コレステリック液晶（ChLCD）は、双安定性の特性を持つ材料です。その優れた反射特性により、重要な表示技術として位置付けられています。モノクロ、マルチカラー、さらにはフルカラーの紙のような表示を含むディスプレイに広く使用されています。また、周囲の光を反射光として利用し自らは光を発しません。液晶の起源は1888年にコレステリック液晶素材に遡り、現在でも「コレステリック」という用語は液晶の構造を表すために使用されています。
コレステリック液晶の双安定性の特徴
コレステリック液晶は二つの安定した状態を持つ特性があります。 一つはプレーナ状態（planar state）であり、これは液晶分子が規則的に配列され、特定の波長の光を反射する状態で、通常は「明るい状態」と呼ばれます。 もう一つはフォーカルコニック状態（focal conic state）で、液晶分子が乱雑に配列され、入射光を散乱させるため、多くの光が透過します。この状態は「暗い状態」として知られ、液晶層の下にある物質の色が見えることが特徴です。一般的に、下にある物質は黒色に設計されています。さらに、一時的な状態としてホメオトロピック状態（homeotropic state）も存在し、液晶分子がすべて垂直に配列され、光が完全に透過するため、液晶層の下にある物質が見える状態となります。
コレステリック液晶に電場を加えることで、三つの状態に調整することができます。
- コレステロール型液晶がプレーナ状態にある場合、小さな電場を加えることでフォーカルコニック状態に変化させることができます。高い電場を加えると、液晶は完全に垂直に配列され、ホメオトロピック（垂直）状態に変わります。
- 垂直状態から電場を急速に取り除くと、液晶はプレーナ状態に戻りますが、電場をゆっくりと取り除くとフォーカルコニック状態に戻ります。
そのため、電場をかけてその除去速度を調整することで、コレステリック液晶の状態を変えることができます。
コレステリック液晶のフルカラー
コレステリック液晶が色を表示する能力は、ブラッグの法則に従う反射状態（明状態）と密接に関連しています。この法則によれば、光が結晶格子と相互作用する際、最初の光は点Aで反射し、二番目の光は点Bで反射します。これらの光線の経路差は、CBとBDの距離により特徴づけられ、それらを合わせた値は2d × sinθ になります。ここでdは周期的な格子点間の距離,θ は入射角を指します。この経路差2d × sinθが入射光の波長λの整数倍である場合、強め合う干渉が生じます。このため、液晶のピッチを調整することで、反射される光の波長、ひいては色を調整することができます。
液晶のピッチを調整することで青い光の強め合う干渉を可能にすると、青い光を反射し、青色を表示することができます。同様に、液晶のピッチを調整することで、緑や赤の波長を反射させることも可能です。これにより、コレステリック液晶はピッチの調整によって様々な色を表現することができます。赤、緑、青の三層のコレステリック液晶と、底部に黒の吸収層を重ねることで、フルカラーのコレステリック液晶ディスプレイ（ChLCD）は1,600万色以上の色を生成できます。
フルカラー画像は、三原色の加法原理に基づいて実現されます。例えば、黄色は緑と赤の組み合わせによって生成されます。赤、緑、青の光が全て点灯すると（反射モード）白色が表示されます。逆に、三色がすべてオフになると（透過モード）、下層の黒色が見えるようになります。
ChLCDのさらなる応用
ChLCDの透過特性をさらに応用として、黒い吸収層を太陽光パネルに置き換えることができます。ディスプレイは画像を表示するだけでなく、同時に電力を蓄えることができるようになります。屋外の太陽光の可視光部分は画像の反射に使用され、赤外線は液晶層を通過して下の太陽光パネルに達し、電気に変換されます。これにより、ディスプレイを表示しつつ電力を生成することが実現します。
また、MiniLEDパネルのような光を発するディスプレイと統合する場合、ChLCDとMiniLEDディスプレイを切り替えることで、静的または動的なコンテンツを表示することができます。
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