JPH01284833A - 液晶電気光学装置 - 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ーアレイ等の
液晶電気光学装置に関し、更に詳しくは強誘電性液晶を
用いた液晶電気光学装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来の液晶電気光学装置としてはツィステッド・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、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際、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。

また、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、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問題点がある。

さらに、これらＴＮ型液晶を用いた液晶表示装置は表示
のＯＮ、　ＯＦＦのコントラストが十分に得ることがで
きず、加えて表示装置の視野角が狭く、表示装置の近く
で複数の作業者が表示を視認することができなかった。

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を用
いた電気光学装置が提案されている９この液晶電気光学
装置は外部よりの印加信号に対し数百マイクロ秒以下の
高速応答性を持つことと液晶分子が双安定性を持つこと
によって大いに期待されている液晶電気光学装置である
。

このクラークらによって提案された液晶電気光学装置を
第１図を用いて説明する。

第１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。１と１゛は液晶を封入する
ための並行基板であり、その間に液晶分子層が基板面に
垂直になるように配向したカイラルスメクチックＣ相（
ＳｍＣ”相）又は、他の強誘電性を示す液晶相を持つ液
晶材料が封入されている。

この強誘電性液晶は、一般に液晶分子が一軸方向に揃い
、かつ、スメクチック層構造を持っている。さらにスメ
クチックＣ相においては、液晶分子はスメクチック層の
法線方向に対し、液晶材料固有のある角度で傾いており
、さらにらせん構造をとっている。

このらせん構造は、強誘電性液晶が封入された液晶セル
を光学顕微鏡にて数百倍程度に拡大して観察した際に、
そのらせんピッチに対応するしま模様によって確認する
ことができるや 一般にこのらせんピッチは１μｍ弱から５μｍ程度とさ
れている。クラークらは、強誘電性液晶が封入された液
晶セルの基板間隔をらせんピッチ付近まで狭めると、基
板表面の影響を受けてらせんがほどけることを知見し、
これを用いたのである。

基板間距離を液晶のピッチよりも小さくし液晶のラセン
をほどいた時、強誘電性液晶分子は第２図に示すように
、スメクチック相の層の法線方向に対して＋θ傾いた第
１の状態（１）と−θ傾いた第２の状態（ｎ）を取る。

この状態をクラークらは５ＳＦＬＣ（表面安定化状態）
と称し、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。

この時強誘電性液晶分子を第１の状態（Ｉ）より第２の
状態（ＩＩ）へか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Ｂ　（ＩＩ）より第１の状Ｂ（Ｉ）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二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
。

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
の取る二状態間をスイッチングしていた。

この二状態間のスイッチング機構に関しては、前述の米
国特許においてクラークらが提案したモデルの他多数が
現在までに提案されているが、いずれにおいても、強誘
電性液晶が本来持っているらせん形成状態を何らかの形
でらせんをほどいた状態に変えて第１と第２の双安定性
を実現した際　　　　　゛のスイッチングの機構であっ
た。このらせんをはどき第１と第２の双安定性を実現す
るためによく知られた手法として強誘電性液晶をはさむ
液晶セルの基板間隔をそのらせんピッチ付近、すなわち
１μｍ程度の極めて狭い間隔にすることが知られており
、実際に行われていた。しかしながら工業的な生産技術
等を考えた場合、明らかにこの間隔は狭く、生産プロセ
ス上での困難が伴っていた。

特にＡ４サイズ等大面積な液晶セルを１μｍ程度の間隔
に均一に製作することは、研究開発レベルは可能であっ
たが工業的にはほとんど不可能であった。

〔発明の構成〕

本発明者らは、これら従来の強誘電性液晶を用いた液晶
電気光学装置の問題点を解決すべく、鋭意検討を重ね本
発明に至った。

従来の強誘電性液晶を用いた液晶電気光学装置では必ず
らせんをほどいた状態で、前述第２図に示した第１又は
第２の状態のみをとる双安定性を実現していたのに対し
、本発明は液晶分子がらせんを形成できる状態で前記双
安定性を実現し、これを電気光学装置に応用したもので
あり、従来の強誘電性液晶を用いた電気光学装置とは、
そのモードが全く異なったものである。

すなわち、一対の平行基板によって形成される液晶セル
中に強誘電性液晶を有し、この状態で強誘電性液晶はス
メクチック層法線方向にらせん軸を持つようにらせんを
形成しており、この状態の時に外部より強誘電性液晶に
対し電界を加え、印加する電界の向きの反転によって液
晶分子が取る状態が変化することを利用するものである
。この時、液晶分子はその分子が持つ自発分極によって
印加される電界の向きに従って、ある特定の状態（第１
の状態）にらせん状態をほどいて揃う。次に逆向きの電
界を加えると別の状態（第２の状態）に揃う。この第１
の状態と第２の状態の違いを利用した電気光学装置であ
る。

又、本発明者らはこの外部より加えられる電界の向きに
よって、液晶分子が第２の状態から第１状態にスイッチ
ングする際には必ずらせん状態を経由していることを確
認した。

さらに、本発明者らは前述の第１の状態及び第２の状態
を一度とった液晶分子は外部より加えられる電界が無（
なってもその状態を保持しつづけることを確認した。

すなわち、その特徴をまとめると、本発明の液晶電気光
学装置は、強誘電性液晶が液晶セル内においてらせんを
形成できる状態であり、かつ、外部より印加される電界
の向きにより液晶分子は第１又は第２の状態を取ること
ができ、この第１の状態及び第２の状態を一度とった液
晶分子は外部より加えられる電界が無くなってもその状
態を保持しつづけるものである。

このようにして本発明は、その目的とする強誘電性液晶
を用いた電気光学装置の新しい構成、特に新しいスイッ
チング方式及び双安定性を提供し、その結果、高速応答
性、メモリー性やコントラスト等強誘電性液晶が本来有
している特性を犠牲にせず、生産プロセスでの支障のな
い液晶電気光学装置を提供するものである。　本発明の
電気光学装置としては表示装置、光シヤツターその他様
々なものが考えられるが、以下には表示装置をその１例
として具体的に説明を試みる、しかし本発明はこの表示
装置のみに限定されるものではない又、本発明に用いら
れる液晶材料としては強誘電性を示すものが用いられる
が、特にスメクチックＣ０相を温度範囲として一１０°
Ｃ〜７０°Ｃ付近まで有している液晶が最も実用的であ
った。

又、相系列はどんな相系列を有するものであっても使用
可能であったが、特にスメクチックＣ０相より高温側に
スメクチックＡ相を持つ強誘電性液晶は、その初期配向
状態が良好で欠陥のないキレイな配向が得られるために
好ましかった。

以下に実施例を示し本発明を説明する 〔実施例１］ 本実施例では、液晶電気光学装置としてマトリクス型の
液晶表示装置を用いて行った。

第１図に本実施例にて使用した液晶表示装置のセル概略
断面図を示す。同図は行方向と列方向のマドリスク状に
配置された電極部の端部の一部分を示している。

また概略図であるためその寸法は任意となっている。本
実施例で用いられたセルは従来より使用されているもの
と全（同様のものである。すなわち、透明の基板（例え
ばガラス）１．ｌ“上に液晶駆動用の電極３，３°が行
方向と列方向にマトリックス状になるようパターニング
され形成されている。また該電極上には、配向制御膜４
，４”が設けられており、その片側は、液晶分子の長袖
が一方向に並ぶように公知のラビング処理が施されてい
る。この配向制御膜４．４°は両方とも同じ材料を用い
てもまた片側づつ異なった材料を用いてもよいが本実施
例においては、４の配向制御膜をポリイミド膜を用い、
もう一方の配向制御膜４゛にＳ　ｉ　Ｏｚ膜を使用した
。

このように、配向制′４Ｂ膜の種類を変えた場合、液晶
分子を外部信号により駆動させる際に、比較的大きなし
きい値を得ることができ、マトリクス状の液晶電気光学
装置では有利であった。

このような基板１．１’を互いに重ね合わせ間にグラス
ファイバー製のスペーサ（図示せず）をはさんで一定間
隔に保って液晶セルを形成している。

本実施例ではその間隔を約２０μｍとした。

本実施例で用いた強誘電性液晶材料は下記の一般式 （上記式中Ｒは炭素数６〜１２のアルキル基を示し、Ｒ
ｏは炭素数９〜１５の不斉炭素原子を有する光学活性基
を示し、ｌは１又は２である。）で表される液晶性化合
物を少なくとも一種類以上含むものであり、本実施例で
は特に以下に示す混合液晶材料を使用した。

これらの物質ＡＢＣを含む強誘電性液晶材料のとる相系
列と相転移温度を以下に示す。

本実施例で用いた液晶材料以外例えばビフェニル系、ピ
リミジン系等の液晶材料も使用することが可能であった
。

この時、液晶材料を注入した直後の液晶セル内での液晶
の様子を偏光光学顕微鏡を用いて、観察を行った。

ちょうどスメクチックＣ“相である室温付近（約２３°
Ｃ）の温度状態にて観察を行ったが、らせんピッチに対
応するしま模様が見られるのみで、顕微鏡のステージを
回転させて消光位の位置に合わせようとしたが、消光位
は得られなかった。次に液晶セルの電極３．３′を通し
て液晶に直流電界を加えたところ消光位が得られた。す
なわち、暗状態が得られた。この時、電界の印加を止め
ても消光位状態（暗状態）のままであった。

このような液晶セルに対し、第３図に示すような電気光
学特性測定系を用いて、セルに印加した電界に対する透
過光強度の変化を測定した。

第４図（ａ）はセルに対し印加した三角波の波形を示し
、同図（ｂ）は得られた透過光強度の変化である。

又同図（Ｃ）は、実際のオシロスコープ波形の写真であ
る。

いずれも、約２５℃の温度で測定した。

特に第４図（ａ）のような三角波を印加した際のスイッ
チング時の液晶分子の配列の状態を示す偏光顕微鏡写真
を第６図（ａ）〜（ｄ）に示す。第１の状態（ａ）から
第２の状態（Ｃ）又は、第２の状Ｍ（ｃ）から第１の状
ＬＱ（ａ）の途中にらせんピッチに対応するしま模様（
ｂ）（ｄ）が見られ、スイッチングの過程でらせん形成
状態を経由していることがわかる。

さらに第５図（ａ）に示すようなパルス波形を加えた時
の透過光強度の変化の様子を同図（ｂ）に示す。

又、同図（Ｃ）はその時得られたオシロスコープの波形
写真である。

第５図（ａ）に示すようなパルス電圧を印加した場合、
同図（ｂ）に見られるように電圧が印加されなくなった
後でも、透過光強度は変化せず、第１の状態又は第２の
状態が保持されつづけていることがわかる。又、この時
期と暗のコントラスト比は、２３．５という大きな値が
得られた。これは従来より知られた強誘電性液晶材料を
用いた表示装置で得られるコントラスト比の値とほぼ同
程度の値であり、また表示視野角も従来装置の場合と同
程度のものであった。

〔実施例２〕 本実施例では、実施例１と全く同じ構造の液晶セルを用
いその基板間隔を変化させた。そのセルの厚みとしては
１０μｍ、２０μｍ、５０μｍの３タイプのセルを作成
した。

これら、いずれのセルにおいても液晶材料注入直後は、
偏光顕微鏡にて消光位が得られず、かつ、らせんピッチ
に対応するしま模様が見られた。

しかし唯一１０μｍセルだけは、はっきりとしたしま模
様が見られず、ぼやけていたが消光位が得られないこと
より、他のセルと同様らせんを形成しているものと考え
られる。

これらのセルに対し、第５図（ａ）のパルスを印加した
際のコントラスト比の値とセル間隔との関係を以下の表
に示す。

±２０Ｖ、ＩＨｚ三角波、２５℃ 二のようにセル間隔が１０μｍ付近では液晶セルの基板
よりの影響が液晶に若干およぶので液晶分子の配向状態
がみだれコントラスト比が低くなる。一方液晶セルの厚
みが５０μｍ付近では液晶セルの厚み方向で液晶材料の
スメクチック層がずれる為にコントラスト比が同様に低
くなる。

この傾向は本実施例以外の場合でも見られる傾向であり
使用する液晶の持つ特性の違いによって基板よりの影響
によってコントラスト比に影響が出始める厚みが若干ず
れていた。

〔効果〕

本発明は従来より知られていた強誘電性液晶を用いた電
気光学装置とは全く異なるモードでの電気光学装置であ
る。

特に従来の強誘電性液晶を用いた電気光学装置では必須
であった強誘電性液晶材料のらせん形成の抑制を行う必
要がないため、工業的な多量生産を行う際に製造歩留ま
りを向上させ、かつ、生産の際の各種条件の許容範囲を
広く取ることが可能となった。

よって、本発明は強誘電性液晶材料が本来持っていた高
速応答性や高コントラスト等の特性を犠牲にせず生産性
の向上を可能としたものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は液晶電気光学装置セルの概略を示す。 第２図は強誘電性液晶分子の様子を示す。 第３図は電気光学特性の測定系を示す。 第４図（ａ）はセルに対し印加した三角波の波形を示し
、同図（ｂ）は得られた透過光強度の変化である。同図
（Ｃ）は実際のオシロスコープ波形の写真である。 第５図（ａ）はセルに対し加えたパルス波形を示し、同
図（ｂ）にその時の透過光強度の変化の様子を示す、同
図（ｃ）はその時得られたオシロスコープの波形写真で
ある。 第６図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）　、　（ｄ）は
スイッチング過程での液晶分子の配列の状態を示す偏光
顕微鏡写真である。 １．１°１００．基板 ２．７．、、、偏光板 ３．３’、、、、電極 ４．４’、、、、配向制御膜 ５　　　　、、、、液晶 ６　　　　、、、、　シール剤

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一対の平行基板によって形成される液晶セル中に強
   誘電性を示す液晶材料が注入された液晶電気光学装置に
   おいて該液晶分子は液晶セル内においてスメクチック層
   に垂直方向にらせん軸を持つようにらせんを形成できる
   状態であり、かつ、強誘電性を示す液晶材料に対して印
   加する電界の向きによって該液晶分子が第１及び第２の
   配向状態を取ることができ、前記電界の印加を中止した
   後も安定していずれかの分子配向状態を取ることを特徴
   とする液晶電気光学装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記液晶電気光学
   装置はマトリックス型液晶表示素子であることを特徴と
   する液晶電気光学装置。