JPH06105332B2

JPH06105332B2 - 強誘電性液晶光シヤツタ−

Info

Publication number: JPH06105332B2
Application number: JP2292086A
Authority: JP
Inventors: 豊中川; 幸雄遠藤; 哲郎松本
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1986-02-06
Filing date: 1986-02-06
Publication date: 1994-12-21
Anticipated expiration: 2009-12-21
Also published as: JPS62182719A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は強誘電性液晶を用いた光シャッターに関するも
のである。

［従来の技術］強誘電性液晶は、高速応答性および双安定性を示すこと
が見い出されており、種々の応用が試みられている。プ
リンターヘッド用光シャッターはその一例であり、液晶
プリンターヘッドの弱点の１つであった応答速度を改良
することが期待されている。

液晶プリンターヘッドとは、電子写真方式を液晶光シャ
ッターとを組み合わせたものである。こうした光シャッ
ターでは、ある一定時間のみ光を透過し、他の時間では
すべての光を遮断しなければならないという動作上の特
徴がある。そこで従来は、強誘電性液晶の層厚みを１〜
３μｍ程度に薄膜化した素子を構成し、双安定状態とし
て電界の極性により２種のドメイン間をスイッチングす
る方法が一般的であった。（特開昭56-107216）この方法は、マルチプレックス駆動を可能にするという
利点を有するものの、実用上は次の問題があった。第１
に双安定性は必ずしも完全なものではなく、光を遮断す
べき時にその漏れが生じやすいこと、そして第２に、電
極対向部における液晶分子の配列は電界によって制御で
きるものの、他の部分では配列を制御する方法が無いこ
とである。即ち、双安定状態を利用するがために、電極
対向部以外はONとOFFの２種の状態が共存することにな
り、光シャッターとして用いるためには、その部分に遮
光膜を設けねばならないという実用上の問題点があっ
た。

また、強誘電性液晶を用いた素子としては、ラセン構造
の電界による解消を応用した方法もある。（特開昭58-1
73719）しかしながら、この方法においても、遮光膜が必要であ
ること、また光シャッターのON/OFFは常に電界によって
行なわれるために、殆ど常時直流電界が印加され、動作
の安定あるいは耐久性に難点があった。

［発明の解決しようとする問題点］本発明の目的は、従来技術が有していた前述の欠点を解
消とするものである。従来の双安定効果を用いた素子で
は、正・負の両ドメイン間のエネルギー障壁が小さいた
めに容易に誤動作を生じ、動作の安定を欠いていた。ま
たラセンピッチ解消を用いた素子では、ほとんどの時間
でオフ状態である光シャッターの駆動時に直流電界を印
加し続けねばならず、動作電圧の安定性あるいは信頼性
に欠けるといった問題点を有していた。

また、両者共に電極対向部以外に遮光膜を設けねばなら
ず、価格問題のみならず、微細パターンを要求される用
途に対応できないといった問題を持っていた。

本発明は動作の安定性に優れた強誘電性液晶光シャッタ
ーを提供することを目的とするものである。

［問題点を解決するための手段］本発明は、前述の問題点を解決すべくなされたものであ
り、少なくとも一対の電極を有する基板間に強誘電性液
晶を挟持したセルと、少なくとも一枚の偏光板と両電極
間に電圧を印加する手段とを有する強誘電性液晶光シャ
ッターにおいて、電圧無印加時にその液晶分子の配列方
向が基板にほぼ平行であり、一方向に配列した単安定状
態を示し、かつ一方の極性の電圧のみにより液晶分子の
配向状態が変化するようにされ、この液晶層に時間に対
する積分値が０になるような交流電圧を印加することを
特徴とする強誘電性液晶光シャッターを提供するもので
ある。

第１図は、本発明の基本的な液晶光シャッターに使用さ
れる素子の断面図と装置の模式図である。一対の透明基
板（1a）、（1b）の表面に、それぞれ透明な導電膜（2
a）、（2b）と配向制御膜（3a）、（3b）を形成する。
導電膜（2a）、（2b）は、基板間に保持された液晶層
（４）に電界を印加するための電極であり、In₂O₃ある
いはSnO₂等からなり、所定のパターン形成がされてい
る。

配向制御膜（3a）、（3b）は電圧無印加時に、液晶分子
を基板に対しほぼ平行でかつ一方向に配列し、かつ一方
の極性の電界にのみ液晶分子が応答する単安定状態を与
えるためのものである。代表的な方法としては、有機高
分子膜、特にポリイミド系高分子膜を形成し、布で一定
方向にラビングした後に、ラビング方向が互いに平行に
なる如く２枚の基板を対向させたセルを構成し、液晶を
注入した後に電圧印加する方法がある。

このような配向処理を行なったのち、該基板が平行、か
つ一定の間隔で保持されるように、スペーサー、例え
ば、有機ビーズ、アルミナ粒子をはさみ、シール剤
（５）で周囲を固定し、セルとする。この際、２枚の基
板の配向制御方向は、お互いに平行になるようにする。

その後、強誘電性液晶組成物を、コレステリック相、あ
るいは等方相まで加熱し、セルに注入した後、封止す
る。セルの外側に２枚の偏光板（6a）、（6b）を、その
偏光軸がお互いに直交もしくは平行かつ一方の偏光軸と
基板の配向制御方向が一致もしくは直交するように、配
置する。基板（1b）側に、光源（８）を置き、反対側へ
光が透過するようにする。

駆動回路（７）によってセルに印加される電圧は、時間
に対する積分値が０になる如く交流化されており、かつ
一方の極性のみが液晶の配列構造変化に寄与し、その結
果光透過率変化をもたらす。

使用する液晶に関しては、強誘電性を示す液晶ならば、
本発明は有効であるが、応答速度あるいは配向制御の容
易さから、カイラルスメクチックＣ相がより好ましい。

カイラルスメクチックＣ相を有する単体液晶としては、
次のようなものがある。

以下の例でR^*は不齊炭素又はハロゲンを有するアルキル
基又はアルコキシ基を示し、Ｒは直鎖アルキル基又は直
鎖アルコキシ基を示し、一つの化合物に同一のR^*,Rが示
されていてもそれらは同一の基とは限らない。

又、上述のようなカイラルスメクチックＣ相を示す液晶
に他の液晶を加えてその特性を改善してもよく、これに
は公知の種々の液晶又は非液晶の液晶用添加物が使用が
でき、例えば以下のようなものがある。

本発明では、カイラルスメクチックＣ相を有する液晶化
合物の少なくとも１つと必要に応じて他の液晶化合物又
は非液晶の液晶用添加物を加えた液晶組成物であって、
液晶組成物としてカイラルスメクチックＣ相を示すもの
であれば使用でき、上述の化合物は単に例示にしかすぎ
ない。

配向制御膜（3a），（3b）としては、前述の如く、両基
板面共に同一種類の膜を用いても可能であるが、電圧無
印加時に単安定性をより安定にするために各々異なった
種類の配向制御膜を組合せて用い、かつ少なくとも一方
を布等でラビングすることがより好ましい。配向制御膜
の組合せとしては、ポリイミド，ポリビニルアルコー
ル，ポリアクリロニトリル等の有機高分子膜、SiO₂,Al₂
O₃,SiZrO₄等の無機酸化物膜，シランカップリング剤で
表面処理されたガラス基板等から選ばれた２種を用いて
ラビング処理することが好ましい。

また、配向膜の性質としては、液晶の自発分極と相互作
用を持ち、自発分極の極性によって液晶分子の配向方向
が一定化することが必要である。従って、両配向膜（3
a），（3b）間で一定方向に配列するためには、一方の
配向膜の表面近傍には正の電荷が、他方には負の電荷が
蓄積されるような状態が最も好ましい。

このように配向処理したセルに強誘電性液晶組成物を注
入して、注入口を封止する。このセルを加熱するか、加
熱した強誘電性液晶組成物をセル間に注入するかして、
一旦強誘電性液晶組成物をカイラルスメクチックＣ相の
上のコレステリック相あるいは等方相まで加熱する。

次いでこのセルを、カイラルスメクチックＣ相まで冷却
し、観察すると、液晶分子は様々な方向を向いているこ
とがわかる。このセルをこの温度に保持して電極（3
a），（3b）を用いて直流バイアス電圧を有する電界を
印加する。

この直流バイアス電圧を有する電圧としては、単に直流
電圧のみでもよいが、直流と交流とを重畳した電圧を印
加することが、初期配向をとるための温度範囲が広くか
つ低電圧ですむことから好ましい。

この直流と交流とを重畳する場合、直流と交流の比は5
0:1〜1:1が好ましく、配向欠陥の少ない良い配向が容易
に得られる。

また、交流に直流を重畳するのと同様の効果を得る方法
として、交流において正の電界を印加する時間と負の電
界を印加する時間の比（以下、これをデューティーと呼
ぶ）を通常の1:1からはずし、好ましくは9:11〜1:20と
することにより低電圧又は短時間で良好な配向を得るこ
とができる。特に、少ない時間で良好な配向を得るに
は、2:3〜3:17のデューティーの範囲が特に好ましい。

もちろんデューティーが1:1以外の交流に直流を重畳さ
せることもできる。この交流としてはサイン波、矩形
波、三角波等種々のものが使用できる。この交流の周波
数は、1KHz以上が好ましい。

印加する電界は、スレシュホールド電圧の２〜100倍程
度であるが、初期配向をとる温度、波形、時間等により
変化するので、夫々の液晶に適した範囲に実験的により
定めればよく、又、時間も数十秒から数分程度でよい。

この初期配向をとる温度範囲は、カイラルスメクチック
Ｃ相の上限温度に近い温度範囲であり、特に、カイラル
スメクチックＣ相の上限温度、例えばカイラルスメクチ
ックＣ相−コレステリック相転移温度とその温度から10
℃低い温度との間の10℃の範囲が好ましい。

この初期配向は、液晶セル製造時には必ず必要となる
が、その後は配向がくずれたときのみに必要となり、具
体的には、液晶の結晶化とか高電圧印加より配向不良を
生じたとき等がある。

使用する液晶に関しては、強誘電性を示す液晶ならば、
本発明は有効であるが、特に、カイラルスメクチックＣ
相より高い温度において、コレステリック相、あるいは
ネマチック相をもつ液晶に対して、良好な配向が得られ
る。

［作用］本発明では、強誘電性液晶層は単安定性を示すものであ
り、電圧を印加したときには、分子配向が変化するが、
電圧を切るとその分子配向がもどる性質を有している。
ただし、通常の強誘電性液晶表示装置の場合と同様、電
圧を徐々に変化させていった場合、ヒステリシス特性を
示し、ある電圧範囲内では双安定性を示す性質を有して
いるが、本発明では電圧無印加時には双安定性を示さな
いようにする。

第２図は、本発明の強誘電性液晶光シャッターに三角波
を徐々に印加していった時の電圧−光透過率の関係を示
す図であり、電圧が徐々に増加するとある点から急に光
透過率が増加し、次いで飽和し、次いで電圧を徐々に下
げていくと、前記電圧を下げてきたときの光透過率が増
加した電圧よりもかなり低い電圧で光透過率が低下を始
めるパターンを示す。

第３図（ａ），（ｂ）は、本発明の分子の配向方向と、
偏光板の偏光方向および電気光学効果を説明する説明図
であり、基板（1a）側から見た状態を示す。電界無印加
時には（ａ）の状態にあり、分子長軸方向と偏光軸（9
a,9b）が互いに平行もしくは直交しており透過率は小さ
くなる。一方電界（E₁）の影響で分子長軸が偏光軸より
角度θだけ傾いた場合（ｂ）次式で表わされるように液
晶の屈折率異方性（Δｎ）とセルギャップ（ｄ）との積
に依存した透過率になる。

ここでI₀は入射光強度と偏光板の透過率で決められる定
数、λは波長である。

次いで電圧の印加をやめると液晶層は（ａ）の状態にも
どろうとするが、本発明では逆極性の電界（E₂）を印加
し、このもどるスピードを速くするとともに、印加され
る交流パルスの時間に対する積分値が０となるようにさ
れ、これにより直流成分が残存しないようにされる。

この交流パルスは、液晶層が配向方向を変化させるスレ
シュホールド電圧以上の電界E₁を光シャッターの光透過
率を変化させたい時間t₁の間印加し、次いで逆極性の電
界E₂を時間t₂印加し、E₁×t₁＝E₂×t₂となるようにされ
る。もちろん、例えばE₁を一定とせずに液晶層の配向方
向が変化した後段階状にあるいは徐々に低下するように
させてもよい。もっとも｜E₁｜＝｜E₂｜とし、対称の交
流パルスとすることが回路設計上は容易である。

又、偏光板は、前述の説明ではセルの両該表面に２枚配
置したが、液晶中に２色性色素を含める場合には１枚で
もよい。又、偏光板の位置も基板の外側でなくてもよ
く、基板と電極との間、電極と液晶層との間でもよく、
偏光板自体を基板として用いてもよい。

この外、基板上にTFT、ダイオード、MIM素子等を形成し
て能動素子基板としたり、カラーフィルターを併用した
り、液晶層を２層以上にしてもよく、種々の応用が可能
なものである。

［実施例］ In₂O₃の透明電極をパターニングしたガラス基板の表面
をガーゼで一定方向にラビングし、ラビング方向が互い
に平行になるように透明電極面を相対向配置し、約２μ
ｍのアルミナスペーサーを介して間隙を形成した後に周
辺をシールしてセルとした。このセルに第１表記載のカ
イラルスメクチックＣ相を示す液晶組成物を、カイラル
スメクチックＣ相を示す上限温度（以下転移温度とい
う）68.6℃よりも高い80℃において加熱注入した後に注
入口をエポキシ樹脂で封止した。次いで転移温度以下の
63℃に保持して50V,10KHzの交流に5Vの直流を重畳させ
た電界を30秒間印加したところ、液晶分子がラビング方
向に整列した均一な配向が得られた。該セルに、液晶の
分子軸と平行および直交するように、２枚の偏光板を貼
り合わせて光シャッターセルを構成した。

50℃において該光シャッターセルに第４図（ａ）に示す
パルス幅5msの交流化された駆動電圧を印加したとこ
ろ、第４図（ｂ）に示すように、電圧無印加時に安定し
た遮光状態が得られた。

応答速度は、０から＋10Vへ電圧が変化した場合、約1.2
msec、また＋10Vから−10Vへ変化した場合約0.3msecで
あった。

実施例２配向制御膜として、SiZrO₄膜（株式会社日板研究所製グ
ラスカ G401）を塗布した後に180℃で15分乾燥した後、
一方はガーゼでラビング、また一方はラビングせずに実
施例１と同様の手法でセルを構成した。液晶として、２
−メチルブチル−ｐ−（ｐ−ｎ−デシロキシベンジリデ
ンアミノ）シンナメートを用い、120℃に加熱して液晶
注入した後に80℃まで冷却した。このセルは、電圧無印
加時で均一な配向を示し、また80℃での応答速度は、０
から＋10Vへ電圧が変化した際、120μsec、＋10Vから−
10Vへ変化した際に80μsecであった。

実施例３配向制御膜として、一方はポリイミド膜（日立化成製:P
IX・5400）、また他方にはシランカップリング剤（信越
化学製:KBM603）を処理した後にガーゼでラビングし、
実施例１と同様のセルを構成したところ、セル面内のす
べての場所で一様な配向状態となった。その結果、液晶
分子配列方向と直交および平行に２枚の偏光板の偏光軸
を設けることにより、実施例１と同様に電圧無印加時に
安定した遮光状態となり、遮光膜を設けなくても十分に
暗い状態に保てることが確認された。応答速度は、０か
ら＋10Vへ電圧が変化した場合、約1.0msecで実施例１よ
りもやや速く、また＋10Vから−10Vへ変化した場合、約
0.3msecで実施例１とほぼ同じであった。

［発明の効果］本発明は、電圧無印加時に液晶分子が一方向に配列した
単安定性の強誘電液晶セルを用い、交流駆動することに
より、光シャッターとして安定な動作を実現できるもの
であり、特に配向膜を非対称比とすることで高コントラ
スト化を実現でき、電極の非対向部でも遮光層を設ける
必要がないという実用性の高い液晶光シャッターであ
り、印加される電圧の時間に対する積分値が０となるよ
うにされているため、直流電圧が残存しなく長寿命の光
シャッターが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の基本構成を示すセルの断面図と装
置の模式図、第２図は単安定性を説明する電圧−光透過
率図、第３図（ａ），（ｂ）は実施例の液晶層における
電圧の効果の説明図、第４図（ａ），（ｂ）は印加電圧
波形と光シャッターの透過光強度変化の特性を示す図で
ある。 1a,1b……透明基板 2a,2b……透明導電膜 3a,3b……配向制御膜４……液晶５……シール剤 6a,6b……偏光板７……駆動回路８……光源 9a,9b……偏光軸 10……液晶分子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一対の電極を有する基板間に強
誘電性液晶を挟持したセルと、少なくとも一枚の偏光板
と両電極間に電圧を印加する手段とを有する強誘電性液
晶光シャッターにおいて、電圧無印加時にその液晶分子
の配列方向が基板にほぼ平行であり、一方向に配列した
単安定状態を示し、かつ一方の極性の電圧のみにより液
晶分子の配向状態が変化するようにされ、この液晶層に
時間に対する積分値が０になるような交流電圧を印加す
ることを特徴とする強誘電性液晶光シャッター。
【請求項２】該強誘電性液晶がカイラルスメクチックＣ
液晶である特許請求の範囲第１項記載の強誘電性液晶光
シャッター。
【請求項３】該一対の透明基板の液晶に接する表面に
は、各々異なる液晶配向制御膜を設け、かつ少なくとも
一方をラビングする特許請求の範囲第１項記載の強誘電
性液晶光シャッター。