JP2523811B2 - 液晶光変調装置 - Google Patents
液晶光変調装置Info
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- G02F1/141—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on orientation effects in which the liquid crystal remains transparent using ferroelectric liquid crystals
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、強誘電性液晶組成物を用いた液晶光変調装
置に係り、特に光学的性質を電気的に制御する表示素子
などに好適な液晶光変調素子及び光変調装置に関する。
置に係り、特に光学的性質を電気的に制御する表示素子
などに好適な液晶光変調素子及び光変調装置に関する。
従来、量産性が優れているセル厚（２枚の基板間には
さまれる液晶層の厚さ、以下同じ）の厚いセルでメモリ
ー性をもつ強誘電性液晶表示素子として、ネマチツクＮ
＊相からスメクチツクSc＊相へ直接転移し、傾き角の大
きな液晶材料を用いて、色素を混入するゲスト−ホスト
モードによりコントラストを付与した素子が提案されて
いる（特開昭62-27721号）。
さまれる液晶層の厚さ、以下同じ）の厚いセルでメモリ
ー性をもつ強誘電性液晶表示素子として、ネマチツクＮ
＊相からスメクチツクSc＊相へ直接転移し、傾き角の大
きな液晶材料を用いて、色素を混入するゲスト−ホスト
モードによりコントラストを付与した素子が提案されて
いる（特開昭62-27721号）。
上記従来技術は、表示品質の点、特にコントラスト比
を上げることが困難であるという問題があつた。上記従
来技術では液晶材料の傾き角が大きなことから、コント
ラストを付与する手段として、色素をゲストとして混入
するゲスト−ホストモードを用いている。このゲスト−
ホストモードにおいてコントラスト比を上げる方法とし
ては、混入する色素濃度を上げる方法や、セル厚を厚く
する方法などが知られている。しかし、前者の方法では
液晶性が低下するなどの問題から色素濃度をあまり高く
できず、また後者では駆動電圧の上昇や応答性の低下を
招くという問題がある。こうした理由から上記のゲスト
−ホストモードでは、例えば10を越えるような高コント
ラスト比を得ることは困難であつた。
を上げることが困難であるという問題があつた。上記従
来技術では液晶材料の傾き角が大きなことから、コント
ラストを付与する手段として、色素をゲストとして混入
するゲスト−ホストモードを用いている。このゲスト−
ホストモードにおいてコントラスト比を上げる方法とし
ては、混入する色素濃度を上げる方法や、セル厚を厚く
する方法などが知られている。しかし、前者の方法では
液晶性が低下するなどの問題から色素濃度をあまり高く
できず、また後者では駆動電圧の上昇や応答性の低下を
招くという問題がある。こうした理由から上記のゲスト
−ホストモードでは、例えば10を越えるような高コント
ラスト比を得ることは困難であつた。
液晶素子に高いコントラストを付与する方法として、
上記のゲスト−ホストモードの他に、２枚の偏光板を用
いる複屈折モードが知られている。この方法は小さな傾
き角（原理的には22.5°が最適値）の液晶材料を用いる
ことにより、容易にゲスト−ホストモードより高い、例
えば10以上のコントラスト比を得ることができる。
上記のゲスト−ホストモードの他に、２枚の偏光板を用
いる複屈折モードが知られている。この方法は小さな傾
き角（原理的には22.5°が最適値）の液晶材料を用いる
ことにより、容易にゲスト−ホストモードより高い、例
えば10以上のコントラスト比を得ることができる。
しかし、従来複屈折モードでは、白黒性の高い表示を
行うためにはセル厚を１〜２μｍ程度と薄くしなければ
ならず、小さな塵埃が入つても、容易に上下電極が短絡
するなどの問題があり製造が困難であつた。また、この
ように薄いセルにおいては僅かなギヤツプムラによつて
も濃度ムラや色ムラが発生し、均一な表示を得ることが
非常に困難である。
行うためにはセル厚を１〜２μｍ程度と薄くしなければ
ならず、小さな塵埃が入つても、容易に上下電極が短絡
するなどの問題があり製造が困難であつた。また、この
ように薄いセルにおいては僅かなギヤツプムラによつて
も濃度ムラや色ムラが発生し、均一な表示を得ることが
非常に困難である。
一方、複屈折モードで色ムラを少なくする方法とし
て、上下基板のラビング方向をねじることで強誘電性液
晶分子をセル厚み方向にねじれた構造を安定化し、電界
ゼロにおけるねじれ構造で明状態を、電界印加時の一様
状態で暗状態を表示する方法が提案されている（特開昭
62-50735号）。
て、上下基板のラビング方向をねじることで強誘電性液
晶分子をセル厚み方向にねじれた構造を安定化し、電界
ゼロにおけるねじれ構造で明状態を、電界印加時の一様
状態で暗状態を表示する方法が提案されている（特開昭
62-50735号）。
しかし、この方法はメモリー性が得られず、マトリツ
クス電極での表示ができない。
クス電極での表示ができない。
以上のように従来技術では、製造が容易でなおかつ均
一な表示状態が得られる厚いセル（３μｍ以上）におい
て安定なメモリー性を発現させ、かつ高コントラスト比
と高い白黒性を両立させることができなかつた。
一な表示状態が得られる厚いセル（３μｍ以上）におい
て安定なメモリー性を発現させ、かつ高コントラスト比
と高い白黒性を両立させることができなかつた。
本発明の目的は、安定なメモリー性を付与した厚いセ
ル（３μｍ以上）において、高コントラスト比と高い白
黒性を両立させた強誘電性液晶光変調素子及び液晶光変
調装置を提供することにある。
ル（３μｍ以上）において、高コントラスト比と高い白
黒性を両立させた強誘電性液晶光変調素子及び液晶光変
調装置を提供することにある。
本発明の目的は、以下に説明する発明によつて達成で
きる。
きる。
電極を有し少なくとも一方が透明である一対の基板を
スペーサを介させて対向して形成したセルと、 該セル内に封入され強誘電相（スメクチツクＣ＊相、
Sc＊相）のすぐ高温側にネマチツク相（Ｎ＊相）あるい
は等方相（Ｉ相）を示す相系列を有する強誘電性液晶層
と、 前記セルを挟持する２枚の偏光板と、 前記電極を介して前記液晶層に所定の電界を所定の画
素に印加する手段とを有し、 前記液晶層と前記基板との一方の界面における液晶分
子が他方の界面における液晶分子よりも基板に対し弱く
固定されている液晶光変調装置であつて、 前記電極を介して前記液晶層に電界を印加した際に、
前記弱く固定されている液晶分子に自発分極の反転が生
じる程度に固定されており、該自発分極の反転により一
方の界面と他方の界面で液晶の分子の配向が互いにほぼ
平行な状態（ａ）と、互いに交差する状態（ｂ）のいず
れかを取り得、偏光板を上記（ａ）状態が上記（ｂ）状
態より光の透過率が低くなるように配置されていること
を特徴とする液晶光変調装置に関する。
スペーサを介させて対向して形成したセルと、 該セル内に封入され強誘電相（スメクチツクＣ＊相、
Sc＊相）のすぐ高温側にネマチツク相（Ｎ＊相）あるい
は等方相（Ｉ相）を示す相系列を有する強誘電性液晶層
と、 前記セルを挟持する２枚の偏光板と、 前記電極を介して前記液晶層に所定の電界を所定の画
素に印加する手段とを有し、 前記液晶層と前記基板との一方の界面における液晶分
子が他方の界面における液晶分子よりも基板に対し弱く
固定されている液晶光変調装置であつて、 前記電極を介して前記液晶層に電界を印加した際に、
前記弱く固定されている液晶分子に自発分極の反転が生
じる程度に固定されており、該自発分極の反転により一
方の界面と他方の界面で液晶の分子の配向が互いにほぼ
平行な状態（ａ）と、互いに交差する状態（ｂ）のいず
れかを取り得、偏光板を上記（ａ）状態が上記（ｂ）状
態より光の透過率が低くなるように配置されていること
を特徴とする液晶光変調装置に関する。
第３図は本発明による液晶光変調装置の構成を示す斜
視図であり、強誘電性液晶層10,電極13,13′を有する透
明基板20,20′の間に挟む。基板20,20′の間にはスペー
サ（図示せず）を介在させ、かつ、基板の周辺にはシー
ル（図示せず）を形成して液晶層を外界から遮断する。
視図であり、強誘電性液晶層10,電極13,13′を有する透
明基板20,20′の間に挟む。基板20,20′の間にはスペー
サ（図示せず）を介在させ、かつ、基板の周辺にはシー
ル（図示せず）を形成して液晶層を外界から遮断する。
基板および液晶層の界面には配向制御膜（図示せず）
を塗布し、ラビングしてある。液晶層10,電極13,13′お
よび基板20,20′によつて構成されたセルを上下から挟
むように偏光板9,9′を配置する。偏光板の偏光軸11,1
1′は互いに直交するように配置される。
を塗布し、ラビングしてある。液晶層10,電極13,13′お
よび基板20,20′によつて構成されたセルを上下から挟
むように偏光板9,9′を配置する。偏光板の偏光軸11,1
1′は互いに直交するように配置される。
電極13,13′に対しては、所定の画素に対し所定のシ
ーケンスで電圧が印加されるように駆動回路14,14′が
接続される。図において、電極はマトリクス電極であ
り、その電極によつて構成される画素に対し、所定のシ
ーケンスで電圧が印加される。
ーケンスで電圧が印加されるように駆動回路14,14′が
接続される。図において、電極はマトリクス電極であ
り、その電極によつて構成される画素に対し、所定のシ
ーケンスで電圧が印加される。
次に第１図により本発明の原理を説明する。図は液晶
素子内部の上下基板間の液晶分子の自発分極の方向の分
布を示す模式図である。
素子内部の上下基板間の液晶分子の自発分極の方向の分
布を示す模式図である。
図においてベクトル２は分子長軸方向のベクトルを基
板間に挟持された液晶層に平行な面に射影したベクトル
（Ｃ−ダイレクタ）であり、ベクトル３はベクトル２に
直交する自発分極の方向を表わす。
板間に挟持された液晶層に平行な面に射影したベクトル
（Ｃ−ダイレクタ）であり、ベクトル３はベクトル２に
直交する自発分極の方向を表わす。
本発明においては、液晶分子は一方の界面５において
弱く固定され、他方の界面６においては、より強く固定
されている。
弱く固定され、他方の界面６においては、より強く固定
されている。
第１図（ａ）は、界面５の分子配向方向と、界面６の
分子配向の方向がほぼ等しい場合を示す。この場合上下
基板間の液晶分子の配向方向は一様となる。
分子配向の方向がほぼ等しい場合を示す。この場合上下
基板間の液晶分子の配向方向は一様となる。
第１図（ｂ）または（ｃ）は、液晶層に一定振幅を持
ち、極性が（ａ）の場合とは逆の電界が印加されると、
界面５においてより弱く固定されている液晶分子の自発
分極は反転し、界面６において強く固定されている液晶
分子の自発分極は元のままである。
ち、極性が（ａ）の場合とは逆の電界が印加されると、
界面５においてより弱く固定されている液晶分子の自発
分極は反転し、界面６において強く固定されている液晶
分子の自発分極は元のままである。
本発明においては、Sc＊相のすぐ高温側にＮ＊相或い
はＩ相を示す強誘電性液晶組成物を、一方の基板上で分
子が固定され、他方の基板上で分子がスイツチングする
ように界面処理をしたセル中に充てんし、上下界面上で
の液晶分子が互いに平行、或いはほぼ平行になる状態で
暗状態となるように、液晶セルを挟む２枚の偏光板をセ
ツトすることで得られる。この時、より望ましい偏光板
の配置は、２枚の偏光板が互いに直角でなおかつ一方の
偏光板の偏光軸と、固定界面に於ける分子長軸方向とが
平行か直角のいずれかに設定した状態である。ここで、
固定界面とは例えばポリイミド系高分子のような配向制
御膜を塗布しラビングなどのような一軸配向処理をした
ものをいう。
はＩ相を示す強誘電性液晶組成物を、一方の基板上で分
子が固定され、他方の基板上で分子がスイツチングする
ように界面処理をしたセル中に充てんし、上下界面上で
の液晶分子が互いに平行、或いはほぼ平行になる状態で
暗状態となるように、液晶セルを挟む２枚の偏光板をセ
ツトすることで得られる。この時、より望ましい偏光板
の配置は、２枚の偏光板が互いに直角でなおかつ一方の
偏光板の偏光軸と、固定界面に於ける分子長軸方向とが
平行か直角のいずれかに設定した状態である。ここで、
固定界面とは例えばポリイミド系高分子のような配向制
御膜を塗布しラビングなどのような一軸配向処理をした
ものをいう。
白黒性を良好にするには基板に垂直に伝播し、波長λ
の光に関する上記強誘電性液晶組成物の２種の屈折率
ne,noの差で定義される屈折率異方性をΔｎ、セルギヤ
ツプをｄとした時のパラメータΔｎ・d/λが、光変調素
子として使用する波長領域において、 0.25＜ｄ・Δn/λ＜0.75 となるようにセルギヤツプｄを設定すれば良い。
の光に関する上記強誘電性液晶組成物の２種の屈折率
ne,noの差で定義される屈折率異方性をΔｎ、セルギヤ
ツプをｄとした時のパラメータΔｎ・d/λが、光変調素
子として使用する波長領域において、 0.25＜ｄ・Δn/λ＜0.75 となるようにセルギヤツプｄを設定すれば良い。
例えば、表示素子のような可視光領域の光変調素子に
おいては、この波長領域は、0.45μｍ〜0.60μｍと考え
れば十分である。また、より厚いセルで白黒性を良好に
するには、液晶の自発分極をPs、弾性定数をB2、液晶分
子長軸に直交する方向の誘電率をε⊥、セルギヤツプを
ｄとするとき、 となるように、材料の選定並びにセルギヤツプを設定す
れば良い。
おいては、この波長領域は、0.45μｍ〜0.60μｍと考え
れば十分である。また、より厚いセルで白黒性を良好に
するには、液晶の自発分極をPs、弾性定数をB2、液晶分
子長軸に直交する方向の誘電率をε⊥、セルギヤツプを
ｄとするとき、 となるように、材料の選定並びにセルギヤツプを設定す
れば良い。
次に、上述の弾性定数B2の定義及び測定方法について
述べる。
述べる。
従来、多くの場合弾性定数は、ネマチツク液晶からの
類推によりダイレクタ（分子長軸方向を表わす単位ベク
トル）の変形に対して定義したものを用いて種々の理論
が展開されていた。弾性定数としてはダイレクタのスプ
レイ，ツイスト，ベンドの変形に対して定義した３種が
扱われ、多くの場合K1,K2,K3で表わされている。
類推によりダイレクタ（分子長軸方向を表わす単位ベク
トル）の変形に対して定義したものを用いて種々の理論
が展開されていた。弾性定数としてはダイレクタのスプ
レイ，ツイスト，ベンドの変形に対して定義した３種が
扱われ、多くの場合K1,K2,K3で表わされている。
しかしながら、この定義では層構造の存在が無視され
ると共に、それぞれの変形を独立に発生させることが不
可能で、かつ、測定手段がない。それに対し、層構造の
存在及びチルト角一定で種々のスイツチングが起こると
いう実験事実に基づき、本発明ではダイレクタの層面へ
の斜影であるＣ−ダイレクタの変形で定義した弾性定数
を扱い、上述の場合と同様にスプレイ，ベンド，ツイス
トに対しそれぞれB1,B2,B3で表わす。B1,B2は層内での
変形に対する固さを表わし、B3は層間で発生する変形に
対する固さを表わすことになり、物理的な意味が明確に
なる。更に、B1,B2はいずれもひとつの層内で発生する
変形に関するもので、お互いに関連しておりほとんど同
じ値である。従つて、材料定数としてはB2（＝B1）とB3
の２つを求めれば十分である。
ると共に、それぞれの変形を独立に発生させることが不
可能で、かつ、測定手段がない。それに対し、層構造の
存在及びチルト角一定で種々のスイツチングが起こると
いう実験事実に基づき、本発明ではダイレクタの層面へ
の斜影であるＣ−ダイレクタの変形で定義した弾性定数
を扱い、上述の場合と同様にスプレイ，ベンド，ツイス
トに対しそれぞれB1,B2,B3で表わす。B1,B2は層内での
変形に対する固さを表わし、B3は層間で発生する変形に
対する固さを表わすことになり、物理的な意味が明確に
なる。更に、B1,B2はいずれもひとつの層内で発生する
変形に関するもので、お互いに関連しておりほとんど同
じ値である。従つて、材料定数としてはB2（＝B1）とB3
の２つを求めれば十分である。
このうちB3は垂直配向（層は基板に平行）したセル中
で層に平行に直流電界を印加した時の、コノスコープ像
の中心軸のズレ角βの測定から求めればよい。変形が十
分に小さい場合には、弾性定数B3とβの間には、次式の
関係が成立する。
で層に平行に直流電界を印加した時の、コノスコープ像
の中心軸のズレ角βの測定から求めればよい。変形が十
分に小さい場合には、弾性定数B3とβの間には、次式の
関係が成立する。
ここで、Psは自発分極、Ｅは印加電界、loはら旋ピツ
チ、θは傾き角を表す。
チ、θは傾き角を表す。
Psはソーヤ・タワ法により、loは偏光顕微鏡による直
接観測により、そしてθは液晶に正，負の直流電圧を印
加しつつ直交ニコル間にセルを置いた時の消光位の測定
から求められる。なお、loが顕微鏡の分解能の１μｍよ
りも短い場合は、垂直配向セルの透過スペクトルから得
られる特性反射波長を平均屈折率の1.6で割つて求めれ
ばよい。
接観測により、そしてθは液晶に正，負の直流電圧を印
加しつつ直交ニコル間にセルを置いた時の消光位の測定
から求められる。なお、loが顕微鏡の分解能の１μｍよ
りも短い場合は、垂直配向セルの透過スペクトルから得
られる特性反射波長を平均屈折率の1.6で割つて求めれ
ばよい。
一方、B2は平行配向（層は基板にほぼ垂直）したくさ
び形セル中で、ら旋が消失し始める臨界セル厚dcを測定
し、上記の方法で求めたB2の値とから次式により求めら
れる。
び形セル中で、ら旋が消失し始める臨界セル厚dcを測定
し、上記の方法で求めたB2の値とから次式により求めら
れる。
B2＝４(dc/lo)2・B3 〔作用〕 まず、本発明の構成要件である、Ｉ・Sc＊またはＮ＊
・Sc＊の相系列を示す強誘電性液晶を用い、上下基板の
配向制御能に差異をつけ、一方で固定し、他方でスイツ
チングすることの作用について説明する。
・Sc＊の相系列を示す強誘電性液晶を用い、上下基板の
配向制御能に差異をつけ、一方で固定し、他方でスイツ
チングすることの作用について説明する。
相系列がＩ・Sc＊あるいはＮ＊・Sc＊を示す液晶を、
一方の基板に例えばポリイミドのような配向膜を設け、
ラビング等により液晶分子に一軸配向制御をする処理を
行い界面上で分子を強く固定し、もう一方の基板では例
えば先のような処理をまつたく行わない等により配向制
御力を弱めた基板を設け、このセルを前者の基板での配
向方向が安定となるような電界等を印加しつつ徐冷して
Sc＊相とすると、徐冷時に得られたようなラビング方向
に平行な配向がより安定化し、逆極性電界を印加した時
に得られる配向は相対的に不安定となる。
一方の基板に例えばポリイミドのような配向膜を設け、
ラビング等により液晶分子に一軸配向制御をする処理を
行い界面上で分子を強く固定し、もう一方の基板では例
えば先のような処理をまつたく行わない等により配向制
御力を弱めた基板を設け、このセルを前者の基板での配
向方向が安定となるような電界等を印加しつつ徐冷して
Sc＊相とすると、徐冷時に得られたようなラビング方向
に平行な配向がより安定化し、逆極性電界を印加した時
に得られる配向は相対的に不安定となる。
この２つの配向の安定度の違いは、上下基板の配向制
御能の差異のつけ方により制御できる。この上下基板の
配向制御能の差異を適当に制御すると、無電界時には徐
冷時の配向状態のみが安定に実現し、逆極性を印加した
時に得られる配向は不安定となり、逆極性を印加した
後、電界を除去すると、両基板上で分極ベクトルの方向
がほぼ逆となつたスプレイ状態に遷移する。このような
スプレイ状態はセル厚が厚いほど生じやすく安定であ
る。このセルでは、配向制御と電界等印加による規制下
での徐冷、Sc＊相形成によりラビング方向にほぼ一様な
配向状態の安定度が高くなり、また、セルを厚くするこ
とによりスプレイ状態の安定度も高くなる。
御能の差異のつけ方により制御できる。この上下基板の
配向制御能の差異を適当に制御すると、無電界時には徐
冷時の配向状態のみが安定に実現し、逆極性を印加した
時に得られる配向は不安定となり、逆極性を印加した
後、電界を除去すると、両基板上で分極ベクトルの方向
がほぼ逆となつたスプレイ状態に遷移する。このような
スプレイ状態はセル厚が厚いほど生じやすく安定であ
る。このセルでは、配向制御と電界等印加による規制下
での徐冷、Sc＊相形成によりラビング方向にほぼ一様な
配向状態の安定度が高くなり、また、セルを厚くするこ
とによりスプレイ状態の安定度も高くなる。
以上のような作用により第１図に示すようなラビング
方向のほぼ一様な配向状態（ａ）と、スプレイ状態
（ｂ）あるいは（ｃ）の２つの状態が双安定状態となつ
た厚いセルでも、安定なメモリー性を有する強誘電性液
晶素子が得られる。
方向のほぼ一様な配向状態（ａ）と、スプレイ状態
（ｂ）あるいは（ｃ）の２つの状態が双安定状態となつ
た厚いセルでも、安定なメモリー性を有する強誘電性液
晶素子が得られる。
尚、Sc＊相のすぐ高温側にＮ＊相あるいは等方相を示
す相系列を持つ組成物の成分としては、以下に示すよう
なSA相をとらない化合物が有効である。
す相系列を持つ組成物の成分としては、以下に示すよう
なSA相をとらない化合物が有効である。
ここでｎは、ｍ＝３においては8,9,m＝５においては
7,8,9,10である。
7,8,9,10である。
ここでｎは、ｍ＝３においては6,7,8,9,10,m＝５にお
いては、7,8,9,10である。
いては、7,8,9,10である。
ここでｎは、6,7,8,9,10,12である。
ここでｎは、5,6,7,8,9,10である。
ここでｎは、7,8,9,10である。
ここでｎは、7,8,9,10である。
以上、本発明に有効である化合物を列挙したが、本発
明を達成する成分はこれらの化合物に限定されるもので
はなく、SAをとらない化合物であれば有効である。
明を達成する成分はこれらの化合物に限定されるもので
はなく、SAをとらない化合物であれば有効である。
次に厚いセルでのコントラスト比の白黒性の両方が、
パラメータ(Psd)2／ε⊥B2を大きくし、偏光軸が交差す
る２枚の偏光板によりコントラストを付与することによ
り改善される理由について説明する。
パラメータ(Psd)2／ε⊥B2を大きくし、偏光軸が交差す
る２枚の偏光板によりコントラストを付与することによ
り改善される理由について説明する。
前述の構成要件を達成する手段を用いることにより、
分子長軸がラビング方向にほぼ一様、平行に配向した状
態と、スプレイ状態とが安定な強誘電性液晶素子が得ら
れる。
分子長軸がラビング方向にほぼ一様、平行に配向した状
態と、スプレイ状態とが安定な強誘電性液晶素子が得ら
れる。
後者のスプレイ状態において、電気的結合によるトル
クと弾性トルクの比を表わすパラメータ(Psd)2／ε⊥B2
を大きくすると、自発分極のつくる分極電場効果により
第２図のようにセル中央部付近に方位角がπ/2で一様と
なる領域（７と８によつて囲まれた領域）が生じ、その
全体に占める割合が大きくなる。第２図はセル厚方向の
変化のみ考えた液晶の連続体理論より得られたセル厚方
向の方位角の分布である。
クと弾性トルクの比を表わすパラメータ(Psd)2／ε⊥B2
を大きくすると、自発分極のつくる分極電場効果により
第２図のようにセル中央部付近に方位角がπ/2で一様と
なる領域（７と８によつて囲まれた領域）が生じ、その
全体に占める割合が大きくなる。第２図はセル厚方向の
変化のみ考えた液晶の連続体理論より得られたセル厚方
向の方位角の分布である。
この結果よりセル厚全体の60％以上で方位角がπ/2±
５％となるためには とすれば良いことが判る。
５％となるためには とすれば良いことが判る。
上の条件が成り立つとした本発明のセルでは方位角０
或いはπのほぼ一様な状態と、方位角π/2（あるいは−
π/2）のほぼ一様状態の双安定状態を示すと考えられ
る。この本発明のセルと、従来の方位角０とπの２つの
ほぼ一様状態、即ち液晶分子が界面に平行な２つの状態
が双安定状態となつているセルの双方について偏光軸が
交差する２枚の偏光板を用いてコントラストを付与した
場合のコントラスト比と白黒性について比較する。
或いはπのほぼ一様な状態と、方位角π/2（あるいは−
π/2）のほぼ一様状態の双安定状態を示すと考えられ
る。この本発明のセルと、従来の方位角０とπの２つの
ほぼ一様状態、即ち液晶分子が界面に平行な２つの状態
が双安定状態となつているセルの双方について偏光軸が
交差する２枚の偏光板を用いてコントラストを付与した
場合のコントラスト比と白黒性について比較する。
まずコントラスト比については、本発明のセルにおい
ては、従来セルの２倍の傾き角45°で最大コントラスト
が得られる点が異なるのを除けば原理的に同じであり、
傾き角の大きな（例えば45°）液晶材料を用いることに
より従来の複屈折モードと同程度の高い例えば10以上の
コントラスト比が得られる。
ては、従来セルの２倍の傾き角45°で最大コントラスト
が得られる点が異なるのを除けば原理的に同じであり、
傾き角の大きな（例えば45°）液晶材料を用いることに
より従来の複屈折モードと同程度の高い例えば10以上の
コントラスト比が得られる。
次に白黒性については第３図のように交差する２枚の
偏光板9,9′を用いてコントラストを付与する場合、白
黒表示の条件として、屈折率異方性Δｎとセル厚ｄの
積、 Δｎ・ｄ〜0.28μｍ が知られている。これは、人間の目の感度が最も良い波
長0.56μｍの光において、液晶内での２種の光線（常光
線，異常光線）間の位相差πｄ・Δn/λがπ/2となる条
件である。従来のメモリー素子では、液晶分子長軸とが
平行な２状態で表示を行つていた為、屈折率異方性Δｎ
の値は液晶分子長軸方向に振動する光に対する屈折率ｎ
″と垂直方向の屈折率ｎ⊥の差そのものに等しく、この
値は一般的に0.10〜0.20程度である。より厚にセルで白
黒表示を実現するには、ｎ″−ｎ⊥がより低い値をとる
材料を用いれば良いが、この値を下げるには限界があ
り、せいぜい0.10程度までしか下げられない。従つて、
セル厚としては2.8μｍ程度が上限となる。
偏光板9,9′を用いてコントラストを付与する場合、白
黒表示の条件として、屈折率異方性Δｎとセル厚ｄの
積、 Δｎ・ｄ〜0.28μｍ が知られている。これは、人間の目の感度が最も良い波
長0.56μｍの光において、液晶内での２種の光線（常光
線，異常光線）間の位相差πｄ・Δn/λがπ/2となる条
件である。従来のメモリー素子では、液晶分子長軸とが
平行な２状態で表示を行つていた為、屈折率異方性Δｎ
の値は液晶分子長軸方向に振動する光に対する屈折率ｎ
″と垂直方向の屈折率ｎ⊥の差そのものに等しく、この
値は一般的に0.10〜0.20程度である。より厚にセルで白
黒表示を実現するには、ｎ″−ｎ⊥がより低い値をとる
材料を用いれば良いが、この値を下げるには限界があ
り、せいぜい0.10程度までしか下げられない。従つて、
セル厚としては2.8μｍ程度が上限となる。
本発明では２種の安定状態のうちで暗い表示をする場
合は光の伝播方向と液晶分子とのなす角が直角、即ち液
晶分子と界面とが平行であるのに対し、明るい表示をす
る場合は界面から傾き、異常光線の屈折率ne（θｔ）は
より常光線の屈折率no（＝ｎ⊥）に近づき、次式で示さ
れるように見かけの複屈折は傾いた分だけ小さくなる。
合は光の伝播方向と液晶分子とのなす角が直角、即ち液
晶分子と界面とが平行であるのに対し、明るい表示をす
る場合は界面から傾き、異常光線の屈折率ne（θｔ）は
より常光線の屈折率no（＝ｎ⊥）に近づき、次式で示さ
れるように見かけの複屈折は傾いた分だけ小さくなる。
尚、ここでθｔは液晶分子長軸と界面とがなす角度を
表わし、次式のように、傾き角θと方位角φで記述でき
る。
表わし、次式のように、傾き角θと方位角φで記述でき
る。
θｔ＝sin-1（sinθ sinφ） 本発明ではφ＝π/2でθｔ＝θ、従来方法ではφ＝０
またはπでθｔ＝０である。
またはπでθｔ＝０である。
次に、液晶分子が界面から傾くことで、どの程度まで
セルが厚くできるかを第４図により説明する。第４図
は、セル界面近傍の変形した部分の体積が、セル中央部
の方位角がπ/2で一様である領域の体積に比べ十分に小
さく無視できるものとして、白黒表示の最適セルギヤツ
プをｎ⊥が1.5の場合について計算したものである。傾
き角θを大きくする程、そして液晶材料の屈折率異方性
ｎ″−ｎ⊥を小さくする程白黒表示に適したセルギヤツ
プが厚くなる。θを大きくすることによる最適セルギヤ
ツプの増大は本発明の効果であり、θ＝45°の液晶材料
を用いると、従来方式に比べて２倍以上も増大化が可能
である。例ればｎ⊥が1.5、ｎ″−ｎ⊥が0.10でθ＝45
°の液晶材料を用いると最適ギヤツプは約5.9μｍとな
り、製造がより容易となる。また、セルギヤツプが変動
しても、色変化があまりなく、色ムラもほとんど発生し
なくなる。
セルが厚くできるかを第４図により説明する。第４図
は、セル界面近傍の変形した部分の体積が、セル中央部
の方位角がπ/2で一様である領域の体積に比べ十分に小
さく無視できるものとして、白黒表示の最適セルギヤツ
プをｎ⊥が1.5の場合について計算したものである。傾
き角θを大きくする程、そして液晶材料の屈折率異方性
ｎ″−ｎ⊥を小さくする程白黒表示に適したセルギヤツ
プが厚くなる。θを大きくすることによる最適セルギヤ
ツプの増大は本発明の効果であり、θ＝45°の液晶材料
を用いると、従来方式に比べて２倍以上も増大化が可能
である。例ればｎ⊥が1.5、ｎ″−ｎ⊥が0.10でθ＝45
°の液晶材料を用いると最適ギヤツプは約5.9μｍとな
り、製造がより容易となる。また、セルギヤツプが変動
しても、色変化があまりなく、色ムラもほとんど発生し
なくなる。
本発明は以上で述べた表示素子のような可視光の光変
調素子に限らず、紫外光や赤外光の光変調素子としても
有効であり、いずれの素子においても、広に波長領域に
対して光透過率変動が少なく、また、セルギヤツプの変
動に対しても光透過率の変動が少ない特性が得られる。
調素子に限らず、紫外光や赤外光の光変調素子としても
有効であり、いずれの素子においても、広に波長領域に
対して光透過率変動が少なく、また、セルギヤツプの変
動に対しても光透過率の変動が少ない特性が得られる。
素子の使用波長領域内において、すべての波長の光の
透過率が最大値の50％を越えるようにするには、 0.25＜ｄ・Δn/λ＜0.75 となるようにセルギヤツプなどを設定すれば良い。
透過率が最大値の50％を越えるようにするには、 0.25＜ｄ・Δn/λ＜0.75 となるようにセルギヤツプなどを設定すれば良い。
以上のような作用により本発明では厚い（３μｍ以
上）セルにおいて高コントラストと高い白黒性の両立が
可能となる。
上）セルにおいて高コントラストと高い白黒性の両立が
可能となる。
〔実施例１〕 酸化インジウム系透明電極を設けた２枚のガラス基板
のうち一方の基板上に、ポリイミド系配向制御膜（PIQ
ワニス、日立化成工業（株）製）をスピンコートし、こ
れを加熱硬化した後にラビング処理した。溝尻光学所製
エリプソメータで膜厚を測定したところ、約100Åであ
つた。２枚の基板間隔が3.2μｍとなるようにガラスフ
アイバー粉末をスペーサとして、液晶セルを組み立て、
下記液晶組成物を真空封入した。
のうち一方の基板上に、ポリイミド系配向制御膜（PIQ
ワニス、日立化成工業（株）製）をスピンコートし、こ
れを加熱硬化した後にラビング処理した。溝尻光学所製
エリプソメータで膜厚を測定したところ、約100Åであ
つた。２枚の基板間隔が3.2μｍとなるようにガラスフ
アイバー粉末をスペーサとして、液晶セルを組み立て、
下記液晶組成物を真空封入した。
上記組成物の相系列を示すと次の通りである。
尚、この組成物の室温に於ける傾き角は32°、自発分
極は41nC/cm2、弾性定数B2は0.8×10-10Ｎ、屈折率異方
性ｎ″−ｎ⊥は、波長0.60μｍの単色光に対して0.16
0、0.45μｍの単色光に対して0.185であつた。本組成物
を上記セルに真空封入した後に、一旦61℃以上まで加熱
した後、直流電圧20Vを印加しながら、0.5℃／分程度の
速度で室温まで徐冷した。次に、２枚の偏光板間にこの
素子を挟み、一方の偏光板をラビング方向にほぼ平行
（傾き角の温度変化分である約10°ずらした）にセツト
し、他方の偏光板を一方の偏向板にほぼ直角にセツトし
た。こうして出来た素子に、幅が2ms、波高値が40Vで、
徐冷した時と同一極性のパルス電圧を印加した後に、電
圧無印加の状態で光透過率を測定した。0.45μm,0.55μ
m,0.60μｍの３色の単色光源を用いて測定したが、いず
れに於ても５％以下であつた。次に、極性のみが逆であ
る同様のパルスを印加したところ、ラビング処理しない
界面に於てのみ分子の自発分極が反転した。
極は41nC/cm2、弾性定数B2は0.8×10-10Ｎ、屈折率異方
性ｎ″−ｎ⊥は、波長0.60μｍの単色光に対して0.16
0、0.45μｍの単色光に対して0.185であつた。本組成物
を上記セルに真空封入した後に、一旦61℃以上まで加熱
した後、直流電圧20Vを印加しながら、0.5℃／分程度の
速度で室温まで徐冷した。次に、２枚の偏光板間にこの
素子を挟み、一方の偏光板をラビング方向にほぼ平行
（傾き角の温度変化分である約10°ずらした）にセツト
し、他方の偏光板を一方の偏向板にほぼ直角にセツトし
た。こうして出来た素子に、幅が2ms、波高値が40Vで、
徐冷した時と同一極性のパルス電圧を印加した後に、電
圧無印加の状態で光透過率を測定した。0.45μm,0.55μ
m,0.60μｍの３色の単色光源を用いて測定したが、いず
れに於ても５％以下であつた。次に、極性のみが逆であ
る同様のパルスを印加したところ、ラビング処理しない
界面に於てのみ分子の自発分極が反転した。
同様に電圧無印加の状態で、波長0.40μｍ〜0.70μｍ
の範囲で光透過率を測定したところ、0.60μｍ付近で最
大値をとり、0.45μm,0.55μm,0.60μｍの光に対しては
それぞれ73％,87％,100％となり、コントラスト比とし
て10以上の値を得た。また、タングステンランプによる
白色光源で目視したところ、十分に白い色が観察され
た。
の範囲で光透過率を測定したところ、0.60μｍ付近で最
大値をとり、0.45μm,0.55μm,0.60μｍの光に対しては
それぞれ73％,87％,100％となり、コントラスト比とし
て10以上の値を得た。また、タングステンランプによる
白色光源で目視したところ、十分に白い色が観察され
た。
〔実施例２〕 実施例１と同様の構成で、電極構造のみ第５図（ａ）
に示すような３×３のマトリクス状をなす素子に、第５
図（ｂ）に示すような電圧波形を印加した。ここで、ま
ず初期化期間内17に於て、全画素の状態を一様にし、走
査期間18に於て各走査電極VX1,VX2,VX3のそれぞれごと
に時間を割当てて、一ラインごとに信号電極VY1,VY2,V
Y3からの信号情報の乗つた波形との差電圧により、順次
書き込んでゆく。第５図に示した駆動波形の例ではスイ
ツチングさせる際の電圧をV0とし、他のライン上を書き
込んでいる時にかかるパルス電圧をV0/3となるように設
定した。ここで、V0というパルス電圧はその印加によ
り、弱く固定した界面上の分子のみが反転し、より強く
固定した界面上での分子は反転しないような値である15
ボルトに設定した。その結果、各画素に於て白黒の表示
ができた。
に示すような３×３のマトリクス状をなす素子に、第５
図（ｂ）に示すような電圧波形を印加した。ここで、ま
ず初期化期間内17に於て、全画素の状態を一様にし、走
査期間18に於て各走査電極VX1,VX2,VX3のそれぞれごと
に時間を割当てて、一ラインごとに信号電極VY1,VY2,V
Y3からの信号情報の乗つた波形との差電圧により、順次
書き込んでゆく。第５図に示した駆動波形の例ではスイ
ツチングさせる際の電圧をV0とし、他のライン上を書き
込んでいる時にかかるパルス電圧をV0/3となるように設
定した。ここで、V0というパルス電圧はその印加によ
り、弱く固定した界面上の分子のみが反転し、より強く
固定した界面上での分子は反転しないような値である15
ボルトに設定した。その結果、各画素に於て白黒の表示
ができた。
実施例１と同様の構成で、界面処理のみ上下同一とし
た。ただし、PIQワニスの濃度を1/10とし、極めて薄い
膜とした。この素子に於ては明るい状態での光透過率の
波長依存性が大きく、約0.40μｍの波長の光で最大値、
0.51μｍ付近で最小値をとり、最大値の５％以下となつ
た。タングステンランプによる白色光源で目視したとこ
ろ紫色の色が観察された。
た。ただし、PIQワニスの濃度を1/10とし、極めて薄い
膜とした。この素子に於ては明るい状態での光透過率の
波長依存性が大きく、約0.40μｍの波長の光で最大値、
0.51μｍ付近で最小値をとり、最大値の５％以下となつ
た。タングステンランプによる白色光源で目視したとこ
ろ紫色の色が観察された。
〔発明の効果〕 本発明によれば、３μｍ以上の厚いにセルに於て、安
定なメモリー性を付与できる。そして、高コントラスト
比と高い白黒性とを両立させることが可能となる。これ
により、液晶光変調素子の表示品質を高めることができ
る。
定なメモリー性を付与できる。そして、高コントラスト
比と高い白黒性とを両立させることが可能となる。これ
により、液晶光変調素子の表示品質を高めることができ
る。
第１図は本発明の液晶光変調素子の液晶分子及び自発分
極の配向状態を説明する模式図、第２図は物性値と変形
状態の関係を示すグラフ、第３図は本発明の素子構造を
示す斜視図、第４図は傾き角、屈折率異方性と最適セル
厚の関係を示すグラフ、第５図（ａ）はマトリクス構成
及び第５図（ｂ）はその駆動波形を示グラフである。 １……ガラス基板、２……液晶分子長軸方向を表すベク
トルを基板間に挟持された液晶層に平行な面への斜影を
示すベクトル（Ｃ−ダイレクタ）、３……自発分極、４
……Ｃ−ダイレクタの方位角、５……自由界面、６……
固定界面、９……偏光板、10……液晶セル、11……偏光
板の偏光軸、12……ラビング方向、13……マトリクス電
極、14……駆動回路、15……本発明方法の最適セル厚、
16……従来方法の最適セル厚、17……初期化期間、18…
…走査期間。
極の配向状態を説明する模式図、第２図は物性値と変形
状態の関係を示すグラフ、第３図は本発明の素子構造を
示す斜視図、第４図は傾き角、屈折率異方性と最適セル
厚の関係を示すグラフ、第５図（ａ）はマトリクス構成
及び第５図（ｂ）はその駆動波形を示グラフである。 １……ガラス基板、２……液晶分子長軸方向を表すベク
トルを基板間に挟持された液晶層に平行な面への斜影を
示すベクトル（Ｃ−ダイレクタ）、３……自発分極、４
……Ｃ−ダイレクタの方位角、５……自由界面、６……
固定界面、９……偏光板、10……液晶セル、11……偏光
板の偏光軸、12……ラビング方向、13……マトリクス電
極、14……駆動回路、15……本発明方法の最適セル厚、
16……従来方法の最適セル厚、17……初期化期間、18…
…走査期間。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 織田村 元視 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 北村 輝夫 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−246725（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−221727（ＪＰ，Ａ)
Claims (4)
- 【請求項１】電極を有する一対の基板と、 前記一対の基板の間に挟持された、カイラルスメクチッ
クＣ相のすぐ高温側にカイラルネマチック相あるいは等
方相を示す相系列を有する液晶層と、 前記一対の基板を挟持する一対の偏光板とを有し、 前記液晶層と前記一対の基板のうちの一方の基板との界
面における液晶分子は、前記液晶層と前記一対の基板の
うちの他方の基板との界面における液晶分子よりも基板
に対して弱く固定され、 前記電極により前記液晶層に電界が生じた際、弱く固定
された液晶分子は自発分極の反転を生じ、この自発分極
の反転により、弱く固定された液晶分子の配向は、
（ａ）互いにほぼ平行な状態及び（ｂ）互いに交差する
状態のいずれかを取り、 前記一対の偏光板は、（ａ）の状態が（ｂ）の状態より
光の透過率が低くなるように配置され、 前記液晶層の屈折率異方性をΔｎ、厚さをｄとし、光の
波長をλとしたとき、 0.25＜ｄΔn/λ＜0.75 の関係を満たし、 前記液晶層の弾性定数をB2、前記液晶分子の自発分極を
Ps、液晶分子長軸方向に直交する方向の誘電率をε⊥と
したとき、 (Psd)2／ε⊥B2＞3.0×102 の関係を満たすことを特徴とする液晶光変調装置。 - 【請求項２】請求項１において、前記光の波長λが、 0.45μｍ≦λ≦0.60μｍ の範囲にあることを特徴とする液晶光変調装置。
- 【請求項３】請求項１又は２において、前記一対の偏光
板はその偏光軸が互いにほぼ直交していることを特徴と
する液晶光変調装置。 - 【請求項４】請求項１、２又は３において、前記一対の
基板のうちいずれか一方には、一軸配向処理した配向制
御膜が形成されていることを特徴とする液晶光変調装
置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63218354A JP2523811B2 (ja) | 1988-09-02 | 1988-09-02 | 液晶光変調装置 |
| US07/398,541 US5061045A (en) | 1988-09-02 | 1989-08-25 | Liquid crystal light modulation device and liquid crystal light modulation apparatus |
| DE3929113A DE3929113A1 (de) | 1988-09-02 | 1989-09-01 | Fluessigkristall-lichtmodulationsvorrichtung |
| KR1019890012635A KR0144680B1 (ko) | 1988-09-02 | 1989-09-01 | 액정 광 변조소자 및 액정 광 변조장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63218354A JP2523811B2 (ja) | 1988-09-02 | 1988-09-02 | 液晶光変調装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0267519A JPH0267519A (ja) | 1990-03-07 |
| JP2523811B2 true JP2523811B2 (ja) | 1996-08-14 |
Family
ID=16718568
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63218354A Expired - Lifetime JP2523811B2 (ja) | 1988-09-02 | 1988-09-02 | 液晶光変調装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5061045A (ja) |
| JP (1) | JP2523811B2 (ja) |
| KR (1) | KR0144680B1 (ja) |
| DE (1) | DE3929113A1 (ja) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04232924A (ja) * | 1990-12-27 | 1992-08-21 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | 液晶電気光学装置 |
| JPH06118359A (ja) * | 1992-10-07 | 1994-04-28 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 位相型空間光変調器 |
| FR2731526B1 (fr) * | 1995-03-09 | 1997-04-04 | Thomson Consumer Electronics | Ecran a cristaux liquides a angle de vue ameliore |
| US5724116A (en) * | 1995-06-06 | 1998-03-03 | Citizen Watch Co., Ltd. | Liquid crystal panel with memory function |
| US6163360A (en) * | 1996-06-24 | 2000-12-19 | Casio Computer Co., Ltd. | Liquid crystal display apparatus |
| JP2001305520A (ja) * | 2000-04-24 | 2001-10-31 | Toshiba Corp | 液晶表示素子およびその製造方法 |
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