JP2719527B2 - 液晶電気光学装置 - Google Patents

液晶電気光学装置

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JP2719527B2 JP63129783A JP12978388A JP2719527B2 JP 2719527 B2 JP2719527 B2 JP 2719527B2 JP 63129783 A JP63129783 A JP 63129783A JP 12978388 A JP12978388 A JP 12978388A JP 2719527 B2 JP2719527 B2 JP 2719527B2
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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、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イステッド・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ック
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
マトリッ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。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もので大
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。
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、これを応用したものである。
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(I)と−θ傾いた第2の状態(II)を取
る。この状態をクラークらはSSFLC(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ング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の状態(II)より第1の状態(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た際のスイッチングの
機構であった。このらせんをほどくためには、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が必ず
らせんをほどいた状態で用いたのに対し、本発明はらせ
ん形成状態での強誘電性液晶を用いて電気光学装置を実
現したものであり、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。
本願発明は、液晶セル中に炭素数8以上で複数の側鎖
を持ち、不斉炭素原子を持つ光学活性基を分子内に持つ
液晶組成物を含む強誘電性液晶混合物が注入されてお
り、これら液晶混合物は、液晶セル中においてスメクチ
ック層に垂直方向にらせん軸を持つようにらせん形成で
きる状態であ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)に揃う。
次に逆向きの電界を加えると別の第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
く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
とができ第1の状態から第2の状態又は第2の状態から
第1の状態へスイッチングする際にはらせん状態を経由
するものである。
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
ング方式を提供し、その結果、高速応答性やコントラス
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、光シャッタ
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C相を温
度範囲として−10℃〜70℃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C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ックス
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トリックス
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
のと全く同様の構成を持つものである。すなわち、透明
の基板(例えばガラス)1,1′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にパ
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
子の長軸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SiO2膜を使用した。
このように、配向制御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、マトリッ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。
本実施例で用いた強誘電性液晶混合物中には 一般式 (上記式中Rは炭素数6〜12のアルキル基を示し、R
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。
また、本実施例で用いた強誘電性液晶材料のらせんピ
ッチは室温付近で約2.8μmと広いピッチを持つもので
あった。
また、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
℃)の温度状態にて観察を行うと、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。
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。
いずれも、約25℃の温度で測定する。
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の状態(c)から第1の
状態(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、この時明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よ
りもよい値であり、また表示視野角も従来の強誘電性液
晶を用いた表示装置の場合と同程度のものであった。
また、応答速度は透過率の変化が0%〜90%のときで
160μsec(25℃)であった。
〔実施例2〕 本実施例では、実施例1で用いたのと同様のマトリッ
クス型液晶表示装置を使用した。
本実施例で用いた強誘電性液晶混合物中には一般式で
表される液晶化合物を含み具体的には、以下に示す強誘
電性液晶混合物を使用した。
一般式 又、これらの強誘電性液晶混合物のとる相系列と相転移
温度は、 であった。
このような強誘電性液晶混合物を注入して液晶表示装
置において、コントラスト27.3応答速度205μsecが得ら
れた。
〔実施例3〕 本実施例では、実施例1で用いたのと同様のマトリッ
クス型液晶表示装置を使用した。
本実施例で用いた強誘電性液晶混合物中には一般式で
表される液晶化合物を含み具体的には、以下に示す強誘
電性液晶混合物を使用した。
一般式 上記の4物質に加えて、主骨格をフッ素原子で置換し
た物質Lを添加した。
この物質Lの構造は、 で示されるものである。
又、これらの強誘電性液晶混合物のとる相系列と相転
移温度は、 であった。
このような強誘電性液晶混合物を注入した液晶表示装
置において、コントラスト30応答速度110μsecが得られ
た。(いずれも25℃) 本実施例の場合、液晶を駆動する際のしきい値が液晶
表示装置全体でほぼ同程度であり、駆動の際のマージン
が幅広くとれるという新たな効果も得られた。
〔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の結晶の構造を示す偏光
顕微鏡写真である。 1,1′……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
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−241724(JP,A) 特開 昭62−27721(JP,A) 特開 昭62−56938(JP,A) 特開 昭63−119449(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一対の平行基板によって形成される液晶セ
    ル中に強誘電性液晶混合物が注入された液晶電気光学装
    置において、前記強誘電性液晶混合物中には、主鎖が炭
    素数8以上で複数の側鎖を有し不斉炭素原子を持つ光学
    活性基を分子内に持つ液晶組成物を含んでおり、該液晶
    混合物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、前
    記強誘電性液晶混合物に対して印加する電界の向きの反
    転によって該液晶混合物分子が第1又は第2の分子配列
    状態を取り、電界の印加を中止した後も、継続していず
    れかの状態を取り続けることを特徴とする液晶電気光学
    装置。
  2. 【請求項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。
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JPS61241724A (ja) * 1985-04-19 1986-10-28 Victor Co Of Japan Ltd 液晶表示素子
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