JPH0711636B2 - 液晶素子 - Google Patents

液晶素子

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JPH0711636B2 JP6182886A JP6182886A JPH0711636B2 JP H0711636 B2 JPH0711636 B2 JP H0711636B2 JP 6182886 A JP6182886 A JP 6182886A JP 6182886 A JP6182886 A JP 6182886A JP H0711636 B2 JPH0711636 B2 JP H0711636B2
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    • G02F1/13Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、液晶表示素子や、液晶−光シャッターアレイ
等の液晶素子に関し、更に詳しくは、液晶分子の初期配
向状態を改善した液晶素子に関するものである。
背景技術 一般に強誘電性液晶は、電界に対して第1の光学的安定
状態と第2の光学的安定状態からなる双安定状態を有
し、一方の電界ベクトルに対して第1の光学的安定状態
に液晶が配向し、他方の電界ベクトルに対しては第2の
光学的安定状態に液晶が配向される。さらに、この型の
液晶は、加えられる電界に応答して、極めて速やかに上
記2つの安定状態のいずれかを取り、且つ電界の印加の
ないときはその状態を維持する性質を有するものとされ
ている。しかしながら、このような強誘電性液晶を用い
る液晶素子が所定の駆動特性を発揮するためには、一対
の平行基板間に配置される液晶が、電界の印加状態とは
無関係に、上記2つの安定状態の間での変換が効果的に
起るような分子配列状態にあることが必要である。たと
えばカイラルスメクチックC相またはH相(SmCまた
はSmH相)を有する強誘電性液晶については、SmC
たはSmH相を有する液晶分子層が基板面に対して垂直
で、したがって液晶分子軸が基板面にほぼ平行な一方向
に配列した領域(モノドメイン)が形成される必要があ
る。
このようなモノドメインの形成のためには、通常、基板
の少なくとも一方に対して、適当な配向処理が施され
る。従来からの配向処理法としては、適当な布や研磨材
で、表面をこするいわゆるラビング法、および無機物を
斜方蒸着する方法が知られている。
しかしながら、このような配向処理を経て形成された液
晶素子では、電界ベクトルの作用による第1、第2の光
学的安定状態間の配向の変化が同様ではない場合が多く
見られる。すなわち、第1の安定状態から第2の安定状
態への変化に必要な電界の大きさと、逆に第2の安定状
態から第1の安定状態への変化に必要な電界の大きさが
等しくない、ということが現実に起こっている。さらに
また第1の安定状態から、電界の作用により第2の安定
状態に一旦は完全に変化するが、電界を切ると、ある核
を中心に徐々に第1の安定状態にもどる現象が観測され
る場合もある。
これら2つの現像は、2つの双安定状態が完全に対称的
なものではなく、どちらか一方の安定状態がもう一方の
安定状態よりも安定であることによるものと考えられ
る。このような状態は、いわば「非対称な2つの安定状
態」と呼ぶことができよう。
このような「非対称な2つの安定状態」が存在する場
合、2つの安定状態間の電界によるスイッチングを行な
う際の閾電圧に差があるため駆動系が複雑化する等の問
題が生じ、または、第2の安定状態に第1の安定状態が
混在するために、コントラストの低下を招くという欠点
があった。
発明の目的 本発明は、上記従来技術の欠点を解決するためになされ
たもので、すぐれた双安定性を実現しうる液晶素子を提
供することを目的とするものである。
発明の概要 本発明は、以上のような点に着目してなされたもので、
液晶素子の配向膜として芳香族化合物の単分子膜を用い
ることによって、すぐれた双安定性を有する液晶素子を
実現したものである。
「非対称な2つの安定状態」が出現する原因としては液
晶材料、配向処理膜、および処理条件、温度等が考えら
れるが、本発明では、配向処理法として、ラビング法
や、蒸着法等のいわば物理的な配向効果を主とするもの
の代わりに、液晶分子に直線分子間力を作用させて配向
させる作用のある単分子膜を形成するという方法によっ
て強誘電液晶のすぐれた双安定性の実現を発見したもの
である。
一般によく知られていることであるが、単分子膜を形成
する分子は、親水性部位と疎水性部位を、その構造の中
に含んでいる。ところが、一般に知られている棒状分子
の単分子膜は基板表面に対し垂直方向に配列するので、
このような単分子膜では、上記したような液晶モノドメ
イン形成の基本となる液晶分子の水平配向は困難であっ
た。
そこで液晶を水平配向させうる単分子膜について、検討
を進めた結果、中心部に基板と平行に配列し得る大きな
π電子系をもった芳香族環をもつ化合物、すなわち芳香
族化合物の単分子膜を用いれば強誘電性液晶を水平配向
させる能力を持つことが判明した。
本発明の液晶素子は、このような知見に基づくものであ
り、一対の基板間に強誘電性液晶を封入してなる液晶素
子において、該一対の基板の少なくとも一方に芳香族化
合物の単分子膜からなる配向膜を形成したことを特徴と
するものである。
以下、実施例に従って、本発明を更に具体的に説明す
る。
実施例 本発明の液晶素子の概略構成は、配向膜の構成を除い
て、従来の強誘電性液晶素子のそれと特に異なるもので
はない。
第1図は、本発明の液晶素子の一実施例の厚さ方向模式
断面図である。この液晶素子100においては、ガラス板
またはプラスチック板などからなる一対の平行基板101
a、101bの上に、それぞれストライプ状のITO(インジウ
ム−すず−オキサイド)電極102a、102b(例えば、それ
ぞれ走査電極群および信号電極群を形成する)が形成さ
れ、更にその上に配向(制御)膜103a、103bが形成され
ている。必要に応じて電極102a、102bと配向制御膜103
a、103bの間に、ポリイミド等の絶縁膜(図示せず)を
付加的に設けてもよい。
上記のようにして処理された一対の基板101a、101bは、
それらのストライプ状電極102aおよび102bが直交するよ
うに組合され、スペーサ104を介して両者間の間隔が例
えば1μとなるように固定したのち、周縁をエポキシ樹
脂等のシール部材105でシールされてブランクセルが形
成される。このブランクセルに、一般には等方相となる
まで加熱された強誘電性液晶106が注入され、注入孔
(図示せず)をエポシキ樹脂で封じたのち、セル全体を
液晶106が、カイラルスメクチック相となる温度まで徐
冷することにより液晶セルが得られ、これをクロスニコ
ルの関係に配置した一対の偏光板107および108で挾持す
ることにより液晶素子100が構成されている。
本発明にしたがい、上記したような液晶素子構成におい
て、配向膜103a、103bの少なくとも一方が、芳香族化合
物の単分子膜により構成される。π電子系を構成する芳
香族環を有する芳香族化合物は、後述するような単分子
膜形成法に付した場合、一般に、ガラス、プラスチック
板等からなり基板に対して芳香族環を中心として平行に
配列する傾向を有するが、その配列性を向上するため
に、複数、例えば2〜40の疎水性基ないし部位を有する
ものが、好ましく用いられる。疎水性基の好ましい例と
しては、炭素数が例えば5〜30の長鎖アルキル基等が挙
げられる。
好ましい芳香族化合物の例としては、第2図に構造を図
示する化合物(I)〜(IV)が挙げられる。
特に複数の疎水性基を有する芳香族化合物の単分子膜を
形成した場合の、分子の基板に対する配列状況は、例え
ば第3図に模式的に示すようになる。すなわち、ITO電
極2を有する基板1の面に対して長鎖アルキル基等の疎
水性基3が垂直に配列し、芳香族環を含むπ電子系の平
面4が基板1に対して水平配向となる。この単分子膜の
π電子系と強誘電性液晶の中心骨格の部分との相互作用
によって、強誘電性液晶の水平配向が可能となる。
次に、このような単分子膜の形成法ならびにそのための
装置について説明する。第4図および第5図は、このよ
うな装置の一例の、それぞれ斜視図および縦断面図であ
る。
これら図中、21は液槽で、その中には水相が収容されて
いる。液槽21の内側には、二次元シリンダーとして機能
するポリプロピレン製の枠22が水平に吊られており、水
面23を仕切っている。
枠22の内側には、二次元ピストンとして機能するポリプ
ロピレン製の浮子24が浮かべられている。浮子24の幅は
枠22の内幅より僅かに狭く作ってあり、二次元ピストン
として図中左右方向に滑らかに動けるようになってい
る。
浮子24の左右方向への動作は、浮子24を滑車25を介して
右方向に引っぱる重り26によって行われる。浮子24の左
方向への動作ならびに停止は第5図に示すように、浮子
24に設けられた磁石27と、不図示の保持機構によって左
右に動くことが可能な対磁石28との反発力によって行わ
れる。
液槽21の左右には、枠22内の液面23をすすって水面23を
清浄にするための吸引ノズル29が設けられている。この
吸引ノズル29は、吸引パイプ30を介して不図示の吸引ポ
ンプに連結されている。
図中右寄りの水面23上には、担体31を保持して上下方向
に移動可能な担体上下腕32が設けられている。この担体
上下腕の移動によって、担体31は垂直に水面33横切って
上下される。
上記のような装置を用いて、芳香族化合物の単分子膜を
形成するためには、芳香族化合物を適当な揮発性溶媒
(例えばクロロホルム)に溶解し、その溶液を水面23上
に適下展開する。次いで溶媒が蒸発除去された後、浮子
24を移動させて水面23上に残された単分子膜の展開領域
を縮め、その表面圧をある一定値(例えば20dyn/cm)ま
で高める。次いで、表面圧を一定に保ちつつ、担体とし
ての基板31を一定速度(例えば10mm/min)の速度で静か
に上下させることにより、単分子膜が基板31上に移し取
られる。
この際の態様は、第6図に示される。左方の(a)で示
す部分では、単分子膜を形成する分子が水面上では疎水
性部位を上に向けて配列しており、通称「X型」と呼ば
れている態様で(b)のように基板31を降下させた時の
み、膜が1層移し取られ、結局第3図に示したような単
分子膜が得られる。
上述の方法で、単分子膜を複数層形成することは可能で
あるが、多層にすると、単分子膜は可視域に吸収を持つ
ようになり透明性が阻害されるので、本発明では1層の
みの単分子膜を形成することが好ましい。
以下、製造例に従い、本発明を更に具体的に説明する。
製造例 実質的に第1図に示す構造の液晶素子を、以下のように
して製造した。
先ず一対のガラス基板101aと101b上に、ITO電極102a、1
02bをストライプ状に1000Åの厚みでパターニングし
た。
次いで配向膜として、上述の方法により単分子膜103a、
103bを一層形成した。単分子膜形成材料としては、前記
芳香族化合物(I)〜(IV)をそれぞれ用い、これら芳
香族化合物をクロロホルムに、3×10-4mol/の濃度に
溶解して用いた。水相23としては、5×10-3mol/の濃
度で塩化カドミウムを含む蒸留水を炭酸水素ナトリウム
でpH6.3に調整したものを20℃で使用した。
スペーサー104をポリイミドで1μの高さに形成し、フ
ォトエッチングによりパターニングを行ない硬化させ
た。つづいて、シール部材105として、スペーサー104と
同一材料を用いて、上下基板を貼り付けた。
その後、カイラルスメクティック相を有する強誘電性液
晶106としてDOBAMBCを封入し、4辺を封止して、セル構
造を形成した。
次いで、このセルを液晶層106が、等方相の状態になる
まで昇温し、次いで0.5℃/hourで徐冷し配向させた。
以上のようにして作成した液晶セルの、基板101aと101b
の両側に、クロスニコル状態として偏光子107と108を、
それぞれ配置して4種の液晶素子100を形成した。この
液晶素子100においては、電極102aと102bの間に液晶106
の閾値を超える直流電圧を印加した時に液晶106が第1
または第2の安定状態に配向して、光学変調を生じるこ
とになり、この条件下でのスイッチングが観測された。
別途、配向膜として、単分子膜の代わりにITO電極基板
上にスピナー塗布によりポリイミド被膜103a、103bを10
00Åの厚みで形成し、硬化させた後、所定の方法でラビ
ングしたものを用いる以外は、上記実施例と全く同様の
方法によって比較用液晶素子を作製した。
上記で得られた比較例および4種の液晶素子についてそ
れぞれ70℃、パルス幅1m secの条件でスイッチング特性
を測定した。その結果をまとめて、下記第1表に示す。
まず、ラビング膜を配向膜として用いた比較例では、電
圧パルス幅1m secで安定状態間のスイッチングを行なう
と「非対称な安定状態」を示し、より安定な状態(上表
において「状態A」と示す)からより不安定な状態
(「状態B」と示す)への閾電圧は21.8Vであるのに対
し、状態Bから状態Aへの閾電圧は30.2Vであった。
さらに状態Aから状態Bにスイッチングした際に、スイ
ッチング後1〜2秒後により安定な状態である状態Aに
もどる現象(「もどり現象」と表示する)が見られた。
一方、配向膜として単分子膜を用いた実施例1〜4では
比較例と比べると、閾電圧の値が小さくなっており、さ
らにA→B、B→Aのスイッチングの際の非対称性も、
小さくなっており、良好な双安定性が得られた。
尚、比較例で出現したような「もどり現象」も観測され
なかった。実施例1〜4の中では、比較的大きなπ電子
系を有する化合物(III)、(IV)の単分子膜の方が閾
電圧がより小さくなっている。この結果より、強誘電性
液晶の長軸方向の長さと、単分子膜のπ電子系の大きさ
との相関関係によって閾電圧を小さくすることが可能で
あることがわかる。
発明の効果 上述したように、本発明によれば、強誘電性液晶の配向
膜として、芳香族化合物の単分子膜を用いることによ
り、双安定性を改善した強誘電性液晶素子が提供され、
且つその駆動電圧特性を含むスイッチング特性も改善さ
れる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の液晶素子の一実施例の厚さ方向模式断
面図、第2図は本発明で用いる芳香族化合物例の構造
式、第3図は基板上への芳香族化合物単分子膜の配列状
況を示す概念断面図、第4図および第5図はそれぞれ単
分子膜形成装置の斜視図および縦断面図、第6図は単分
子膜の移し取り態様を示す模式図である。 1、101a、101b……基板、 2、102a、102b……電極膜、 3……疎水性基、 4……π電子系、 100……液晶素子、 103a,103b……配向膜、 106……強誘電性液晶、 107,108……偏光板。 代表図:第1図

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一対の基板間に強誘電性液晶を封入してな
    る液晶素子において、該一対の基板の少なくとも一方に
    芳香族化合物の単分子膜からなる配向膜を形成したこと
    を特徴とする液晶素子。
  2. 【請求項2】前記芳香族化合物が、複数の疎水性基を有
    する芳香族化合物である特許請求の範囲第1項に記載の
    液晶素子。
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