JP2607380B2 - 液晶セル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の利用分野］ 本発明は液晶セル、特に強誘電性又はカイラル液晶セ
ルに関する。

［従来技術とその課題］ 高速強誘電性の液晶表示素子の構造及び動作の基本原
理はクラークその他著のアプライド・フィジックス・レ
ターズ36（11）1980に解説されている。このクラーク等
の表示素子はカイラル・スメクチックＣ液晶を用いる液
晶セルを含んでいる。この型の液晶材料は分子が平行面
状に配向し、その面の法線方向に対して鋭角で傾斜する
という性質を有する。この分子は面に対する法線の周り
に回転し、且つ分子の長軸に直角方向の永久電気双極子
モーメントを有する。

クラーク等の液晶セルは多くのスメクチック面を有
し、これらの面は平行する１対の透明電極板間及びこれ
に直角する配列する。電極板間に印加する電位差は液晶
材料内に、２枚の板の一方に向かう電界を発生する。こ
の電界は液晶分子の双極子モーメントと結合して、電界
の方向に依存する少なくとも２つの方向の１つをとる様
にする。このような液晶セルを透過軸が直交する１対の
ニュートラル線形偏光板間に配置すると、分子の方向は
光学的に識別出来て、光透過状態と不透明状態を有する
強誘電性の液晶表示素子が得られる。

クラーク等の液晶セルは温度が低下するにつれて順次
アイソトロッピック、スメクチックＡ及びスメクチック
Ｃフェーズとなる液晶材料を使用している。アイソトロ
ピック・フェーズの液晶材料を１対の電極板間に入れて
スメクチックＡフェーズになるまで冷却する。液晶分子
の面配向は一方の電極板を他の電極板に対して反復的に
シャーリング（せん断）してスメクチック面が得られる
ようにする。電極構対に接触する液晶分子はこの構体と
実質的に平行になる。次に、素子を冷却してスメクチッ
クＣにする。このシャーリング配向法の主な問題点はこ
の形式の素子の製造が困難であることである。

スメクチック面配向の他の方法には、強誘電体VOL59,
137頁1984年パテル著「スメクチック液晶の高信頼性配
向法」に開示している。この形式の液晶セルの問題は、
セルを光透過状態と不透過状態間でスイッチングすると
きスメクチック面配向欠陥を生じる事があると言う点で
ある。このスメクチック面配向欠陥は液晶セル面にジグ
ザグ模様が現れる事である。

比較的スメクチック面配向欠陥が少ないと称するスメ
クチックＣ液晶セルは、ジャパンディスプレイ1986年46
4〜467頁のウエムラ等による「傾斜蒸着法によるカイラ
ルスメクチックＣ液晶の配向」に開示されている。この
液晶セルは温度が下がるにつれて順次アイソトロピッ
ク、ネマチック、スメクチックＡ及びスメクチックＣフ
ェーズとなる液晶材料を使用している。アイソトロピッ
ク・フェーズのこの液晶材料を１対の対向する電極板間
に配置する。この電極板はこれに接する液晶材料のディ
レクタが20〜25度のプレチルト角をなすように処理され
ている。この電極板に接するディレクタのプレチルト角
は同じ回転方向で定義する。斯かるディレクタ形状は
「アンチパラレル配向」と呼ばれることもある。次に、
この液晶セルを冷却して液晶材料を順次ネマチック、ス
メクチックＡ及びスメクチックＣフェーズに移行させ
る。このウエムラ等の液晶セルはスメクチック面配向欠
陥が比較的少ないとされているが、このセルによる表示
素子は一般に視角が狭いと言う欠点を有する。なお、デ
ィレクタとは、液晶材料内のある不特定領域における液
晶分子の方向を表すものである。液晶分子自体は、しば
しば、引き延ばされ、概略的に葉巻形状として表されて
いるが、局部的な力のために、所定領域内で隣接した分
子は、わずかに異なる方向となり、また、熱擾乱のため
に、これら隣接した分子の方向が絶えず変化する。よっ
て、ディレクタは、その領域内の分子の正味、即ち、平
均的な方向を表すものである（ディレクタ自体は、ベク
トルではない）。

また、ここに述べる液晶セルの発明者はアンチパラレ
ル・ディレクタ配向を用いる大面積の液晶セルのディレ
クタ配向の均一化に苦労した。大面積の表示素子は、不
均一なディレクタ配向のために、偏光軸を合わせる事が
不可能であるので、可視面の多くの場所で光が漏れると
言う欠点があった。

［発明の目的］ 従って、本発明の目的の１つは比較的大きい視覚を有
する液晶セルを提供することである。

本発明の他の目的はスメクチック面配向欠陥が実質的
にない液晶セルを提供することである。

本発明の更に他の目的な大きな表示面積を有し、ディ
レクタが均一に配向され、視角の広い液晶表示装置を提
供することである。

［発明の概要］ 本発明の液晶表示装置は離間した１対の電極構体を有
し、その中にカイラル液晶セルを充填する。この液晶材
料は温度が低下するにつれて順次アイソトロピック、ネ
マチック、スメクチックＡ及びアイラルフェーズとなる
ものである。各電極構体はディレクタ配向処理をした内
面を有する。各電極構体のディレクタ配向層はそれと接
する液晶材料のディレクタが配向層に対して比較的大き
い鋭角の傾斜バイアス角をなすように処理している。ま
た、電極構体の一方に接触するディレクタの傾斜バイア
ス角は、他方の電極構体に接触するディレクタの傾斜バ
イアス角と逆回転角となるように方向付けされている。
斯かる液晶セルはスメクチック面配向欠陥が実質的にな
く、ディレクタ配向特性が実質的に均一になる。

この液晶セルを１対の偏光フィルタ間に配置すると、
比較的視覚の広い且つ可視面欠陥の実質的にない表示装
置が得られる。この液晶セルは典型的には光学軸の異な
る２つの光学状態を有する双安定素子として機能する。
この光学軸はセルの電極構体に印加する刺激電圧による
電界の向きにより変化する。この光学軸は好ましくは45
度の回転をして光透過状態と不透過状態との間で切り替
わる。

［実施例］ 第２図を参照すると、本発明によるカイラル液晶セル
（10）は互いに離間した略平行な１対の電極構体（12）
及び（14）を含み、その間にカイラル液晶材料（16）を
充填している。この液晶材料（16）はアイソトロピッ
ク、ネマチック、スメクチックＡ及びカイラルスメクチ
ックＣフェーズのいずれをもとり得るものである。この
形式の液晶材料の１例には西ドイツはダルムステートの
イー・メリック製液晶化合物番号3041がある。この特定
の液晶材料は略室温でカイラルスメクチックＣフェーズ
になるので特に好ましい。しかし、この材料は15度の円
錐角（即ちスメクチック面の法線方向に対してディレク
タがなす角）を生じ、これは好適値である22.5度よりも
小さい。22.5度のとき光学軸の方向を最適な45度シフト
し、光透過状態において最大輝度の表示装置が得られ
る。従って、15度の角度では最適な輝度が得られない。

電極構体（12）は、酸化インジウム錫の如き導電性且
つ光透過性層（20）を内面に有する誘電性ガラス基板
（18）を含んでいる。ディレクタ配向膜層（22）を導電
層（20）に被着形成し、電極構体（12）と液晶材料（1
6）間の境界をなす。この液晶材料に接触する配向膜表
面はこれと接触する液晶材料のディレクタの向きが所定
方向となるように処理している。電極構体（14）は電極
構体（12）と同様であるので、対応する部分には同じ参
照番号にダッシュを付している。

電極構体（12）と（14）は互いに左右にずらせ、導電
層（20）（20′）に第４図に示す液晶セル駆動回路（2
5）の出力導体（24）及び（24′）が接続出来るように
する。スペーサ（26）は両電極構体（12）と（14）とを
離間し略平行関係に維持する。スペーサ（26）は例えば
グラスファイバー等の適当な材料で作る。

駆動回路（25）は互いに逆極性の異なる電位差を導電
層（20）（20′）間に選択的に印加して液晶材料（16）
の選択された領域に、両導電層のいずれか一方に向かう
電界を形成する。電位差の極性は電界の向きを定める。
セル内に形成された電界は液晶ディレクタの双極子モー
メントと結合して、導電層（20）（20′）間に先に形成
された電界の向き（第１図の（27）参照）に依存する２
つの方向の一方をとるようにする。

セル内に電界が約100mS以上存在すると、ディレクタ
をいずれか一方にする。電界がないとディレクタの方向
はそのままであるので、液晶セル（10）は双安定型であ
る。その結果、導電層（20）を向く電界により特定の方
向を向いているディレクタ分子は導電層（20′）を向く
電界が反転されるまでその向きに留まる。

第１図は液晶セル（10）内に封止された液晶材料（1
6）がスメクチックＣディレクタ配向形状をとる場合の
推定図を示す。電極構体（12）の配向膜（22）は、ネマ
チックフェーズにおいて配向層（22）に接するディレク
タが、その面に対して反時計方向に測定して鋭角の傾斜
バイアス角＋θで略平行に配列するように配向処理され
ている。電極構体（14）の配向膜（22′）はこの膜に接
触するディレクタがネマチックフェーズで配向膜（22）
の面に対して時計方向に測定して鋭角の傾斜バイアス角
−θで互いに略平行に配列するように処理されている。
従って、液晶セル（10）は角ディレクタ配向層（22）及
び（22′）に接触する面接触ディレクタ（28）（30）が
互いに逆回転方向の傾斜バイアス角を有するように製造
される。実験の結果、面接触ディレクタ（28）（30）が
逆方向であると、スメクチックＣ液晶（16）の面非接触
ディレクタの配向は第１図に示す如く略方向の曲面状ス
メクチック層（34）となる事が判明した。

液晶材料（16）はスメクチックＣフェーズであり、液
晶材料（16）のディレクタはスメクチック層（34）の直
角軸に対して傾斜している。第３図は第１図の曲面スメ
クチック層（34）の１つの法線（36）に対して面非接触
ディレクタ（32）の傾斜を示す等角図である。ディレク
タ（32）は第１及び３図の面への法線（36）に対して約
15度の正回転角（36a）をなす。液晶材料（16）はカイ
ラル型であるが、液晶セルは充分に薄く（即ち、膜層
（22）（22′）間の間隔（38）は充分に小さい）、ディ
レクタ（32）はセルの厚さ方向に殆どねじれを生じるこ
とができない。液晶セル（10）の厚さは約２ミクロンで
あり、緑色光線に約半波長のリターデイション（遅延）
を生じる。

傾斜バイアス角＋及び−θの絶対値は典型的には約５
度と45度の間であり、25〜30度が最適値である。この範
囲内の傾斜バイアス角では液晶セルのディレクタに高い
プレチルト角度を与え液晶セル（10）の双安定性を改善
する。傾斜バイアス角＋θの絶対値は必須要件ではない
が傾斜バイアス角−θと同じ値である。

各ディレクタ配向値（22）（22′）への面接触ディレ
クタ（28）（30）の大きなプレチルト・アライメントを
行うには導電層（20）及び（20′）上に二酸化ケイ素又
はその他の配向材料を所定の方向に蒸着する事により行
うのが好ましい。これらの材料を蒸着して液晶デレクタ
を所定方向に配向する方法は既に他人より開示されてお
り当業者には周知である。その一例はジャニングの米国
特許第4165923号に開示されている。

第４図は本発明の液晶セル（10）を用いて表示装置を
作る光ゲート（40）の構成図である。液晶セル（10）は
夫々直交する偏光軸を有する１対のニュートラル線形偏
光フィルタ（42）（44）間に配置する。偏光フィルタ
（42）は光吸収垂直偏光軸（46）と光透過水平偏光軸
（48）を有する。一方、偏光フィルタ（44）は光透過垂
直偏光軸（50）と光吸収水平偏光軸（52）を有する。光
ゲート（40）は光源（図示せず）からの光線（54）を受
ける。光源は例えばCRT等からの蛍光光線であっても良
い。

液晶セル（10）はこのセル内に形成した電界の方向に
より第１光学状態から第２光学状態にスイッチングす
る。この第１及び第２光学状態は法線方向に入射する予
め定めた波長の光線に略半波長リターデイションを生じ
させ、液晶セル（10）の光軸を約30度変化して光ゲート
（40）に夫々光不透過状態及び光透過状態を生じさせ
る。

第１光学状態では液晶セル（10）の光学軸の両光通過
面（58）（60）への投影（56）は各偏光フィルタ（42）
（44）の水平偏光軸（48）（52）に略平行になる。第２
光学状態では液晶セル（10）の光学軸の面（58）（60）
への投影（62）は偏光フィルタ（42）（44）の偏光軸の
１つに対して略30度である。各第１及び第２リターデイ
ション状態での投影（56）及び（62）間の30度の角度差
はスメクチック層（34）のディレクタ（32）の公称15度
の角度と逆方向の電界によるディレクタの方向変化によ
る。第３図においてディレクタ（32）は光学軸の一方向
を示す法線（36）に対して角度（36a）の線（32a）と光
学軸の他方向を示す法線（36）に対して角度（36b）の
線（32b）で表される。液晶セル（10）内に生じる電界
は駆動回路（25）の出力（64）両端に現れる電位差によ
り形成される。駆動回路（25）の出力（64）は液晶セル
（10）の端子（24）（24′）に印加される。

駆動回路（25）が端子（24）（24′）間に正電圧を印
加すると、液晶セル（10）は第１光学状態にされる。入
射光線（54）は通常偏光フィルタ（42）の水平偏光軸
（48）を通過して液晶セル（10）に入射し偏光フィルタ
（44）の水平偏光軸（52）に実質的に吸収される。従っ
て、この状態では光ゲート（40）から本質的に光は出な
いので光不透過光学状態となる。

駆動回路（25）が端子（24）（24′）間に負電圧を印
加すると、液晶セル（10）は第２光学リタデーション状
態となす。偏光フィルタ（42）の水平偏光軸（48）を通
過する法線入射光線（54）は液晶セル（10）を通過し、
偏光フィルタ（44）の垂直偏光軸（50）を透過する。光
ゲート（40）は、この状態において光を出力するので、
光透過状態となる。

ディレクタは極めて狭い領域に特定方向に配列できる
が、セルの全面に渡って配列方向は数度の範囲で変化す
るのが普通である。上述した液晶セル（10）は上述した
従来のアンチパラレルセルに比べて良好なディレクタ配
列の均一性が得られる。また、液晶セル（10）はアンチ
パラレル型ディレクタアライメントの液晶セルを用いる
表示装置に比較して、視覚の関数とする光透過状態にお
ける輝度変化が小さく且つ光不透過状態における光漏洩
が小さいので、視覚特性が優れている（広い）と言う特
徴を有する。

第５図は光ゲート（40）の視覚特性を試験する試験装
置（80）を示す。この試験装置（80）は光ゲート（40）
が取り付けられている透明部分を有する回転テーブル
（82）を含んでいる。白色光源（84）は光軸（86）に沿
って平行光線を放射し、この光線は光ゲート（40）の面
の法線方向（90）に対して40度の角度（88）で偏光フィ
ルタ（42）に入射する。テーブル（82）は光ゲート（4
0）を回転して法線（90）の周りのアジマス角φの関数
として透過する光の強度を定める。感光検出器（92）が
光軸（86）上に配置され、光ゲート（40）を透過した光
を受ける。以下に示す図はイー・メリック製3041型液晶
材料を用いる厚さ２ミクロンの液晶セルの視覚特性を示
す。

第6A及び6B図は夫々本発明の液晶セル（10）と前述し
たウエムラ等のアンチパラレル配向液晶セルの光不透過
及び光透過状態で測定した光強度関係を示す。第6A図に
示すデータは光不透過状態で軸上（オンアクシス）光透
過が最小になるように偏光フィルタ（41）（44）に対し
て液晶セル（10）を方向付けた光ゲート（40）について
得たものである。第6B図に示すデータは液晶セル（10）
と同じリターデイション及び傾斜バイアス角であるがア
ンチパラレル型ディレクタ配向の液晶セルから得たもの
である。液晶セルは１対の直交偏光軸を有する線形偏光
フィルタ間に配置して表示装置を構成する。

第6A及び6B図のデータは、第6A図を参照して後述する
方法と同じ手順で得たものである。光ゲート（40）を不
透過状態にスイッチして、光ゲート（40）が360度のア
ジマス角に渡り回転するようにテーブル（82）を回転す
る。検出器（92）が測定する光は、光ゲート（40）を通
過することができる最大透過光の10％刻みで行った。次
に、光ゲート（40）を光透過状態にスイッチして、光不
透過状態につき上述したように再度データを取り込ん
だ。

第6A図につき説明すると、光強度パターン（94）（9
6）は夫々液晶セル（10）の光透過及び不透過状態での
光強度を示す。第6A及び6B図は光不透過状態における光
強度は光透過状態における光強度よりも常に小さく且つ
いずれの光学状態においてもアジマス角の関数での光強
度変化は小さいことを示している。

第6B図を参照すると、光強度パターン（98）及び（10
0）は夫々アンチパラレル型ディレクタ配向の液晶セル
の光透過及び不透過状態における光強度を表す。第6B図
は、光不透過状態における光強度が光透過状態における
光強度より大きいアジマス角が存すること及び両光状態
共にアジマス角を関数とする光強度の変化が大きいこと
を示す。第6B図は、アンチパラレル型ディレクタ配向で
あり明暗ピクセルの映像を表示する液晶セルを用いる表
示装置の監視者は表示装置を見る角度が変わる毎に映像
を変わって見えることに気付く。

第7A及び7B図は夫々曲面スメクチック層及び面法線に
対して30度の傾斜平面状スメクチック層を有する液晶セ
ル（10）のディレクタ配向状態の液晶セルの光透過及び
不透過状態での光強度を計算により求めた比較図を示
す。第7A図において、光強度パターン（102）及び（10
4）は夫々光透過及び不透過状態においける光強度を示
す。第7A図と第6A図を比較すると、光透過状態における
光強度パターン（94）及び（102）は略同じであり且つ
光不透過状態におけう光強度パターン（96）及び（10
4）も略同じてある事を示している。第7B図において、
光強度パターン（106）及び（108）は夫々光透過及び透
過状態におけると光強度を示す。第7B及び6B図を比較す
ると、光透過状態における光強度パターン（98）及び
（106）は略同じであり且つ光不透過状態における光強
度パターン（100）及び108）も略同じである事が判る。
従って、液晶セル（10）の面接触ディレクタ配向セルの
利点はスメクチック層の曲面にあると結論付ける事がで
きよう。

スメクチックＣ液晶セル（10）の双安定性により、約
20:1のコントラスト比を有する良好な明暗映像の光ゲー
ト（40）が得られる。これは、従来のスメクチックＣ型
表示装置のコントラスト比が4:1未満であった事から本
発明の効果がよく理解できよう。更に、液晶セル（10）
の光学状態が約100μＳ間隔でスイッチング出来るの
で、例えば1000本の高解像度の高コントラスト高解像度
の液晶表示装置が得られる。

［変形変更］ 以上、本発明の液晶セルについて詳細に説明したが、
本発明は斯かる実施例のみに限定するものではなく、本
発明の要旨を逸脱する事なく種々の変形変更がなし得る
こと当業者には容易に理解できよう。例えば、カイラル
・スメクチックＣフェーズはカイラル・スメクチックＩ
フェーズ又はその他のカイラル・スメクチックフェーズ
に置換可能である。更にまた、液晶セル（10）は好適実
施例で述べた２つの均一ディレクタ配向以外のディレク
タ配向間でスイッチングすることにより多状態素子を得
ることも可能である。この多状態素子はディレクタ配向
ねじ状態を含み、異なる光透過強度状態を得ることがで
きよう。

［発明の効果］ 本発明の液晶セルでは、液晶材料の面接触ディレクタ
が基板上の投影が互いに平行であり、配向層に対して逆
回転方向に約５度〜約45度の比較的に大きなバイアス角
で接触するように処理したことにより、電極構体の配向
層に接触しない面非接触ディレクタは、電極構体間を横
断する曲面状の複数の層に形成される。この液晶セルを
１対の偏光フィルタ間に配置して使用すると、従来に比
して視覚の広い表示装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による液晶セルのディレクタ配向状態の
説明図、第２図は本発明の液晶表示装置の構造を示す模
型図、第３図は第１図の曲面スメクチック層の１つの法
線に対する面非接触ディレクタの傾斜を示す図、第４図
は本発明の液晶セルを用いる表示装置の構成図、第５図
は第４図の表示装置の動作特性試験装置を示す図、第6A
及び6B図は夫々第４図及び従来の表示装置の視角特性
図、第7A及び7B図は夫々30度のディレクタ傾斜バイアス
角の曲面スメクチック層と30度のディレクタ傾斜バイア
ス角の平面状スメクチック層の液晶セルの視角動作特性
図を示す。 図中（10）は液晶セル、（12）（14）は電極構体、（1
6）はカイラル液晶材料、（20）は電極層、（22）は配
向層、（26）はスペーサ、（28）はディレクタ、（42）
（44）は偏光フィルタ、（80）は特性試験装置、（84）
は白色光源、（82）は回転テーブル、（92）は光検出器
である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フィリップ・ジェイ・ボス アメリカ合衆国 オレゴン州 97225 ポートランド サウスウエスト エッジ ウッド・ストリート 12300 (56)参考文献 特開 昭61−252532（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−272719（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−18522（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−80625（ＪＰ，Ａ) Ｊａｐａｎ Ｄｉｓｐｌａｙ ’86 ＰＰ．456〜458 Ｃｐｒｏｃｅｃｄｉｎ ｇｓ ｏｆ Ｔｈｅ ６ｔｈ Ｉｎｔｅ ｒｎａｔｉｎａｌ Ｄｉｓｐｋｉｙ Ｒ ｅｓｅａｎｈ Ｃｏｈｆａｒｅｎｃｅ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】夫々内面に電極層及び配向層を有する互い
   に離間した１対の電極構体と、 該電極構体間に充填したカイラル液晶材料とを具え、 該液晶材料は、温度が低下するにつれて順次カイラル・
   ネマチック、スメクチックＡ及びカイラル・スメクチッ
   ク・フェーズとなる形式のものであり、 上記配向層は、カイラル・ネマチック・フェーズで上記
   液晶材料の面接触ディレクタが、上記配向層への投影が
   平行であり、上記配向層に対して約５度〜約45度の傾斜
   バイアス角で接触し、且つ一方の電極構体の配向層に接
   触する面接触ディレクタの傾斜バイアス角が、他方の電
   極構体の配向層に接触する面接触ディレクタの傾斜バイ
   アス角と互いに逆回転方向であるように処理されて、 上記カイラル・スメクチック・フェーズで上記電極構体
   の配向層に接触しない面非接触ディレクタは、上記電極
   構体間を横断する曲面状の複数の層に形成されることを
   特徴とする液晶セル。