JPS6218522A - 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、表示パネルや光シヤツタアレイ等に利用しう
る液晶素子に関し、詳しくは良好な双安定状態を実現し
た強誘電性液晶素子に関する。

〔従来の技術〕

従来の液晶素子としては、例えばエム拳シャット（Ｍ、
　５ｃｈａｄｔ　）とダブリュー・へルフリッヒ（Ｗ、
　Ｈｅ１ｆｒｉｃｈ　）著“アプライド・フィジックス
・レターズ（”Ａｐｐｌｉｅｄ　　ＰｈｙｓｉｃｓＬｅ
ｔｔｅｒｓ”）第１８巻、第４号（１９７１年２月１５
日発行）、第１２７頁〜１２８頁の°“ボルテージ・デ
ィペンダント・オプティカル−７クテイビテイー・オブ
嗜ア・ツィステッド・ネマチック・リキッド争クリスタ
ル゛（“ＶｏｌｔａｇｅＤｅｐｅｎｄｅｎｔ　　０ｐｔ
ｉｃａｌ　　Ａｃｔｉｖｉｔｙｏｆ　　ａ　　Ｔｗｉｓ
ｔｅｄ　　Ｎｅｍａｔｉｃ　　ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔ
ａｌ”　）に示されたツィステッド◆ネマチック（ｔｗ
ｉｓｔｅｄ　ｎｅｍａｔｉｃ）液晶を用いたものが知ら
れている。このＴＮ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詩分割駆動の時、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　１
）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
性を有する液晶としては、一般に、カイラルスメクチッ
クＣ相（ＳｍＣ”）又はＨ相（ＳｍＨ末）、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（メモリー効果）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。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、これまでの強誘電性液晶素子は、電界ベ
ク％トル下での第１の配向状態と第２の配向状態での安
定化エネルギーレベルが同一とはなっていない問題点が
あった。すなわち、第１の配向状態から第２の配向状態
への変化に必要な電界の大きさと、逆に第２の配向状態
から第１の配向状態への変化に必要な電界の大きさが相
違する問題がある。さらに、また電界ベクトル下で第１
の配向状態から第２の配向状態に、その配向を変化する
が、その電界を解去すると本来のメモリー効果を示さず
に、第２の配向状態からもとの第１の配向状態に戻る現
象（戻り現象）が発生する問題点をも有していた。

これら２つの現象は、双安定状態が第１の安がもう一方
の安定配向状態よりも安定であることによるものと考え
られる。このような状態を、本願明細書では「非対称な
２つの安定状態」と呼ぶことにする。

このような「非対称な２つの安定状態」が存在する場合
、２つの安定配向状態間での電界によるスイッチングを
行なう際の閾値電圧に差を生じるため、駆動上の問題を
惹起していた。

又、本来第２の配向状態の均一ドメインを形成すべき画
素に、第１の配向状態に基づく別のドメインの混在を生
じ、このため光透過率あるいは遮光率の低下を招く欠点
を生じていた。

［問題点を解決するための手段］及び［作用］本発明の
目的は、前述の問題点ないしは欠点を解消した液晶素子
とを提供することにあり、特に優れた双安定状態を実現
した強誘電性液晶素子を提供することにある。

すなわち、本発明は、一軸性配向軸を有する２枚の基板
間に゛強誘電性液晶を配置した液晶素子において、前記
一軸性配向軸が互いに交差角（θ）をもって交差してい
る液晶素子に特徴を有している。

［実施例］ 第１図は、本発明の液晶素子を模式的に表わした平面図
である。図中の１１は上基板の一軸性配向軸５１２は下
基板の一軸性配向軸、θは一軸性配向軸１１と１２の交
差角を表わしている。又、１３は強誘電性液晶より高温
側のスメクチックＡ相などの一軸異方相における分子を
表わし１分子１３は交差角０の１／２に相当する角度θ
／２をなす、軸１４に沿って配向する。

本発明者らにとって、全く予想外のことであったが、前
述した交差角θをもって一軸性配向軸を交差させた２枚
の基板間で液晶化合物を徐冷によって等方相からスメク
チックＡ相及びカイラルスメクチックＣ相に相転移させ
ると、スメクチックＡ相が、その分子が交差角０の１／
２に相当するθ／２をなす軸１４に沿って配向すること
が確認された。しかも、かかる配向状態のスメクチック
Ａ相を徐冷してカイラルスメクチックＣ相を生じさせる
と、カイラルスメクチックＣ相における分子が軸１４を
中心に液晶物質固有のチルト角をもって、下述する第１
の配向状態と第２の配向状態の何れかに配向するが、こ
の際の第１の配向状態と第２の配向状態をもつ双安定性
は、上下基板で交差角をもたない平行な一軸性配向軸下
で形成した双安定性と比較して改良されたものになる。

又１本発明では前述の交差角θは、５″′〜８５°の範
囲に設定されるが、好ましくは交差１″Ｘ 角０２００〜７０’の範囲に設定される。最っ八 とも好ま゛しい具体例では、交差角θは３０°〜５０’
の範囲に設定されることができる。

第１図に示す結果は、一軸性配向軸の方向と実際の液晶
分子の配向方向の関係について興味深い結果となってい
るが、この現象の原因が何であるのかの詳細は不明であ
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チックＣ相（ＳｍＣ”）、
Ｈ相（ＳｍＨ’）、Ｉ相（ＳｍＩ　”）、Ｊ相（ＳｍＪ
”）、に相（Ｓｎｘ末）、Ｇ相（ＳｍＧ”）又はＦ相（
ＳｍＦ８）を有する液晶を用いることができる。具体的
な液晶化合物としてはＤＯＢＡＭＢＣ；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、ＨＯＢＡＣＰＣＢへキシルオキシベンジリデン−Ｐ
′−アミノ−２−クロロプロビルシンナメートなど各種
のものを用いることができる。

第２図は、強誘電性液晶の動作説明のために、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（インジウム−ティン−オキサイド）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”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、双極子モーメント（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
学特性が変わる液晶光学変調素子となることは。

容易に理解される。

特に、°本発明では、この型の液晶素子に双安定性を付
与するために、液晶層に交流バイアスを印加することが
できる。この際、液晶としては誘電異方性が負になって
いるものが用いられる。

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１０ル以下）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３
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）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３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の安定配向
状態３３ａかあるいは第２の安定配向状７１３３ｂ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３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の安定配向状態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
安定配向状態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。

第４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４図（Ａ）は本発明の液晶素子の平面
図で、第４図（Ｂ）はそのＡ−Ａ′°断面図である。

第４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１０１と１０１’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１０２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１０１′
の上には前述の透明電極１０２と交差させた複数の透明
電極ｉ　０２’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。

この様な透明電極１０２′を設けた基板１０１’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、Ｍ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及び１０５′を設けることができ
る。

この配向制御膜１０５と１０５′には、ラビング処理な
どによって形成した一軸性配向軸が付与されている。

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１０１′の上に斜め蒸着法によ
って被膜形成することによって、一軸性配向軸が付与さ
れた配向制御ＪＩＩ　Ｉ　Ｏ５及び１０５′を得ること
ができる。

前述の配向制御膜１０５及び１０５′は、同時に絶縁膜
としても機能されることが好ましく、このためにこの配
向制御膜１０５及び１０５′の膜厚は一般に１００人〜
１ｐ、好ましくは５００人Ｌｓｏｏｏ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。

第４図に示すセル構造体１００の中の液晶層１０３は、
ＳｍＣ”　、ＳｍＨ”　、ＳｍＦ末。

ＳｍＩ　”　、ＳｍＧ”などのカイラルスメクチック相
とすることができる。このカイラルスメクチック相を示
す液晶層１０３は徐冷で等吉相→コレステリック相−Ｓ
ｍＡ（スメクチックＡ相）−＋ＳｍＣ”、等吉相＋Ｓｍ
Ａ−＋ＳｍＣ”、等吉相→コレステリック相→ＳｍＣ”
や等吉相→ＳｍＣ”の相転移で生じたＳｍＣ”を用いる
ことが好ましい。

又、本発明の液晶素子は、一対の基板１０１と１０１’
の間に複数のスペーサ部材２０１が配置されている。こ
のスペーサ部材２０１は、例えば配向制御膜１０５が設
けられていない基板１０１′の上にＳｉＯ，５ｉ０２．
Ａ立２０３゜’ｒｉｏ２などの無機化合物あるいはポリ
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、所定の位置にスペーサ部材２０１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。

又１本発明では、スペーサ部材２０１として、アルミナ
粒子、グラスファイバーなども用いることができる。

この様なセル構造体１００は、基板１０１と１０１’の
両側にはクロスニコル状態とした偏光子１０７．と１０
８がそれぞれ配置されて、電極１０２と１０２′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。

又、本発明の液晶素子は、液晶中にアントラキノン系色
素、アゾ系色素やシアニン色素などの２色性色素を溶解
させたゲスト−ホスト方式とすることも可能である。こ
の際、前述で使用した偏光子は１枚でよく、画素シャッ
タの開閉コントラストを十分に大きな値になすことがで
きる。

以下、本発明を具体的な実施例を挙げて説明する。

実施例１ 本実施例では第４図に示す液晶素子を作成した。

第４図に示した液晶素子１００において、先ず一対のガ
ラス基板ｌｏｔと１０１′上に、ＩＴＯ電極１０２と１
０２′をストライプ状に１０００人の厚みでパターニン
グした０次いで、配向制御膜１０５と１０５′として、
スピナー塗布によりポリイミド被膜を１０００人の厚み
で形成し、硬化させることによって形成した後、スペー
サー２０１をポリイミドでＩｇの高さに形成し、フォト
エツチングによりパターニングを行ない硬化させること
によって設けた。つづいて、両基板の表面に、後述する
ようなラビング処理軸方向でのラビング処理を施した０
次に、２枚の基板を電極が平面的に交差するように組み
合わせ、上下基板を貼り付けた。

その後、カイラルスメクチック相を有する強誘電性液晶
としてＤＯＢＡＭＢＣを封入しくこれを液晶層１０３と
した）、４辺を封止して液晶素子１００とした。この液
晶素子の液晶層１０３を、等吉相の状態になるまで昇温
し１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素子１００は、基板１０
１と１０１’の両側にはクロスニコル状態とした偏光子
１０７と１０８が夫々配置されて、電極１０２と１０２
′の間に電圧を印加した時に光学変調を生じることにな
り、この条件下での°スイッチングを観測した。

本実施例では、上下基板のラビング処理軸が交差する角
度をθとしたとき、比較例として上下基板のラビング処
理軸方向が一致している素子（θ：＝Ｏ°）及び上基板
のラビング処理軸に対して、下基板のラビング処理軸を
３０゜の角度で交差させて貼りあわせた素子（θ＝３０
”）を作成し１．夫々について、下述の条件下でスイッ
チング特性の実験を行なった。尚、測定温度は７０°Ｃ
であった。

この結果、θ＝０°の液晶素子では、電圧ノくルス幅１
ｍ５ｅｃで双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、より安定な配向状態から不
安定な配向状態への閾値電圧は２１．８Ｖであるのに対
し、より不安定な配向状態から安定な配向状態への閾値
電圧は３０．２　Ｖであった。さらに、より安定な配向
状態から不安定な配向状態にスイッチングした際に、ス
イッチング後１〜２秒後でより安定な配向状態にもどる
「戻り現象」が見られた。

一方、θ＝３０°の液晶素子では、２つの安定配向状態
間の閾値電圧は、配向状態の変化の方向によらず、どち
らも２０．５　Ｖであり、θ＝０°の時に出現したよう
な「戻り現象」は観測されなかった。

以上の結果より、上下基板に形成した２つのラビング処
理軸をある一定の角度で交差させることによっで、より
すぐれた双安定性をもつ強誘電性液晶を得ることができ
る。

実施例２〜４ 本実施例では、実施例１で作製した液晶素子において、
以下に示す封入した液晶の種類と上下基板のラビング軸
方向の交差角度θの他については、全〈実施例１と同様
な方法で作製した液晶素子を用いた。

まず、本実施例で用いたカイラルスメクチック道晶とし
ては、以下の化合物を示された重量比で混合させたもの
であった。

また、この混合°液晶のＳｍＣ相の温度範囲は３℃〜３
５℃であった。

さらに、θとして比較例としてのθ＝Ｏ″の素子以外に
、θがそれぞれ３０°　、４５°と９０″の３つの素子
（それぞれ実施例２．３と４とする）を作成し、実施例
１と全く同様の方法で測定したことによって得られた結
果を第１表にまとめて示した。尚、測定温度は２８℃で
あった。

尚、第１表で状態Ａとは＃：＝辷；立二より安定な配向
状態（閾値電圧が低１．Ｎ方）、状態Ｂとはもう一方の
閾値電圧が高い方のより不安定な配向状態のことである
。

以上の結果より、ラビング処理軸をある一定の角度、好
ましくは３０”〜５０°ずらせることによって、良好な
双安定性を実現できる。

実施例５ 本実施例では、実施例１で作成した液晶素子において、
配向制御膜として用し＼たボ１Ｊイミド被膜に代えて、
以下に示す５ｔ０２斜方蒸着Ｉｌｌを用いた以外は、実
施例１と全く同様の方法で作成した液晶素子を用いた。

すなわち、実施例１で述べたようなガラス基板上にＩＴ
Ｏ電極をパターニングした基板を斜め蒸着装置にセット
し、次１．Ｎでるつ（ｌ内番こ５ｉ０２の結晶をセット
した。その後、蒸着装置内をｔｏ−５Ｔｏｒｒ程度の真
空状態として力）ら、所定の方法で基板上に５ｉ０２を
斜めが着し、８００人の斜め蒸着膜を上、下基板それぞ
れについて作成した。

この後は、実施例１と全く同様な方法により、液晶とし
てＤＯＢＡＭＢＣを封入し、上、下基板に形成された一
軸性配向軸の交差角度をθ＝０°　（比較例）とθ＝３
ｏ”　　（実施例）の２つの素子を作成し、実施例１と
同様にしてスイッチング特性の実験を行なった。尚、測
定温度は７０℃であった。

この結果、θ＝０°の液晶素子では電圧パルス幅１ｍ５
ｅｃで双安定状態間のスイッチングを行なうと、より安
定な配向状態から不安定な配向状態への閾値電圧は２３
．　ＯＶであるのに対し、より不安定な配向状態から安
定な配向状態へのｖＩＡ値電圧は２　Ｂ、　５　Ｖであ
った。ざらに「戻り現象」も観測された。

一方、θ＝３０°の液晶素子では、２つの安定配向状態
間の閾値電圧は配向状態の変化の方向によらず、どちら
も２３．５　Ｖであり、ざらに「戻り現象」は観測され
なかった。

以上の実施例１〜５の結果より、配向処理方法がラビン
グ法か、５ｉ０２斜方蒸着法かによることなく、交差し
た一軸性配向軸を有する上、下基板を用いることによっ
てよりすぐれた双安定性を実現できることがわかる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の液晶素子を模式的に表わす平面図で
ある。第２図及び第３図は、本発明で用いる強誘電性液
晶素子を模式的に表わす斜視図である。第４図（Ａ）は
、本発明で用いる液晶素子の平面図で、第４図（Ｂ）は
そのＡ−Ｎ断面図である。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）一軸性配向軸を有する２枚の基板間に強誘電性液
   晶を配置した液晶素子において、前記一軸性配向軸が互
   いに交差角（θ）をもって交差していることを特徴とす
   る液晶素子。
2. （２）前記強誘電性液晶より高温側の一軸性異方相にお
   ける分子が前記一軸性配向軸の交差角（θ）のθ／２の
   角度をもって配向する特許請求の範囲第１項記載の液晶
   素子。
3. （３）前記交差角（θ）が５°〜８５°の角度である特
   許請求の範囲第１項記載の液晶素子。
4. （４）前記交差角（θ）が２０°〜７０°の角度である
   特許請求の範囲第１項記載の液晶素子。
5. （５）前記交差角（θ）が３０°〜５０°の角度である
   特許請求の範囲第１項記載の液晶素子。
6. （６）前記一軸性異方相がスメクチツクＡ相である特許
   請求の範囲第２項記載の液晶素子。
7. （７）前記強誘電性液晶がカイラルスメクチツク液晶で
   ある特許請求の範囲第１項記載の液晶素子。
8. （８）前記一軸性配向軸がラビング処理軸である特許請
   求の範囲第１項記載の液晶素子。
9. （９）前記一軸性配向軸が基板上に設けた配向制御膜に
   形成されている特許請求の範囲第１項記載の液晶素子。
10. （１０）前記配向制御膜が絶縁性有機樹脂膜で形成され
    ている特許請求の範囲第９項記載の液晶素子。
11. （１１）前記配向制御膜が無機絶縁膜で形成されている
    特許請求の範囲第９項記載の液晶素子。