JPS61205923A - 液晶素子 - Google Patents

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−光シャッタ・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１表示ならびに駆動特性を
改善した液晶素子に関する６ 〔従来の技術〕 従来の液晶素子としては、例えばエム・シャットＣＭ、
５ｃｈａｄｔ）とダブリュー拳へルフリツヒ（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＠、第４号（１９７１年２
月ｒ　５　ＥＩ発行）、第１２７頁〜１２Ｂ頁の″ボル
テージーディペンダントーオプティカル・アクティビテ
ィ−・オブ・ア・ツィステッド・ネマチック・リキッド
・クリスタル“（”Ｖｏｌｔａｇｅ　　Ｄｅｐｅｎｄｅ
ｎｔＯｐｔｉｃａｌ　　Ａｃｔｉｖｉｔｙ　　ｏｆ　　
ａＴｗｉｓｔｅｄ　　　Ｎｅｍａｔｉｃ　　　Ｌｉｑｕ
ｉｄＣｒ　ｙ　ｓ　ｔ　ａ　ｌ　”　）に示されたツィ
ステッド噛ネマチック（ｔｗｉ　５ｅｅｄ　　ｎｅｍａ
ｔ　ｉ　ｃ）液晶を用いたものが知られている。このＴ
Ｎ液晶は、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、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、クラーク（Ｃ１
ａｒｋ）およびラガウエル（Ｌａｇｅ　ｒｗａ　ｌ　ｌ
）により提案されている（特開昭５６−１０７２１６号
公報、米国特許第４３６７９２４号明細書等）、双安定
性を有する液晶とじては、一般に、カイラルスメクテイ
ツクＣ相（ＳｍＣ”）又はＨ相（Ｓ　ｍＨ”）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、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。

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、３ｍ０本又は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
面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゛テリツク相（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１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モ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） 式中のＲはアルコキシ基又はアルキル基であり、直鎖、
分岐、シクロ環であってもよい、特に直鎖のアルコキシ
基（Ｃｎｌ（２ｎ＋１０−）が好ましく、炭素数ｎが１
−１８のものが適している。また、式中のＲ＊は不斉炭
素原子を有する光学活性基であり、特に下記式（２）ま
た（３）の残基が好ましい。

式（２） ％式％ 式（３） ＣＨ３ ■ −ＣＨ−Ｃ６Ｈ１３ 木 前述の一般式（１）で示される化合物は１例えば特開４
ｓ９−９ａｏｓｘ号公報に開示された合成法によって得
ることができる。

〔実施例〕

以下、必要に応じて図面を参照しつつ、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本）
、Ｈ相（ＳｍＨ業）、１相（ＳｍＩ”）、Ｊ相（ＳｍＪ
”）、に相（ＳｍＫ”）、Ｇ相（Ｓ　ｍ　Ｇ　”　）又
はＦ相（ＳｍＦ末）を有する液晶を用いることができる
。

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。

（ｎ　＝　４．　５．　６．　７．　８．９．　１０．
　１１゜１２、　１４．　１６．　１８） （ｎ＝４．８） 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−Ｐ’−アミノ−２
−メチルブチルシンナメート、ＨＯＢＡＣＰＣ、ヘキシ
ルオキシベンジリデン−Ｐ’−７ミノー２−クロロプロ
ピルシンナメートなどと組合せて用いることができる。

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＊相又はＳｍＨ）ｋ相となるような温度状態に
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。

」ど〜 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　ｎ２０３．５ｎ０２あるいはＩＴＯ（Ｉｎｄｉ
ｕｍ−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ＳｍＣ
）ｋ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土）２４を有している。

基板２１ａ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上）２４がすべて電界方向に向く
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ゎ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３
３ａかあるいは第２の安定状態３３ｂの何れか一方に配
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３３　ａ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
Ｅａ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、Ｓｍ
Ｃ＊相又はＳｍＨ）ｋ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１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平面図で、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ｌｏｏ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１
０１ｂ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
、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、フッ化マグネシウム、
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、
ポリパラキシレリン、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、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Ｌ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上に載置され、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５０
１の内部および底部に配置され。

ルツぼ５０７には数グ；ｙムのｓｉｏ、５ｉ０２゜Ｍ　
ｇ　Ｆ　２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　、５０７・ｂ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５
０２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１０−５ｍｍＨｇ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５０６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ｔｏｔｂ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膜１０
５の膜厚は一般に１００人〜１ト、好ましくは５００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）ｋ　。

ＳｍＪ＊　、ＳｍＫ＊　、ＳｍＧ＊　、ＳｍＦ）ｋとす
ることができる。このカイラルスメクテイック相の液晶
相１０３は、スメクティッ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（１℃〜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、モノドメインめＳ　ｍ　Ａ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
等吉相−コレステリツク相二Ｓ　ｍ　Ａ−力イラルスメ
クテイツク相、等吉相−コレステリツク相−力イラルス
メクテイツク相あるいは等吉相−ＳｍＡ−カイラルスメ
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、例えば配向制Ｗ膜１０
５が設けられている基板１０１ａの上にＳｔ、、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、ポリパラキシリレン、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、本発明を実施例に従って説明する。

実施例１ ピッチ１００＃Ｌｍで幅６２．５ルｍ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１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ｒＰｒＱＪ　　；不揮発分濃度１４．５　ｗ　ｔ％）
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電極板のストライプ状パターン
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２ルｍ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、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＊が形成されている事が判明した。

液ＪＬｉ肛滅Ｊ灰に ３０重量％ ４０重量％ ３０重量％ 実施例２ ピッチ１００　ＩＬｍで幅６２．５ルｍのストライブ状
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、ａＯ
Ｏ人のポリイミド膜を形成した。

この２枚の基板と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、且つストライプ
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、２枚の基板を重ね合せ、２枚の基
板の間隔をポイリミドスペーサで２１Ｌｍ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組成
物Ａに代えて、下達の液晶組成物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。

Ｌｒｉ＠　　　Ｂ 木 ５０重量％ ５重量％ 〔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
ティッ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、カイラルスメクティッ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（Ｂ）
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１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。 特許出願人　　キャノン株式会社 第５図 、９４

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はアルコキシ基又はアルキル基であり、Ｒ＾
   ＊は不斉炭素原子を有する光学活性基である。）