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JP3076085B2 - 液晶電気光学装置 - Google Patents

液晶電気光学装置

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JP3076085B2
JP3076085B2 JP03125025A JP12502591A JP3076085B2 JP 3076085 B2 JP3076085 B2 JP 3076085B2 JP 03125025 A JP03125025 A JP 03125025A JP 12502591 A JP12502591 A JP 12502591A JP 3076085 B2 JP3076085 B2 JP 3076085B2
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liquid crystal
optical device
substrate
crystal electro
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利光 小沼
毅 西
彰 菅原
義正 松嶋
仁 近藤
利光 萩原
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Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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−アレイ等に適用可能な液晶電気光学装置に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の液晶電気光学装置としてはツイス
テッド・ネマチック（twisted nemetic)液晶組成物を用
いたものがよく知られている。しかし、このTN液晶は、
近年の情報量の増加要求に答えるべく、画素数を多くし
たマトリクス電極構造を用いた時分割駆動を行なった
際、クロスト−クを発生し、コントラスト比の低下を招
き、表示品質を落とすという問題点があるため、構成可
能な画素数が制限されていた。
【０００３】そこで、前記クロストークを改善するため
に、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、各画素毎にスイッチングするアクティブマト
リクス方式の表示素子が提案され、実施されている。し
かしながら、大面積の基板上に薄膜トランジスタを何十
万個も形成する工程は、極めて煩雑な上、さらにその製
造コスト、製造歩留り等の要因により大面積の表示素子
を作成することが難しいという問題点がある。
【０００４】これらの問題点を解決するものとして、ク
ラークらにより米国特許第 4367924号公報で強誘電性液
晶素子が提案され、公知となっている。
【０００５】図３はこの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。１４と１５
は、In2O2 あるいはITO(Indium-Tin-Oxide) 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１３がガラス面に垂直になるよう配
向した SmC* 相又は、他の強誘電性を示す液晶相が封入
されている。この液晶電気光学装置において強誘電性液
晶分子が図４に示すように、スメクチック層の層の法線
方向に対して＋α傾いた第１の状態１０と−α傾いた第
２の状態１１を取る。
【０００６】この二つの状態間を外部より電界を加え
て、強誘電性液晶分子をスイッチさせることにより発生
する複屈折効果の違いにより表示を行うものであった。
【０００７】この時強誘電性液晶分子を第１の状態１０
より第２の状態１１へ変える為にスメクチック層に対し
て垂直方向に例えば正の電界を加えることにより成され
る。また逆に第２の状態１１より第１の状態１０へ反転
させる為には、逆に負の電界を加えることにより成され
るものであった。すなわち外部より印加される電界の向
きをかえることにより強誘電性液晶分子の取る２状態を
変化させそれに伴って生じる電気光学効果の違いを利用
するものであった。
【０００８】さらにこの外部より印加する電界を除去し
ても強誘電性液晶分子はその状態を安定に保っており第
１と第２の双安定なメモリー性を持っていた。 その
為、この強誘電性液晶を用いた液晶電気光学装置を駆動
する信号波形としては両極性パルス列となっており、パ
ルス極性の切り替わる方向により強誘電性液晶分子の取
る２状態間をスイッチングしていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】このような強誘電性液
晶を用いた電気光学装置においては、装置全体において
均一な駆動特性が当然ながら要求される。そのために、
液晶電気光学装置全体にわたって欠陥のない、均一な液
晶相すなわちモノドメインを全体に形成することを、目
標として従来より技術開発がなされてきた。
【００１０】しかしながら、液晶材料特にスメクチック
の層構造を持つ強誘電性液晶は配向膜についた微少なキ
ズや液晶駆動用の電極の凹凸段差や、液晶装置の基板間
隔を一定に保持するためのスペーサーその他種々の原因
により層構造に欠陥が発生し、均一なモノドメインが得
られない。その為に従来は液晶電気光学装置セルの端部
より、液晶を一次元結晶成長させる方法（温度勾配）に
よりセル全体にモノドメインを成長させることが試みら
れていた。しかしながら液晶電気光学装置が大面積化し
た場合この方法は適用不可能であった。すなわち、この
方法によって実現されるモノドメインの大きさは最大数
十ミリ角程度であり大面積化して工業的に使用すること
は不可能であった。
【００１１】また仮に使用可能な大きさのモノドメイン
が実現されたとしても、強誘電性液晶材料が持つ性質と
して液晶材料が基板に平行に配列せず、一定の傾きを持
つ配列を取るため強誘電性液晶の層構造が曲がったり、
折れたりする。そのためにジグザグ欠陥がドメイン中に
発生し、表示特性の不良や、駆動特性に不均一さが発生
する問題があった。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、Ｘ線回折
法（ＸＲＤ）を使用して、液晶電気光学装置内での強誘
電性液晶組成物のスメクチック層構造を解析し液晶組成
物が構成するスメクチック層方向と基板法線とのなす角
が５度から１５度の範囲にあり、前記スメクチック層の
法線は基板の一軸配向処理方向に対して最大分布位置が
±２５度以上の範囲に分布するような層構造を持つ液晶
電気光学装置であれば、前述のような課題を解決できる
ことを見出したものであります。
【００１３】また、この液晶組成物が構成するスメクチ
ック層方向と基板法線とのなす角は液晶電気光学装置内
で必ず一定の値を取っているものではなく、だいたい装
置内おいて４度以上の幅を有している。
【００１４】このような時、液晶電気光学装置内のその
液晶組成物の取る配向状態を観察するとクラークらが提
案し、理想的な配向状態であるとされていたモノドメイ
ンではなく、微小なドメインが存在するマルチマイクロ
ドメイン状態として観察される。
【００１５】従来、スメクチック相において、ランダム
な方向にバトネが成長している状態をマルチドメインと
定義している。本発明でいうマルチマイクロドメインと
は、この状態とは異なり、各ドメインがほぼ共通の一軸
性を維持しており、かつそのドメインが非常に微小な構
造として観察される。このドメインは特に層方向に数μ
ｍ〜数十μｍの短径を有し、層に垂直な長径は短径の５
〜５００倍である。
【００１６】通常、強誘電性を示すスメクチック相は層
構造を有している。その層は基板法線に対して折れ曲が
りを示すのが通常であり、その折れ曲がり方向が異なる
所で、前述のジグザク欠陥が生じることが様々な研究で
明らかになされてきた。
【００１７】この層構造の解析はＸ線を透過するような
０．１mm厚程度の薄いガラス基板を用いた液晶セルとＸ
線回折装置で測定することにより行われる。
【００１８】Ｘ線回折測定は図５に記載されているよう
に、液晶電気光学装置のセル１２に対してＸ線を照射し
て測定するもので、セルの基板に平行な軸の回りに基板
を回転して測定するθスキャン測定と基板の法線の軸の
回りに基板を回転して測定するβスキャン測定とを行
い、θスキャン測定でスメクチック層の折れ曲がりの様
子がわかり、βスキャン測定でスメクチック層の法線の
一軸配向処理方向に対する最大分布位置がわかるもので
あります。
【００１９】このような、測定のために基板内に同じ材
料の強誘電性液晶組成物を垂直配向した液晶電気光学装
置セルを使用して、ブラッグ角を決定する。次にＸ線と
ディテクターのなす角度をこのブラッグ角に固定し、基
板をθ軸の回りに回転してθスキャン測定を行う。βス
キャン測定はこのθスキャン測定で得られたピークに基
板のθ方向の角度を固定し、さらにθ測定と同様にＸ線
とディテクターのなす角度をこのブラッグ角に固定して
基板の法線軸の回りに基板を回転させて、βスキャン測
定を行うものであります。
【００２０】図６の液晶の構造の様子を示す光学顕微鏡
写真のような従来から知られた典型的な明確なジグザク
欠陥を示す液晶セルのθスキャンのＸ線回析測定を行う
と、図７に示すように、回折角２０度以上の所に回折ピ
ークが得られる。２つのピークが得られるのはスメクチ
ック層がくの字型に折れ曲がっている為であり、このく
の字に折れ曲がった両方の層で回折するためである。層
に対するブラック角は２〜３度であるために回折角から
９０を減じた絶対値がスメクチック層の基板法線に対す
る傾き角となる。
【００２１】一方、本発明の液晶セルの典型的なＸ線回
折測定を行うと、図８に示すように８１度、１００度に
おいて回折ピークが得られた。典型的なジグザク欠陥を
示すような液晶セルのθスキャンの場合に比べて、回折
ピークの得られる角度から基板法線に対する層の傾きの
程度が緩いことがわかる。本発明の液晶電気光学装置の
層構造の基板法線に対する傾きは５〜１５度である。
【００２２】さらに本発明の液晶電気光学装置の場合の
回折ピークは典型的なジグザク欠陥を示すような液晶セ
ルの場合に比べてブロードであり、そのピーク幅は４度
以上となっている。
【００２３】また、図８のピークが得られた所の位置で
次にセルを基板法線を軸としたβ軸の回りにを３６０度
回転した時の回折ピークの変化を測定した。この測定の
結果を図９に示す。
【００２４】βスキャンによるピーク幅はまさしく、本
発明の液晶電気光学装置の液晶組成物の配向状態がマル
チマイクロドメイン性を持つことを実証していることに
なる。すなわち、層法線方向が一様に基板の一軸配向処
理方向に従っているのではなく、この回折ピークの幅の
範囲にわたって分布している。
【００２５】このマルチマイクロドメインの光学顕微鏡
観察を行なった時に液晶の配向状態が微小なドメインの
集合体とし観察されている。つまり、各ドメインの層方
向が一様でない。このことをＸ線回折装置のβスキャン
をすることにより、層構造の分布状態を測定することが
できる。
【００２６】以上の様な実験データから、各ドメインに
おける層法線方向は、一軸配向処理方向に対して、最大
分布位置が±２５度以上の範囲内にわたって分布してい
ることが分かる。
【００２７】本発明者らは、この新しい思想のもとに鋭
意努力した結果、特定の範囲内の条件を満たす強誘電性
液晶組成物のスメクチック層の配向で、液晶電気光学装
置として利用した時に、良好なスイッチングコントラス
トを得ることができたものである。
【００２８】
【実施例】
〔実施例１〕図１に本実施例で用いた強誘電性液晶装置
の概略断面図を示す。ガラス基板上に８００から１２０
０Åの厚みのＩＴＯを反応性スパッタ法にて成膜した。
このＩＴＯの抵抗はシート抵抗で、１５〜２５Ω／cm2
であったこれを通常のフォトレジスト法によりレジスト
マスク部を形成し、酸化第２鉄を含有する酸溶液により
ＩＴＯの不要部をエッチング除去し、レジストを剥離
し、ＩＴＯ３，３’をパターニング形成した。この時の
ＩＴＯパターンは、同一の方向を向いたストライプ状の
ものであり、この電極３，３’をマトリクス状に配置さ
れたものである。
【００２９】また、一方の基板の電極上には配向部が設
けられている。配向部の材料としては、ポリイミドや、
ナイロン系のものを使用した。これらの配向材料をスピ
ンコート法やオフセット印刷法により基板面上に塗布
し、焼成して成膜した。成膜温度はナイロンの場合１０
０〜１３０℃であり、ポリイミドの場合は２５０℃〜３
００℃、特に２８０℃〜３００℃であることが望まし
い。膜厚は１００〜５００Åであった。
【００３０】一軸配向処理としては、これにラビング処
理を施した。ラビング布は綿製ベルベット、毛足長２．
５〜３ｍｍのものを使用し、回転数は１０００〜１５０
０ｒｐｍ、テーブル移動速度は１００〜４００ｃｍ／分
でラビングした。
【００３１】この基板上に２．５μｍの酸化シリコン粒
子を散布した後、図１に示すように一軸配向処理を施し
てない基板と平行に重ね合わせた。このセルに真空法に
より圧力差を利用して、等方相に加熱した強誘電性液晶
材料をセル内に充填した。
【００３２】その後、偏光板１、１’をはり測定に供し
た。本実施例に使用した液晶材料は以下に示すような液
晶組成物であった。
【００３３】物質Ａ
【化１】
【００３４】物質Ｂ
【化２】
【００３５】物質Ｃ
【化３】
【００３６】物質Ｄ
【化４】
【００３７】物質Ｅ
【化５】
【００３８】物質Ｆ
【化６】
【００３９】物質Ｇ
【化７】
【００４０】物質Ｈ
【化８】
【００４１】物質Ｉ
【化９】
【００４２】物質Ｊ
【化１０】
【００４３】物質Ｋ
【化１１】
【００４４】物質Ｌ
【化１２】
【００４５】また、上記液晶材料の混合割合を表１に示
す。
【表１】
【００４６】また、この液晶組成物の相転移温度は以下
のような数値であった。 これを前記セル中に、上記液晶組成物を封入し、±５Ｖ
／μｍの三角波印加時の分極反転電流より求めた自発分
極は、７．０ｎＣ／cm2 （２５℃）であった。
【００４７】得られた応答速度は、±10Ｖ／μｍの矩形
波印加時において ２７μｓｅｃ（２５℃）と極めて高
速であった。
【００４８】このセルに、バイアス比１／４の４パルス
法の駆動波形によりマルチプレクス駆動した時のコント
ラスト比は２０が得られた。
【００４９】同様に０．１mmガラス基板を用いて前述と
同じプロセス、プロセス材料により液晶セルを作製し
て、Ｘ線回折測定を行う。また同じ材料を使用して、
０．１mm厚ガラス基板を用いて垂直配向セルを作製し
た。垂直配向材には、レシチンやクロム錯体や大日本イ
ンキ製Ｓｕｒｆｉｎｅ−１５０を用い、強誘電性液晶の
層構造の面間隔をＸ線回折装置のθ／２θスキャンによ
り測定した。面間隔は３０．８６Åであった。これのデ
ーターをもとにブラッグ角を２．８６度に固定し、水平
配向セルにより、θスキャン測定を行い層の傾き角を求
めた。
【００５０】得られた回折角は７８．５度と９９．３度
であり、ピーク幅は７６．０から８１度及び９６．６度
から１０２．０度にまで分布していた。
【００５１】この状態における液晶セルの顕微鏡観察に
おける配向状態は図２（ａ）に示すようにマルチマイク
ロドメイン状態であり、典型的なジグザグ欠陥は観察さ
れなかった。また、図２（ｂ）に示す模式図のように、
このマルチマイクロドメイン(8) の大きさは数μm 〜数
１００μm であり、長径／短径の比率が５〜５００程度
の値の範囲であった。このようなマルチマイクロドメイ
ン状態においては、液晶の配向欠陥はそのドメインの境
界(9) によって、緩和されるために液晶電気光学装置セ
ル全体において、典型的なジグザグ欠陥等が観察されな
い。
【００５２】このような装置において外部回路より駆動
信号を入力すると、装置全体にわたって均一な高いコン
トラスト比の表示を実現することができた。
【００５３】〔実施例２〕実施例においては以下に示す
組成の強誘電性液晶組成物を使用して液晶電気光学装置
を作製した。
【００５４】物質Ａ
【化１】
【００５５】物質Ｂ
【化２】
【００５６】物質Ｃ
【化３】
【００５７】物質Ｍ
【化１３】
【００５８】物質Ｄ
【化４】
【００５９】物質Ｎ
【化１４】
【００６０】物質Ｏ
【化１５】
【００６１】物質Ｐ
【化１６】
【００６２】物質Ｑ
【化１７】
【００６３】物質Ｒ
【化１８】
【００６４】物質Ｓ
【化１９】
【００６５】物質Ｔ
【化２０】
【００６６】物質Ｕ
【化２１】
【００６７】物質Ｖ
【化２２】
【００６８】物質Ｗ
【化２３】
【００６９】物質Ｘ
【化２４】
【００７０】物質Ｌ
【化１２】
【００７１】また、上記液晶材料の混合割合を表２に示
す。
【表２】
【００７２】また、この液晶組成物の相転移温度は以下
のような数値であった。 この液晶材料を実施例１で示したセル中に真空注入し、
実施例１と同様にして測定した自発分極は１２．３ｎＣ
／cm2 （２５℃）であった。応答速度は21μsec極めて
高速であった。マルチプレクス駆動によるコントラスト
比は１１と良好であった。
【００７３】垂直配向セルをθ／２θスキャンにより、
面間隔を測定した。面間隔は３０．１３Åであった。次
に水平配向セルを用いθスキャンし、ブラッグ角＝２．
９３度に固定し、回折角を求めた。回折角は８０．８度
（±３．７度）と９８．６（±３．３度）である。
【００７４】次にθスキャン測定の結果得られたθ＝８
０．８度にθを設定しておいて、基板法線まわりのスキ
ャンであるβスキャン測定を行なった。
【００７５】その結果０度（±３４．８度）及び１８０
度（±３７．２度）にピークが得られ層法線は、一軸配
向方向に最大分布位置が約３６度の範囲で分布してい
た。
【００７６】〔実施例３〕 次に図１０に示すような、
より微小なマルチマイクロドメイン配向状態が観察でき
る液晶電気光学装置セルに対して、実施例１、２と同様
のＸ線回折測定を行った。
【００７７】まず、垂直配向セルをθ／２θスキャンに
より、面間隔を測定し、面間隔は３７．１Åであった。
次に水平配向セルを用いθスキャンし、ブラッグ角＝
２．３８に固定し、回折角を求めた。回折角は８２．３
度（±１２．５度）と９０．９５（±１２．５度）であ
る。
【００７８】次にθスキャン測定の結果得られたθ＝８
２．３度にθを設定しておいて、基板法線まわりのスキ
ャンであるβスキャン測定を行なった。
【００７９】その結果０度（±３９．５度）及び１８０
度（±４３．０度）にピークが得られ層法線は、一軸配
向方向に約４３度の範囲で最大分布位置が分布してい
た。
【００８０】〔比較例 １〕メルク製ＺＬＩ−３６５４
を前述の実施例１記載と同様のセルに注入した。
【００８１】偏光顕微鏡によると、図６に見られる様な
多数の典型的なジグザグ欠陥が観察された。ＡＣ駆動に
よるコントラスト比は２でありスイッチングしていると
はいえない。さらに０．１mm厚ガラスでＸ線測定した結
果、回折角は７１．６度（±０．９度）、１１２．０度
（±０．９度）、層の傾き角の大きなものとなった。あ
わせてピーク幅は狭かった。
【００８２】また、面内回転のβスキャンを行なった時
のピークは０度（±２４．４度）、１８０度（±１２．
８度）であり、層法線の分布は非常に狭かった。
【００８３】〔比較例２〕メルク製ＺＬＩ−３４８８を
前記と同様のセルを用いて液晶セルを作製した。
【００８４】偏光顕微鏡観察すると、ジグザグ欠陥が多
数見られる。このセルでコントラスト比を測定すると３
であった。０．１mm厚セルでＸ線測定を行なうと回折角
７０．８４度（±１．４度）、１１２度（±１．４度）
にピークが得られた。
【００８５】
【発明の効果】前述のように本発明の構成を満たすこと
により、ジグザグ欠陥等光学的に大きな影響の出る欠陥
が観察されず、マルチプレクス駆動した場合も均一な表
示特性と高いコントラスト比をもつ液晶電気光学装置を
実現できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で用いた液晶電気光学装置セルの概略を
示す。
【図２】図２（ａ）は本発明に液晶の配列状態の結晶構
造を表す顕微鏡写真を示す。図２（ｂ）は図２（ａ）の
顕微鏡写真を模式的に現した図を示す。
【図３】強誘電性液晶を模式的に現した図を示す。
【図４】強誘電性液晶の取り得る状態を示す。
【図５】Ｘ線回折の測定の概念図を示す。
【図６】従来の液晶の配列状態の結晶の構造を表す顕微
鏡写真を示す。
【図７】従来例のＸ線回折のθスキャンの結果を示す。
【図８】本発明のＸ線回折のθスキャンの結果を示す。
【図９】本発明のＸ線回折のβスキャンの結果を示す。
【図１０】実施例３の液晶の配列状態の結晶構造を表す
顕微鏡写真を示す。
【符号の説明】
１，１’・・・・偏光板 ２，２’・・・・基板 ３，３’・・・・電極 ４，４’・・・・配向制御膜 ５ ・・・・液晶 ８ ・・・・マルチマイクロドメイン １２ ・・・・液晶電気光学装置セル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 近藤 仁 東京都大田区蒲田５丁目36番地31号 株 式会社高砂リサーチインスティテュート 内 (72)発明者 萩原 利光 東京都大田区蒲田５丁目36番地31号 株 式会社高砂リサーチインスティテュート 内 審査官 右田 昌士 (56)参考文献 特開 平２−222930（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−239122（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−151832（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−204519（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−68924（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02F 1/1337 G02F 1/141 G02F 1/1343

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電極を有する第一の基板と、 電極を有する第二の基板と、 前記第一及び第二の基板との間に挟持された強誘電性を
    示す液晶組成物とを有し、前記第１の基板の前記液晶組成物に接する表面は一軸配
    向処理がされ、 前記液晶組成物のスメクチック層の前記第一の基板の法
    線に対する傾き角は５度から１５度の範囲にあり、 前記スメクチック層法線は、前記一軸配向処理の方向に
    対して最大分布位置が±２５度以上の範囲に分布してい
    ることを特徴とする液晶電気光学装置。
  2. 【請求項２】請求項１記載の液晶電気光学装置におい
    て、前記スメクチック層の前記第一の基板の法線に対す
    る傾き角の分布は、前記液晶電気光学装置内において４
    度以上の幅を有していることを特徴とする液晶電気光学
    装置。
  3. 【請求項３】請求項１又は２記載の液晶電気光学装置に
    おいて、液晶組成物はマルチマイクロドメイン配向をし
    ていることを特徴とする液晶電気光学装置。
  4. 【請求項４】請求項３記載の液晶電気光学装置におい
    て、マルチマイクロドメインの長径は、当該マルチマイ
    クロドメインの短径の５〜５００倍であることを特徴と
    する液晶電気光学装置。
  5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか一に記載の液晶
    電気光学装置において、前記第１の基板の前記液晶組成
    物に接する表面はポリイミド膜でなり、該ポリイミド膜
    にはラビング処理によって前記一軸配向処理がされてい
    ることを特徴とする液晶電気光学装置。
  6. 【請求項６】 請求項１〜４のいずれか一に記載の液晶
    電気光学装置において、前記第1の基板の前記液晶組成
    物に接する表面はナイロン膜でなり、該ナイロン膜には
    ラビング処理によって前記一軸配向処理がされているこ
    とを特徴とする液晶電気光学装置。
  7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれか一に記載の液晶
    電気光学装置において、前記液晶組成物のスメクチック
    層の方向と基板法線とのなす角は、Ｘ線回折により測定
    された値であることを特徴とする液晶電気光学装置。
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