JP2982330B2 - 液晶表示素子 - Google Patents

液晶表示素子

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、カイラルスメクチック
Ｃ相を有する液晶材料を用いた新規な液晶表示素子に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】液晶ディスプレイの開発動向としては、
これまでＳＴＮのマルチプレックス駆動及びＴＮのＴＦ
Ｔアクティブマトリックス駆動が主流となっているが、
大画面化や高精細度化を達成するには、より高速なデバ
イスが必要となっている。このような状況から、液晶表
示素子に使用される液晶材料として、カイラルスメクチ
ックＣ相を有する強誘電性液晶が注目を集めており、か
かる強誘電性液晶を用いカイラルスメクチックＣ相の光
スイッチング効果を利用した強誘電性液晶デバイスとし
て、エヌ・エー・クラーク及びエス・ティー・ラガウォ
ール等によって提案された表面安定化強誘電性液晶（Ｓ
ＳＦＬＣ：SurfaceStabilized Ferroelectric Liquid C
rystal ）デバイス等が知られている。
【０００３】前記ＳＳＦＬＣデバイスは、狭ギャップセ
ル中にカイラルスメクチックＣ相（以下、ＳｍＣ* 相と
称する。）を有する液晶成分を充填した液晶デバイス
で、基板の配向処理方向に対して所定の角度α及び−α
傾いた方向に液晶分子の分子軸が揃った状態を安定状態
とするものである。そして、この双安定の２状態間での
スイッチングを行うことで、明暗２状態を発現するもの
である。したがって、ＳＳＦＬＣにおいては、明，暗の
２状態でのスイッチングに限られ、メモリー性は有する
ものの階調表示ができないという問題を抱えている。
【０００４】強誘電性液晶デバイスにおいて、階調性を
得るための技術としては、しきい値電圧の異なるマルチ
ドメインを制御し、面積階調を行う方法も提案されてい
るが、この場合には、マルチドメインのしきい値が離散
的であり、連続階調がとれないという問題が残る。
【０００５】このような問題点を改良するために、例え
ば特開平１−１５２４３０号公報に記載されるように、
ＳｍＣ* 相のピッチｐとセルギャップｄとの関係がｄ／
ｐ＞５，すなわちｄ＝２μｍでｐ＜０．４μｍのピッチ
を有するＳｍＣ* 液晶を使用し、ＳｍＣ* 相のらせん軸
が基板の配向処理方向に向き、且つ安定状態において液
晶分子のダイレクタ（分子軸）が螺旋を形成するように
した液晶表示セルが提案されている。この液晶表示セル
では、強誘電性液晶のヘリックス歪効果を用いた単安定
状態において、低電圧駆動でテレビレートのアナログ階
調が実現可能とされている。しかしながら、この場合に
は、高速応答性及びその動作原理のためにヘリカルピッ
チの極端に短い液晶系が必要となり、均一配向が難しい
という新たな問題が生ずる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来の強
誘電性液晶デバイスにおいては、連続階調表示（いわゆ
るアナログ階調表示）の実現が難しく、実用化に際して
その用途が大きく制約されるという不都合を有してい
る。そこで本発明は、かかる従来の実情に鑑みて提案さ
れたものであって、連続階調表示が可能で、しかも液晶
の配向が容易な液晶表示素子を提供することを目的とす
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明の液晶表示素子は、一軸配向処理が施され
た一対の基板が配向処理方向が互いに略平行となるよう
に対向配置されるとともに、これら基板間にカイラルス
メクチックＣ相を有する液晶材料が充填されてなり、前
記カイラルスメクチックＣ相を有する液晶材料の液晶分
子が描くコーンの軸方向の基板への投影成分及び液晶分
子自身の分子軸方向の基板への投影成分がそれぞれ基板
の配向処理方向と同一とされ、この状態が初期状態とし
て単安定化されたことを特徴とするものであり、さらに
は基板間に充填された液晶材料がモノドメイン化されて
いることを特徴とするものである。
【０００８】本発明の液晶表示素子の基本構成は、図１
に示すようなものであり、ラビング処理や斜方蒸着等の
一軸配向処理を施した一対の基板１，２を面対向する如
く配置して液晶セルとなし、これら基板１，２の間隙に
ＳｍＣ* 相を有する液晶材料を充填してなる。用いる液
晶材料としては、強誘電性液晶であってもよいし、反強
誘電性液晶であってもよく、要はＳｍＣ* 相をとりうる
液晶材料であれば如何なるものであってもよい。ただ
し、配向性等を考慮すると、ＳｍＣ* 相の螺旋ピッチが
十分に長いことが好ましく、さらには大きな自発分極を
有し且つＳｍＣ* 相を室温を含む広い温度範囲で示すこ
とが好ましい。
【０００９】したがって、従来より公知のカイラル液晶
あるいは下記の化１で表されるカイラル液晶と、３環性
エステルのフッ素置換誘導体，フェニルピリミジン系，
フェニルベンゾエート系等の非カイラル液晶（ホスト液
晶）とを混合した組成物等が好適である。
【化１】
【００１０】特に、単安定性構造を安定に発現するため
には、非カイラル液晶として３環性エステルのフッ素置
換誘導体またはフェニルピリミジン系液晶、さらにはこ
れらの混合物を使用することが好ましく、フェニルピリ
ミジン系液晶が欠陥等の観点から最も好適である。
【００１１】また、上述のようにカイラル液晶と非カイ
ラル液晶の混合物を使用する場合、ホスト液晶である非
カイラル液晶へのカイラル液晶の添加量がコントラス
ト，応答時間等に影響する。実用的な応答時間を維持
し、しかも高コントラストを実現するためには、カイラ
ル液晶の添加量を１〜３重量％とすることが好ましい。
【００１２】一方、基板１，２は、いずれも透明基板上
に透明電極を形成し、さらにその上にポリイミド膜を被
着してラビング処理したり、斜方蒸着膜を形成してなる
ものであって、それぞれの一軸配向処理方向（図１中矢
印Ｘ及び矢印Ｙで示す。）が互いに略平行となるように
配置されている。ここで、例えばラビング処理はポリイ
ミド膜の表面を一方向に擦って表面に微細な傷を付けて
配向性を持たせる手法であるが、擦った方向まで同一
（全くの平行。以下、パラレルと称する。）になるよう
に配置してもよいし、擦った方向が互いに逆（反平行。
以下、アンチパラレルと称する。）になるように配置し
てもよい。すなわち、前者は基板１のラビング方向をＸ
1 としたときに基板２のラビング方向をＹ1 とした場合
であり、後者は基板１のラビング方向をＸ1 としたとき
に基板２のラビング方向をＹ2 とした場合である。ただ
し、パラレルとした場合には２値状態しかとり得ない双
安定セルとなり易い傾向にあることから、アンチパラレ
ルとすることがより好ましい。
【００１３】また、液晶分子が単安定化されるために
は、基板１，２間の距離（いわゆるセルギャップ）が適
正な値に設定されることが必要で、本発明者等の実験に
よれば、セルギャップを１．２〜３μｍとすることが好
ましい。セルギャップが３μｍを越えると双安定化し易
くなり、逆にセルギャップが１．２μｍ未満であると電
圧印加時のチルト角が小さく光透過率が低くなってしま
う。特に高電界印加を可能とし十分な光透過率を確保す
るためには、セルギャップを１．６〜２．７μｍなる範
囲とするのが良い。
【００１４】上述のように上下両方の基板１，２に一軸
配向処理を施し、その配向方向が互いに略平行となるよ
うに配した液晶セルに、ＳｍＣ* 相を有する液晶材料を
充填すると、例えば液晶材料が層構造を有するものであ
れば、各層の法線方向（あるいはその基板への投影成分
の方向）が前記配向処理方向と一致する。ここで、各層
の液晶分子３は、図２に示すように円錐の外周面に沿う
形で回転するが、この液晶分子３の描くコーン（円錐）
の軸方向Ｚ（あるいはその基板への投影成分の方向）も
前記配向処理方向と一致する。さらには、液晶分子３自
身のダイレクタ（分子軸）の方向Ｄ（あるいはその基板
への投影成分の方向）もやはり前記配向処理方向と一致
する。すなわち、各液晶分子３は、コーンの円周上の点
ｒあるいは点ｓの位置で安定する。したがって、本発明
の液晶表示素子は、基板表面での液晶分子の安定化効果
を用いたものであるが、これまで知られる双安定を利用
したものではなく、また双安定のどちらか片側だけで安
定化する片安定でもなく、その中間の状態で単安定され
たものと言える。
【００１５】本発明の液晶表示素子は、基板１，２の法
線方向から見たときに、電界を印加しない状態で各基板
１，２の一軸配向処理方向Ｘ，Ｙと液晶分子３が描くコ
ーンの軸方向Ｚ、液晶分子３自身のダイレクタの方向Ｄ
が一致する構造である。ここで、一対の偏光子（アナラ
イザとポーラライザ。それぞれの偏光方向をＡ及びＰで
表す。）の偏光方向を直交させたまま、いずれか一方の
偏光方向を前記配向処理方向と一致させると、光は透過
せず黒レベルが得られる。これに対して、電界を印加す
ると、液晶分子３のダイレクタはコーンに沿って回転
し、電界強度や極性に応じて右あるいは左に連続的（ア
ナログ的）にチルトすることになり、これによって連続
階調（アナログ階調）が得られる。なお、印加する電界
の駆動電圧波形は任意であるが、＋，−交互の印加であ
って、電気的中性条件をほぼ満足した振幅変調型である
ことが好ましい。
【００１６】このときの液晶分子の挙動を図３、図４及
び図５に示す。図３は図１中ａ方向から見た液晶分子の
挙動、図４は図１中ｂ方向から見た液晶分子の挙動、図
５は図１中ｃ方向から見た液晶分子の挙動である。ま
た、これらの図面においては、ガラス板１ａ，２ａ上に
透明電極１ｂ，２ｂ及びラビング処理層１ｃ，２ｃが成
膜されたものが基板１，２として配置されている。電界
を印加していない状態では、各液晶分子３のダイレクタ
の方向Ｄは、基板１，２のラビング処理層１ｃ，２ｃの
一軸配向処理方向に揃う。すなわち、図３中央に示すよ
うに、液晶分子３のダイレクタの方向Ｄは、コーンの投
影面のセンターに来る。この状態が単安定状態であり、
例えばポーラライザの偏光方向Ｐを配向処理方向Ｘ，Ｙ
に一致させ、アナライザの偏光方向Ａをこれと直交させ
ると、光は透過せずに暗状態となる。
【００１７】一方、例えば上方の基板１の透明電極１ｂ
に＋、下方の基板２の透明電極２ｂに−の電界を印加す
ると、各図面において左側に示すように、液晶分子３は
反時計回り方向（回転方向は液晶材料の自発分極の極性
に依存する。）に回転する。このとき、ラビング処理層
１ｃ，２ｃとの界面から離れるに従って見掛けのチルト
角θは大きくなるが、これはラビング処理層１ｃ，２ｃ
との界面では相互作用が大きく、いわゆるアンカー効果
が働くためと考えられる。ここで、見掛けのチルト角θ
の最大値θmax は電界強度によって決まり、したがって
電界強度に応じて前記チルト角の最大値θmax が連続的
に変化することになる。これに伴い、当然のことながら
液晶セル全体で見た見掛けのチルト角の平均値θAVG も
連続的に変化する。
【００１８】上方の基板１の透明電極１ｂに−、下方の
基板２の透明電極２ｂに＋の電界を印加した場合も同様
で、この場合には各図面において右側に示すように、液
晶分子３は時計回り方向に回転し、やはり見掛けのチル
ト角の最大値θmax や平均値θAVG が連続的に変化す
る。このとき、ポーラライザからの直線偏光は、この液
晶分子３のダイレクタのチルトにより位相差を生じ楕円
偏光となるため、アナライザからの透過光量はチルト角
の平均値θAVG に対応して大きくなる。すなわち、前記
液晶セルにおける透過光強度Ｉは、次の式１に示す関係
となり、電界強度に対応して連続的に変化する見掛けの
チルト角の平均値θAVG に応じて変化し、アナログ階調
が得られることになる。
【式１】
【００１９】（ただし、式中のＩ0 はセルを透過する前
の光の強度。）電界印加状態から外部電界を除去する
と、液晶の内部電界及び界面の安定化効果により、すみ
やかに初期状態に戻る。
【００２０】ところで、上述の構成を有する液晶セルに
おいては、コーン軸及び液晶分子ダイレクタの配向状態
として、図６及び図７に示すような、２つのモデルが考
えられる。すなわち、図６に示すように層のチルトがセ
ル全体で一様である場合（モノドメイン）と、図７に示
すようにコーン軸の周期に伴い所定のピッチ（例えば
２．２５μｍピッチ）で層のチルトが逆となる場合（縞
状ドメイン）である。一軸配向処理方向を互いに略平行
にした基板１，２間にただ単に液晶材料を充填したとき
には、通常は後者（縞状ドメイン）となり、非常に規則
性の高い縞状組織を呈する。しかしながら、低電圧でリ
ニアな階調性が得られ、高コントラストを有することか
ら、液晶表示素子としてはモノドメイン化されている方
が有利である。
【００２１】基板１，２間に充填された液晶材料をモノ
ドメイン化するには、非カイラル液晶としてフェニルピ
リミジン系液晶を用い、高電圧を印加すればよい。高電
圧印加によって、単安定のままで縞状組織が解けてモノ
ドメイン化する。例えば、前記フェニルピリミジン系液
晶をホスト液晶とし、カイラル液晶を２重量％添加した
液晶材料を使用した場合、７００Ｈｚ、±４５〜±５０
Ｖの矩形波処理でほぼモノドメイン化する。ただし、室
温近傍での電界処理のみでは縞状構造が若干残存する。
そこで、カイラルネマチック相（Ｎ* ）の温度で電界
（７００Ｈｚ、±２０〜±５０Ｖ）を印加し、電界印加
状態のままスメクチックＡ相（ＳｍＡ）、さらにはカイ
ラルスメクチックＣ相（ＳｍＣ* ）まで冷却することに
より、より完全なモノドメイン組織ができる。なお、い
ずれの場合にも印加する電界の周波数が重要で、７００
Ｈｚ前後でのみ特異的にモノドメイン化が起こり、６０
０Ｈｚ以下では効果が少ない。
【００２２】
【作用】本発明の液晶表示素子においては、コーン軸及
び液晶ダイレクタの基板への投影成分が一軸配向処理方
向に配列し、単安定化されている。そして、電界無印加
時にはこの単安定化状態が初期状態として保たれ、黒レ
ベルとなる。これに対して、所定の極性の電界を印加す
ると、液晶ダイレクタはコーン面に沿って例えば右回り
に回転しようとするが、界面近傍では液晶ダイレクタが
アンカリングされ、界面から離れた領域でチルトする。
一方、逆極性の電界では、左回りに回転し、チルトの向
きは逆になる。ここで、チルト角は印加した電界の強度
に応じて大きくなり、また透過光量はチルト角に対応し
て大きくなる。したがって、電界強度を変化させること
によって連続的なアナログ階調が実現される。電界印加
状態から外部電界を除去すると、界面の安定化効果等に
より速やかに初期状態に戻る。
【００２３】上述の動作原理を有する本発明の液晶表示
素子においては、ＳｍＣ* 相のピッチ長が長くても原理
的に動作可能であり、したがって液晶材料の配向も非常
に容易である。また、特に層のチルトがセル全体で一様
となるようにモノドメイン化した場合には、高コントラ
スト化が図られ、しかも低電圧領域でリニアな階調性が
得られる。
【００２４】
【実施例】以下、本発明を具体的な実験結果に基づいて
説明する。液晶セルの作製 透明電極（ＩＴＯ）を配したガラス板の前記透明電極側
をシランカップリング処理した後、スピンコート法によ
りポリアミド膜を塗布し、ベーキングによりイミド化し
てポリイミド膜を形成した。このポリイミド膜をベルベ
ット布で一方向に１０回ラビング処理を施し、配向膜と
した。配向膜の厚さは約２００Åであり、ラビング処理
方向に関して非対称性を有する。以上により配向膜を形
成したガラス板をラビング処理方向が互いに反平行（ア
ンチパラレル）となるように透明電極を対向させて配置
し、２μｍの真絲球（マイクロパール）を分散させた紫
外線硬化接着剤を用いてギャップ２μｍのセルを組み立
てた。
【００２５】液晶材料としては、カイラル成分として下
記の化２に示す化合物（Ａ）を用い、非カイラル成分と
して化３に示す化合物（Ｂ）（３環性２フッ素系）、化
４に示す化合物（Ｃ）（フェニルピリミジン系）及び化
５に示す化合物（Ｄ）（フェニルベンゾエート系）を用
いた。
【化２】
【化３】
【化４】
【化５】
【００２６】非カイラル成分の組成は、化合物（Ｂ）が
５８重量％、化合物（Ｃ）が２２重量％、化合物（Ｄ）
が２０重量％である。カイラル成分と非カイラル成分の
割合は、カイラル成分（Ａ）：非カイラル成分（Ｂ＋Ｃ
＋Ｄ）＝１０：９０（重量比）とした。この液晶材料
は、図８に示す相転移挙動を示した。ＳｍＣ* 相の２５
℃におけるピッチ長は２．５μｍであり、例えば特開平
１−１５２４３０号公報に記載される条件よりも遥かに
長い。また、この液晶材料の自発分極は、２５ｎＣ／ｃ
ｍ2 （２５℃）であった。
【００２７】上述の液晶材料を真空中において１１０℃
の等方性液体相（Ｉｓｏ）の状態で液晶セル中に注入
し、室温まで徐冷した。このようにして作製した液晶セ
ルを偏光顕微鏡で観察すると、配向膜のラビング方向に
縞状の組織が観察された。この縞状組織の規則性は非常
に良く、さらに前記縞の方向に液晶分子が並んでいた。
すなわち、作製した液晶セルにおいては、液晶材料が層
構造をとり、各層の法線方向あるいはコーンの軸方向の
基板への投影成分が配向膜におけるラビング方向と同じ
になり、且つ液晶分子自身のダイレクタの基板への投影
成分も配向膜におけるラビング方向と同じになってい
た。なお、ラビング方向に液晶分子が並んでいること
は、複屈折測定における遅相軸がラビング方向と一致す
ることにより確認した。そして、直交したポーラライザ
とアナライザのうち、例えばポーラライザと配向軸とを
平行あるいは直交させると、透過光をほぼ遮蔽すること
ができ、暗状態とすることができた。
【００２８】動作実験 図９に示すような評価用の駆動波形により作製した液晶
セルのアナログ階調性を調べた。この駆動波形は、印加
電圧の電位により階調を持たせるものであり、電圧の極
性を交互に変えているのは、液晶材料に対する電気的中
性条件を考慮したためである。アクティブマトリックス
の１画素を想定すれば、１パルスが１フィールドに相当
し、２フィールド目のパルスで電気的にほぼキャンセル
されるわけである。したがって、このパルス幅は１／６
０秒（１６．６ミリ秒）としてある。パルス間にある電
圧０ボルトのパルスは、液晶分子のダイレクタのチルト
状態からの緩和時間を評価するものである。図９の
（ｂ）に前記駆動波形を、（ａ）に液晶セルにおける応
答波形を示す。図９から明らかなように、作成した液晶
セルにおいては電圧変調により階調が出せることが確認
された。また、この液晶セルは、電圧ゼロボルト時の立
ち下がりが速いのが特徴である。
【００２９】また、印加電圧と液晶セルにおける光透過
率の関係を図１０及び表１に示す。なお、ここでの光透
過率は便宜上最大透過率（±１１．１Ｖ印加したときの
光透過率）を１００％としてある。
【表１】
【００３０】印加電圧に応じて光透過率が変わり、階調
表示が達成されたことがわかる。また、印加電圧を連続
的に振幅変調することによって、アナログ階調も達成す
ることができた。さらに、各印加電圧におけるスイッチ
ング時間は、電圧印加時の応答時間τONで１〜８ミリ
秒、電圧印加状態からオフ（０Ｖ）への応答速度τOFF
で０．６〜３．３ミリ秒であり、非常に速い応答を示し
た。特にオフ時の応答が高速であるのは、単安定状態の
安定度が非常に高いためであると推定される。一般的な
ＴＮ液晶では、応答時間は数十〜数百ミリ秒程度であ
り、したがって本発明の液晶セル構造を例えば薄膜トラ
ンジスタ（ＴＦＴ）セルに取り入れることで、従来のＴ
Ｎ型ＴＦＴディスプレイよりも遥かに高速動作可能なデ
ィスプレイが構築されるものと期待される。
【００３１】以上のように、本発明を適用した液晶セル
においては、アナログ階調が可能でしかも高速動作が可
能であることが明らかとされたが、さらに単安定セル構
成要件の最適化を目指し、液晶セル構造や液晶材料物性
等が単安定化に及ぼす影響について検討を重ねた。以
下、これら検討結果について述べる。
【００３２】配向処理方向の検討 先ず、ポリイミド界面の構造的な因子が単安定に及ぼす
効果を明確にするために、液晶セルにおける一対の基板
の配向処理方向の組み合わせ、すなわちパラレル（平
行）あるいはアンチパラレル（反平行）、による配向状
態の相違を検討した。液晶セルの構成や使用した液晶材
料は、先に作製した液晶セルと同様であり、配向膜のラ
ビング方向の組み合わせのみをパラレル及びアンチパラ
レルの二種類とした。パラレル配向では、消光位はラビ
ング方向に対して±ψチルトしており、黒レベルの良好
な双安定状態をとった。したがって、この場合には２値
状態しかとり得ない双安定セルとなる。このときのセル
中の液晶配向構造は、いわゆるシェブロン構造と推定さ
れる。一方、アンチパラレル配向では、消光位はラビン
グ方向と一致し、単安定特有の縞状組織が観察された。
この液晶セルにおいて階調表示が可能であることは、先
の動作実験に示した通りである。このときのセル中の液
晶配向構造は、いわゆるブックシェルフ構造と推定され
る。以上より、単安定セルとするためには、アンチパラ
レル配向セルとすることが好適であると言える。
【００３３】最適セルギャップの検討 ポリイミド界面においては、ラビング方向の影響ばかり
でなく、アンカリング効果による影響も予想される。す
なわち、ポリイミド界面が液晶分子に及ぼす相互作用
は、界面から離れるに従い減少するものと考えられ、し
たがってセルギャップを変化させることにより単安定の
度合いを制御できるものと推察される。そこで、セルギ
ャップを０．８μｍ〜６．３μｍの間で変化させてそれ
ぞれ液晶セルを作製し、各セルにおける透過率、単安定
スイッチング特性等について検討した。作製した液晶セ
ルの構成や使用した液晶材料は、ここでも先に作製した
液晶セルと同様とし、セルギャップを０．８μｍ、１．
２μｍ、１．６５μｍ、１．８μｍ、２．０μｍ、２．
１μｍ、２．７μｍ、３．０μｍ、３．９μｍ、６．３
μｍとした。
【００３４】その結果、セルギャップ３μｍ以下の液晶
セルでは、液晶分子の配向性が良く、且つツイストの無
い構造をとり、黒レベルも良好であることがわかった。
ただし、セルギャップ０．８μｍ及び１．２μｍでは、
黒レベルは良好であるものの、電圧印加時のチルト角が
小さく光透過率が低かった。一方、単安定用駆動波形で
各液晶セルのスイッチングを調べたところ、セルギャッ
プ０．８μ〜３．０μｍで単安定を示したが、ギャップ
が大きくなり３．９μｍあるいは６．３μｍとなると双
安定性を示すようになった。そこで、セルギャップ１．
６５μｍ〜３．０μｍの液晶セルについて、応答時間を
測定した。結果を表２に示す。
【表２】
【００３５】上記ギャップ範囲において、立ち上がり応
答時間は低電界下ではギャップに若干依存するが、高電
界下では一定値に近づいてくる。立ち下がり応答時間
は、印加電界強度に依存せず、ほぼ一定であり、これは
主にポリイミド界面の拘束力によるものと考えられる。
なお、セルギャップ３．０μｍでは、高電界印加により
双安定に移行してしまうため、スイッチングデバイスと
して使用するには、セルギャップ２．７μｍ以下とする
ことが必要であることがわかった。
【００３６】非カイラル液晶の効果 本発明の液晶セルにおいて、液晶材料として使用される
強誘電性液晶組成物は、非カイラル液晶にカイラル液晶
を添加してなるものである。そこで、最初に、非カイラ
ル成分が単安定性に及ぼす効果について検討した。先
ず、３環性２フッ素系（ＤＦＥ）、フェニルピリミジン
系（ＰＰｍ）、フェニルベンゾエート系（ＰＥ）からな
る３成分系の非カイラル液晶をアンチパラレルに組んだ
セルに注入したところ、先に作製した液晶セルと同様の
縞状組織が観察された。すなわち、縞状組織の発生は、
カイラル液晶によるものではなく、非カイラル液晶に起
因することがわかった。
【００３７】そこでさらに、個々の成分について検討し
た。結果は次の通りである。 （イ）ＤＦＥ／ＰＰｍ組成物 ＤＦＥ／ＰＰｍ／ＰＥ組成物と同様、配向処理方向と同
方向の縞状組織が見られた。 （ロ）ＤＦＥ組成物縞状組織の完成度は低いが、同様の
ラインが出現した。 （ハ）ＰＰｍ組成物縞状組織の完成度が非常に高いもの
であった。 （ニ）ＰＥ組成物縞状組織は見られず、双安定類似構造
を有していた。 このように、ＰＰｍ，ＤＦＥの各非カイラル成分により
単安定性が発現し、単安定性構造の発現にはカイラル成
分は必要ないことがわかった。特に、ＰＰｍでは欠陥が
少なく、本発明の液晶セルにおける非カイラル成分とし
て好適であることが示唆された。ただし、これら非カイ
ラル成分のみでは単安定特有の縞が移動するスイッチン
グモードは僅かであり、このモードの有効な発現のため
にはカイラル成分の存在が必要であることがわかった。
【００３８】カイラル液晶の添加効果 極めて欠陥の少ないフェニルピリミジン系液晶（ＰＰ
ｍ）にカイラル成分を添加することにより、単安定セル
の組織構造及び電気光学特性にどのような効果をもたら
すかを検討した。配向膜はポリイミド、セルはアンチパ
ラレルとした。添加したカイラル液晶は、先の化合物
（Ａ）である。カイラル成分添加量を０〜５重量％と
し、各セルを偏光顕微鏡にて観察したところ、カイラル
成分添加量０〜３重量％で欠陥の少ない単安定の縞状組
織が確認された。これに対して、カイラル成分添加量が
３重量％を越えると、液晶材料注入後の冷却時に発生し
た欠陥により黒レベルが浮いてしまい、コントラスト比
が低下した。図１１にコントラスト比のカイラル濃度依
存性を示すが、これよりカイラル液晶の添加量は３重量
％以下とすることが好ましいことがわかる。
【００３９】さらに、カイラル成分の濃度を変えたフェ
ニルピリミジン系液晶組成物について、電気光学特性を
調べた。カイラル成分の添加により応答のしきい値電圧
が低下し、応答時間も短くなっているが、これら特性を
表３に示す。
【表３】
【００４０】非カイラル液晶だけでは７Ｖ以上印加しな
いと応答しないが、カイラル液晶を僅か１重量％添加す
るだけで１Ｖ以下の低電圧でも駆動可能となり、１０Ｖ
印加で光透過率１００％となった。さらにカイラル成分
を増量すると、５Ｖ以下でも光透過率１００％を達成で
きた。一方、応答時間については、τONはカイラル成分
の増加に伴い高速化し、３重量％で５００μ秒となり、
それ以上は高速化しなかった。電圧印加を解除したとき
の応答速度であるτOFF は、カイラル成分１重量％以上
で約１．０〜１．２５ｍ秒でほぼ一定となった。先のコ
ントラスト比と併せて考えると、カイラル成分量は実用
的には１〜３重量％とするのが好適であることがわかっ
た。なお、フェニルピリミジン系液晶にカイラル液晶を
３重量％添加した強誘電性液晶組成物のヘリカルピッチ
は、Ｎ* 相で３μｍ，ＳｍＣ* 相で９．３μｍであり、
さらには９．３μｍ以上のヘリカルピッチでも単安定駆
動を発現することができ、例えば特開平１−１５２４３
０号公報等に記載されるピッチ条件等とは大きく異な
る。
【００４１】縞状組織のモノドメイン化 単安定を利用したアナログ階調表示デバイスにおいて
は、単安定セルを作製すると規則性の高い縞状組織が形
成され、これによって単安定性が発現されていたが、コ
ントラスト比は最大でも４６程度である。そこで、縞状
組織のモノドメイン化によるコントラスト比の改善効果
について検討した。フェニルピリミジン系液晶にカイラ
ル液晶を２重量％添加した強誘電性液晶組成物を液晶セ
ルに注入した。使用した液晶セルの構成は、先の「液晶
セルの作製」の項において記載した通りである。この状
態では非常に規則性の高い縞状組織を呈したが、カイラ
ルネマチック相の温度で７００Ｈｚ，２０〜５０Ｖの電
界を印加し、電界印加状態のままスメクチックＡ相，さ
らにはカイラルスメクチックＣ相まで冷却することによ
り、モノドメイン化したセルを作製することができた。
モノドメイン化した液晶セルでは、コントラスト比８１
が達成され、またアナログ階調性は、図１２に示すよう
に低電圧域で線形性の良好なものであった。このよう
に、モノドメイン化することにより、低電圧（４Ｖ以
下）駆動で高コントラスト、応答時間１ミリ秒前後の特
性を有するアナログ階調表示デバイスが実現された。
【００４２】
【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明においては、カイラルスメクチックＣ相を有する液晶
材料を用いた液晶表示素子において、液晶分子が描くコ
ーンの軸方向の基板への投影成分及び液晶分子自身の分
子軸方向の基板への投影成分を基板の一軸配向処理方向
と同一とし、この状態を単安定初期状態としているの
で、アナログ階調表示が可能であり、また高速応答性に
も優れたものとすることができる。また、特に液晶材料
をモノドメイン化することにより、コントラスト比を大
幅に向上することができ、また低電圧域でのアナログ階
調の線形性を著しく改善することができる。
【００４３】さらに、本発明の液晶表示素子は、カイラ
ルスメクチックＣ相のピッチ長の長いものにも適用で
き、液晶分子の配向が容易であり、量産性を考えた場合
に非常に有利である。さらにまた、本発明の液晶表示素
子においては、駆動波形として電気的中性条件を保った
もので使用でき、また本質的にこの駆動波形はＴＮ型Ｔ
ＦＴディスプレイの場合と同様であることから、ＴＦＴ
アクティブマトリックス駆動による振幅変調により高速
アナログ階調表示を達成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した液晶セルの構成例を模式的に
示す斜視図である。
【図２】液晶分子が描くコーンを説明する模式図であ
る。
【図３】図１の矢印ａ方向から見た液晶分子の挙動を示
す模式図である。
【図４】図１の矢印ｂ方向から見た液晶分子の挙動を示
す模式図である。
【図５】図１の矢印ｃ方向から見た液晶分子の挙動を示
す模式図である。
【図６】モノドメイン化された場合の液晶ダイレクタの
配列状態を示す模式図である。
【図７】縞状組織を示す場合の液晶ダイレクタの配列状
態を示す模式図である。
【図８】実施例において使用した液晶材料の相転移温度
を説明するための図である。
【図９】単安定セルにおける応答波形を示す特性図であ
る。
【図１０】作製した液晶セルにおける印加電圧と光透過
率の関係を示す特性図である。
【図１１】コントラスト比のカイラル濃度依存性を示す
特性図である。
【図１２】モノドメイン化した液晶セルにおける印加電
圧と光透過率の関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１，２・・・基板 ３・・・液晶分子 Ｘ，Ｙ・・・配向処理方向 Ｚ・・・コーンの軸方向 Ｄ・・・液晶分子の分子軸方向
フロントページの続き (72)発明者 荒川 清一 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソ ニー株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−182719（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−3632（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−55328（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−242624（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G02F 1/141 G02F 1/1337 510 G02F 1/133 560

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 一軸配向処理が施された一対の基板が配
    向処理方向が互いに略平行となるように対向配置される
    とともに、これら基板間にカイラルスメクチックＣ相を
    有する液晶材料が充填されてなり、前記カイラルスメク
    チックＣ相を有する液晶材料の液晶分子が描くコーンの
    軸方向の基板への投影成分及び液晶分子自身の分子軸方
    向の基板への投影成分がそれぞれ基板の配向処理方向と
    同一とされ、この状態が初期状態として単安定化された
    ことを特徴とする液晶表示素子。
  2. 【請求項２】 一対の基板の配向処理方向が互いにアン
    チパラレルとなるように対向配置されていることを特徴
    とする請求項１記載の液晶表示素子。
  3. 【請求項３】 一対の基板間の距離が１．２〜３μｍと
    されていることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素
    子。
  4. 【請求項４】 カイラルスメクチックＣ相を有する液晶
    材料がカイラル液晶と非カイラル液晶の組成物からな
    り、非カイラル液晶がフェニルピリミジン液晶系及び／
    又は３環性２フッ素液晶系であることを特徴とする請求
    項１記載の液晶表示素子。
  5. 【請求項５】 カイラル成分の添加量が１〜３重量％で
    あることを特徴とする請求項４記載の液晶表示素子。
  6. 【請求項６】 基板間に充填された液晶材料がモノドメ
    イン化されていることを特徴とする請求項１記載の液晶
    表示素子。
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