JPS62220930A - 強誘電性液晶素子 - 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１強誘電性液晶素子に関し、詳しくは非画素部
の濃度ムラを改善し、高コントラストで。

表示品位の高い表示を可能にした強誘電性液晶素子に関
する。

〔従来の技術〕

従来より、走査電極群と信号電極群をマトリクス状に構
成し、その電極間に液晶化合物を充填し多数の画素を形
成して１画像或いは情報の表示を行５液晶表示素子は、
よく知られている。この表元素子の駆動法としては、走
査電極群に順次周期的にアドレス信号を選択印加し、＠
号篭極群には所定の情報信号をアドレス信号と同期させ
て並動的に選択印加する時分割駆動が採用されている。

−万、プリンタ分野においては、゛電気信号を入力とし
てハードコピーを得る手段として１画素密度の点からも
スピードの点からも、電気画像信号を光の形で成子写真
感光体に与えるレーザービームプリンタが現在最も優れ
ている。その電気信号を光信号に変換する素子として、
液晶シャッターアレイが提案されている。

これらの実用に供されたのは、殆どが０例えば“アプラ
イド・フィツクス・レターズ（”ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙ
ｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ”　）　１９７１年、１８（
４）号１２７〜１２８頁に掲載のＭ、シーｙット（Ｍ、
　５ｃｈａｄｔ　）及びＸ。

ヘルツリフ（Ｗ、　Ｈｅ１ｆｒｉｃｈ　）共著　“ボル
テージ・ディペンダント・オプティカル・アクティビテ
ィ−φオブ・ア・ツィステッド壷ネマチック・リキッド
・クリスタル”　（”Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｄｅｐｅｎｄｅ
ｎｔＯｐｔｉｃａｌ　Ａｃｔｔｖｉｔｙ　ｏｆ　ａ　Ｔ
ｗｉｓｔｅｄ　Ｎｅｍａｔｉｃ　ＬｉｑｎｉｄＣｒｙｓ
ｔａｌ　’　）に示されたＴＮ　（ｔｗｉｓｔｅｄ　ｎ
ｅｍａｔｉｃ　）型液晶であった。

近年は、在来の液晶素子の改善型として、双安定性を有
する液晶素子の使用がクラーク（Ｃ１ａｒｋ）及びラガ
ーウォール（Ｌａｇｅ　ｒｗａ　ｌ　１　）の両者によ
り特開昭５６−１０７２１６号公報、米国特許第４３６
７９２４号明細瞥等で提案されている。双安定性液晶と
しては。

一般に、カイラルスメクチックＣ相（ＳｒｒＣ勺又はＨ
相（Ｓｒｒｆ（勺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
の光学的安定状態からなる双安定状態を有し、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−万
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、この型の液晶は印加
される′４界に応答して極めて速やかに上記２つの安定
状態のいずれかをとり、か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。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、走査電極群と信号電極群を上下の基板に
マトリクス状に形成したセルに、この双安定性を有する
液晶を挾持した構成では、走査成極と信号は橿の交差部
、即ち０画素部（相対向する電極が形成されている部分
）では前述した如く印加電界の極性だ応じて＠１あるい
は第２の安定配向状態に制御することができるが、！極
の交差していない部分、即ち、非画素部（相対向する電
極が形成されていない部分）では、印加電圧によって一
万の安定状態に制御することかできないので、実際の表
示素子の乃今では、非画素部の強誘電性液晶は、第１の
安定状態に配向した液晶と第２の安定状態に配向した液
晶が混在したドメイン構造となっている。

特に、第１の安定状態洗配向した強誘電性液晶のドメイ
ンと第２の安定状態尤配向した強誘電性液晶のドメイン
とは、別個に広範囲に亘って分布される傾向があるため
１例えば表示画面の右上の非画素部では第１の安定状態
に配向したドメインが形成され、左Ｆの非ｉｉ！ｉ素部
では第２の安定状態に配向したドメインが形成されてい
る様な場合が生じる。従って、前述した液晶素子の上下
（互いにクロスニコルの偏光子を配置し、−万の偏光子
の偏光軸を例えば第１の安定状態に配向している液晶分
子の分子軸方向に一致させて配置した時には１表示画面
の右上では非画素部が「黒」の表示状態をとり、−万表
示画面の左下でシ１非画素部が「白」の表示状態をとる
ことばなり、この表示素子はその表示品位が低り、シか
も低コントラストなものとなる問題点があった。

この様に、双安定状態又は多安定状態を示す強ｎ電性液
晶は、非画素部で異なる配向状態のドメインを形成し、
その異なるドメインが表示画面内に分布されることにな
るため、表示画面内の非画素部が部分的に異なる表示状
態、詳しくは異なる透過率特性を示し１表示品位を損う
ことになっていた。

〔問題点を解決するための手段〕及び〔作用〕従って１
本発明の目的は１表示品位を向上させた強誘電性液晶素
子を提供することにあり、特に表示画面内の非画素部の
表示状態を画面全体に亘って均一な表示状態とした強誘
電性液晶素子を提供することにある。

本発明は、一対の平行基板間に配置した強誘電性液晶と
、相対向する電極を有する画素部と相対向する電極が形
成されていない非画素部とを有する強誘電性液晶素子に
おいて、前記画素部と非画素部の強誘電性液晶を単安定
状態とした後前記画素部の強誘電性液晶を双安定状態又
は多安定状態とした強誘電性液晶素子に特徴を有してい
る。

すなわち、本発明は、マ）　ＩＪスク電極が形成されて
いる強誘電性液晶の初期配向状態を下達するチルト角θ
の単安定状態としてから、画素内の相対向電極間に交流
電圧を印加し、画素内の強誘電性液晶を双安定状態又は
多安定状態とすることによって、非画素部の強誘電性液
晶な単安状態に基づく１つの配向状態にするとともに、
画素部の強誘電性液晶をチルト角の大きい双安定状態又
は多安定状態とすることができる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に従って説明する。

本発明の好ましい具体例では、一対の基板上にマトリク
ス電極（走査電極と信号電極）を形成し、高温側の別な
相から降温することにより形成されたスナクチツク相〔
特にカイラルスメクチック相〕での配向状態が（初期配
向状態と呼ぶ）１つの安定状態と１つの準安定状態とを
有する単安定性の強誘電性液晶素子とし、■前記安定状
態と準安定状態の平均分子軸方向間の角度を２０とし、
■電極に２極性の所望の直流電界を印加した時に発現す
る２つの平均分子軸方向間の角度を２０とし、且つ■前
記電極間に数秒〜１０分程度で交流電圧な印加かつ除去
したのち２つの双安定状態の平均分子軸方向間の角度２
０′としたとき、６．θ′と■の間でθくθＩ≦の関係
をもつ強誘電性液晶素子とすることができる。この際の
電極間に印加される交流電圧の周波数は２０Ｈｚ〜２０
０Ｈｚであり、その電圧は３Ｖ〜１００ｖとするのがよ
い。

本発明で用いる単安定状態の強誘電性液晶は、電圧無印
加時には１つの安定状態に配向しているが、閾値電圧を
越えた直流パルスを印加した時に前述した安定状態とは
異なる別の準安定状態に配向し、電圧無印加状態で再び
元の安定状態へと緩和的に移行することができる。従っ
て、前述した安定状態と準安定状態での平均分子軸方向
のなす角度が前述した角度２θに相当している。

又、本発明で用いる単安定状態の強誘電性液晶は、前述
した交流電圧を印加することによって、双安定状態又は
多安定状態を形成することができる。この点については
、下記で詳述する。

本発明で用いる液晶材料として、特に適したものは、カ
イラルスメクチック液晶であって、強誘電性を有するも
のである。具体的にはカイラルスメクチックＣ相（８ｍ
Ｃ”　）　、カイラルスメクチックＣ相（８ｍＧ”）、
カイラルスメクチックＦ相（ＳｍＦ中）、カイラルスメ
クチックエ相（８ｍＩ）又はカイラルスメクチックＨ相
（８ｍＨ）の液晶を用いることができる。その強誘電性
液晶の詳細については、“ル・ジュールナル・ド・フイ
ジーク・ルチール”（＠ＩＪ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＤＢ　
ＰＨＹＳＩＯＵＥ　Ｌｇ’ｒ’ｒｇａｓ”）１９７５年
。

３６　（Ｌ−６９）号に掲載の「７エロエレクトリツク
・リキッド・クリスタＡ／　スＪ　（ｒ　Ｆｅｒｒｏｅ
ｌｅｃｔｒｉｃＬｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌｓ　Ｊ　
）　；　”アプライド・フィジックス−Ｌ／ターズ−（
−Ａｐｐｌｉｅｄ　ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ”
）１９８０年、３６　（１１）号に掲載の「サブミクロ
・セカンド・バイスティプル・エレクトロオプティック
−スイッチング拳イン・リキッドｅクリスタルス」（ｒ
　８ｕｂｍｉｃｒｏ　５ｅｃｏｎｄ　Ｂ１５ｔａｂｌｅ
　Ｂｌｅｅｔｒｏｏｐｔｉｃ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　Ｉ
ｎＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌｓ　Ｊ　）　；　”固体
物理＝１９８１年、１６（１４１）号に掲載の「液晶」
等に記載されていて、本発明ではこれらの開示された強
誘電性液晶を用いることができる。

強誘電性液晶化合物の具体例としては、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（ＤＯＢＡＭＢＣ）　、ヘキシルオキシベンジリデン
−Ｐ′−アミノ−２−クロロプロピルシンナメート（Ｈ
ＯＢＡＣＰＣ）、４−０−　（２−メチル）−ブチルレ
ゾルシリダン−４′−オクチルアニリン（ＭＢＲ人　）
が挙げられる。特に、好ましい強誘電性液晶としては、
これより高温側でコレステリック相を示すものを用いる
ことができ、例えば下達の実施例に挙げた相転位温度を
示すビフェニルエステル系液晶を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、液晶化合物
が所望の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ー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４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。以下、所望の相としてＳ
ｍＣ”を例にとって説明する。

１１と１１’は、Ｉｎ、０．　、８ｎＯ，あるいはＩＴ
Ｏ（Ｉｎｄｉｕｍ−ＴｉｎＯｘｉｄｅ　）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１２がガラス面に垂直になるよう配向
した８ｍＣ相の液晶が封入されている。太線で示した線
１３が液晶分子を表わしており、この液晶分子１３は基
板の面方向に連続的にらせん構造を形成している。この
らせん構造の中心軸１５と液晶分子１３の軸方向とのな
す角度な０として表わす。

この液晶分子１３は、その分子に直交した方向に双極子
モーメン）（Ｐ、）１４を有している。基板１１と１１
’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１３のらせん構造がほどけ、双極子モーメン）（
Ｐ、）１４がすべて電界方向に向くよう、液晶分子１３
は配向方向を変えることができる。液晶分子１３は、細
長い形状を有しており、その長軸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
クロスニフ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素子となることは、容易に理
解される。

本発明の液晶光学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１０μ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
５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、非らせん構造となり、その双
極子モーメントＰまたはＰ′は上向き（２４）又は下向
き（２４’）のどちらかの状態をとる。この液晶分子１
３の分子軸と、２３′のなす角度の１／２の角度をチル
ト角（０）と称し、このチルト角（■）はらせん構造を
とる時のコーンのなす頂角の１／２に等しい。

このようなセルに、第５図に示す如く一定の閾値以上の
極性の異る電界Ｅ又はＥ／を電圧印加手段２１と２１’
により付与すると、双極子モーメントは、電界Ｅ又はＥ
′の電界ベクトルに対応して上向き２４又は下向き２ν
と向きを変え、それに応じて液晶分子は、第１の安定状
態２３かあるいは第２の安定状態２３′の何れか一方に
配向する。

このような強誘電性を液晶光学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５図によって更に説明すると、電
界Ｅを印加すると液晶分子は第１の安定状態２３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Ｅ／を印加すると、液晶分子は第２の安定状
態２３′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まっている。

このような強誘電性を有する液晶で素子を形成するに当
って最も問題となるのは、先にも述べたように、非画素
部で異なる配向状態の比較的太きいドナイン構造が発生
し、非画素部ではその制御ができないことである。

ところで、従来より大面積の液晶セルを製造する上で、
基板表面に一軸性の配向処理を施す方法が知られている
。この−軸性の配向処理法として例えばポリイミド（Ｐ
Ｉ）−？ポリビニルアルコール（ＰＶＡ　）等の高分子
膜を配向膜として基板表面に塗布した後表面をビロード
、布や紙で一方向にラビングする方法あるいは基板表面
に８ｉ０やＳ　１０２を斜方蒸着する方法などが挙げら
れる。

強誘電性液晶に対して、この上うな配向処理を施すとチ
ルト角θの双安定な初期配向状態が実現される。但し、
この双安定状態は後述するように第５図で示した理想的
な分子配列とは異なるものである。

第１図は、本発明による液晶素子の分子の配向状態を示
す模式図である。第２図及び第３図は、その本発明に使
用される液晶セルの１例を示す平面図及びそのＸ−Ｘ／
による断面図である。第２図及び第３図において、液晶
セル１は、ガラス又はプラスチックの基板３ａ及び３ｂ
上に、ストライプ状電極群４ａ及び４ｂをＩＴＯ（Ｉｎ
ｄｉｕｍ　−Ｔｌｎ０ｘｉｄｅ　）によりｔｏｏｏＫの
膜厚で形成し、その上層にＰＶＡ被ｇ　５　ａ及び５ｂ
を約５００Ａの膜厚で形成した。更にその上層に液晶層
厚を保持するために、片側の基板のみ２０μｍ平方のド
ツト状のネガレジスト材のスペーサ一群６を設け、この
スペーサ一群６によって、液晶層２が広い範囲で一定の
厚さに保たれている。上記の２枚の基板をラビング処理
したのち、セル組みして、液晶を導入する。

以下、液晶材料としてエステル系混合液晶チッソ社製Ｃ
８１０１１を例にとり、上記の各図に従って、本発明を
説明する。このエステル系混合液晶は、次の相転移状態
を表わしている（この相転移点は顕微鏡観察により求め
た）。

Ｉｓｏ　（等吉相）→ｃｈ　（コレステリック相）９０
℃ →８ｍＡ（スメクテイツク人相）　→　８ｍＣ申→Ｃｒ
ｙ７５℃　　　　　　　　　　　　　　　　　　５０℃
　　０℃以下（結晶相〕 まず、前述のピフェニルエステル系液晶が封入されてい
るセル構造体１は、セル１全体が均一に加熱される様な
加熱ケース（図示せず）にセットされる。

次に、セル１中の化合物が等吉相となる温度（約９５℃
）まで加熱する。しかる後に、加熱ケースの温度を降温
させて、セル１中の等吉相となっている化合物を降温過
程に移す。この降温過程で等吉相の化合物は、約９０℃
でグランシュアン組織のコレステリック相に相転移し、
さらに降温過程を続けると約７５℃でコレステリック相
がら一軸異吉相であるＳｍＡに相転移を生じることがで
きる。この時、　８ｍＡの液晶分子軸は、ラビング方向
に揃う。

しかる後に、この８ｍＡより降温過程でＳｍＣ中に相転
移することによって例えばセル厚を３μＬ′ｔ１程度以
下とすると非らせん構造をもつモノドメインのＳｍＣ中
が得られる。

ここで、第１図を再び説明すると、第１図は、基板面の
上方から見た配ｐ」状態の模式図である。

図中、１０Ｇは一軸性配向処理の方向、即ち、本実施例
ではラビング方向に相当している。８ｍＡ相では、液晶
分子がラビング方向１００と一致する液晶の平均分子軸
方向１０１をもって配向する。

８ｍＣ”相に於ては液晶分子の平均的な分子軸方向は、
１０２の方向に傾き、ラビング方向１００と８ｍＣの平
均分子軸方向１０２は、角度θ、をなして１つの安定配
向状態となる、 この状態で上下基板に所定の閾値以上の直流パルス電圧
を印加すると、液晶分子の平均的な分子軸方向はラビン
グ方向１００と角度θ２をなす準安定状態の平均分子軸
方向へと液晶分子のスイッチングがおこる。

閾値は矩形パルスのパルス幅と電圧波高値によって表わ
され、例えば１　ｍ５ｅｃのパルス幅では約５ｖである
。またθ、とθ、は用いた配向膜及びラビングの条件に
より異なるが、θ、が約９°、θ２が約４゜で、単安定
状態ではθ、≦０２の関係が成立すると推測される。

さて、スイッチングパルス電圧により、安定状態から準
安定状態へと液晶分子はスイッチングされるが、電圧を
とり去った後は、液晶分子は準安定状態から元の安定状
態へと移行する。この移行時間は配向処理法により異な
るが、数ｍ５ｅｃから数分である。このような単安定な
２状態が出現する詳細な理由は明らかではないが、上下
基板の何らかの非対称な配向制御作用により本来は双安
定な２つの状態がエネルギー的に等価でなくなることに
よるものと考えている。

従って、少なくとも初期配向状態においてはエネルギー
のより低い安定状態の平均分子軸方向１０２にセル全体
にわたって液晶分子は配列する。

このような無電界時にらせん構造がほどけた単安定状態
を実現する方法としては、前述した如く、セルを作成す
る際に片側基板にのみスペーサ材を設ける方法の外に、
上下基板で互いに異種の配向膜を塗設する方法、例えば
ＰＩやＰＶ人等の有機高分子膜を設けた基板とシランカ
ップリング剤等の無機物の膜を形成した基板を用いる方
法がある。

さらに、単安定状態を実現する別の方法としては、セル
を作成する際の配向方法を異ならせる方法を用いること
ができる。例えば上下基板でのラビングの方向を平行あ
るいは反平行な方向からある角度だけずらす方法、片側
の基板のみにラビング処理を施す方法、上下基板に形成
する配向膜の膜厚を銚ならせる方法あるいは一方の基板
にＩＴＯ／絶縁膜／配向膜を設け、他方の基板にＩＴＯ
／配向膜を設ける方法などを用いることができる。

この様にセルを作成する際の上下基板を非対称すること
によって容易に単安定状態の強誘電性液晶素子！作成す
ることができる。

次に、このセルに３〜ＩＯＶ、　２０〜１０　ＧＨｚの
交流電界を数分間印加した。

交流印加後の平均分子軸方向は、ラビング方向１０１と
それぞれ角度θＩをなす方向に双安定状態として変化し
た。このチルト角θＩは前述したらせん構造をとる時の
コーンのなす頂角の１／２の角度０にほぼ一致し、約１
８°であった。

このような交流印加によって、チルト角の小さな単安定
状態からチルト角の大きな双安定状態への「転換」のナ
カニズムは明らかではないが、次のように推測している
。

即ち、初期配向状態として得られる単安定状態では、セ
ルの厚さ方向に何らかの液晶分子の「ねじれ」が存在し
、非対称な基板界面の配向制御作用により、エネルギー
状態の異なる２種類のねじれがそれぞれ安定状態及び準
安定状態に対応しているものと考えられ、この「ねじれ
」により見かけ上、平均的分子軸方向がねじれのない状
態に比べて、光学的に小さく観測されるものと思われる
。

一方、ＡＣ電界印加後の状態は第６図に示した理想な双
安定状態での分子配列にほぼ一致し、基板界面の配向制
御作用の非対称性にそれほど彰響されることなく、双安
定な２状態が実現されているものと考えている。

この双安定状態間のスイッチングは交流印加前と同様、
所定の閾値以上のパルス電圧により行われ、閾値は１　
ｍ５ｅｃのパルス幅で約１５Ｖであった。

交流印加前の単安定状態とは異なり、電界をとり去った
後も、それぞれの安定状態を保持している。

ここで、このような転換が生じるのはセル内において、
交流電界が印加される画素部のみであり、画素以外の部
分は交流電界印加前の単安定状態を維持していることは
言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、！トリクス電極
構造をもつ単安定状態の有する強誘電性液晶セルに、交
流電界を印加することにより、画素部以外の部分をセル
全体にわたって均一な配向方向に制御できるとともに、
画素部においてはチルト角の拡大された双安定状態が実
現され、透過光量、及びコントラストを増大させること
が可能となり、表示特性の優れた強誘電性液晶素子を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による液晶セルの１実施例の模式図、第
２図及び第３図は液晶セルの平面図及び断面図、第４図
及び第５図は液晶セルの模式図である。 １！許Ｊ：１．ふル　　　　　Ｏ・畠旦３：基板　　　
　　　　４：電極 ５：被膜　　　　　　　６：スペーサー１０１ニラピン
グ方向平均分子軸 １０２：安定状態平均分子軸 １０３　：飽和平均分子軸 特許出願人　　キャノン株式会社 不１（２１ 不脣明の潅晶しルの砿六図 １０５５侵晶口し ：夜晶〔ルの１Ｍ面図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）一対の平行基板間に配置した強誘電性液晶と、相
   対向する電極を有する画素部と、相対向する電極が形成
   されていない非画素部とを有する強誘電性液晶素子にお
   いて、前記画素部と非画素部の強誘電性液晶を単安定状
   態とした後、前記画素部の強誘電性液晶を双安定状態又
   は多安定状態としたことを特徴とする強誘電性液晶素子
   。
2. （２）前記画素部の双又は多安定状態の強誘電性液晶が
   単安定状態下の強誘電性液晶に交流電圧を印加すること
   によって形成された強誘電性液晶である特許請求の範囲
   第１項記載の強誘電性液晶素子。
3. （３）前記交流電圧の周波数が２０Ｈｚ〜２００Ｈｚで
   、その電圧が３Ｖ〜１００Ｖである特許請求の範囲第２
   項記載の強誘電性液晶素子。
4. （４）前記強誘電性液晶がカイラルスメクチック液晶で
   ある特許請求の範囲第１項記載の強誘電性液晶素子。
5. （５）前記カイラルスメクチック液晶が該相より高温の
   別の相から降温することにより形成された液晶である特
   許請求の範囲第４項記載の強誘電性液晶素子。