JPH01501174A - 液晶デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 液晶デバイス 本発明は強誘電性スメクチック材料を用いたスメクチック液０　晶デバイスに係 る。

液晶装置は一般的に２つのガラス板または壁の間に薄い液晶材料層を挟んだもの から成る。両方の壁の内面に薄い透明電極をデポジットする。このような液晶層 と壁と電極とを組合せた各ｎ の→を液晶セルと呼ぶことが多い。２つの電極間に電界を印加すると、液晶分子 が電界内で回転してオン状態になる。電界をゝ　類によって決定されるものであ る。オン状態とオフ状態では光透過特性が異なる。デバイスによってはオン状態 とオフ状態を視覚的に区別するために１つまたはそれ以上の偏光子ｊ３よび／ま たは色素を要するものがある。

大雑把に言って液晶材料にはネマチック、コレステリック、スメクチックの３種 類の相があり、それぞれ分子の秩序性が異なる。

このような材料が液晶相を呈するのは、同相と等方性液晶の間の限られた温度範 囲だけである。液晶相の温度範囲内で、材料はネマチック相、コレステリック相 、スメクチック相のうら１種またはそれ以上の相を呈する場合があるが、通常は その動作温度範囲に亘って１１１類の液晶相のみ呈するものを選択する。

本発明は強誘電性スメクチック液晶材料を使用する装置に係る。

現在、表示装置は一方の壁に電極を行状に形成し、もう一方の壁に列状に電極を 形成して構成されているー。これらが集まって、大型表示装置の上に個別にアド レス可能な素子から成るＸ−ｙマトリックスを形成する。このような表示装置に アドレスする方法の１つがマルチプレックス方式、すなわち１行毎に装置全体の アドレスを終わるまでアドレスして行く方法であり、表示が必要になる度にこれ を繰返す。別の種類の表示装置としされる。これまではこのような装置にネマチ ック、コレステリックおよびスメクチック液晶材料が使用されている。装置の多 （が抱える問題の１つに、２つの状態間での切換え速度、すなわち応答ＦＲ間の 問題がある。大抵の表示装置では応答時間を速くする必要がある。９０度捩って 構成したネマチック材料の応答時間で普通１００ミリセカンドである。

スメクチック材料を含む装置はネマチック材料やコレステリンク材料を用いた装 置はど広範囲に使用されるに至っていない。

備えていないためである。しかし最近になって、切換え速度か速く、双安定特性 を有するスメクチック強誘電性が重要視されるようになった。例えば、Ｎ、△、 Ｃ１ａｒｋ並びにＳ、Ｔ。

Ｌａｇｅｒｗａｌｌ著、　Ａ　ＤＯ，Ｐ　ｈｙｓ、ｌ　ｅｔｔｅｒｓ　３６（１ ？ン１９８０　ｐｐ８９９−９０１　ヲ参照すレ度＆Ｎ。例えばＳｃ’、Ｓ■’ 、Ｓ−、Ｓ、’、３６ｊＳ−１等の傾斜液晶スメクチック相にあるキラル材料が 強訴電性を示すことが分がっている。これについては、Ｒ，Ｂ。

Ｍｅｙｅｒ、　Ｌ、　Ｌｉｅｂａｒｄ、　Ｌ、　５ｔｒｚｅｌｅｃｋｉ、Ｐ、Ｋ ｅｌｌｅｒ著。

Ｊ、　ｄｅ　Ｐｈｙｓｉｇｕｅ　（Ｌｅｔｔ、）、３６．　Ｌ−６９Ｎ９７５） に記載されている。

強誘電性またはキラルスメクチック（Ｓ＊）材料を用いた装置には・セルが不均 等になり継ぎ合せたような状態になるという欠点がある。捩れネマチック装置に 使用するような擦過ポリイミド材料など従来の配向層を使用した装置において特 に特徴的に生じる問題点として、「ジグザグ」欠陥がある。この欠陥は顕微鏡検 査で見ることができ、セルがコントラストレベルｉｌｘ観測角の異なる領域に分 かれていることが解る。このため、スメクヂンクＣ材料を用いた表示装置やシャ ッタの外観が容認（。

難い状態となるのである。

本発明では、接触する液晶分子に大きな傾斜角を与えるセル壁面処理方法を用い ることによって、上記の問題点を解決する。

本発明により提供される液晶デバイスは、スペーサによって間隔をあけて配設さ れている２つのセル壁と、前記セル壁の間に含まれているキラルスメクチック液 晶材料と、 少なくとも一方の壁の対内内面に設けられて、接触づる液晶材料に対して配向方 向と５度以上の表面傾斜角の両方を与える表面配向被膜と、 その光学軸が液晶分子の配向方向と平行になるように配設されている少なくとも １つの偏光子と、 液晶材料の中に添加される＝定聞の二色性色素またはセル壁を２つの偏光子の間 に挟むように配設される第２偏光子の何れかとを含んで成る。

２つのセル壁の配向方向は同一方向または反対方向で平行とするが、多少の変動 は容認される。

偏光子の間に遅延器を組入れて色およびコントラストを最適化するこもできる。

反射器を用いて装置を反射光で観察するようにしても好い。

その場合は第２偏光子の代わりに遅延器をヒルと反射器の間に設ける。

キラルスメクチック材料は、スメクチック相と等方性相の間で周囲温度以上の温 度においてコレステリック相を有する。好適には、スメクチック相とコレステリ ック相の転移温度から上０．１℃またはそれ以上の温度範囲に亘ってコレステリ ックピッ４−Ｐが層の厚さｄの半分より大きくなるようにする。材料の自発分極 係数値Ｐ８は少なくとも０．１ｒ＋Ｃ／　ｃｉ　ｚ好適には１ｎＣ／ｃｉまたは それ以上である。

液晶材料を加熱して等方性相とし゛た後、２つの孔を介して毛細管作用によりセ ル壁の間に導入してこれらの孔を実質的に＋を止するか、あるいは１つの孔を介 して真空充填により導入Ｊる。

液晶材料を定位買に配し終わると、これを加熱してコレステリック相とし、周囲 温度まで徐冷する。この操作が良好な配向の獲得と外観を均質にするのを促進す る働きをする。一般的な冷却速度は、スメクチック相とコレステリック相の転移 温度の±５℃の範囲内で０．０５〜ｂ 図面の簡単な説明 次に、添付図面を参照しながら本発明の一形式について例示的意味においてのみ 説明することにする。

第１図と第２図は液晶表示装置の平面図と断面図である。

第３図は第１図の一部分を示す拡大図である。

第４ａ、４ｂ、４ｃ図は各種材料に関してコレステリックピッチと温度の関係を 示すグラフである。

はとんどの表示装置については周囲温度を０℃〜４０℃とみなすことができるが 、計器類やその他の機器に装着される表示装置の周囲温度は１００℃に達する場 合もある。

好適実施態様の説明 第１．２．３図に示したセル１は、スペーサリング４および／または分散スペー サによって約２〜１５−の間隔をあけて配設した２つのガラス壁２，３を含む。

透明酸化錫から成る電極構造５．６が両壁の内面に形成されている。これらのｉ ｔは従来の行（Ｘ）と列（ｙ）の形状、半径と角ｆ！！　（ｒ、θ）の形状また は文字数字表示用の７セグメントまたはそれ以上のセグメント表示装置とするこ とができる。スメクチック液晶材ｎ層γが壁２．３とスペーサリング４の間に含 まれる。偏光子８．９がセル１つの前と後にそれぞれ配設される。直流電源１０ から制御ロジック１１を経て、リード線１４．１５により電極構造５．６に接続 されている駆動回路１２．１３−に給電される。

セル表示装置は透過光によって観察することができるが、その場合はタンゲス、 テン電球１６のような光源を表示装置の後方に配設する。選択的方法として、偏 光子の後方に反射器１７を配設し、反射光によって表示装置を観察するようにし ても良い。ざらに、壁３と偏光子９の間に遅延器（不図示）を配設する場合もあ る。

電極５．６を被覆した壁２，３は組立て前に周知の方法である一般化ケイ素の斜 め蒸着により表面処理される。

これについては、例えばＧ、　Ｂ、１，４５４，２９６．１，４７２，１２４７ ゜１．４７０，５９２に記載されている。−酸化、ケイ素の流れを基板表面に対 して１５度までの角度で壁土に堆積させる。この方法を上記明細書に記載の方法 でネマチック液晶材料を用いると、液晶分子が、均等に直線配向すると共に分子 と壁の間の傾斜角が３０Ｆなる。この整列は液晶分子を配向させる擦過と類似し ているが、擦過の場合の傾斜角は約２度である。ＳｉＯの蒸着を１５度までの蒸 着角度と１５〜３０度の蒸着角度で連続的に行なうことにより、いろいろな分子 傾斜角度を作り出すことができる。これら２つの方向で堆積する材料の量を変え ることによって傾斜角を０〜分子２６とマイクロレイヤ２５の両方の均一な配向 を得るために、装置の用途により例えば４０℃あるいは１００℃にもなる装置動 作温度以上のｇ温においてコレステリック相を有するスメクチック材ｎを使用す ることが必要である。第４ａ図はコレステリック相を有する典型的な従来のスメ クチック材料に関するコレステリックピッチＰ対温度曲線を示ず、、温度が低下 してコレステリック相とスメクチック相の転移温度に接近するに従って、ピッチ Ｐは無限大に大きくなる。この転移温度から離れると、コレステリックピッチが 非常に小さくなり、普通は１ｊＩＪＲ未満となる。

／　、％明と同時に出願した同時係屈出願であるＧＢ　８６０８．１１４および ８６０８．１１５に記載の発明の表示装置はこの相転移温度から上受なくとも０ ．１℃に亘るコレステリック相において長いピッチを有するものである。この範 囲は好ましくは５℃であり、理想的にはコレステリック温度範囲の全体で長いピ ッチを有するのが良い。この温度範囲内では層の厚さをｄと号ると最小ピーツチ Ｐが４ｄより大きい。

上述の材料はいくつかの方法で達成することができる。例えば左旋性コレステリ ック捩れ方向を有するキラル成分１種類またはそれ以上と右旋性コレステリック 捩れ方向を有するキラル成分１種類またはそれ以上を組合わける。但し左旋性成 分はいずれも右旋性成分のラセミ化合物でないことを条骨とづる。必要なスメク チック相を備えていれば、このｕ合物をそれだけ用いることができる。また非キ ラル液晶材料またはラセミ液晶材こと・なる場合がある。この場合は結果的に得 られるピッチがスメクチック／コレステリック相転移温度より上の温度範囲にお いて所要の値となるようにする必要がある。

捩れ方向が反対のキラル成分を用いた場合、結果的に得られる混合物の自発分極 値Ｐ５が所要の値となるようにする必要がある。全てのキラル成分がその捩れ方 向とは無関係に同方向の８９分極を有する場合がある。ずなわらそれらのＰ８が 加算される。あるいはまた、１つまたはそれ以上の４：ラル成分のＰｓを逆の符 号のものとして、正味のＰ８が十分な値となるようにすることもできる。

上記材料を達成するもう１つの方法としては、コレステリック捩れ方向およびＳ ＊分極方向が同じであるが、なおかつ上記のコレステリックピッチ値を満足する キラル成分を１つまたはそれ以上使用する方法がある。このような混合物は単独 で用いても良いし、Ｓｏホスト材料のような非キラルまたはうセミ液晶材料と併 用しても良い。

コレステリック相におけるピッチを長くする結束、月利を冷却してＳ。相にする と、セル壁処理による均一な配向が生じる。

その結果が第３図に示す配向である。

スメクチック相におけるピッチは約１μより大きくなるように、また好適にはそ れよりはるかに大きくなるように構成する。

を示す非補整材料に関してコレステリックピッチと温度の関係が大きくなり、そ れより下では減少を示している。材料を適当に選択することによって、このピッ チの増加を第４Ｃ図のように転移温赫省付けることもできるが、数度の相違は＠ 終的な結果に影響を及ぼすことはないようである。

液晶材料をセル内に導入すると第３図において矢印Ｅ、ｆで示した蒸着方向に沿 ってセル壁の液晶分子が配向し、表面傾斜角が例えば３０度になる。

２つの壁２と壁３でのＥの方向は同じでも反対でも良い。液±１０〜５０ボルト である。これら２つの配向方向を第３図では実測に位置している。直流パルスを 印加した時に２つの状態間でのスイッチングが速くなるのは、材料のもつスメク チック強誘電性によるものである。通常の場合、液晶材料の秤類により数Ｒから 数ｍｓ、例えば１ｍｓでセルをＤ　とＤ２の間で切換えす ることかできる。これら２つの方向Ｄ１．Ｄ２はＰｓの２つの方向を表わしてお り、アップ方向とダウン方向と呼ばれることが多い。材料の組成により、２つの 方向の開きは約４５度になる。

第１図と第２図に示すように、偏光子８．９は光軸を交差させて配設される。偏 光子８がその軸を方向Ｄ１と平行に整列される。セル１は分子整列方向Ｄ　また はＤ２と平行な平面に偏光された光を透過する。即ちセルの一方の状態Ｄ１にお いては、偏光子８とセル１と偏光子９とを組合せたものを通過する光はごくわず かになる。

ところがセルがＤ２の状態にある時は、両方の偏光子８．９の光軸に対して分子 が４５度の角度を成し、光が透過される。通常の印加電圧は厚さ６−の液晶材料 層の場合で±１５〜２０ボルト、厚さ２−の層で±　５〜１０ボルト、厚さ１２ ＪＩ！１１の層で±約３０ボルトである。

第１図に示したｘ−ｙマトリックス表示装置については、各電極交差部ｘ、ｙが 正または負の電圧パルスによってアドレスされる。ｍとｎはそれぞれＸ電極とｙ 電極の数に等しい整数である。これらのパルスが各ｘｍ、ｙｎ交差部におい液晶 材料を必要に応じて透過性または不透明に切換える。周知の技術であるマルチプ レックスアドレスを用いて各交差部を順次アドレスする。この時のアドレスは１ 度に交差部１つとしても良いし、０　１度にＸ行全体に行なっても良い。

従来は表示装置のフリッカ−を無くすためにｘ−ｙマトリックスを連続的にリフ レッシュ、すなわち再アドレスする必要があった。その理由は従来のネマチック 材料が非常に急速に弛緩してオン状態からオフ状態に戻るためである。従来のア ドレス法ではオンからオフへ変わる前に各交差部をリフレッシュする。

このため、アドレスできるｘ−ｙ交差部の数が厳しく　！ｉｌｌ　ｊｌされる。

これに対して本発明のセルは真の双安定性を有しており、セルをＤ　状態または Ｄ２状態に切換えた時、他の状因に切換えるまで電圧を印加しなくてもセルの材 料および構成により数秒から場合によっては数時間にも亘って切換えたままの状 態を維持する。このことは、表示装置にフリッカ−を生じることなくアドレスで きる交差部の数をはるかに多くできるということを意味するものである。あるい はまた表示装置全体をリフレッシュする代わりに変更すべき部分のみをアドレス しても良い。

本発明のセルに使用するのに適する材料は下記の通りである。

例１ ０Ｍ６−４３．５％ＣＤ３　（キラル成分）＋５６．５％Ｈ１（Ｓホスト） この時、ＣＤ３−２２％ＣＣ１＋７ａ％ＣＣ３゜＋（＋　−Ｍｌ　＊　Ｍ２１） 　Ｍ３　（＋：＋＝１ＣＭ６は下記の相を有する。

固体＃キラルスメクチック＃スメクチックＡ＃コレステリックｅ等方性 例２ Ｍ　ｅｒｃｋＺ　Ｌ　Ｉ　３０４１ 例３ ＬＰＭ１３ニア２．５％Ｈ１＋２５％Ｍ７＋２．５％ＣＣ１ＣＣ１３Ｌは、固体 相、キシルスメクチック５６．３°コレステリツク１１８°等方性の各相を有す る。

Ｐｓは２０℃において１０ｎＱ　／　ｃｉ　、　４６℃において５ｎＣ／ａｉで ある。

青色色素その一例としてＤ１０２があり、Ｂ　Ｄ　ＨＰｏｏｌｅ。

［）ｏｒｓｅｔ　、　ＵＫから入手し得る。

Ｅ 補正力の写しく翻訳文）提出偶（特許法第１８４条の８）昭和６２年１２月２日 特許庁長官　小　川　邦　夫　殿 １、特許出願の表示　ＰＣＴ／ＧＢ　８７１００２２０代表者　ベツカム、ロバ ート・ウィリアム国　籍　イギリス国 ５、補正力の提出年月日　１９８８年２月２６日６、添附書類の目録 （１）補正力の翻訳文　１通 （補正クレーム） 請求の範囲 １、スペーサによって間隔をあけて配設されている２つのセノ囲温度以上の温度 においてコレステリック相を有するキラル；に対して配向方向と５度以上の表面 傾斜角の両方を与える族ｍ配向被膜と、 その光軸を液晶分子の配向方向と平行に配設した少なくとモ１つの偏光子と、 該液晶材料の中に添加される一定量の二色性色素またはセル壁を両幅光子の間に 挟むように配設されている第２の偏光子Ｃ何れかとを含んで成る液晶デバイス。

２、前記液晶材料が、固体≧キラルスメクチック＝スメクチッ１９　食りつ　波 目　Ｈ幻　た　小　「ｉ　今　ｇ４　ｍ　、、−斗　？−’Ｗ　セ　ッ　ラｅ　 ４１　＾　ｂヤ血　Ｍ　−−Ｔに記載のデバイス。

３、コレステリック相におけるピッチ（Ｐ）が前記液晶層の厚さくｄ）の半分よ り大きい請求の範囲第１項に記載のデバイス。

ル　４．前記２つの配向方向が相互に平行であるが反対方向である請求の範囲第 １項に記載のデバイス。

５、前記２つの配向方向が相互に平行でありかつ同一方向であス　る請求の範囲 第１項に記載のデバイス。

６、分子の傾斜角が１０度から４５度の範囲内である請求の範囲第１項に記載の デバイス。

７、前記２つの偏光子が光軸を直交させて配設されている請求類　の範囲第１項 に記載のデバイス。

８゜前記液晶材料の正味の自発分極係数が０．１ｎＣ／ｃｉより大きら　い請求 の範囲、第１項に記載のデバイス。

９、前記液晶材料の正味の自発分極係数が１．ＯｎＣ／ｃｉより大き１し　い請 求の範囲第１項に記載のデバイス。

Ｄｌｏ、前記液晶材料が１００℃までの動作温度範囲に亘ってスメクチック相を 有する請求の範囲第１項に記載のデバイス。

ン　１１．前記液晶材料が４０℃までの動作湿度範囲に亘ってスメクチック相を 有する請求の範囲第１項に記載のデバイス。

１？、伊ＪＥＨ品何林膚ＵノＭ３か１１７Ｊまでである請求の範囲第１項１　Ｍ 　凋　宜　報　舌 １ｌｍｍ１Ｉｉａ−Ａｅｓｋａｅ　Ｎ＠　ＰＣＴ／Ｇヨ　８７１００２２０ｍＩ ＋、ｍａ−−−＝＃、−ｓ−，ＰＣＴ／（３３８７１００２２０Ａ、ＮＮＥＸτ ＯＴＨＥ　ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＣＮＡＬ　５ＥＡＲＣＨＲＸ？ＯＲτＯＮ

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. １．スペーサによって間隔をあけて配設されている２つのセル壁と、 前記壁の間に含まれているキラルスメクチック液晶材料層と、前記セル壁の対向 する内表面に設けられている電極構造と、前記壁の対向する内表面に設けられて 、接触する液晶材料に対して配向方向と５度以上の表面傾斜角の両方を与える表 面配向被膜と、 その光軸が液晶分子の配向方向と平行になるように配設されている少なくとも１ つの偏光子と、 液晶材料の中に添加される一定量の二色性色素またはセル壁を両偏光子の間に挟 むように配設される第２の偏光子の何れかとを含んで成る液晶デバイス。
2. ２．前記液晶材料が、スメクチック相と等方性相との間で周囲温度以上の温度に おいてコレステリック相を有する請求の範囲第１項に記載のデバイス。
3. ３．前記液晶材料が、固体⇔キラルスメクチック⇔スメクチックＡ⇔コレステリ ック⇔等方性の各相を有する請求の範囲第２項に記載のデバイス。
4. ４．２つの配向方向が相互に平行であるが反対方向である請求の範囲第１項に記 載のデバイス。
5. ５．２つの配向方向が相互に平行でありかつ同一方向である請求の範囲第１項に 記載のデバイス。
6. ６．分子の傾斜角が１０度から４５度の範囲内である請求の範囲第１項に記載の デバイス。
7. ７．前記２つの偏光子が光軸を直交させて配設されている請求の範囲第１項に記 載のデバイス。
8. ８．前記液晶材料の正味の自発分極係数が０．１ｎＣ／ｃｍ２より大きい請求の 範囲第１項に記載のデバイス。
9. ９．前記液晶材料の正味の自発分極係数が１．０ｎＣ／ｃｍ２より大きい請求の 範囲第１項に記載のデバイス。
10. １０．前記液晶材料が１００℃までの動作温度範囲に亘ってスメクチック相を有 する請求の範囲第２項に記載のデバイス。
11. １１．前記液晶材料が４０℃までの動作温度範囲に亘ってスメクチック相を有す る請求の範囲第２項に記載のデバイス。
12. １２．前記液晶材料層の厚さが１５ｕｍまでである請求の範囲第１項に記載のデ バイス。
13. １３．前記電極を、Ｘ−ｙマトリックスアレーを形成するストリップ電極のパタ ーンとした請求の範囲第１項に記載のデバイス。
14. １４．前記電極を、ｒ−θマトリックスアレーを形成するストリップ電極のパタ ーンとした請求の範囲第１項に記載のデバイス。
15. １５．マトリックスアレーにアドレスするための駆動回路をさらに含んで成る請 求の範囲第１３項に記載のデバイス。
16. １６．前記電極を数値表示用のセグメントのパターンとした請求の範囲第１項に 記載のデバイス。
17. １７．後方に少なくとも部分的に反射する鏡を配設して、液晶材料および偏光子 を通して光を反射して戻すように構成されている請求の範囲第１項に記載のデバ イス。
18. １８．遅延器プレートを含む請求の範囲第１項に記載のデバイス。