｙ寸法が好ましい。

【0059】

図１７は、一部の液晶デバイス２００ｆの概略的平面図および断面図である。明瞭さの目的で、第１基板１１０ａ上の電極のみを示す。第２基板１１０ｂ上に形成される電極は、同様に配列される。図１７に示した液晶デバイス２００ｆは、図１４に示した液晶デバイス２００ｃに類似している。相違点は、図１７において、電極１３６ａが、図１３に示した電極１３７ａに置き換えられたことである。駆動モジュール１６６ａは、ここでは、電極１３７ａと接続されるため、Ｙ方向に沿っていくつかの液晶画素素子を通って延伸する。この配列により、駆動モジュール１６６ａは、いくつかの液晶画素素子に対して同時にＺ方向において電場を制御することができる。

【0060】

図１８は、一部の液晶デバイス２００ｇの概略的平面図および断面図である。図１８に示した液晶デバイス２００ｇは、図１７に示した液晶デバイス２００ｆに類似している。相違点は、図１８において、水平な指型電極１３２ａおよび垂直な指型電極１３４ａが、図１８に示すように、電極１３４ａ’として接続されていることである。電極１３４ａ’は、駆動モジュール１６２ａと接続される。線ＡＡ’およびＢＢ’に沿った断面図に示すように、電極１３４ａ’および駆動モジュール１６２ａは、絶縁層１４０ａ上に形成され、且つ絶縁層１４２ａで覆われる。図１７に示した液晶デバイス２００ｆと比較して、絶縁層の数は、３から２に減少し、液晶デバイス２００ｆの全体的構造を簡易化している。この実施形態は、電場がＸ方向またはＹ方向に完全に平行になっていないため、正確な六方向スイッチングではない。しかしながら、水平な指型電極１３２ａと垂直な指型電極１３４ａとを接続することにより、ＬＣ配向の変化範囲が狭くなったとしても、駆動モジュール１６２ａ（すなわち、駆動回路）の数を減らすことができる。この実施形態では、各画素素子のほぼ同じｘおよびｙ寸法が好ましい。

【0061】

図１９は、テラヘルツ電磁波のフォトニックデバイスのブロック図である。図１９に示すように、テラヘルツ電磁波に使用されるフォトニックデバイス１０を示す。いくつかの実施形態において、フォトニックデバイス１０は、偏光子、フィルタ、位相シフター、変調器であり、または広帯域無線通信システム、警備監視システム、医療撮像システム、または物質特性解析システムであるが、本発明はこれに限定されない。フォトニックデバイス１０は、複数の液晶画素素子１００を含む液晶デバイス２００を含む。いくつかの実施形態において、液晶デバイス２００は、本願で説明した液晶デバイス２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ、および／または２００ｅを含むが、本発明はこれに限定されない。液晶画素素子１００において３つの直交方向の電場を有することにより、液晶画素素子１００内の液晶モジュールは、印加された電場によって任意の方向に回転することができるため、テラヘルツ電磁波用途に応用するのに適している。

【0062】

上記で開示した構造は、初期、固有の面内および面外状態の間で液晶モジュールの配向を継続的にスイッチングすることができ、それにより、位相シフトの範囲を広げると同時に、速い応答を維持することができる。さらに、液晶モジュールの３つの配向状態の間で相互にスイッチングを行うことにより、３対の電極によって生成された３つの直交する電場を使用することが可能になる。つまり、開示した構造は、初期、固有の面内および面外状態の間で六方向性スイッチングを効果的に行うことができる。原則として、３つの液晶配向状態を利用することにより、位相シフトの変化を広げることができる。さらに、電場を印加して３つの液晶配向方向の間でスイッチングを行うことにより、より速い応答時間を維持することができる。位相シフター等のテラヘルツデバイスに対する新規の液晶スイッチングモードによって生じる位相シフトの範囲は、いくつかのデバイスおよび材料パラメータを最適化することによって、複屈折の大きな液晶を使用して遅延をさらに大きくすることも含み、さらに改善できる可能性がある。

【0063】

ここで開示した液晶デバイスは、広く応用することができ、例えば、テラヘルツアンテナアレイに統合する、あるいはテラヘルツフォトニック結晶（photonic crystal）に統合することができる。

【0064】

以上のごとく、この発明を実施形態により開示したが、もとより、この発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。

【産業上の利用可能性】

【0065】

本発明の液晶デバイスは、液晶デバイスに応用することができる。

【符号の説明】

【0066】

１０ フォトニックデバイス
１００ 液晶画素素子
１００ａ 第１基板
１００ｂ 第２基板
１２０ 液晶層
１２２ 液晶分子
１３０ａ、１３０ｂ、１３２ａ、１３２ａ’ 、１３２ｂ、１３４ａ、１３４ａ’ 、１３４ｂ、１３６ａ、１３６ｂ、１３７ａ 電極
１３８ 電源
１４０ａ、１４０ｂ、１４２ａ、１４２ｂ、１４４ａ、１４４ｂ 絶縁層
１５０ａ、１５０ｂ アライメント層
１６０ａ 第１偏光子
１６０ｂ 第２偏光子
２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ、２００ｅ 液晶デバイス
ＡＡ’、ＢＢ’ 線
ｄ１、ｄ２ 距離
Ｅ 電場
ｔ 厚さ
Ｘ、Ｙ、Ｚ 方向

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【図9A】

【図9B】

【図10A】

【図10B】

【図11A】

【図11B】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【外国語明細書】