JPS61205922A - 液晶素子 - Google Patents

液晶素子

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JPS61205922A
JPS61205922A JP60047785A JP4778585A JPS61205922A JP S61205922 A JPS61205922 A JP S61205922A JP 60047785 A JP60047785 A JP 60047785A JP 4778585 A JP4778585 A JP 4778585A JP S61205922 A JPS61205922 A JP S61205922A
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liquid crystal
phase
substrates
substrate
crystal element
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JP60047785A
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Kazuharu Katagiri
片桐 一春
Junichiro Kanbe
純一郎 神辺
Shinjiro Okada
伸二郎 岡田
Kazuo Yoshinaga
和夫 吉永
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Original Assignee
Canon Inc
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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、液晶表示素子や液晶−光シヤツタアレイ等に
適用する液晶素子に関し、詳しくは液晶分子の初期配向
状態を改善することにより、表示ならびに駆動特性を改
善した液晶素子に関する。
〔従来の技術〕
従来の液晶素子としては1例えばエム会シャット(M、
5chadL)とダブリュー・ヘルフリツヒ(W、 H
e l f r i ch)著″アプライド・フィジッ
クス・レダーズ″(”Applied  Physic
sLetters”)第18巻、第4号(1971年2
月15日発行)、第127頁〜12B頁の″ボルテージ
・ディペンダント−オプティカル・7クテイビテイ一番
オブ・ア・ツィステッド争ネマチック会すキッドφクリ
スタル″(”Voltage  DepenjentO
ptical  Activity  of  aTw
isted   Nematic   LiquidC
r y s t a l ” )に示されたツィステッ
ド・ネマチック(twisted  nematic)
液晶を用いたものが知られている。このTN液晶は1画
素密度を高くしたマトリクス電極構造を用いた時分割駆
動の時、クロストークを発生する問題点があるため1画
素数が制限されていた。
又、各画素に薄膜トランジスタによるスイッチング素子
を接続し、各画素毎をスイッチングする方式の表示素子
が知られているが、基板上に薄膜トランジスタを形成す
る工程が極めて煩雑な上、大面積の表示素子を作成する
ことが難しい問題点がある。
この様な従来型の液晶素子の欠点を改善するものとして
、双安定性を有する液晶素子の使用が2 クラーク(C
1ark)およびラガウェル(Lage rwa l 
l)により提案され−(イる(特開昭56−10721
6号公報、米国特許第4367924号明細書等)、双
安定性を有する液晶としては、一般に、カイラルスメク
テイックC相(SmC束)又はH相(SmH¥)を有す
る強誘電性液晶が用いられる。
この液晶は電界に対して第1の光学的安定状態と第2の
光学安定状態からなる双安定状態を有し、従って前述の
TN型の液晶で用いられた光学変調素子とは異なり、例
えば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。またこの型の液晶
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。このような性
質を利用することにより、上述した従来のTN型素子の
問題点の多くに対して、かなり本質的な改善が得られる
。この点は1本発明と関連して、以下に、更に詳細に説
明する。しかしながら、この双安定性を有する強誘電性
液晶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4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。
例えばSmC”又はSmH”相を有する強誘電性液晶に
ついては、SmC”又は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
旬にほぼ平行に配列した領域(モノドメイン)が形成さ
れる必要がある。しかしながら、従来の双安定性を有す
る強誘電性液晶素子においては、このようなドメイン構
造を有する液晶の配向状態が、必ずしも満足に形成され
なかったために、充分な特性が得られなかったのが実情
である。
たとえば、C1arkらによれば、このような配向状態
を与えるために、磁界を印加する方法、せん断力を印加
する方法、基板間に小間隔で平行なリッジ(ridge
)を配列する方法などが提案されている。しかしながら
、これらは、いずれも必ずしも満足すべき結果を与える
ものではなかった。たとえば、磁界を印加する方法は、
大規模な装置を要求するとともに作動特性の良好な薄層
セルとは両立しがたいという難点があり、また、せん断
力を印加する方法は、セルを作成後に液晶を注入する方
法と両立しないという難点がある。又、セル内に平行な
りツジを配列する方法では、それのみによっては、安定
な配向効果を与えられない。
〔発明が解決しようとする問題点〕
本発明の目的は、前述した事情に鑑み、高速応答性、高
密度画素と大面積を有する表示素子、或いは高速度のシ
ャッタスピードを有する光学シャッター等として潜在的
な適性を有する強誘電性液晶素子において、従来問題で
あったモノドメイン形成性ないしは初期配向性を改善す
ることにより、その特性を充分に発揮させ得る強誘電性
液晶素子を提供することにある。
〔作用〕
本発明者らは、前述の目的に沿って研究した結果、特定
の液晶又はその液晶を含む組成物を一軸性配向処理効果
が付与された基板に挟持し、スメクテイツク相より高温
側の相、例えばコレステリック相(カイラルネマチック
相)、ネマチック相、等吉相からの徐冷による相転移を
生じさせた場合、例えばSmAの形成時に液晶分子が一
方向に配列したモノドメインを形成することができ、こ
の結果強誘電性液晶の双安定性に基づく素子の作動と液
晶層のモノドメイン性を両立し得る構造の液晶素子が得
られることを見い出した。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明の液晶素子は、前述の知見に基づくものであり、
より詳しくは、一対の基板間に、下記一般式(1)で表
わされる液晶化合物の2種以上を含有する液晶組成物を
封入したセル構造をなし、前記液晶組成物のスメクテイ
ツク相を該スメクテイツク相より高温側の相からの相転
移により形成するとともに、前記一対の基板のうち少な
くとも一方の基板の面が界面で接する分子軸方向を優先
して一方向に配列させる効果を有している点に特徴を有
している。
一般式(1) %式% 式中、Rはアルキル基を示し、R*は不斉炭素原子を有
する光学活性基を示し、特に炭素数1−18のアルキル
基で、炭素数4〜14のアルキル基が好ましい、特に下
記一般式(2)で示される光学活性基が好ましい。
一般式(2) %式% ここでR1とR2はアルキル基、アルキルオキシ基、シ
アノ基、ハロゲン原子のいずれかであるが、R1,R,
2は相異るものであり、かつR1,R2が共にハロゲン
原子である場合は除外される。又上式に於てnはO〜8
の整数である。(1)式の化合物のうち実用的な製造上
特に好適なものは、光学活性な原材料の入手のし易さな
どの見地からn=1.Rx=CH3゜R2=C2H5の
もの、即ちR木が2−メチルブチル基のもの及びn=o
 、R1=CH3。
R2=C6H13のもの、即ちR水が2−オクチル基の
化合物である。
この一般式(1)の化合物は、4−フルキルオキシ−4
′−ビフェニルカルボン酸を塩化チオニル、五塩化リン
の如きハロゲン化剤との反応により酸ハロゲン化物とし
、これをピリジンの如き塩基性溶媒中で光学活性アルコ
ール類と反応させることにより、最も好適に合成される
。
詳細には特開昭59−118744号公報に開示されて
いる。
〔実施例〕
以下、必要に応じて図面を参照しつつ1本発明を更に詳
細に説明する。
本発明で用いる液晶は、強誘電性を有するものであって
、具体的にはカイラルスメクテイツクC相(SmC”)
、H相(SmH”)、I相(SmI ”)、J相(Sm
A末)、に相(SmK”)、G相(SmC宜)又はF相
(SmF”)I、自+ス播JLル田いど→がでまる。
前記一般式(1)で示される化合物の具体例は、下記の
とおりである。
(m=7.8,9.10.12) これらの液晶組成物は他の強誘電性液晶、例えばDOB
AMBC;デシロキシベンジリデン−y−アミノ−2−
メチルブチルシンナメート、HOB A CP C;ヘ
キシルオキシベンジリデン−Y−アミノ−2−クロロプ
ロピルシンナメートなどと組合せることによっても、良
好な結果を得ることができる。
これらの材料を用いて素子を構成する場合、液晶組成物
がSmC)le相又は5rnH*相となる様な温度状態
に保持する為、必要に応じて素子をヒータが埋め込まれ
た銅ブロック等により支持することができる。
第1図は、強誘電性液晶の動作説明の為に。
セルの例を模式的に描いたものである。21aと21b
は、I n203、S n02あるいはITO(Ind
ium−Tin  0xide)等の薄膜からなる透明
電極で被覆された基板(ガラス板)であり、その間に液
晶分子層22がガラス面に垂直になるよう配向したSm
C*相又はSmH*相の液晶が封入されている。
太線で示した線23が液晶分子を表わしており、この液
晶分子23はその分子に直交した方向に双極子モーメン
ト(P工)24を有している。
基板2taと21b上の電極間に一定の閾値以上の電圧
を印加すると、液晶分子23のらせん構造がほどけ、双
極子モーメン) (P工)24が全て電界方向に向くよ
う、液晶分子23は配向方向を変えることができる。液
晶分子23は。
細長い形状を有しており、その長袖方向と短軸方向で屈
折率異方性を示し、従って例えばガラス面の上下に互い
にクロスニコルの偏光子を置けば、電圧印加極性によっ
て光学特性が変わる液晶光学変調素子となることは、容
易に理解される。
本発明の液晶素子で好ましく用いられる液晶セルは、そ
の厚さを充分に薄く(例えば10g以下)することがで
きる、このように液晶層が薄くなるにしたがい、第2図
に示すように電界を印加していない状態でも液晶分子の
らせん構造がほどけ、非らせん構造を採り、その双極子
モーメントPaまたはPbは上向き(34a )。
又は下向き(34b)のどちらかの状態をとる。このよ
うなセルに、第2図に示す如く一定の閾値以上の極性の
異る電界Ea又はEbを電圧印加手段31aと31bに
より付与すると。
双極子モーメントは、電界Ea又はEbの電界ベクトル
に対応して上向き34a又は下向き34bと向きを変え
、それに応じて液晶分子は、第1の安定状態33aかあ
るいは第2の安定状態33bの伺れか一方に配向する。
このような強誘電性を光学変調素子として用いることの
利点は、先にも述べたが2つある。
その第1は、応答速度が極めて速いことであり、第2は
液晶分子の配向が双安定性を有することである。第2の
点を、例えば第2図によって更に説明すると、電界Ea
を印加すると液晶分子は第1の安定状態33aに配向す
るが、この状態は電界を切っても安定である。又、逆向
きの電界Ebを印加すると、液晶分子は第2の安定状態
33bに配向してその分子の向きを変えるが、やはり電
界を切ってもこの状態に留っている。又、与える電界E
aが一定の閾値を越えない限り、それぞれの配向状態に
やはり維持されている。このような応答速度の速さと、
双安定性が有効に実現されるにはセルとしては出来るだ
け薄い方が好ましい。
この様な強誘電性を有する液晶で素子を形成するに当た
って最も問題となるのは、先にも述べたように、SmC
*相又はSmH*相を有する層が基板面に対して垂直に
配列し且つ液晶分子が基板面に略平行に配向した、モノ
ドメイン性の高いセルを形成することが困難なことであ
り、この点に解決を与えることが本発明の主要な目的で
ある。
第3図(A)と(B)は、本発明の液晶素子の一実施例
を示している。第3図(A)は。
本発明の液晶素子の乎面図で、第3図(B)はそのA−
A′断面図である。
第3図で示すセル構造体100は、ガラス板又はプラス
チック板などからなる一対の基板101aと101bを
スペーサ104で所定の間隔に保持され、この一対の基
板をシーリングするために接着剤106で接着したセル
構造を有しており、さらに基板101の上には複数の透
明電極102aからなる電極群(例えば、マトリクス電
極構造のうちの走査電圧印加用電極群)が例えば帯状パ
ターンなどの所定パターンで形成されている。基板10
1bの上には前述の透明電極102aと交差させた複数
の透明電極102bからなる電極群(例えば、マトリク
ス電極構造のうちの信号電圧印加用電極群)が形成され
ている。
このような透明電極102bを設けた基板101bには
1例えば−酸化硅素、二酸化硅素、酸化アルミニウム、
ジルコニア、フッ化マクネシウム、酸化セリウム、フッ
化セリウム、シリコン窒化物、シリコン炭化物、ホウ素
窒化物などの無機絶縁物質やポリビニルアルコール。
ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエステルイミド、
ポリバラキシレリン、ポリエステル、ポリカーボネート
、ポリビニルアセタール。
ポリ塩化ビニル、ポリアミド、ポリスチレン、セルロー
ス樹脂、メラミン樹脂1ユリア樹脂やアクリル樹脂など
の有機絶縁物質を用いて被膜形成した配向制御膜105
を設けることができる。
この配向制御膜105は、前述の如き無機絶縁物質又は
有機絶縁物質を被膜形成した後に。
その表面をビロード、布や紙で一方向に摺擦(ラビング
)することによって得られる。
本発明の別の好ましい具体例では、SiOや5i02な
どの無機絶縁物質を基板101bの北に斜め蒸着法によ
って被膜形成することによって、配向制御膜105を得
ることができる。
第5図に示された装置に於いてペルジャー501は吸出
口505を有する絶縁基板503上に!ll!置され、
前記吸出口505から伸びる(図示されていない)真空
ポンプによりペルジャー501が真空にされる。タング
ステン製またはモリブデン製のるつぼ507はペルジャ
ー501の内部および底部に配置され。
るつぼ507には数グラムのSin、S [02。
MgF2等の結晶508が載置される。るつぼ507は
下方の2つのアーム507a 、507bを有し、前記
アームはそれぞれ導線509゜510に接続される。電
源506及びスイッチ504がペルジャー501の外部
導線509゜510間に直列に接続される。基板502
はペルジャー501の内部でるつぼ507の真上にペル
ジャー501の垂直軸に対しθの角度を成して配置され
る。
スイッチ504が開放されると、ペルジャー501はま
ず約to−5mmHg圧の真空状態にされ、次にスイッ
チ504が閉じられて、るつぼ507が適温で白熱して
結晶508が蒸発されるまで電源506を調節して電力
が供給される。適温範囲(700−1000℃)に対し
て必要な電流は約100100aである。結晶508は
次に蒸発され図中Sで示された上向きの分子流を形成し
、流体Sは、基板502に対してθの角度を成して基板
502上に入射され、この結果基板502が被膜される
。角度θは上記の゛入射角“°であり、流体Sの方向は
上記の°°斜め蒸着方向′°である。この被膜の膜厚は
基板502をペルジャー501に挿入する前に行なわれ
る装置の時間に対する厚みのキャリブレーションにより
決定される。適宜な厚みの被膜が形成されると電源50
6からの電力を減少させ、スイッチ504を開放してペ
ルジャー501とその内部を冷却する0次に圧力を大気
圧まで上げ基板502をペルジャー501から取り外す
。
また、別の具体例ではガラス又はプラスチックからなる
基板101bの表面あるいは基板101bの上に前述し
た無機絶縁物質や有機絶縁物質を被膜形成した後に、該
被膜の表面を斜方エツチング法によりエツチングするこ
とにより、その表面に配向制御効果を付与することがで
きる。
前述の配向制御膜105は、同時に絶縁膜としても機能
させることが好ましく、このためにこの配向制御111
105の膜厚は一般に100人〜lk、好ましくは50
0人〜5000人の範囲に設定することができる。この
絶縁膜は、液晶層103に微量に含有される不純物等の
ために生ずる電流の発生を防止できる利点をも有してお
り、従って動作を繰り返し行なっても液晶化合物を劣化
させることがない。
また、本発明の液晶素子では前述の配向制御    。
膜105と同様のものをもう一方の基板101に設ける
ことができる。
第3図に示すセル構造体100の中の液晶層103は、
SmC* 、SmH* 、SmI* 。
SmJ * 、SmK)k 、SmG)k 、SmF*
とす、  ることができる、このカイラルスメクテイツ
ク相の液晶相103は、スメクテイツク相より高温側の
相、例えばコレステリック相(カイラルネマチック相)
、ネマチック相、等吉相からの徐冷(l″C!−10℃
/時間)による降温過程でSmA(スメクテイツクA相
)に相転移され、さらに徐冷による降温過程でカイラル
スメクテイツク相に相転移されることによって形成され
る。
本発明で重要な点は、徐冷による降温過程で前述の液晶
を用いた時に、モノドメインのSmAを形成することが
でき、このSmAのモノドメイン性に応じたモノドメイ
のカイラルスメクテイツク相を形成することができる。
本発明で用いる液晶組成物としては、降温過程において
等1相−コレステリツク相−SmA−力イラルスメクテ
イツク相、等1相−コレステリツク相−カイラルスメク
テイック相あるいは等1相−SmA−力イラルスメクテ
イツク相と相転移させる組成物とすることができる。
第4図は、本発明の液晶素子の別の具体例を表わしてい
る。第4図で示す液晶素子は、一対の基板101aと1
01bの間に複数のスペーサ部材203が配置されてい
る。このスペーサ部材203は1例えば配向制御膜10
5が設けられている基板101aの上にSiO,5t0
2、A交203 、TiO2などの無機化合物或いはポ
リビニルアルコール、ポリイミド、ポリアミドイミド、
ポリエステルイミド、ポリバラキシリレン、ポリエステ
ル、ポリカーボネート、ポリビニルアセタール、ポリ塩
化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリアミド、ポリスチレン
、セルロース樹脂、メラミン樹脂、ユリャ樹脂。
アクリル樹脂やフォトレジスト樹脂などの樹脂類を適当
な方法で被膜形成した後に、所定の位置にスペーサ部材
203が配置される様にエツチングすることによって得
ることができる。
この様なセル構造体100は、基板101aと101b
の両側にはクロスニコル状態またはパラレルニコル状態
とした偏光子107と108がそれぞれ配置されて、電
極102aと102bの間に電圧を印加した時に光学変
調を生じることになる。
以下1本発明を実施例に従って説明する。
〔実施例1〕 ピッチ100ルmで幅62.5 ILmのストライプ状
のITO膜を電極として設けた正方形状ガラス基板を用
意し、これの電極となるITO膜が設けられている側を
下向きにして第5図に示す斜め蒸着装置にセットし、次
いでモリブデン製るつぼ内に5i02の結晶をセットし
た。
しかる後に蒸着装置内を1O−5Torr程度の真空状
態としてから、所定の方法でガラス基板上に5i02を
斜め蒸着し、800人の斜め蒸着膜を形成した(A電極
板)。
一方、同様のストライプ状のITO膜が形成されたガラ
ス基板上にポリイミド形成溶液(日立化成工業(株)製
のrPIQJ、不揮発分濃度14゜5wt%)をスピナ
ー塗布機で塗布し、800人の被膜を形成した(B電極
板)。
次いでA電極板の周辺部に注入口となる個所を除いて熱
硬化型エポキシ接着剤をスクリーン印刷法によって塗布
した後に、A電極板とB電極板のストライブ状パターン
電極が直交する様に重ね合せ、2枚の電極板の間隔をポ
リイミドスペーサで2fiLmに保持した。
次に4−ヘキシルオキシフェニル−4−(2″−メチル
ブチル)ビフェニル−4′−力ルポキシレート100重
量部に対して、コレステリルノナネート5重量部加えて
液晶組成物を調整した。
こうして作成したセル内に等1相となっている下記の液
晶組成物Aを注入口から注入し、その注入口を封口した
。このセルを徐冷によって降温させ、一対の偏光子をク
ロスニコル状態で設けてから顕微鏡観察したところ、非
らせん構造を採り、モノドメイ〉′のS m C*が形
成されている事が判明した。
組成牝込 〔実施例2〕 ピッチ100gmで幅62.5 h mのストライプ状
のITO電極を設けである正方形状のガラス基板を2枚
用意し、それぞれの基板上にポリイミド形成溶液(実施
例1と同様のもの)をスピンナー塗布機で塗布し、80
0人のポリイミド膜を形成した。
この2枚の基板上に形成したポリイミド膜に、それぞれ
重ねた時にラビング方向が平行となり、且つストライブ
状ITO電極が互いに直交する様にしてビロードによる
ラビング処理を施した。
次いで、互いにラビング方向が平行となる様に2枚の基
板を重ね合せ、一方の基板の周辺部に注入口となる個所
を除いて熱硬化をエポキシ接着剤をスクリーン印刷法に
よって塗布した後に、2枚の基板を重ね合せ、2枚の基
板の間隔をボイリミドスペーサで2gmに保持した。
こうして作成したセル内に等吉相となっている前述の実
施例1で用いた液晶組成物Aを注入口から注入し、その
注入口を封口した。このセルを徐冷によって降温させ、
温度を室温で維持させた状態で、一対の偏光子をクロス
ニコル状態で設けてから、顕微鏡観察したところ、非ら
せん構造を採り、モノドメインのSmC*が形成されて
いることが判明した。
〔実施例3〕 前記実施例2の液晶素子を作成した際に用いた液晶化合
物に代えて、下記組成の液晶組成物Bを用いたほかは、
実施例2を全く同様の方法で強誘電性液晶素子を作成し
た。
この強誘電性液晶素子を偏光顕微鏡で観察したところ、
配向欠陥を生じていない非らせん構造のモノドメイが確
認できた。
〔発明の効果〕
前記したように、本発明によれば、前述した特定の液晶
を用いることによって、配向欠陥の生じていないスメク
テイツク相を形成することができ、特に配向欠陥のない
非らせん構造の強誘電性液晶相を形成することができる
。
【図面の簡単な説明】
第1図は、カイラルスメクテイツク液晶を用いた液晶素
子を模式的に示す斜視図である。第2図は、同液晶素子
の双安定性を模式的に示す斜視図である。第3図(A)
は、本発明の液晶素子を表わす平面図で、第3図CB)
はそのA−A’断面図である。第4図は、本発明の液晶
素子の別の具体例を表わす断面図である。第5図は5本
発明の液晶素子を作成する際に用いる斜め蒸着装置を模
式的に表わす断面図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)一対の基板間に、下記一般式(1)で表わされる
    液晶化合物の2種以上を含有する液晶組成物を封入した
    セル構造をなし、前記液晶組成物のスメクテイツク相を
    該スメクテイツク相より高温側の相からの相転移により
    形成するとともに、前記一対の基板のうち少なくとも一
    方の基板の面が界面で接する分子軸方向を優先して一方
    向に配列させる効果を有していることを特徴とする液晶
    素子。 一般式(1) ▲数式、化学式、表等があります▼ (式中、Rはアルキル基を示し、R^*は不斉炭素原子
    を有する光学活性基を示す。)
JP60047785A 1985-03-11 1985-03-11 液晶素子 Pending JPS61205922A (ja)

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