JP2522645B2 - 液晶光学スイッチ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、高速でオン、オフを繰り返す液晶光学スイ
ッチ装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来高速でオン、オフを繰り返す液晶光学スイッチ装
置としては、二周波駆動法によるプリンターヘッド装置
が知られている。

この二周波駆動法においては、数KHzまでの低周波と
数十KHz〜数百KHzの高周波が用いられている。このた
め、高周波領域では透明電極基板の電極抵抗を低くしな
ければ、液晶に印加される有効電圧が低下することとな
り、大面積を駆動することが難しいという欠点を有す
る。

また、二周波駆動に適する液晶材料は、液晶分子の分
子軸に対して横方向の相互作用が強くなるため、通常の
ネマチック液晶に比べ粘性が非常に高くなっている。こ
のため、高速応答を得るためには、高電圧が必要とな
り、ひいては消費電力が大きくなる欠点を有していた。

そこで数KHzまでの低周波単一信号による駆動方式が
望まれている。この従来の低周波単一信号による駆動方
式では、通常のツイストネマチック（TN）モードにおい
ては、その電圧印加（オン）時の応答性は、電圧を高く
することにより速くすることができる。しかし、その電
圧を切った（オフ）時の応答性は、電圧によって速くす
ることができなく、セルの基板間隙を薄くしたり、液晶
を低粘性化することにより多少は速くできるが、この応
答速度は０℃でせいぜい数十msec程度にすぎなかった。
また、この基板間隙の薄型化及び液晶の低粘性化によ
り、液晶光学スイッチ装置自体のコントラストが低下し
てしまうこともあり、コントラストが良くかつ高速応答
が得られる液晶光学スイッチ装置は得られていなかっ
た。

［発明の解決しようとする問題点］ 本発明の目的は、従来技術が有していた前述の問題点
を解消しようとするものであり、低消費電力の低周波単
一信号による駆動方式で、コントラストの低下なしに高
速応答が可能な液晶光学スイッチ装置を得ることであ
る。

［問題を解決するための手段］ 本発明はかかる問題点を解決すべくなされたものであ
り、一対の透明電極付の透明基板を透明電極が相対向す
るように配置し、周辺をシール材でシールし、内部にネ
マチック液晶を封入し、そのネマチック液晶層よりも外
側に一対の偏光膜を配置してなる液晶光学スイッチ装置
において、夫々の透明基板が水平配向処理され、両透明
基板間では相互にその水平配向方向がほぼ直交するよう
に配置され、夫々の偏光膜の偏光軸を夫々の基板面の液
晶分子の配向方向にほぼ平行またはこれにほぼ直交する
ように配置し、ネマチック液晶のピッチｐと基板間隙ｄ
との関係d/pが１＜d/p＜1.5とされ、電圧オフ時には液
晶分子がほぼ450゜のねじれ状態を取り、電圧オン時に
は液晶分子が縦配向状態を取るとともに、液晶分子の配
向状態がほぼ270゜のねじれ状態で水平配向処理による
プレティルト角と整合するようにし、電圧オン時の液晶
分子の縦配向状態と液晶分子のほぼ270゜のねじれ状態
との２つの状態を利用して光の透過率を変えることを特
徴とする液晶光学スイッチ装置を提供するものである。

本発明は、液晶を通常の液晶で使用される電圧オン時
とオフ時の２つの安定状態のみを利用して光の透過率を
変えるのではなく、長時間電圧オフによる完全なオフ時
で通常の液晶よりもより大きくねじれた状態とし、電圧
オン時の安定状態とその後の電圧オフによる完全なオフ
状態への緩和状態の準安定状態との２つの状態を利用し
て光の透過率を変えるものであり、高速応答で高コント
ラストが得られる。

本発明は、この準安定状態を使用しているため、数ms
ec〜数sec程度のある程度高速で液晶の光透過率を繰り
変えして変化させる用途に適している。

本発明の構成を、第１図及び第２図を参照しつつ説明
する。

第１図は本発明の液晶光学スイッチ装置の基本的構成
を示す断面図である。

第１図において、1A、1Bはガラス、プラスチック等の
透明基板であり、その内面には酸化スズ、酸化インジウ
ム−酸化スズ等の透明電極2A、2Bが必要に応じて所望の
パターンにパターニングされて形成されている。この透
明電極の表面は、液晶分子が一方向に水平配向するよう
にラビングまたは斜め蒸着等により水平配向処理がなさ
れ、この水平配向方向が２枚の基板で互いに直交するよ
うに向い合せて、周辺でシール材３によりシールされ、
内部にネマチック液晶４が封入されて液晶セルを形成し
ている。この液晶セルの外面に一対の偏光膜5A、5Bを、
夫々の偏光膜の偏光軸を夫々の基板面の液晶分子の配向
方向にほぼ平行またはこれにほぼ直交するように配置し
て、これら一対の偏光膜の偏光軸がほぼ平行するかまた
は直交するように配置されるように設けられる。

なお、この説明においては省略したが、一般の液晶表
示装置で行われているような応用、例えば、透明電極に
金属リードを形成したり、光の透過率を変化させる部分
を除いて無電解Niメッキ、Cr蒸着等により不透明のマス
クを形成したり、カラーフィルターを形成したり、ポリ
イミド、ポリアミド、シリカ、アルミナ等の配向膜用の
オーバーコートを透明電極上に形成したり、液晶セル内
に基板間隙を正確に保つためのガラス繊維、アルミナ粒
子、プラスチック粒子等のスペーサーを散布若しくはそ
れらスペーサー入りのシール材を点付けしたりする等し
てもよい。

第２図は、第１図の液晶光学スイッチ装置の配向処理
方向と偏光膜の偏光軸方向との関係を示す平面説明図で
ある。

第２図において、11は表側の偏光膜5Aの偏光軸方向、
12は表側の透明基板1Aのラビング処理方向、13は裏側の
偏光膜5Bの偏光軸方向、14は裏側の透明基板1Bのラビン
グ処理方向を示している。

この例では、偏光膜偏光軸方向と配向処理方向を平行
な方向としているが、垂直な方向とすることもでき、ま
た両方の偏光膜の偏光軸もこの例のように直交させるの
ではなくて、平行にすることもできる。もっとも、この
例のように偏光軸を直交させて使用すれば、必要な部分
のみを必要な時に光をさえぎることができる。

なお、この配向方向及び偏光膜の偏光軸の交差角並び
に配向方向と偏光軸の関係は、正確に平行または直交と
するのみに限られなく、例えば５゜、10゜、20゜程度ず
らすこともできる。

［作用］ 本発明でも、通常の液晶表示装置と同様に液晶分子が
電圧オフ時にはほぼ450゜のねじれ状態である第１の安
定状態を取り、電圧オン時には縦配向状態である第２の
安定状態を取る。

本発明では液晶分子のねじれ角が大きいため、この２
つの安定状態の外に電圧オンの第２の安定状態である縦
配向状態の後に電圧をオフにした際に、短時間ではある
が完全な電圧オフ時の前記第１の安定状態であるねじれ
状態への緩和状態であるほぼ90゜、270゜のねじれ状態
である準安定状態をとる。この準安定状態は、本発明で
は液晶自身のねじれようとする力が強いため、第２の安
定状態である縦配向状態から極めて速く、具体的には室
温で１〜数msec程度と高速で到達し、かつある程度の時
間保持され、次の準安定状態か第１の安定状態に到達す
る。本発明は、この電圧オン時の第２の安定状態と準安
定状態との２つの状態の間で駆動し、高速でオンオフす
るものである。

この準安定状態は長時間安定な状態ではないため、順
次、次の準安定状態か第１の安定状態に移行するが、こ
れらはいずれも配向方向により定まるため、これらの間
ではねじれが180゜ずつ増加することとなる。このた
め、準安定状態と準安定状態との間での光透過率変化及
び準安定状態と第１の安定状態との間での光透過率変化
は明瞭ではあるが比較的に少ない。特に90゜と270゜の
準安定状態間の変化は少なく、状態が変化したことはほ
とんど認識されない。このような準安定状態の存在は、
以下のようにして知ることができる。一般に、液晶のね
じれ角が大きいほど液晶層の複屈折による波長分散が大
きいため、ねじれ角によって、光透過率と色相がかなり
異なる。450゜ねじれと、270゜ねじれとを比較すると、
Δndにより異なるが一般的には450゜の方が暗めの色調
になる。したがって、本発明において、十分な大きさの
電圧を印加して、液晶が縦配向となった状態で電圧オフ
にすると、まず、比較的明るめの270゜ねじれに対応し
た色相が現れ、それが数秒間程度の短い時間保持された
後、比較的暗めの450゜ねじれに対応した色相に変わ
る。これらの状態が実際に450゜ねじれ、270゜ねじれを
有することは、その光透過率や色相が光学的なシュミレ
ーションによる光透過率や色相と一致することから確認
される。なお、本発明では、90゜ねじれに対応する色相
は、後で述べるように、不整合状態であり、かつ液晶の
ねじれようとする力も強いので、保持時間が極めて短
く、実際には認識されにくい。

この場合、ネマチック液晶のピッチｐと基板間隙ｄと
の関係は１＜d/p＜1.5とされればよい。両方の基板での
水平配向方向が直交している場合に、電圧オフ時には液
晶分子は450゜のねじれ状態を取るためにこの条件が好
ましい。これが第１の安定状態である。

ここで、電圧を印加すると液晶分子は立ち上がり、ほ
ぼ垂直になり縦配向となる。これが第２の安定状態であ
る。

次いで電圧を切ると、液晶分子はねじれ状態となろう
とし、基板の配向方向に液晶分子がそろおうとする。こ
の場合、本発明では、完全な電圧オフ時に液晶分子が第
１の安定状態である450゜のねじれ状態のように大きく
ねじれているため、電圧をオフにしても液晶分子は直ち
にこの状態にはならなく、まず90゜になり、続いて270
゜、450゜というように順次そのねじれが拡大していく
こととなり、１以上の準安定状態をとる。本発明はこの
中間段階のねじれ状態である準安定状態を利用するもの
である。

また、この場合、液晶分子の配向状態がほぼ270゜の
ねじれ状態で水平配向処理によるプレティルト角と整合
するようにしておくことにより、この特定の準安定状態
が他の準安定状態に比してはるかに長く続く傾向があ
り、数秒以上も続くこともある。このため、液晶のらせ
ん方向を考慮して、配向処理方向を定める。特に、第１
の安定状態よりも180゜ねじれの少ないほぼ270゜ねじれ
の準安定状態で整合するようにしておくことにより、こ
の準安定状態が安定し易く好ましい。

この例を、第３図及び第４図に示して説明する。

第３図及び第４図は液晶分子のプレティルト方向のみ
が異なる例を示しており、（Ａ）は270゜ねじれ状態、
（Ｂ）は450゜ねじれ状態を示している。

この第３図の例では、この状態で上側の基板21A,21B
では基板に液晶分子の左端22A,22Bが接しており、下側
の基板23A,23Bでは基板に液晶分子の奥側24A,24Bが接し
ている。このため第３図（Ａ）の270゜ねじれで整合状
態となっており、図の曲線25Aと26Aで示されるピッチが
同一となり、安定した整合状態となる。逆に、第３図
（Ｂ）の450゜ねじれは不整合状態となり、図の曲線25B
と26Bとで示されるピッチが異なる。このため、450゜ね
じれを第１の安定状態とする液晶光学スイッチ装置の場
合に適しており、第１の準安定状態の90゜ねじれは短
く、第２の準安定状態の270゜ねじれが長く続くことと
なる。

また第４図の例では、この状態で上側の基板31A,31B
では基板に液晶分子の左端32A,32Bが接しており、下側
の基板33A,33Bでは基板に液晶分子の手前側34A,34Bが接
している。このため第４図（Ａ）の270゜ねじれで不整
合状態となっており、図の曲線35Aと36Aとで示されるピ
ッチが異なる。逆に、第４図（Ｂ）の450゜ねじれは整
合状態となり、図の曲線35Bと36Bとで示されるピッチが
同一となる。このため、第１の準安定状態の90゜ねじれ
は整合状態という点からは比較的安定ではあるが液晶分
子のねじれようとする力が強いため比較的短く、第２の
準安定状態の270゜ねじれは不整合状態のため短い。し
たがって、準安定状態の使用には適さない。

例えば、水平配向処理方法として、ラビング法を使用
すると、ラビング方向に液晶分子のプレティルトが生じ
る。ここで左らせんで第１の安定状態が450゜の液晶を
使用するとすると、第２図に示すような処理方向とする
こととなる。

即ち、表側の透明基板1Aではラビング方向をセル外側
（手前側）から見て左下から右上へとり、裏側の透明基
板1Bではラビング方向を右下から左上へとればよい。

また、右らせんの液晶を使用し、表側の透明基板1Aの
ラビング方向を前記例と同じにとるとすれば、裏側の透
明基板1Bではラビンク方向を左上から右下へとればよい
こととなる。

本発明では、第１の安定状態を450゜とするように液
晶を調整し、即ち、１＜d/p＜1.5の液晶を使用し、準安
定状態を270゜とし、この270゜で整合状態とする。

これは、液晶のd/pが大きく液晶分子のねじれようと
する力が強いほど速く90゜の第１の準安定状態になる速
さが速くなるためであり、第１の安定状態が270゜の場
合よりも450゜の場合の方が高速応答が可能となるため
である。この第１の安定状態が270゜の場合と450゜の場
合との差は、450゜の場合と630゜の場合との差に比して
大きい。これは、第１の安定状態が270゜のものは準安
定状態が90゜のみであるためであり、第１の安定状態が
90゜である従来の液晶表示装置に比してはかなり速い
が、第１の安定状態が450゜のものはさらに速いものと
なる。また、本発明では電圧オン時の第２の安定状態と
電圧オフ直後の準安定状態との２つの状態との間でオン
オフするものであり、準安定状態が長い程使用可能性が
大きく、第１の安定状態が450゜のものが好ましい。特
に、第１の安定状態を450゜とし、270゜の準安定状態で
液晶分子の配向とプレティルトが一致する整合状態とな
るようにしておくことにより、スイッチングの繰り返し
が数秒程度でも使用可能となる。

ねじれ角が大きくなると準安定状態への移行の応答速
度は向上する傾向はあるが、630゜以上のねじれ角とす
ることは、第１の安定状態が270゜の場合と450゜の場合
との差ほど大きくなく、逆に駆動電圧が高くなり、円偏
光性が増加し、光透過率が低下し、コントラストが低下
してくるため、450゜とすることが最も好ましい。ま
た、ねじれ角を大きくすると、リターデーション色が強
くなる傾向もあり、好ましくない色が生じることがあ
る。

この場合、第３図で説明したように270゜ねじれで整
合状態となるようにされることが好ましく、270゜ねじ
れの準安定状態が比較的に長く、具体的には数秒程度続
き、電圧オン時の第２の安定状態と電圧オフ時の準安定
状態との間でオンオフできる時間範囲が広くなり、速い
応答速度でかつ高いコントラストで使用できる範囲が広
くなる。

また、本発明に使用する液晶の屈折率異方性Δｎと基
板間隙ｄとの積Δndは0.5〜0.7または0.9〜1.2とするこ
とが好ましく、これにより高いコントラストを得ること
ができる。

本発明では、電圧オン時の第２の安定状態と電圧オフ
直後の準安定状態との２つの状態を使用して液晶をオン
オフするものである。

これにより、電圧オフ時に第２の安定状態から準安定
状態に移行するのは前述したように速く、逆に、電圧オ
ン時に準安定状態から第２の安定状態に移行するのも、
第１の安定状態から第２の安定状態に移行するよりも速
いためである。

さらに、第１の安定状態は液晶のねじれが大きくなる
ため円偏光性が出やすくなり、この第１の安定状態に到
達する前に再度電圧がオンになるように高速で繰り返し
てオンオフされることにより、この悪影響がでなく好ま
しいものである。

［実施例］ ガラス基板上にパターニングされた透明電極を有する
表側基板と裏側基板の夫々の電極面側に配向膜用オーバ
ーコートとしてポリイミドを塗布し、熱硬化後の膜厚を
約800Åとした。これらポリイミド膜の表面をラビング
法により、水平配向処理し、第２図に示すように、その
ラビング方向が直交するように２枚の基板を配置し、周
辺を注入口部を除きシール材でシールしてセルを形成し
た。このセルの液晶注入前のセル間隙は4.6μｍであっ
た。

このセルに、屈折率異方性Δｎが0.13のメルク社製液
晶「ZLI−1565」をそのらせんピッチが3.7μｍとなるよ
うにカイラル成分としてコレステリルノナネートを5.5w
t％添加した液晶を注入して、注入口を封止した。

このセルの表と裏には第２図に示すように一対の偏光
膜をその偏光軸がセルのラビング方向に平行となるよう
に設置して液晶光学スイッチ装置を製造した。

このようにして製造した液晶光学スイッチ装置は、電
圧を印加しない状態では液晶分子が450゜ねじれた状態
となっており、第１の安定状態となっていた。この状態
では液晶セル内で光は液晶分子のねじれに沿って進み、
450゜ねじれることとなり、液晶光学スイッチ装置に入
射した光は一対の偏光膜の偏光軸が直交しているため透
過した。

次に電圧を印加すると、液晶分子が縦配向状態とな
り、第２の安定状態となった。この状態では液晶セルは
光に対して等方的となり、液晶光学スイッチ装置に入射
した光は一対の偏光膜の偏光軸が直交しているため遮断
された。

この状態から電圧を切ると、セル内で液晶分子は瞬時
に90゜ねじれた第１の準安定状態となり、表側偏光膜を
通った入射光はセル内を液晶のねじれ構造に従ってその
偏光成分は90゜ねじられ裏側偏光膜を透過可能となり、
光が透過した。

この第１の準安定状態は不整合状態でありあまり安定
でないため、比較的短時間で液晶分子はさらにねじれが
進行し、270゜ねじれ構造の第２の準安定状態となる。
この状態でも90゜ねじれ構造と同様に入射光は透過して
おり、この変化におけるコントラスト変化はわずかであ
った。この270゜ねじれ構造は、液晶分子の配向状態が
水平配向処理によるプレティルト角と一致しており、整
合状態となっているため比較的に安定で、室温で数秒間
継続した。

この状態を経た後、450゜ねじれ構造に移行してい
き、セル内では入射光の偏光成分は楕円偏光となり、透
過光量はやや減少した。

この450゜ねじれ構造に移行する前の第２の準安定状
態である270゜ねじれ構造の間に電圧を印加すると速や
かに第１の安定状態である縦配向に移行し、高速でかつ
コントラストの高いスイッチングが可能であった。

［発明の効果］ 本発明は、誘電異方性が正であり、その液晶のピッチ
ｐと基板間隙ｄとの関係のd/pが１＜d/p＜1.5のネマチ
ック液晶を用い、電圧が印加されない時はセル内で液晶
分子が液晶分子がほぼ450゜のねじれ状態を取り、電圧
を印加した時には液晶分子が縦配向状態を取るととも
に、液晶分子の配向状態がほぼ270゜のねじれ状態で水
平配向処理によるプレティルト角と整合されることによ
り、従来のTNモードの液晶表示装置に比してはるかに速
くスイッチングが可能であるという優れた効果を有す
る。

また、電圧が印加されない時のねじれ状態である大き
くねじれた状態を使用しないことにより、ねじれが大き
いものにもかかわらずコントラストの低下が少なく、リ
ターデーションによる悪影響も少ない。

本発明は、この外、本発明の効果を損しない範囲内で
種々な応用が可能なものであり、高速の表示装置、カメ
ラ用高速シャッター、光プリンター等の高速のスイッチ
ングが要求される用途に応用が可能なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の液晶光学スイッチ装置の基本的構成
を示す断面図。 第２図は、第１図の液晶光学スイッチ装置の配向処理方
向と偏光膜の偏光軸との関係を示す平面図。 第３図及び第４図は液晶分子のプレティルト方向と整合
の関係を説明する断面説明図。 透明基板:1A、1B 透明電極:2A、2B シール材:3 ネマチック液晶:4 偏光膜:5A、5B

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一対の透明電極付の透明基板を透明電極が
   相対向するように配置し、周辺をシール材でシールし、
   内部にネマチック液晶を封入し、そのネマチック液晶層
   よりも外側に一対の偏光膜を配置してなる液晶光学スイ
   ッチ装置において、夫々の透明基板が水平配向処理さ
   れ、両透明基板間では相互にその水平配向方向がほぼ直
   交するように配置され、夫々の偏光膜の偏光軸を夫々の
   基板面の液晶分子の配向方向にほぼ平行またはこれにほ
   ぼ直交するように配置し、ネマチック液晶のピッチｐと
   基板間隙ｄとの関係d/pが１＜d/p＜1.5とされ、電圧オ
   フ時には液晶分子がほぼ450゜のねじれ状態を取り、電
   圧オン時には液晶分子が縦配向状態を取るとともに、液
   晶分子の配向状態がほぼ270゜のねじれ状態で水平配向
   処理によるプレティルト角と整合するようにし、電圧オ
   ン時の液晶分子の縦配向状態と液晶分子のほぼ270゜の
   ねじれ状態との２つの状態を利用して光の透過率を変え
   ることを特徴とする液晶光学スイッチ装置。
2. 【請求項２】液晶の屈折率異方性Δｎと基板間隙ｄとの
   積Δndが0.5〜0.7である特許請求の範囲第１項記載の液
   晶光学スイッチ装置。
3. 【請求項３】液晶の屈折率異方性Δｎと基板間隙ｄとの
   積Δndが0.9〜1.2である特許請求の範囲第１項記載の液
   晶光学スイッチ装置。
4. 【請求項４】一対の偏光膜の偏光軸がほぼ直交するよう
   に配置される特許請求の範囲第１項〜第３項いずれか１
   項記載の液晶光学スイッチ装置。