JPH08201774A - 反強誘電性液晶素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 黒輝度を充分に低下することができ、高コン
トラスト表示を実現することができる反強誘電性液晶素
子を提供することを目的とする。 【構成】 予め、信号電極１２ａと選択電極１２ｂとの
間に、反強誘電性液晶層１５が分解しない程度の低周波
で高電圧の交番電界が一定期間印加される。この交番電
界によって誘起される自発分極により液晶分子が応答し
て運動する。この分子運動によって、反強誘電性液晶層
１５が擬似ブックシェルフ構造となる。これにより、反
強誘電性液晶層１５におけるジグザグ欠陥や放物型フォ
ーカルコニック欠陥を消失し、良好な配向状態を実現す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光シャッタや表示装置
などに用いられる反強誘電性液晶素子に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】反強誘電性液晶は、チャンダニらによっ
て発見された（ジャパン・ジャーナル・アプライド・フ
ィジックス 1989年28号L1256頁（Jpn.J.Appl.Phys., N
o.28,p.L1256, 1989 ））。

【０００３】反強誘電性液晶素子の従来技術の一例を、
図面を用いて以下に説明する。図２は反強誘電性液晶の
模式図である。図２において、２１はコーン、２２は層
法線、２３は液晶分子、２４は偏光板の吸収軸、２５は
螺旋ピッチの1/2 である。

【０００４】図３は、反強誘電性液晶素子の表示原理を
示す模式図であり、液晶を封入した対向基板を基板上方
より見た図である。図３において、３１は液晶分子、３
２は層法線、３３は自発分極Ｐｓ、３４は偏光板の吸収
軸、３５は印加電界の方向であり、図３（ａ）の場合
（・印）は図面に対して手前方向の電界を示し、図３
（ｃ）の場合（×印）は図面に対して前方方向の電界を
示している。

【０００５】以上のような構成要素からなる従来の反強
誘電性液晶素子について、その動作を以下に説明する。
配向処理が施された対向基板間に封入され、基板に垂直
な方向に層をなした反強誘電性液晶は、電圧が印加され
ていない状態（無電界）では、図２や図３（ｂ）に示す
ように、自発分極Ｐｓ３３が交互に逆方向をなしている
ため、全体としては相殺されている。

【０００６】そして、対向基板間に一定の閾値以上の電
圧が印加されると、反強誘電性液晶内において、図３
（ａ）や図３（ｃ）に示すように、電界の方向に応じて
強誘電相が誘起される。

【０００７】従って、例えば図３のように、液晶を封入
した対向基板を、吸収軸３４の一方が層法線３２の方向
と一致するように配置された一対のクロスニコル偏光板
間に設置すれば、図３（ｂ）に示す閾値電圧以下の電界
印加での反強誘電相状態では暗状態が得られ、図３
（ａ）や図３（ｃ）に示す閾値電圧以上の電界印加での
強誘電相状態では複屈折効果による明状態が得られる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな従来の反強誘電性液晶素子では、図２や図３（ｂ）
に示す反強誘電相、特に、液晶封入直後で電圧が印加さ
れる前の初期の反強誘電相の状態では、図４に示す反強
誘電性液晶の初期配向状態での層構造の模式図のよう
に、シェブロン構造をとっており、４１は層であり、ヘ
アピン欠陥４２やライトニング欠陥４３などの配向欠陥
が生じやすいという問題点を有していた。

【０００９】ここで、シェブロン構造について簡単に説
明する。スメクティック液晶を封入して配向させる主な
方法としては、等方相で液晶を封入し、その後、徐冷に
より常温まで温度を降下する方法がある。この方法によ
ると、温度降下に従って相変化によりスメクティック相
で層構造が生じ、更に、カイラルスメクティック層に相
転移して、このとき、液晶分子がティルトし、螺旋構造
が生じ、層間隔が狭くなる。この体積変化を緩和するた
めにシェブロン構造が生じる。

【００１０】強誘電性液晶では、層間の相互作用が弱
く、シェブロンの方向の逆転によるヘアピン欠陥４２や
ライトニング欠陥４３のジグザグ欠陥が生じて、体積緩
和を補強することが多い。それに対して、反強誘電性液
晶では、自発分極を全体として相殺する必要があるため
層間の相互作用が強く、そのためジグザグ欠陥が生じに
くく、放物型のフォーカルコニック欠陥が生じることで
体積変化の緩和を補強していると考えられる。

【００１１】従って、反強誘電性液晶素子においては、
この放物型のフォーカルコニック欠陥が、暗状態の中で
白い輝線上の欠陥となって現れ、黒輝度が上昇し、コン
トラストの低下を招くという問題点を有していた。

【００１２】また、反強誘電性液晶は、電界により自発
分極が誘起されるので、反強誘電性液晶素子の電源を切
断した後に電極に残留する電荷による電界により、電源
切断後も強誘電相が誘起されたままとなり、しかも、こ
の残留電界は直流であるため、液晶の配向に著しい悪影
響を及ぼすという問題点をも有していた。

【００１３】本発明は、上記課題を解決し、黒輝度を充
分に低下することができ、高コントラスト表示を実現す
ることができる反強誘電性液晶素子を提供することを目
的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１に記載の反強誘電性液晶素子は、
対向する基板の面上に、信号電極と選択電極とがマトリ
クス状に配置された透明電極が形成され、前記対向する
基板の少なくとも一方の面上に配向処理が施された基板
対を有し、前記基板対の基板間に反強誘電性液晶を挟持
し、前記信号電極と選択電極との間に、予め、最大振幅
電圧が１０ボルト以上５０ボルト以下の交番電界を、一
定期間印加する手段を備えた構成とする。

【００１５】請求項７に記載の反強誘電性液晶素子は、
請求項１から請求項６のいずれかに記載された信号電極
と選択電極との間に印加する交番電界を、矩形波とする
構成とする。

【００１６】請求項８に記載の反強誘電性液晶素子は、
請求項１から請求項７のいずれかに記載された信号電極
と選択電極との間に印加する交番電界の最大振幅電圧と
周波数を、その交番電界を印加する際の反強誘電性液晶
素子の温度に応じて調整する構成とする。

【００１７】請求項１０に記載の反強誘電性液晶素子
は、対向する基板の面上に、信号電極と選択電極とがマ
トリクス状に配置された透明電極が形成され、前記対向
する基板の少なくとも一方の面上に配向処理が施された
基板対を有し、前記基板対の基板間に反強誘電性液晶を
挟持し、電源オンを検出して一定期間、前記信号電極と
選択電極との間に、交番電界を印加する手段を備えた構
成とする。

【００１８】請求項１１に記載の反強誘電性液晶素子
は、請求項１から請求項１０のいずれかに記載された反
強誘電性液晶素子において、バックライトあるいはサイ
ドライトの光源を有し、交番電界の印加期間には、前記
光源を消灯する手段を備えた構成とする。

【００１９】請求項１２に記載の反強誘電性液晶素子
は、対向する基板の面上に、少なくとも信号電極と選択
電極とがマトリクス状に配置された透明電極が形成さ
れ、前記対向する基板の少なくとも一方の面上に配向処
理が施された基板対を有し、前記基板対の基板間に反強
誘電性液晶を挟持し、電源オフを検出して一定期間、前
記信号電極と選択電極のすべてを短絡する手段を備えた
構成とする。

【００２０】

【作用】請求項１の構成によると、予め、反強誘電性液
晶が分解しない程度の低周波で高電圧の交番電界が一定
期間印加される。この交番電界によって誘起される自発
分極により液晶分子が応答して運動する。この分子運動
によって、反強誘電性液晶の層構造が擬似ブックシェル
フとなる。これにより、反強誘電性液晶におけるジグザ
グ欠陥や放物型フォーカルコニック欠陥を消失し、良好
な配向状態を実現する。

【００２１】請求項７の構成によると、矩形波の交番電
界により、液晶分子を最も効率良く運動させる。請求項
８の構成によると、反強誘電性液晶素子の温度に応じて
交番電界の最大振幅電圧と周波数の大きさを調整し、温
度条件に依存して反強誘電性液晶に誘起される自発分極
の大きさ、および反強誘電性液晶の粘性の大きさを最適
化する。これにより、反強誘電性液晶素子の使用時に、
反強誘電性液晶に、温度条件に影響されない良好な擬似
ブックシェルフ構造の配向状態を実現する。

【００２２】請求項１０の構成によると、反強誘電性液
晶素子が使われずに放置されている間の温度変化によ
り、反強誘電性液晶に擬似ブックシェルフの層構造がシ
ェブロン構造に戻ることが生じた場合でも、反強誘電性
液晶素子に電源を投入した直後の一定期間交番電界を印
加することにより、使用時には、反強誘電性液晶にいつ
でも良好な擬似ブックシェルフ構造の配向状態を実現す
る。

【００２３】請求項１１の構成によると、反強誘電性液
晶素子に電源を投入した直後の一定期間交番電界を印加
する際には、光源を消灯しておく。これにより、外部に
対して、交番電界の印加時の状態を見せないで済ませ
る。

【００２４】請求項１２の構成によると、反強誘電性液
晶素子の電源を切断した直後の一定期間すべての信号電
極とすべての選択電極を短絡する。これにより、電極の
残留電荷による直流電界を除去して、反強誘電性液晶の
配向状態を良好な状態に保つ。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の実施例の反強誘電性液晶素子
について、図面を参照しながら説明する。

【００２６】図１は本実施例の反強誘電性液晶素子の断
面図である。図１において、１１ａは基板対を構成する
上基板、１１ｂは、上基板１１ａに対向して配置され、
上基板１１ａとともに基板対を構成する下基板、１２ａ
は信号電極、１２ｂは選択電極、１３は絶縁性薄膜、１
４は配向膜、１５は反強誘電性液晶層、１６は光源、１
７は偏光板である。

【００２７】本実施例では、上基板１１ａと下基板１１
ｂとしてガラス基板を用い、その上に、信号電極１２ａ
と選択電極１２ｂとして、インジウム・錫・オキサイド
（ＩＴＯ）を形成し、更に、金属酸化物を主成分とする
絶縁性薄膜１３（例えば、ＲＴＺ−１、触媒化成工業
（株）製）を１０００オングストロームの厚さで形成し
た。その上に、配向膜１４としてポリイミド（例えば、
ＬＸ−５４００、日立化成（株）製）を塗布し、焼成に
より５００オングストロームの厚みで形成した。そし
て、配向膜１４上を、レーヨンを用いた回転ラビング法
により、ラビング方向が上下の基板で平行方向となるよ
うにラビングして配向処理を施した。反強誘電性液晶層
１５として、ＭＨＰＯＢＣを主たるカイラル材料とした
エステル系液晶の混合材料である反強誘電性液晶材料を
用い、その反強誘電性液晶層１５の厚みは１．５μm と
した。また、光源１６としては、サイドライトによる面
光源ユニットを用いた。

【００２８】図１を用いて、本発明の第１の実施例につ
いて説明する。第１の実施例では、反強誘電性液晶の注
入後に、信号電極１２ａと選択電極１２ｂの間に、振幅
電圧と周波数の異なる矩形波の交番電界を１０秒間印加
した後に、電界無印加の状態で液晶素子の相対透過率
（液晶素子に電界を印加したときの最大透過率を１００
％とした透過率）を画素部分でミクロ測定した。その結
果を図５に示す。なお、周波数１Hzでは５５ボルトで、
周波数５Hzでは６０ボルトで、液晶に電流が流れて液晶
が破壊された。

【００２９】以上の結果から、相対透過率を充分に小さ
くし、なおかつ、液晶を破壊しないためには、交番電界
の振幅電圧としては、１０ボルト以上５０ボルト以下、
望むらくは、２０ボルト以上４０ボルト以下であること
が必要で、周波数としては、１ヘルツ以上１００ヘルツ
以下、望むらくは、５ヘルツ以上５０ヘルツ以下の交番
電界であることが必要である。

【００３０】また、この条件を満たす交番電界により、
少なくとも一方の基板上に電極のないスペース部にも、
黒輝度を充分小さくできるだけの電界が印加され、良好
な配向状態が実現されることも確認できた。

【００３１】図１を用いて、本発明の第２の実施例につ
いて説明する。第２の実施例では、反強誘電性液晶の注
入後に、信号電極１２ａと選択電極１２ｂの間に、２５
ボルト１０ヘルツの矩形波を印加時間を変えて印加し、
第１の実施例と同様にして電界無印加時の相対透過率を
測定した。その結果を図６に示す。

【００３２】これより、黒輝度を実用上充分に小さくす
るためには、印加時間としての下限は、０．５秒以上、
望むらくは１秒以上が必要で、印加時間に許される長さ
の制限から上限は、６０秒以下、望むらくは３０秒以下
であればよいことが判る。

【００３３】図１を用いて、本発明の第３の実施例につ
いて説明する。第３の実施例では、反強誘電性液晶の注
入後に、信号電極１２ａと選択電極１２ｂの間に、矩形
波、正弦波、三角波の三つの波形で、振幅電圧を変化さ
せながら、１０ヘルツで１０秒間印加した。そして、上
記実施例と同様にして電界無印加時の相対透過率を測定
した。その結果を図７に示す。

【００３４】これより、矩形波のとき最も効率よく黒輝
度を小さくできることが判るが、反強誘電性液晶が分子
運動すれば擬似ブックシェルフ化できると考えられると
ころから推察できるとおり、他の交番電界でも効果はあ
ることも判る。

【００３５】図１を用いて、本発明の第４の実施例につ
いて説明する。第４の実施例では、反強誘電性液晶の注
入後に、反強誘電性液晶素子の温度を変えて、信号電極
１２ａと選択電極１２ｂの間に、１０ヘルツの矩形波を
１０秒間印加し、その後、上記実施例と同様にして相対
透過率を測定した。そして、各温度で、相対透過率が小
さくなって飽和するのに必要な最低の振幅電圧を求め
た。その結果を図８に示す。なお、グラフ内の数値は、
飽和した相対透過率の値を示している。

【００３６】この結果より、低温になるほど、振幅電圧
を大きくしなければならないことが判る。また、これよ
り、液晶素子の温度によって調整することで、黒輝度を
充分に小さくできることが判る。

【００３７】図１を用いて、本発明の第５の実施例につ
いて説明する。第５の実施例において、この反強誘電性
液晶素子に図９のフローチャートに示すような制御を行
う機構を備えることにより、反強誘電性液晶素子に電源
を投入してオン状態とした直後の一定期間、信号電極１
２ａと選択電極１２ｂの間に交番電界が印加されること
になる。

【００３８】この結果、電源を投入した後は、黒輝度が
充分小さくなる良好な配向が実現できることが確認でき
た。また、交番電界が印加されている間は、光源１６が
消灯しているため、その様子は外部からは遮断される。

【００３９】図１を用いて、本発明の第６の実施例につ
いて説明する。第６の実施例において、この反強誘電性
液晶素子に図１０のフローチャートに示すような制御を
行う機構を備えることにより、液晶素子の電源を切断し
てオフ状態とした直後の一定期間、すべての信号電極１
２ａとすべての選択電極１２ｂがグランドレベルに短絡
される。

【００４０】この結果、電源を切断した後に残留直流電
界による配向乱れが生じないことが確認できた。以上の
各実施例の動作により、黒輝度を充分に低くしてコント
ラストを高くすることができる。

【００４１】なお、言うまでもないことであるが、透明
電極や絶縁性薄膜、配向膜、反強誘電性液晶材料、光源
などは、本発明の実施例で用いたものに限定されるもの
ではなく、上記要件を満たしていれば、本発明の効果は
保証されるものであることを付け加えておく。

【００４２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、対向基板
上の信号電極と選択電極の間に、最大振幅電圧が１０ボ
ルト以上５０ボルト以下、望むらくは、２０ボルト以上
４０ボルト以下で、周波数が１ヘルツ以上１００ヘルツ
以下、望むらくは５ヘルツ以上５０ヘルツ以下で、その
最大振幅電圧と周波数の大きさは液晶素子の温度により
調整された交番電界を印加することにより、ジグザグ欠
陥や放物型フォーカルコニック欠陥が消失して良好な配
向状態を実現することができ、黒輝度を充分に低くして
コントラストを高くすることができる。

【００４３】特に、該交番電界の波形として矩形波を用
いればその効率が高い。そして、該交番電界の最大振幅
電圧と周波数の大きさを、対向基板の少なくとも一方に
透明電極のないスペース部の液晶の配向状態に対して
も、対向基板の両者とも透明電極を有する画素部での液
晶の配向状態と同じ状態を実現する大きさとすれば、液
晶素子全体のマクロな状態での黒輝度を充分に小さくし
て、コントラストを高くすることができる。

【００４４】また、液晶素子の電源をオン状態にした直
後の一定期間交番電界を印加する機構を備えることで、
液晶素子の電源の投入後は、いつでも良好な配向状態を
実現することができる。

【００４５】更には、交番電界を印加している期間はバ
ックライトあるいはサイドライトの光源を消灯する機構
を備えることで、その様子は外部からは遮断される。ま
た、液晶素子の電願のオフ状態にした直後の一定期間、
すべての信号電極とすべての選択電極を短絡する機構を
備えることで、特に、短絡したときの電位をグランドレ
ベルとすることで、液晶素子に残留直流電界が生じるこ
とを防ぎ、良好な配向状態を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の反強誘電性液晶素子の断面図

【図２】反強誘電性液晶の模式図

【図３】反強誘電性液晶素子の表示原理を示す模式図

【図４】反強誘電性液晶の初期配向状態での層構造を示
す模式図

【図５】反強誘電性液晶素子の印加電界の振幅電圧と周
波数と電界無印加時の反強誘電性液晶素子の相対透過率
との関係図

【図６】反強誘電性液晶素子に印加した矩形波の印加時
間と電界無印加時の反強誘電性液晶素子の相対透過率と
の関係図。

【図７】反強誘電性液晶素子に印加した交番電界の波形
の違い及び振幅電圧と、電界無印加時の反強誘電性液晶
素子の相対透過率との関係図。

【図８】反強誘電性液晶素子の温度と、電界無印加時の
反強誘電性液晶素子の相対透過率が飽和するのに必要な
交番電界の最低振幅電圧との関係図。

【図９】反強誘電性液晶素子の電源投入時のフローチャ
ート

【図１０】反強誘電性液晶素子の電源切断時のフローチ
ャート

【符号の説明】

１１ａ 上基板 １１ｂ 下基板 １５ 反強誘電性液晶層 １６ 光源

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対向する基板の面上に、信号電極と選択
   電極とがマトリクス状に配置された透明電極が形成さ
   れ、前記対向する基板の少なくとも一方の面上に配向処
   理が施された基板対を有し、前記基板対の基板間に反強
   誘電性液晶を挟持し、前記信号電極と選択電極との間
   に、予め、最大振幅電圧が１０ボルト以上５０ボルト以
   下の交番電界を、一定期間印加する手段を備えた反強誘
   電性液晶素子。
2. 【請求項２】 信号電極と選択電極との間に印加する交
   番電界の最大振幅電圧を、２０ボルト以上４０ボルト以
   下とする請求項１に記載の反強誘電性液晶素子。
3. 【請求項３】 信号電極と選択電極との間に印加する交
   番電界の周波数を、１ヘルツ以上１００ヘルツ以下とす
   る請求項１または請求項２に記載の反強誘電性液晶素
   子。
4. 【請求項４】 信号電極と選択電極との間に印加する交
   番電界の周波数を、５ヘルツ以上５０ヘルツ以下とする
   請求項１または請求項２に記載の反強誘電性液晶素子。
5. 【請求項５】 信号電極と選択電極との間に印加する交
   番電界の印加期間を、０．５秒以上６０秒以下とする請
   求項１から請求項４のいずれかに記載の反強誘電性液晶
   素子。
6. 【請求項６】 信号電極と選択電極との間に印加する交
   番電界の印加期間を、１秒以上３０秒以下とする請求項
   １から請求項４のいずれかに記載の反強誘電性液晶素
   子。
7. 【請求項７】 信号電極と選択電極との間に印加する交
   番電界を、矩形波とする請求項１から請求項６のいずれ
   かに記載の反強誘電性液晶素子。
8. 【請求項８】 信号電極と選択電極との間に印加する交
   番電界の最大振幅電圧と周波数を、その交番電界を印加
   する際の反強誘電性液晶素子の温度に応じて調整する請
   求項１から請求項７のいずれかに記載の反強誘電性液晶
   素子。
9. 【請求項９】 信号電極と選択電極との間に印加する交
   番電界の最大振幅電圧と周波数の各値を、対向基板の少
   なくとも一方に透明電極がない液晶の配向状態に対して
   も、対向基板の両方に透明電極を有する液晶の配向状態
   と同じ状態を実現する大きさとする請求項１から請求項
   ８のいずれかに記載の反強誘電性液晶素子。
10. 【請求項１０】 対向する基板の面上に、信号電極と選
    択電極とがマトリクス状に配置された透明電極が形成さ
    れ、前記対向する基板の少なくとも一方の面上に配向処
    理が施された基板対を有し、前記基板対の基板間に反強
    誘電性液晶を挟持し、電源オンを検出して一定期間、前
    記信号電極と選択電極との間に、交番電界を印加する手
    段を備えた反強誘電性液晶素子。
11. 【請求項１１】 バックライトあるいはサイドライトの
    光源を有し、交番電界の印加期間には、前記光源を消灯
    する手段を備えた請求項１から請求項１０のいずれかに
    記載の反強誘電性液晶素子。
12. 【請求項１２】 対向する基板の面上に、少なくとも信
    号電極と選択電極とがマトリクス状に配置された透明電
    極が形成され、前記対向する基板の少なくとも一方の面
    上に配向処理が施された基板対を有し、前記基板対の基
    板間に反強誘電性液晶を挟持し、電源オフを検出して一
    定期間、前記信号電極と選択電極のすべてを短絡する手
    段を備えた反強誘電性液晶素子。
13. 【請求項１３】 信号電極と選択電極の短絡の際には、
    すべての電極の電位をグランドレベルにする請求項１２
    に記載の反強誘電性液晶素子。