JPH0512687B2

JPH0512687B2 -

Info

Publication number: JPH0512687B2
Application number: JP56109732A
Authority: JP
Inventors: Koji Kuroda
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 1981-07-14
Filing date: 1981-07-14
Publication date: 1993-02-18
Also published as: JPS5810721A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、らせん構造を有する液晶を用いる記
憶型液晶表示素子に関し、更に詳しくは中間電圧
あるいは中間温度状態で準安定な透明状態を維持
できる時間、すなわち緩和時間をより長くするこ
とにより表示特性、特に書込消去操作特性を改善
した液晶表示素子を提供するものである。従来のらせん構造を有する液晶を用いる記憶型
液晶表示素子による記憶表示方法には、大別し
て、コレステリツク系液晶を垂直ないし水平配向
と組合せて電圧印加により散乱表示する方法と、
スメクチツク系液晶を弱い垂直ないし水平配向と
組合せて電圧印加と温度制御によつて散乱表示す
る方法がある。これら記憶型液晶は、温度への差
はあるが、いずれも、電圧ゼロで散乱状態と透明
状態とが共存し、電圧上昇とともに中間電圧で散
乱を呈し、さらに高電圧において強制ネマチツク
状態となり透明化する性質を有する。また、これ
ら液晶は、高電圧で透明化した後、電圧を下げて
中間電圧（あるいは中間温度）としたときにはヒ
ステリシス効果により透明状態で一定の時間内で
あれば準安定化する。液晶マトリクス表示素子に
おいては、ほとんどの画素（単位表示部）に上記
準安定状態を維持する中間電圧（あるいは中間温
度）を与えつつ所望の画素に書込あるいは消去操
作（アドレス）を順次行い全体として所望の表示
を行う。しかしながら、記憶型液晶において、上
記準安定状態を持続できる時間は限られており、
この時間内においてアドレスを終了する必要があ
り、温度変化やセル厚のばらつきによる液晶の特
性変化があると、表示不能または不均一な表示に
なるため、実用上、記憶型液晶表示素子の使用可
能温度範囲は狭く、またセル厚の許容範囲は狭い
ものとなつていた。本発明者は、上述の問題を解決すべく研究した
結果、液晶と接する電極板上に設ける配向膜とし
て特定の光学活性樹脂からなるものを用いれば、
上記準安定状態の持続時間が延長され、結果とし
て電圧、温度、セル厚の許容範囲が拡大でき、ま
た表示可能な画素数も増大できることを見出し
た。本発明の液晶表示素子は、このような知見に
基づくものであり、より詳しくは、本発明は相転
移に基づく光散乱状態の変化を利用した記憶型液
晶表示素子に関するものであつて、らせんピツチ
が5μ以下のらせん構造を有し、コレステリツク
液晶の単品または混合物、スメクチツク液晶また
はネマチツク液晶と旋光性物質の混合物、および
らせんを持つスメクチツク液晶からなる群から選
択され、かつ、正の誘電異方性を有する液晶の表
面に、この液晶に対して逆のらせん方位を誘導す
る光学活性樹脂からなる配向膜が接触するように
形成され、さらにこれら液晶および配向膜が、少
なくとも一方が透明の一対の電極基板によつて挟
持されてなることを特徴とするものである。以下、実施例について本発明を参照しつつ更に
具体的に説明する。第１図は、本発明の一実施例にかかる液晶表示
素子の概念的積層構造を示す斜視図である。第１図において、一対の透明基板１ａ，１ｂの
それぞれ対向する一面上には、列電極膜２ａ、行
電極膜２ｂが設けられ、これらがそれぞれ電極基
板を構成する。更に電極膜２ａ，２ｂ上にはそれ
ぞれ一対の光学活性樹脂からなる配向膜３ａ，３
ｂが形成され、それらの間には、らせん構造を有
する液晶４が挾持される。図示しないが、電極膜
２ａ，２ｂの個々は、それぞれ独立に電位を与え
られる駆動電源端子に接続され、また構成される
素子（セル）の周囲部には慣用のシール構造が与
えられている。配向膜３ａ，３ｂならびに、液晶
４の詳細については後述する。第１図に示すよう
な液晶表示素子の構造は、配向膜３ａ，３ｂが光
学活性樹脂からなることを除き、それ自体、公知
なものである。本発明の液晶表示素子の駆動方法もそれ自体は
公知のものが用いられ、例えば電界効果でコレス
テリツク−ネマチツク相転移を起す方法と、レー
ザー書き込み等の熱効果をこれに組合せて相転移
をより多様化する方法とがある。電界効果による
コレステリツク−ネマチツク相転移を利用した記
憶効果を有する液晶表示素子の駆動方法として
は、たとえば特開昭50−159294号公報あるいは特
開昭50−159295号公報によるものがあり、これら
方法には、表示状態を持続するために表示内容を
リフレツシユする回路が不要であり、原理的にク
ロストークをなくすことができるため、多数の走
査電極の液晶表示素子でも容易に表示できる利
点、大面積のマトリクス表示装置においても簡便
に低電力で表示を行い得る利点がある。たとえば第１図に示した液晶表示素子に上記電
界効果による駆動方法により書込−消去を行う原
理を第２図以下を用いて説明し、本発明の理解の
一助とする。第２図は、第１図の液晶表示素子において液晶
４として、らせんピツチ2μ程度の正の誘電異方
性を有するコレステリツク相液晶を用いる場合の
該液晶表示素子における印加電圧Ｖ−光透過強度
Ｔの一般的特性曲線を示すものである。液晶は、
電圧印加前は点Ａで示される透明状態にあるが、
印加電圧Ｖを徐々に増大してスレツシヨルド電圧
V_Lより大きくすると、特性線l₁に沿つて透過強度
が減少し、特性線l₂の領域の不透明状態となる。
そしてこの不透明状態から電圧Ｖを減少すると、
今度は、特性線l₃に沿つて点Ｂで示される不透明
なコレステリツク状態（フオーカルコニツク状
態）になる。他方、特性線l₃で示される不透明状
態から電圧Ｖを更に増加してスレツシヨルド電圧
V_H1より大きくすると、特性線l₄に沿つて点Ｃの
透明状態（強制ネマチツク状態）となる。更にこ
の強制ネマチツク状態（Ｃあるいは後述するスレ
ツシヨルド電圧V_H2以上における点Ｄ）から遷移
の中間段階のコレステリツク状態（Ｇ状態）が出
現するまでの時間である緩和時間τ_NC以内に電圧
Ｖを零に低下させると特性線l₅に沿つて点Ａの透
明なコレステリツク状態（基底状態）に戻る。他
方、強制ネマチツク状態にある液晶にかけられて
いる電圧Ｖを、この遷移時間τ_NCよりも長い時間
かけて徐々に降下させると、降下条件により変動
はあるが、スレツシヨルド電圧V_H2までは透明状
態であり、その後に特性線l₆及びl₃に沿つて点Ｂ
の不透明なコレステリツク状態となる。また液晶
を点Ｃの透明状態にした後、スレツシヨルド電圧
V_H1とV_H2の間にある中間電圧E₁を印加し続けた
場合には、透明状態はある緩和時間Ｔの間だけ透
明状態を維持した後、特性線l₂の領域の不透明状
態となる。なお以上の特性は、交番電圧を印加した場合に
も基本的に同様である。上述したように、コレステリツク相液晶は、印
加電圧Ｖが零の場合に、第２図に示す点Ａの透明
状態と点Ｂの不透明状態の２つの状態で比較的長
期間安定化し、これを利用して記憶表示を行うこ
とができる。また、液晶に点Ａの透明状態と点Ｂの不透明状
態を与えるためには、次のような電圧印加法を適
用することもできる。すなわち、スレツシヨルド
電圧V_H1より高い電圧E₀を液晶に印加して点Ｃの
透明状態にした後、第２図および第３図Ａに示す
E₁にすると点Ｄの透明状態が維持される。この
状態から遷移時間τ_NC以内に電圧Ｖを零にすると、
第３図Ａ，Ｂに示すように第２図における点Ａの
透明状態が得られる。一方、第３図Ｃに示すよう
に第２図の点Ｄの透明状態から、τ_NC以上の時間
だけ電圧を零に維持すると、コレステリツクへの
遷移が終了した中間状態であるＧ状態になり再び
電圧E₁を印加すると第２図の特性線l₂の領域の不
透明状態に移行し、この後に電圧Ｖを零とすると
第２図の点Ｂの不透明状態を得ることができる
（第３図Ｃ，Ｄ）。このような電圧印加をＸ−Ｙマトリクス液晶表
示素子の各画素毎に行うためには、行（Ｙ）−列
（Ｘ）各電極群に下記のステツプａ）〜ｄ）に従
つて順次電圧を印加すればよい。ここでは第４図
に示すようなX₁〜X₃の３列電極群とY₁〜Y₃の３
行電極群とからなるＸ−Ｙマトリクス液晶表示素
子について説明する。ステツプａ：列電極群X₁〜X₃の電位を全てE₁に、行電極群
Y₁〜Y₃の電位を全て−E₁とし、両者が交差する
全ての画素に−2E₁（2E₁≒E₀＞V_H1）の電圧を印
加することにより、第２図の点Ｃの透明状態とす
る。ステツプｂ：次に第４図に示すように列電極群X₁〜X₃の電
位を全て零とし、行電極群Y₁〜Y₃の電位を−E₁
のままとして全画素の印加電圧を−E₁とするこ
とにより第２図の点Ｄの透明状態とする。ステツプｃ：選択された画素を不透明状態とする書込動作
は、線順次に行う。第５図に列電極X₂を走査し、
選択画素X₂−Y₂に書込を行う場合の各電極の電
位ならびに各画素にかかる電圧を示す。すなわ
ち、行電極Y₂のみにE₁（Y₁，Y₃は電位−E₁のま
ま）の電位を与え、列電極X₂のみに電位E₁（X₁，
X₃は電位０）を与えれば、画素X₂−Y₁，X₂−Y₃
には−2E₁の電圧がかかり、透明状態Ｃが保たれ
るが、画素X₂−Y₂にかかる電圧は０となる。し
たがつて、第３図Ｃ，Ｄに示すごとくこの状態で
緩和時間τ_NC以上保持すれば、次に全画素を第４
図の状態に戻して−E₁の電圧をかけたときにも
特性線l₂で示す不透明状態に移行して書込が行わ
れる。ステツプｄ：全ての列電極について走査が終了した後、全行
−全列の印加電極を零とすることにより、点Ｄの
透明状態にある全ての画素は点Ａの透明状態とな
り、特性線l₂の領域にある全ての画素は点Ｂの状
態に移行する。かくして記憶表示が行なわれる。以上のことより、上記駆動方法によれば、クロ
ストークを生ずることなく全画素の走査ならびに
記憶表示が行われる。なお上記の例は、直流電圧
±E₁を用いる例であるが、直流電圧E₁および−
E₁の代りに絶対値がE₁で位相が逆の交番電圧を
用いることもできる。上述した駆動方法の一つの問題は、各列電極の
走査にτ_NCだけ時間がかかるのに対して、それ以
外の列電極に属する画素には基本的に−E₁ある
いはE₁の電圧がかかることである。したがつて
走査列電極以外の電極は電圧−E₁またはE₁がか
かつた状態で、点Ｄの透明状態あるいは特性線l₂
で表わされる不透明状態で維持されねばならない
のに対して、電圧E₁がかかる状態で点Ｄの状態
が維持できる時間は緩和時間Ｔの間だけである。
したがつて、上述の方法で連続的に走査できる電
極列の最大数Ｎは、Ｎ×τ_NC＜Ｔで許容される範囲に止まる。このように、上記駆動方法において、緩和時間
Ｔは重要な意味を持つにも拘らず、従来の液晶表
示素子は緩和時間Ｔの長さが充分でなかつた。こ
れに対して本発明の液晶表示素子においては、配
向膜材料として特定の光学活性樹脂を用いること
により、表示に必要な相転移に要する緩和時間は
本質的に変化させることなく、緩和時間Ｔをたと
えば２〜10倍というように飛躍的に延長できるよ
うになつたものである。次に本発明の液晶表示素子の各部の材料につい
て、より詳細に説明する。本発明に用いられる液晶は、第２図の点Ａで示
される基底状態でらせんピツチが5μ以下のらせ
ん組織を有するものが用いられる。らせんピツチ
が5μを超えると、電極間隙が５〜30μ程度の表示
素子では、充分なコントラストが得られず、また
記憶時間も短かくなり、実用性に乏しい。点Ｂな
いしは特性線l₃で示される光散乱状態は液晶自身
の持つらせん構造と、配向、電界あるいは熱的な
攪乱作用とにより引き起こされるものである。こ
のような性質を有する液晶としては、コレステリ
ツク液晶の単品または混合物、スメクチツク液晶
またはネマチツク液晶と旋光性物質の混合物、ら
せんを持つスメクチツク液晶等が用いられる。液
晶の種類は問わないが、その光散乱強度は一般に
屈折率異方性の大きな液晶の方が強く、ビフエニ
ル系、シツフ系、アゾキシ系、ピリミジン系等の
液晶が実用上好ましく用いられる。また用いられ
る旋光性物質としては、その混合物により液晶状
態を損なわないものなら各種のものが用いられる
が、材料的には、コレステリツク系化合物あるい
は分子構造の一部に光学活性基を有するいわゆる
カイラルネマチツク物質が好ましく用いられる。また配向膜材料として用いられる光学活性樹脂
としては、基本的には分子構造中に光学活性基を
有する任意の樹脂が用いられるが、実用的には、
ポリアミノ酸樹脂が好ましく用いられる。ポリア
ミノ酸樹脂の具体例としては、下記の一般式で表
わされるものが好ましく用いられる。ここでC^*は不斉炭素原子、ｎは10〜10⁴の範囲
の整数であり、Ｒはたとえば以下の基(C)内は単位
アミノ酸を示す）で表わされるものが用いられ
る： −CH₃（アラニン）、

【式】

【式】 −CH₂OH（セリン）、−CH₂−CH₂−Ｓ・CH₃
（メチオニン）、

【式】

−CH₂−COOH（アスパルチン酸）、−CH₂CH₂
COOH（グルタミン酸）、 −CH₂CH₂COOR′（グルタミン酸エステル（こ
こでR′はアルキル、アルキルフエニル、フエニ
ル、又はナフチル基）、−C₄H₈NH₂（リジン）、これら光学活性樹脂を、たとえばジメチルホル
ムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスル
ホキシド、ヘキサメチルホスホアミド、γ−ブチ
ロラクトン、ｍ−クレゾール、クロロホルムまた
はジクロロエタン等のハロゲン化炭化水素、ジオ
キサンなどの溶媒に溶解した後、浸漬（デイツピ
ング）、スピンナーコーテイング、スプレーコー
テイング等の慣用法により電極板上に塗布後、溶
媒を蒸発することにより厚さ0.01〜10μ程度の配
向膜を形成する。本発明の配向膜としては、用いる液晶のらせん
構造とは逆のらせん方位を液晶に誘導する光学活
性樹脂が用いられる。光学活性樹脂として、ポリ
アミノ酸を用いる場合に、特定の液晶と組合せる
単位アミノ酸としてＬ型とＤ型のいずれを選ぶか
は一概には決められないことである。これは単位
アミノ酸の重合によりポリアミノ酸を得るに際し
て光学活性基の反転がしばしば認められるからで
ある。しかし、特定のアミノ酸についてＬ型のア
ミノ酸から得られるポリアミノ酸とＤ型のアミノ
酸から得られるそれとでは、液晶に誘導されるら
せん方位は一般に逆となるので、特定の液晶に対
していずれの型のポリアミノ酸を用いるべきかは
簡単な実験により決定できることである。本発明に用いられる電極基板ならびにシール構
造は、従来より液晶表示素子に用いられるものと
特に異るものではないので、ここであらためて述
べる必要はないであろう。本発明において、このような光学活性樹脂から
なる配向膜を用いることにより、緩和時間Ｔが延
長し、これを通じて種々の改善が得られる理由は
必ずしも明らかでないが、光学活性樹脂が液晶が
本来もつらせん構造とは逆のらせん方位を液晶に
誘導する性質をもつているため、実質的なネマチ
ツク状態の界面が配向面より少し離れた液晶層内
に形成されるためではないかと推定される。本発明の液晶表示素子は、レーザー書込型相転
移セルとして用いることもできる。この場合、第
１図に図示の構成において、電極膜２ａ（または
２ｂ）と光学活性樹脂からなる配向膜３ａ（また
は３ｂ）との間に、たとえば各種の染料や顔料を
含む被膜剤、多層蒸着膜等からなるレーザー波長
の吸収層を形成したものや染料を液晶に添加した
形で用いられる。このような素子の吸収層に、た
とえば半導体レーザーからのレーザー光を照射す
ることに発生する熱により液晶を溶融しあるいは
その特性の温度による変化を利用してネマチツク
化するスレツシヨルド電圧を下げてネマチツク化
して透明状態とすることができる。その後、液晶
の温度が下つても前述の準安定なヒステリシス透
明状態になる。この準安定な透明状態は、前述の
例と同様に一定時間Ｔだけ持続し、この時間内に
各画素をレーザー走査し、その後電圧を零にすれ
ば前記中間温度における透明状態の画素と不透明
状態の画素とで得られる表示が固定される。ここ
において、本発明にしたがい、光学活性樹脂によ
る配向膜を用いれば、中間温度における透明状態
の持続時間Ｔが延長され、その結果、レーザー走
査による画素数が増加するだけでなく、均一なコ
ントラストの安定した表示が得られる。本発明の液晶表示素子は、上記した電界効果型
およびレーザー書込型の表示方式に限らず、他の
コレステリツク−ネマチツク型あるいはスメクチ
ツク−ネマチツク型の相転移による散乱表示を利
用し、準安定な透明ネマチツク状態の持続時間内
に各画素の走査を行う記憶表示方式に一般に利用
可能なものであり、いずれの場合にも持続時間の
延長を通じて、画素数の増加、優れたコントラス
トの均一性および安定性、動作信頼性などの効果
が得られる。以下、製造例をあげて本発明を更に具体的に説
明する。製造例１各300本のIn₂O₃透明電極を表面に有するガラス
基板２枚の表面に、ポリ−γ−メチル−Ｌ−グル
タメートのジクロルエタン溶液をスピンナーコー
トして乾燥後厚さ0.1μの配向膜を得た。次いでコ
レステリツク相液晶としてビフエニル系N_p液晶
（チツソ(株)製GR41，90重量％）とビフエニル系
カイラルネマチツク物質（BDH社製CB15，10重
量％）との混合液晶を、上記２枚の電極板により
電極が互いにねじれの位置で直交するように挾持
し、液晶層の厚さを9μとした場合、第２図のス
レツシヨルド電圧V_H1は約11Vとなり、１列あた
りの最低走査時間は14ミリ秒となつた。そして、
この液晶表示素子を１列あたりの走査時間を16ミ
リ秒、印加電圧E₀を18V，E₁を9Vで動作させた
ところ、全画素について均一にムラなく走査、記
憶できた。一方、比較例として配向剤を垂直配向剤オクタ
デシルアミノシランに変えたところ、全体の約2/
３以上の走査を終えた時点で画面全体が不透明と
なり表示が不可能となつた。また配向剤をポリ−γ−メチル−Ｄ−グルタメ
ートとした場合にも、全体の約2/3以上の走査を
終えた時点で画素全体が不透明となり表示が不可
能となつた。なお本例の液晶表示素子では、緩和時間Ｔは10
秒以上となり、これは従来のシリコーン系配向剤
を用いた場合に比べて緩和時間が約３倍に延長さ
れたことを意味する。上記製造例においては、配
向剤がＬ型の光学活性樹脂からなり、これが液晶
に誘導するらせん方位と逆のらせん方位をとる液
晶系を組合わせることによつてすぐれた液晶０示
効果が得られることがわかる。また、本製造例で
用いられているビフエニル系Np液晶（チツソ製
GR−41）は、炭素数が２〜５の直鎖状アルキル
基ないしアルコキシ基をパラ位に有するシアノビ
フエニル液晶組成物であり、一方、ビフエニル系
カイラルネマチツク物質（BDH社製CB−15）
は、下記の構造式で表される液晶である。製造例２全面にIn₂O₃の透明電極を有するガラス板と、
全面にSiO₂とCeO₂とを順次蒸着し、赤外部を選
択的に透過する膜を形成し、次にその上にクロム
の黒色層をスパツタリングによつて形成し、更に
全面にアルミニウムの電極を形成したガラス板
の、電極上にポリ−γ−メチル−Ｄ−グルタメー
トのジクロルエタン溶液を塗布し、乾燥して厚さ
0.2μの配向膜を得た。次いでスメクチツク液晶
（BDH社製K24）に12重量％のコレステリツクク
ロライドを添加した混合液晶を上記一対の電極板
に挾持させエポキシ樹脂で周辺をシールして液晶
厚み12μの表示素子を得た。この表示素子の電極
板間に30Vの電圧をかけつつ、赤外線レーザー
（出力15W）でアルミニウム側から照射して１画
素あたり1msで約１秒間で走査してグラフイツク
像を描いた後、電圧を切つたところ、書込像は鮮
明に記憶された。また参考例として配向剤にポリ−γ−メチル−
Ｌ−グルタメートを用いた以外は上記と同様の操
作を行つたところ、書込像のコントラストに大き
なムラが見られ全面への表示ができなかつた。さらに配向剤として配向剤オクタデシルアミノ
シランを用いたところ、書込像に配向剤のムラと
見られる点状のムラが発生した。上記製造例にお
いては、配向膜がＤ型の光学活性樹脂からなり、
これが液晶に誘導するらせん方位と逆のらせん方
位をとる液晶系を組合わせることによつてのみす
ぐれた液晶表示効果が得られることがわかる。ま
た、本製造例で用いられているスメクチツク液晶
は、下記の構造式を有する液晶である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例にかかる液晶表示素
子の概念的積層構造を示す斜視図、第２図は同表
示素子の印加電圧−光透過強度特性曲線、第３図
Ａ，Ｃはそれぞれ表示素子に透明状態および不透
明状態の画素を形成するための印加電圧の時間変
化曲線、第３図Ｂ，Ｄは対応する画素における光
透過強度の時間変化曲線、第４図および第５図は
それぞれ本発明にかかる一実施例としてのＸ−Ｙ
マトリクス液晶表示素子に記憶画像を得るための
中間工程における電圧印加状況を示す素子の模式
正面図である。１ａ，１ｂ……ガラス板、２ａ，２ｂ……電極
膜、３ａ，３ｂ……光学活性樹脂配向膜、４……
液晶。

Claims

【特許請求の範囲】

１らせんピツチが5μ以下のらせん構造を有し、
コレステリツク液晶の単品または混合物、スメク
チツク液晶またはネマチツク液晶と旋光性物質の
混合物、およびらせんを持つスメクチツク液晶か
らなる群から選択され、かつ、正の誘電異方性を
有する液晶の表面に、この液晶に対して逆のらせ
ん方位を誘導する光学活性樹脂からなる配向膜が
接触するように形成され、さらにこれら液晶およ
び配向膜が、少なくとも一方が透明の一対の電極
基板によつて挟持されてなることを特徴とする、
相転移に基づく光散乱状態の変化を利用した記憶
型液晶表示素子。