JP2571623B2 - 液晶材料の配向方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、液晶光学素子、液晶記憶素子、液晶音響素
子等に用いられる液晶材料の配向方法に関する。

〔従来の技術〕

液晶材料の配向方法の一つとして電界を利用する方法
が知られている。例えば、高分子液晶を２枚の電極間
に挟み、150℃で60V、2kHzの交流電界を長時間印加して
垂直配向を行う方法（R.Simons,et al.:Polymer,27,811
（1986））、高分子液晶（主鎖型、側鎖型）に少なく
とも一方に絶縁層を設けた電極間で電場を印加して配向
させる方法（特開昭63−144324号公報）、強誘電性液
晶を等方相になるまで加熱した後に徐冷を行い、この徐
冷中に電界を印加して配向させる方法（特開昭63−1218
15号公報、特開昭63−151927号公報）、側鎖型液晶高
分子に低分子液晶を混合し直流電圧を印加して配向させ
る方法（特開昭63−243165号公報）等がある。

しかし、の方法では高温加熱及び長時間の交流電界
印加というプロセスが必要で生産性が悪い。また、強誘
電性液晶に対しては液晶分子の誘電率異方性Δεが正の
場合には垂直配向してしまい、負の場合では水平配向は
するがその向きは基板面内でランダムになってしまい強
誘電性液晶素子で必要な一軸水平配向は得られない。
の方法もスメクチックＡ相やネマチック相をとる液晶を
垂直配向させる方法である。この方法でも誘電率異方性
Δεが負の液晶であれば液晶を基板に水平にすることは
できるがその向きは基板面内でランダムになり、一軸水
平配向は不可能である。従って強誘電性液晶は低分子で
も高分子でも一軸水平配向できないという問題がある。
の方法では一軸配向するためには予め基板にポリマー
コート及びラビング処理又は斜方蒸着等の界面処理が必
須であり、電界印加は界面による配向状態の欠陥を減ら
すという補助的役割を担っているに過ぎない。従って従
来のラビング処理又は斜方蒸着による配向方法と同様に
プロセスが複雑であり、また等方相からの徐冷という過
程も必須であるため生産性に問題がある。の方法では
液晶相−等方相転移温度以下で混合系の相分離が発生せ
ずに液晶状態が保存され、さらに常温で配向状態が変化
しないような側鎖型液晶高分子と低分子液晶の混合比を
選ぶ必要があり、任意の液晶を配向させることはできな
いなどの問題がある。

また、液晶材料の配向に剪断力を利用する方法が知ら
れている。例えば、強誘電性液晶を２枚の基板間に挟
み、基板を相互にわずかにずらして剪断を印加して水平
配向させる方法（N.A.Clark.et al.:Appl.Phys.Lett.,3
6,899（1980））がある。しかし、この方法では大面積
の配向処理が難しく、また剪断を印加するときの温度制
御を精密に行わなければならないなどの問題がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、基板に予め操作をする必要がなく、また精
密な温度制御を要さずに、大面積で均一な配向を極めて
短時間に得ることのできる液晶材料の配向方法を提供し
ようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕 本発明者らは前記課題を解決するために鋭意研究を重
ねた結果、液晶材料への剪断力の印加を電界が印加され
ている状態で行うことにより、その目的が達成されるこ
とを見出し本発明を完成するに至った。

すなわち本発明は、液晶材料に電界を印加しながら剪
断力を印加して配向させる液晶材料の配向方法を提供す
るものである。

本発明により配向される液晶材料は、電界及び剪断力
を印加できる形状であればよい。液晶材料を膜状で用い
る場合は従来のすべての製膜方法を利用できる。製膜さ
れた液晶材料は電極により挟持してもよいし、挟持しな
くてもよいが、電界及び剪断力の印加を行い易いように
電極付きの基板で挟持することが好ましい。更に前記電
極付基板は、液晶材料に曲げ変形で簡単かつ有効に大面
積に対する剪断力を加えることができるように可撓性を
有するものであることが好ましい。

液晶材料の基板による挟持の方法としては、基板と対
向基板をスペーサーなどを介して向合わせにしたのち毛
細管現象や真空注入法で液晶材料を注入する方法、片側
の基板上に液晶材料を乗せて対向基板を押圧する方法又
は片側の基板上に液晶材料膜を形成して対向基板を重ね
合わせる（ラミネートする）方法などが挙げられる。可
撓性基板を用いたときには液晶材料の塗布工程、ラミネ
ート工程等を連続かつ高速に行うことができ特に好まし
い。

ここで液晶材料としては、ネマチック相、スメクチッ
ク相、コレステリック相のいずれかを示すものを用い
る。好ましくは、カイラルスメクチックＣ相などの強誘
電相を示すスメクチック液晶材料である。このようなス
メクチック液晶材料としては、例えば、低分子の強誘電
性液晶化合物、強誘電性高分子液晶又はこれらの組成物
よりなる液晶材料、更に低分子又は高分子の非強誘電性
非液晶物質又は液晶物質と低分子又は高分子のカイラル
性を有する非液晶物質又は液晶物質とをカイラルスメク
チックＣ相などの強誘電相を示すように組合わせた液晶
材料が挙げられる。

強誘電性高分子液晶には、例えば、アクリレート主鎖
系高分子液晶、メタクリレート主鎖系高分子液晶、クロ
ロアクリレート主鎖系高分子液晶、オキシラン主鎖系高
分子液晶、シロキサン主鎖系高分子液晶、エステル主鎖
系高分子液晶などが含まれる。

アクリレート主鎖系高分子液晶の繰り返し単位として
は、例えば、 などが挙げられる。

メタクリレート主鎖系高分子液晶の繰り返し単位とし
ては、例えば、 などが挙げられる。

クロロアクリレート主鎖系高分子液晶の繰り返し単位
としは、例えば、 などが挙げられる。

オキシラン主鎖系高分子液晶の繰り返し単位として
は、例えば、 などが挙げられる。

シロキサン主鎖系高分子液晶の繰り返し単位として
は、例えば、 などが挙げられる。

エステル主鎖系高分子液晶の繰り返し単位としては、
例えば、 などが挙げられる。

なお、上記の強誘電性高分子液晶の繰り返し単位は、
側鎖の骨格がビフェニル骨格、フェニルベンゾエート骨
格、ビフェニルベンゾエート骨格、フェニル４−フェニ
ルベンゾエート骨格で置き換えられてもよく、これらの
骨格中のベンゼン環が、ピリミジン環、ピリジン環、ピ
リダジン環、ピラジン環、テトラジン環、シクロヘキサ
ン環、ジオキサン環、ジオキサボリナン環で置き換えら
れてもよく、フッ素、塩素などのハロゲン基あるいはシ
アノ基で置換されてもよい。また各末端光学活性基は、
１−メチルアルキル基、２−フルオロアルキル基、２−
クロロアルキル基、２−クロロ−３−メチルアルキル
基、２−トリフルオロメチルアルキル基、１−アルコキ
シカルボニルエチル基、２−アルコキシ−１−メチルエ
チル基、２−アルコキシプロピル基、２−クロロ−１−
メチルアルキル基、２−アルコキシカルボニル−１−ト
リフルオロメチルプロピル基などの光学活性基あるいは
エステル結合、エーテル結合を介してこれらの光学活性
基で置き換えられてもよく、またスペーサの長さは、メ
チレン鎖長が１〜30の範囲で変化してもよい。

また、上記強誘電性高分子液晶は数平均分子量が1,00
0〜200,000のものが使用できる。

強誘電性低分子液晶化合物としては、例えばシッフ塩
基系強誘電性低分子液晶化合物、アゾ及びアゾキシ系強
誘電性低分子液晶化合物、ビフェニル及びアロマティッ
クスエステル系強誘電性低分子液晶化合物、ハロゲン、
シアノ基等の環置換基を導入した強誘電性低分子液晶化
合物、複素環を有する強誘電性低分子液晶化合物などが
挙げられる。

シッフ塩基系強誘電性低分子液晶化合物としては、例
えば、次に示す化合物（１）〜（４）が挙げられる。

アゾ及びアゾキシ系強誘電性低分子液晶化合物として
は、例えば次に示す（５）、（６）が挙げられる。

ビフェニル及びアロマティックエステル系強誘電性低
分子液晶化合物としては、例えば、次に示す化合物
（７）、（８）が挙げられる。

ハロゲン、シアノ基等の環置換基を導入した強誘電性
低分子液晶化合物としては、例えば、次に示す化合物
（９）〜（11）が挙げられる。

複素環を有する強誘電性低分子液晶化合物としては、
例えば、次に示す化合物（12）、（13）が挙げられる。

なお、前記化合物は、強誘電性低分子液晶化合物の代
表的な化合物であり、本発明の強誘電性低分子液晶化合
物はなんら、これらの構造式に限定されるものではな
い。

さらに、上記の液晶材料には、液晶素子の機械的強度
の向上、曲げ配向処理などに対する配向性を改善するた
めに、非液晶性のポリマーを０〜60重量％加えてもよ
い。加えるポリマーとしては、熱可塑性樹脂や架橋性樹
脂が用いられ、特に接着剤が好適である。

熱可塑性樹脂としては、Tgが好ましくは30℃以上のも
の、さらに好ましくは70℃以上のものが用いられる。

具体的には、ポリ塩化ビニル、ポリ臭化ビニル、ポリ
フッ化ビニル、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、塩化
ビニル−エチレン共重合体、塩化ビニル−プロピレン共
重合体、塩化ビニル−塩化ビニリデン共重合体、塩化ビ
ニル−ブタジエン共重合体、塩化ビニル−アクリル酸エ
ステル共重合体、塩化ビニル−アクリロニトリル共重合
体、塩化ビニル−スチレン−アクリロニトリル三元共重
合体、塩化ビニル−塩化ビニリデン−酢酸ビニル共重合
体、ポリ塩化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレ
ン、ポリテトラフルオロクロルエチレン、ポリフッ化ビ
ニリデン等のハロゲン化ビニル重合体又は共重合体； ポリビニルアルコール、ポリアリルアルコール、ポリ
ビニルエーテル、ポリアリルエーテル等の不飽和アルコ
ール若しくはエーテルの重合体又は共重合体； アクリル酸若しくはメタアクリル酸等不飽和カルボン
酸の重合体又は共重合体； ポリ酢酸ビニル等のポリビニルエステル、ポリフタル
酸等のポリアリルエステル等のアルコール残基中に不飽
和結合をもつものの重合体又は共重合体； ポリアクリル酸エステル、ポリメタクリル酸エステ
ル、マレイン酸エステル若しくはフマル酸エステルの重
合体等の酸残基又は酸残基とアルコール残基中に不飽和
結合をもつものの重合体あるいは共重合体； アクリロニトリル若しくはメタアクリロニトリルの重
合体又は共重合体、ポリシアン化ビニリデン、マロノニ
トリル若しくはフマロニトリルの重合体又は共重合体等
の不飽和ニトリル重合体あるいは共重合体； ポリスチレン、ポリα−メチルスチレン、ポリｐ−メ
チルスチレン、スチレン−α−メチルスチレン共重合
体、スチレン−ｐ−メチルスチレン共重合体、ポリビニ
ルベンゼン、ポリハロゲン化スチレン等の芳香族ビニル
化合物の重合体又は共重合体； ポリビニルピリジン、ポリ−Ｎ−ビニルピロリドン、
ポリ−Ｎ−ビニルピロリドン等の複素環式化合物の重合
体又は共重合体； ポリカーボネート等のポリエステル縮合物、ナイロン
６、ナイロン6,6等のポリアミド縮合物； 無水マレイン酸、無水フマール酸及びそのイミド化物
を含む重合体又は共重合体； ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミ
ド、ポリフェニレンオキサイド、ポリフェニレンサルフ
ァイド、ポリスルホン、ポリエーテルフルホン、ポリア
リレート等の耐熱性有機高分子等が挙げられる。

接着剤としては、単独で用いられるものも、また液晶
材料中に配合して用いられるものも、いずれも接着剤と
して通常用いられている高分子物質、例えばエポキシ系
接着剤、アクリル系接着剤、ポリウレタン系接着剤、ホ
ットメルト型接着剤、エラストマー型接着剤を挙げるこ
とができる。

さらに、多色性色素、減粘剤等の添加剤が添加されて
いてもよい。

多色性色素としては、スチリル系、アゾメチン系、ア
ゾ系、ナフトキノン系、アントラキノン系、メロシアニ
ン系、ベンゾキノン系、テトラジン系の色素が挙げられ
る。

本発明の配向方法は、上記の液晶材料に電界と剪断力
を同時に印加するものである。

印加する電界波形は直流、交流など任意で、連続的又
は間欠的に印加する。電界強度の最大値は0.1〜150MV/m
とするのが好ましい。特に好ましくは５〜100MV/mであ
る。電界強度の最大値が0.1MV/m未満であると配向が良
好でない場合があり、逆に150MV/mを超えると液晶材料
が絶縁破壊を起こすことがある。

また剪断力は、一方向に一回、往復又は複数回印加す
る。振幅は0.1μｍ〜5mmとするのが好ましい。特に好ま
しくは0.5μｍ〜1mmである。剪断速度は配向状態には殆
ど影響しない。実際の剪断力の印加は、ガラス基板など
を用いた場合にはマイクロメータなどで基板をずらして
行ってもよく、また電磁素子などで音響振動を与えて行
ってもよい。第４図に示すように液晶素子にたわみ振動
を与えて行ってもよい。また、可撓性基板を用いた場合
には液晶素子に曲げ変形を与えることで容易に液晶材料
への剪断力の印加を行うことができる。また、液晶材料
の製膜時にバーコーターなどを用いて剪断力を印加しな
がら基板上へ製膜してもよい。

第１図は可撓性基板に挟持された液晶材料に曲げ変形
を与えた状態の略示図である。液晶材料１は２枚の可撓
性基板２に挟持されており、曲げ変形部分３の近傍の液
晶材料には曲げ変形により剪断力が印加されている。液
晶素子全体に亘って剪断力を印加するには曲げ変形部分
を順次ずらしながら曲げ変形を行えばよく、少なくとも
一本のローラなどを用いて液晶素子を単独で又はベルト
等に挟持してローラ等の表面に密着させて移動させるこ
とで行うことができる。

これらの剪断力の印加は液晶材料部に電界が印加され
ている状態で行う。

第２図はバーコーターを用いて液晶材料に剪断力を印
加しながら製膜する装置の一例を示す断面説明図であ
る。このときバーコーターのバー４と固定台６の上に設
置された電極付基板５の電極との間に電界を印加する
と、容易に液晶材料への電界と剪断力の印加を同時に行
うことができる。

また、第３図は曲げ変形により剪断を印加する装置の
一例を示す断面説明図である。電極付可撓性基板により
液晶材料を挟持した液晶素子７を２枚の液晶素子保持用
プラスチック板８に挟持して一組のロール９よりなるロ
ーラによりロール９の表面に液晶素子保持用プラスチッ
ク板８を表裏交互に密着させて移動させて曲げ変形によ
る剪断力を与える。このとき液晶素子７の液晶材料を挟
持している上下の電極付基板の電極に電線を接続して電
極間に電界を印加することにより、容易に液晶材料への
電界と剪断力の印加を同時に行うことができる。

電界と剪断力を印加するときの温度は、液晶材料が何
らかの液晶相を示す温度であればよく、液晶材料が等方
相又は等方相と液晶相の混相を示す温度よりも低い温
度、通常室温でよい。例えば強誘電性液晶では、従来の
全ての配向法が等方相を示す温度からの冷却を伴った
が、本配向方法によるとその必要がない。すなわち室温
でも極めて良好な配向が瞬時に得られる。これは電界の
印加により剪断に対する液晶分子の再配向過程が極めて
容易に行われるためであると考えられる。

以上本発明によると、予め基板に操作を加えることな
く、精密な温度制御を要さず、大面積で均一な液晶材料
の配向を極めて短時間に得ることができ、しかも、可撓
性基板を用いた場合には従来不可能とされた強誘電性液
晶の高コントラスト屈曲パネルが得られる。

〔実施例〕

実施例１ 下記の構造と特性を有する強誘電性液晶を110℃に加
熱した10cm四方のITO付きガラス基板の上へ載せ、同様
の対向基板を重ね合わせて押圧し、膜厚2.5μｍの液晶
素子を作製した。

〔Cry:結晶相、SmC^＊：カイラルスメクチックＣ相、Sm
A:スメクチックＡ相、Iso:等方相〕 室温で上記液晶素子のITO電極間に20Vの直流を印加し
ながら振幅約２μｍ、50Hzの剪断力を電磁素子によって
印加した。剪断力加開始後ほぼ瞬時（１秒以内）に均一
な配向が得られた。そのまま室温でクロスニコル下に配
置し、±5Vの電圧を印加したところコントラスト300以
上が得られた。電界を切った、双安定状態でのコントラ
ストも120以上の極めて良好な配向状態が得られた。顕
微鏡観察では強誘電性液晶特有のジグザグ欠陥が殆ど認
められなかった。これは配向処理時に比較的大きな電界
が印加されていることにより消失したためである。

実施例２ 下記の構造と特性を有する強誘電性液晶と下記の構造
を有する赤色２色性色素とを下記の割合で混合した。

強誘電性液晶 赤色２色性色素 強誘電性液晶：赤色２色性色素＝99.5:0.5（重量比） これを第２図に示したようなバーコーターを用いて40
℃で製膜と同時に電界と剪断力を加えた。バー４には直
径2cm、幅20cmの丸棒を用い、バー４の移動速度ｖ＝2cm
/秒、荷重ｗ＝500g、バー４と電極付基板５の電極との
間の印加電圧はＶ＝90Vの直流とした。塗布製膜後真空
中で対向基板を重ね合わせてA4板サイズの素子とした。
クロスニコル下でコントラストを測定したところ±5Vの
印加で90を得、また双安定状態でも75という非常に良好
な配向が得られていることが明らかになった。

実施例３ 下記の構造を有する液晶Ａと液晶Ｂとを下記の割合で
混合して下記の特性を有する液晶材料を得た。

液晶A:B＝30:70（モル％） 相転移温度 〔g:ガラス状態〕 これと三菱レイヨン（株）製のポリイソブチルメタク
リレート（商品名：ダイヤナールBR−105）の重量比6:1
の混合物を10wt％塩化メチレン溶液とし、ITO付きポリ
エーテルスルホン（PES）基板（住友ベークライト
（株）製、FST−1351、幅300mm、厚み100μｍ、長さ50
m）上にマイクログラビアコーターを用いて製膜した。
溶媒蒸発後の膜厚は1.8μｍであった。次いで、対向基
板として同種のPES基板を２本の加圧ローラー対でラミ
ネートした。その後、長さ500mmを切り取り長方形の液
晶素子とし、ITO電極へ電線を接続して40Vの直流を印加
しながら室温で第３図に示したようなローラーで曲げ変
形させて配向処理を行った。ここでローラーの２本のロ
ール９は直径80mmで金属製のものを用い、液晶素子保持
用プラスチック板８の移動速度はｖ＝5m/分とした。配
向処理後のコントラストは±5Vの印加で410であり、双
安定状態では160という非常に良好な結果を得た。

比較例１ 実施例３と同じ系で電界を全く印加せずに同じ操作
（曲げ変形）を室温で行ったところ殆ど配向しなかっ
た。コントラストは±20Vの印加で1.5以下であり、顕微
鏡観察でも大きさ数μｍ以下の小さなドメインがランダ
ムに配置していた。

実施例４ 下記の構造と特性を有するネマチック液晶を１軸延伸
したITO付きPET基板（厚み100μｍ、幅200mm、長さ20
m）に実施例３と同じ方法で12.2μｍの膜厚に製膜し
た。

次いで、これを同様の基板とラミネートしたのち長さ
200mmを切り出した。液晶素子全体に第４図に示したよ
うな振幅1cm、振動1Hzの微小なたわみ変形を与えながら
電極間に70V、3KHzの交流を印加したところ、約10秒で
液晶素子全体が透明となった。偏光顕微鏡による観察か
ら液晶材料がほぼ完全に垂直配向したことが明らかにな
った。

比較例２ 実施例４と同様の方法で作製した液晶素子に電圧を印
加せずに同様のたわみ振動のみを与えたところ、約１分
後も全く垂直配向せず、逆に液晶素子の周辺部でわずか
に一軸水平配向する傾向が認められた。

比較例３ 実施例４と同様の方法で作製した液相素子にたわみ振
動を与えずに、70V、3KHzの交流電圧を印加したとこ
ろ、10秒後ではほとんど変化せず、約５分後に実施例４
と同程度の垂直配向となった。また、実施例４と同程度
の垂直配向を数10秒以内に得るためには液晶素子全体を
50℃以上に加熱する必要があった。

〔発明の効果〕

本発明の液晶材料の配向方法は、予め基板に操作を加
える必要がなく、また精密な温度制御を要さずに、大面
積で均一な液晶材料の配向を極めて短時間に得ることが
でき、しかも、可撓性基板を用いた場合には従来不可能
とされた強誘電性液晶の高コントラスト屈曲パネルを得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は可撓性基板に挟持された液晶材料に曲げ変形を
与えた状態を示す略示図である。第２図はバーコーター
を用いて液晶材料に剪断力を印加しながら製膜する装置
の一例を示す断面説明図である。第３図は曲げ変形によ
り剪断を印加する装置の一例を示す断面説明図である。
第４図は液晶素子にたわみ振動を与えて行っている状態
を示す略示図である。 符号の説明 １……液晶材料、２……可撓性基板 ３……曲げ変形部分、４……バー ５……電極付基板、６……固定台 ７……液晶素子 ８……液晶素子保持用プラスチック板 ９……ロール

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液晶材料に電界を印加しながら剪断力を印
   加して液晶材料を配向させることを特徴とする液晶材料
   の配向方法。
2. 【請求項２】液晶材料がネマチック相、スメクチック
   相、コレステリック相のいずれかを示す材料である請求
   項１記載の液晶材料の配向方法。
3. 【請求項３】スメクチック相を示す液晶材料が強誘電性
   スメクチック相を有する材料である請求項２記載の液晶
   材料の配向方法。
4. 【請求項４】電極付基板に挟持されている液晶材料を配
   向させる請求項１記載の液晶材料の配向方法。
5. 【請求項５】電極付基板が可撓性を有するものである請
   求項４記載の液晶材料の配向方法。
6. 【請求項６】液晶材料を可撓性基板で挟持した液晶素子
   に曲げ変形を与えることにより液晶材料に剪断力を印加
   する請求項１記載の液晶材料の配向方法。
7. 【請求項７】液晶材料を液晶材料が等方相又は等方相と
   液晶相の混相を示す温度よりも低い温度で配向させる請
   求項１記載の液晶材料の配向方法。