JPH02168233A - 液晶素子 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は液晶を用いた電気光学素子、特に液晶として強
誘電性液晶を用いた液晶素子に関する。

〔従来の技術〕

現在、液晶を用いた電気光学素子、即ち表示素子や、プ
リンタヘッド用のシャッタアレイの開発が活発に行われ
ておシ、表示素子は広く実用化されている。しかしなが
ら、従来の液晶素子は応答速度に限界がちシ、表示素子
として広く用いられているツイストネマチクク型の応答
速度は室温に於て３０ミリ秒程度であシ、この応答速度
を１桁短縮することは極めて困難というのが常識である
。

この様な状況にあって、近年、強誘電性液晶と呼ばれる
種類のカイラルスメクチック液晶が注目を浴びている。

これはこの種の強誘電性液晶の応答速度がツイストネマ
チック型液晶に比べて、２桁から４桁はど短縮化され、
高速の応答性を有しているからである。

強誘電性液晶が示すこの様な高速応答性を最初に確認し
たのはノーエル・ニー・クラーク（ＮｏｅｌＡ−ＣＩａ
ｒｋ）とスベｙ−チー・ラゲルバル（８ｖｅｎ　Ｔ・Ｌ
ａｇｅｒｗａｌｌ）であるとされておシ、その内容は。

アプライド・フィツクス・レターズ（Ａｐｐｌ　１ｅｄ
Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　）の第３６巻第１１
号（１９８０年発行）の８９９頁から９０１頁にかけて
掲載された彼らの論文に記載されている。即ち、強誘電
性を示すカイラルスメクチック液晶は、第２図に示すよ
うに自発分極２１を持りた液晶ダイレクタ２２が層構造
をとると同時に螺旋配向を有している。このままでは自
発分極２１は螺旋軸２３０回シに均一に分布して打ち消
しあっているが、第３図に示すようにこの様な液晶を、
その螺旋軸２３と並行な２枚の基板３１．３２で挾み、
且つその間隙、即ち液晶の厚さを少なくとも螺旋構造の
ピッチ長以下に薄くすると、液晶分子２２は自発分極２
１が基板３１．３２に対して垂直となるような２つの配
向状態、即ち、液晶分子長軸の局所的な平均の配向方向
を示すＣダイレクタ−が並行に配向した２つの状態の倒
れかに強制的に配向させられる。第３図に於て額域人は
自発分極２１が下側の基板３１に伺いた状態、領域Ｂは
自発分極２１が上側の基板３２に向いた状態である。第
４図は基板の上面からみた図であシ、領域人と領域Ｂと
では液晶分子が２つの異なる配向状態４１．４２をとっ
ていることを示している。

第５図は領域Ａ１領域Ｂの２つの配向状態を、第４図の
ａ方向から見たＣダイレクタ５１の配向状態で表した図
である。第４図に示したようＫ。

この２つの領域Ａ、Ｂを２枚の互いに偏光方向が直交す
る偏光板で挾み、且つ１枚の偏光板の偏光方向４３を配
向方向４１の液晶分子に一致させて観察すると、領域Ａ
は暗く見え、領域Ｂは明るく見える。この様に、分子軸
の螺旋配向と層構造とを有するカイ２ルスメクチツク液
晶、即ち強誘電性液晶を極めて間隙の狭い２枚の電極付
基板で挾むと、液晶分子はＣダイレクタが並行に配向し
た光学的に識別される２つの配向状態を取るようになる
。しかも、強誘電性液晶はその自発分極が外部電界に直
接的に応答して、電界方向に配向する。

従って、層に並行で向きが反転する電界を印加すると、
電界の反転に応じて自発分極の向きが反転する。即ち、
第４図の領域人と領域Ｂとが電気的にスイッチングされ
る。しかも、この電気的スイッチング現象が自発分極と
外部電界の直接的な応答によるものであるために、応答
速度が極めて高速であり、前述の論文によるμ秒台の応
答速度が確認されている。また、第４図の領域Ａ、領域
Ｂの２つの状態は外部電界の印加されていない状態にお
いてもエネルギー的に安定であシ、従って２つの状態は
電気的にスイッチング可能であると同時に、外部電界を
取シ除いた後もそのままの状態で安定に存在する。即ち
、メモリ性を有する。この様に、前述の論文に記載され
ている強誘電性液晶素子は、高速性とメモリ性とを有す
るため、研究開発が進められ、大容量の表示素子の開発
例が報告されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のノーエル・ニー・クラークらが提案した表面安定
化強誘電性液晶のゴールドストーンモードを利用した液
晶素子では、均一な配向を得るためには少なくとも固有
カイラルピッチの１／４のごく薄いギャップにしなけれ
ば実現しない上に、複屈折モードを利用しているため、
セルギャップ（２枚の基板間の距離）が２μｍ程度に制
限されている。このような薄いセルを用いる場合では大
面積化、量産性に問題が生じている。一方、配向メモリ
性に関しては、一般に相反する性格を有している。すな
わち、均一な配向を得るためには、液晶の強い一軸配向
規制を実現するような配向処理法を用いる必要があるが
、この場合において、スメクチック層の歪み、いわゆる
シェブロン構造に転移しやすく、これがメモリ性を低下
させている。反対に、十分なメモリ性を実現するために
弱い一軸規制の配向処理を施すと、今度は、均一配向性
、耐衝撃性が低下するという問題が生じている。

また、５ＳＦＬＣモードでは、セル厚を薄くして、液晶
の固有カイラリティを押さえつける形で実現しているた
め、２つの配向の安定状態が実現できるものの、安定配
向状態のエネルギー値に大きな差が発生してアンバラン
スであるため、一方の配向状態の安定度が低くなシ、単
安定になる問題が生じている。また前記エネルギー値に
大きな差があることから、５ＳＦＬＣモードでは、２つ
の配向状態の間での中間状態にとどまる時間が短いので
、フルカラーに必要な中間調の実現が難しい。

本発明は上述の問題点に鑑みてなされたもので、セル厚
を厚くでき、双安定性に優れ、耐衝撃性が高く中間調の
表示も容易に実現できる液晶素子を提供することを目的
としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の液晶素子は、分子長軸の標線配向と層構造とを
有するカイラルスメクチック液晶を、層に概略平行で向
きが反転する電界を印加する電極を備えた２枚の基板で
挾持してなる液晶素子において、該２枚の基板のうち一
方の基板の液晶と接する内面に、液晶分子長軸の層面へ
の正射影の方向を示すＣダイレクタが概略平行に配向し
た第１の配向状態となる第１の配向手段を備え、もう−
方の基板の液晶と接する内面に、前記Ｃダイレクタが層
内で回転した第２の配向状態となる第２の配向手段を備
え、前記電界の向きを反転することに依って形成される
前記第１の配向状態と第２の配向状態とにある液晶領域
の透過光を区別する手段を有し、前記第１及び第２の配
向手段は該配向手段の近傍の液晶分子がこれら配向手段
及び前記基板と概略平行に配向し、前記第１の配向手段
は前記電界の印加によって該配向手段の近傍の液晶分子
がほとんど配向に変化を生じないような強い束縛力を有
し、前記２枚の基板の間隙ｄを液晶分子のＭＰ、線配向
のピッチ長Ｐに対して、Ｐ／２＜ｄ〈１０Ｐとすること
により、液晶分子長軸の捻れ角度が概略２θｔ（θｔ：
液晶のチルト角）となる構造の螺旋配向状態を形成し、
第２の配向手段はその配向処理方向を前記一方の液晶配
向方向と概略９Ｏ−２θｔｉずらし、前記電界の印加に
よって該配向手段の近傍の液晶分子までが容易に配向の
変化を生じるような弱い束縛力を有することを特徴とす
る構成罠なっている。

〔発明の作用・原理〕

第１図（ａｌに本発明に用いた液晶素子の構造を、第１
図（ｂ）に配向処理の概念図を示す。第１図（ａ）にお
いて、カイラルスメクチック液晶１３を封入するために
ＩＴＯ電極付ガラス基板１０．１４を張シ合わせてセル
を構成する。ＩＴＯ電極付ガラス基板１θｔ第１図（ａ
）の下側の基板とする。この下側の基板に極性の強い配
向膜１１を設け、さらに強い一軸性配向処理を、具体的
には、従来％　５ＳＦＬＣに用いられてきたラビング法
よシもラビング回数を１桁多くして行う事によって得る
。他方のＩＴＯ電極付基板１４．これは第１図（ａ）の
上側の基板には、極性の弱い配向膜１２を設け、特定の
方向に、ラビング処理を行うが、この方向および、その
強さについては、第１図（ｂ）の配向処理説明図に従っ
て行う。第１図（ｂ）において、配向処理方向１は、第
１図（ａ）における配向膜１１に施す強い配向の処理方
向でちる。配向膜１１は極性が強いのでカイラルスメク
チック液晶（以後、ＦＬＣと云う）の双極子モーメント
が基板に垂直に向き、かつ、ＦＬＣ分子長軸はその配向
処理方向と同じ方向に配向するようになる。この状態に
おいては、カイラル中心軸（螺施軸）は図に示す方向２
３である。上側のガラス基板近傍においては、セルギャ
ップｄをＦＬＣの固有カイラリティによるピッチＰに対
して、Ｐ／２＜ｄ＜ＩＯＰの範囲に設定することによ、
Ｑ　ＦＬＣ分子長軸が、配向処理方向１から計って、２
θｔの向きに配向することが見いだされている。これは
液晶のカイラリティがスメクチック層内のセル法線方向
にも存在することに依っている。この方向をＦＬＣ自然
配向方向４とする。この場合に形成される配向状態を第
６図（ｂ）に示す。本発明においては、上側基板の配向
膜１２に対して、ＦＬＣ自然配向方向４に対して、直角
方向で自然配向処理方向４と大略反対方向すなわち、配
向処理方向２（第１図（ｂ）参照）にラビング処理を施
す。その強さをＦＬＣの固有カイラリティによるエネル
ギーに大略等しくすると、固有カイラリティが解消され
て、ＦＬＣの配向が配向処理方向１と大略同じになる可
能性が出てくる。

この場合の配向状態を第６図（ａ）に示す。この配向状
態は従来の表面安定化強誘電性液晶（ＳＳＦＬＣ）モー
ドに於ける一方の配向状態と同じであり、直交している
２枚の偏光子でこのセルをはさんで。

一方の偏光方向をとの配向と一致させることにより、暗
状態を形成することが可能となる。

次に、上記配向状態の形成メカニズムについて、トルク
バランスの観点から考えてみることにする。

第７図によって説明する。横軸がセルの法線方向の回）
の方位角０であシ、上面近傍のＦＬＣ分子長軸の配向方
向金示す。原点を下基板の配向処理方向にとる。縦軸を
液晶の配向に関わるエネルギーとする。今の場合、実線
は、液晶の弾性エネルギーを示し、点線は表面のアンカ
ーリングエイルキーを示している。太い実線が、これら
のエネルギーの和、すなわちＦ　Ｌ　Ｃの単位面積当シ
の自由エネルギーを示している。液晶の配向エネルギー
は次式、ｋ（θ−２θｔ）２で与えられると考えられる
。ここで、には固有カイシリティに関わる弾性常数であ
る。セルギャップをｄ、固有カイラルのピッチをＰとし
て、Ｐ／２＜ｄ＜１０Ｐの間で適当な大きさに設定する
と、上面近傍のＦＬＣが自然な配向状方向４をとる場合
、すなわち、θが２θｔにおいては、液晶の弾性エネル
ギーがゼロになシ、この点からずれるにしたがって、お
およそ放物線状の弾性エネルギーを持つことになる。

一方、表面のアンカーリンクエネルギーに関しては、第
１図（ｂ）に示したように、ＦＬＣの自然配向方向４に
対して直角方向に配向処理を行っているので、ＦＬＣの
自然配向方向４においては表面のアンカーリングエネル
ギーはゼロとなる。つまシ、表面のアンカーリングエイ
ルキーの表式ハＡｓ１ｎ　　（θ−２θｔ）となる。こ
こでＡはアンカーリングの強さを示すが、これを前記の
ＦＬＣ弾性弾性及ネルキーわち、ｙ＝に／ｄ（２θ　）
２に概略等しくとると、そこでこれらの和で表されるＦ
ＬＣ配向の自由エネルギーがゼロになると同時に極小に
なっていることが分かる。さらに、θの負の領域を見て
みると、前記の弾性エネルギーは放物線からずれて、急
に大きくなると考えられる。これはスメクチック層の変
形を引き起こすからである。

このことから、上記自由エネルギーは０＝０の近傍で極
小となるので、一つの安定状態となる。

方、０＝２θｔにおいても、自由エネルギーが極小とな
るので一つの安定状態となる。このようにして、二つの
配向の安定状態が得られる。またその自由エネルギーの
大きさが二つともゼロで同じであることから二つの状態
の安定度が同程度であることによシ、双安定性が向上す
る。また二つの安定状態の間でのエネルギー障壁の高さ
がＦＬＣの固有カイラリティのエネルギーに比べて十分
小さくなっていることにより、弾性エネルギーにもとす
いていずれか一方の安定状態への緩和時間が従来の５８
ＦＬＣモードにおけるよシも長くなること、すなわち中
間状態を長く維持する可能性を持っている。

本発明による透過光のコントラストは従来の液晶素子と
同程度（数百）が得られている。これは安定状態の一方
すなわち、ホモジニアス配向と入射光偏光方向を一致さ
せることによって、そのＯＦＦレベルを従来のセルに於
ける場合と同程度に小さくすることが可能であるからで
おる。

つぎにＯｎ状態時の透過光スペクトルについて計算機シ
ミュレーションした時の例を第８図に示す。これによれ
ば、可視光領域において本発明によるモードでは、はぼ
一定の透過率が得られているのに対し、従来の５８ＦＬ
Ｃモードにおいては透過率が一定でなく色付きとなるの
で、セルの厚さを厚くするには不利であった。これは複
屈折率が実効的に小さくなっているためである。液晶デ
イスプレィのフルカラー化には、この透過率が可視光領
域で高い事が必要であシ、５ＢＦＬＣモードよシも、本
発明のモードの方がセル厚を厚くしてこれを実現できる
点で有利である。また、強い界面配向規制力を利用して
いるので、液晶素子外部からのストレスに依って一時的
に配向が乱されても元の配向に戻シやすく、備単に対し
て強い。

〔実施例〕

液晶としては、ナツツ社のＣ８１０２２を用いた。

チルト角は２０℃において２５度である。

セル形成法は、従来の５ＳＦＬＬ：とほぼ同様である。

しかしながら、ま丁セルギャップが従来、固南カイラル
ピッチの１／４以下であったところが。

本発明に必要なに’　Ｌ　Ｌ；自然配向を実現させるセ
ルギャップは、カイラルピッチの１／２となることが分
かった。そこで、セルキャップ調節用のスペーサも大き
いものを用いている。具体的には、従来、１．８μ欝の
アルミナ球をスペーサとして用いていたところ、本発明
においては３．８μｍのものを用いた。それＫよシ、従
来の固有カイラルピッチ８μｍの１／４０２μｍのセル
ギャップとしたところを、４μｍのものを得るようにし
た。第１図（ａ）に於ける極性の強い配向＠１１として
はポリビニルアルコール（ＮＬ−０５、日本合成コム社
）のｏ、ｚｗｔ％を２０００ＲＰＭｘ３Ｑｓでスピンコ
ードして下側のガラス基板１０につけ、テフロン不織布
を用いて接触長５朋で１００１００ＲＰて１００回擦６
という強いラビング処理を行って形成した。

上側基板１４の配向膜１２には極性の弱い配向膜として
、ポリイミドの２ｗｔ％（ＮＭＰ）溶液を２０００ＲＰ
Ｍｘ３０Ｓでスピンコードして形成した。

配向方向は第１図（ｂ）に準拠して決めた。配向規制力
については、ラビング条件すなわち、不織布と配向膜と
の接触長１回転速度、ラビ／グ回数を変えることによっ
て第６図ｆａ）に於けるホモジニアス配向が可能になる
ことが分かった。

上記条件にて１作製したセルに上記液晶の等吉相温度に
おいて、真空下でキャピラリー効果を用いて液晶を注入
した。等吉相温度から１℃／ｍ　ｉ　ｎ以下の徐冷をし
て室温での配向を得た。テクスチャー観察によれば、配
向は第５図の（ａｌと（ｂ）の両方の状態が均等に混じ
った状態にあることが分かった。この液晶素子に上側基
板に直流電圧ｌ■を印加したところ、液晶素子全体が第
６図（ａ）の状態になることが見いだされた。この状態
は電圧印加をやめて短絡した場合も保存されて、配向状
態が安定であることが分かった。また、逆電圧−１■を
印加したところ、液晶素子全体が第６図（ｂ）の状態に
なシ、これも安定状態に成りうることが分かった。

双安定性を調べるために、電界を印加した場合での光学
応答波形を取った。これを第９図に示す。

これによれば、電界を取シ除いた後も、安定した状態を
保っていること七印加する電界の強さによって透過率も
変わっていて、中間調が実現されていることが分かる。

本例では３ポル）、１００μｓのパルス印加時で、完全
に、反転しており、このときの透過率を１００％として
いる。また、０．５ボルト印加のパルスでは応答しない
ので、ここに、しきい値特性が出ている。これはデイス
プレィ等に応用したときのクロストークによるコントラ
スト低下を低減することが出来て有利である。

本例の透過光スペクトルは、第８図に類似の波形を示し
た。すなわち、比較するために出したホモジニアス配向
によるスペクトルが分散性が大きいのに比較して分散が
小さいのでフルカラーデイスプレィ用に有利な特徴を持
っている。また、液晶のカイラルスメクチック相の９０
％の広い領域でコントラスト１００以上が得られ、良好
であった。

〔発明の効果〕

本発明に依れば、量産化に有利なセルギャップの液晶素
子が実現できる。また、高い双安定性を保つと同時に、
中間調をも実現されている。さらに配向状態の耐衝撃性
も向上させている。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は、本発明に用いた液晶素子の構造図、同
図（ｂ）は配向処理法を説明するための図、第２図。 第３図、第４図、第５図は、従来の表面安定化強誘電性
液晶の配向とスイッチング挙動の説明図である。第６図
（ａ）　、　（ｂ）は、本発明による２つの安定配向状
態を説明するだめのモデル図である。第７図は、本発明
の配向に関わるエネルギーと配向の関係を示す図、第８
図は、セルギャップを４μｍにした時の従来モードと本
発明によるモードでの透過光スペクトルを示す図、第９
図は、パルス光を印加した時の透過率の大きさとその保
持力、双安定性、中間調を示している図である。 以上の図において、１・・・配向処理方向、２・・・配
向処理方向、１０・・・ＩＴＯ電極付きガラス基板、１
１・・・配向膜、１２・・・配向膜、１３・・・強誘電
性液晶、１４・・・ＩＴＯ電極付きガラス基板、２１・
・・自発分極、２２・・・液晶ダイレクタ％　２３・・
・螺旋例、３１・・・基板、３２・・・基板、４１・・
・配向状態、４２・・・配向状態、４３・・・偏光方向
、５１・・・Ｃダイレクタ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 分子長軸の螺線配向と層構造とを有するカイラルスメク
   チック液晶を、層に概略平行で向きが反転する電界を印
   加する電極を備えた２枚の基板で挾持してなる液晶素子
   において、該２枚の基板のうち一方の基板の液晶と接す
   る内面に、液晶分子長軸の層面への正射影の方向を示す
   Ｃダイレクタが概略平行に配向した第１の配向状態とな
   る第１の配向手段を備え、もう一方の基板の液晶と接す
   る内面に、前記Ｃダイレクタが層内で回転した第２の配
   向状態となる第２の配向手段を備え、前記電界の向きを
   反転することに依って形成される前記第１の配向状態と
   第２の配向状態とにある液晶領域の透過光を区別する手
   段を有し、前記第１及び第２の配向手段は該配向手段の
   近傍の液晶分子がこれら配向手段及び前記基板と概略平
   行に配向し、前記第１の配向手段は前記電界の印加によ
   って該配向手段の近傍の液晶分子がほとんど配向に変化
   を生じないような強い束縛力を有し、前記２枚の基板の
   間隙ｄを液晶分子の螺線配向のピッチ長Ｐに対して、Ｐ
   ／２＜ｄ＜１０Ｐとすることにより、液晶分子長軸の捻
   れ角度が概略２θ＿ｔ（θ＿ｔ；液晶のチルト角）とな
   る構造の螺旋配向状態を形成し、さらに、前記第２の配
   向手段はその配向処理方向を前記一方の液晶配向方向と
   概略９０−２θ＿ｔ度ずらし、前記電界の印加によって
   該配向手段の近傍の液晶分子までが容易に配向の変化を
   生じるような弱い束縛力を有することを特徴とする液晶
   素子。