JP3258919B2 - 液晶素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、反強誘電性液晶又
は可視光よりらせんピッチの短い強誘電性液晶相を示す
液晶材料を用いた液晶素子および液晶素子の製造方法に
関するものであり、さらに詳しくは、配向性、コントラ
ストを向上させる液晶素子および液晶素子の製造方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、商品化されているＴＦＴ型液晶デ
ィスプレイは、ほとんどの場合、ネマチック液晶相が用
いられているが、開発段階のものとしては、反強誘電性
液晶相又は可視光よりらせんピッチの短い強誘電性液晶
相を用いたものが研究されている。

【０００３】例えば、図７に反強誘電性液晶の分子配列
およびスイッチング原理を示す。液晶に電界を印加しな
い状態では、図７（ａ）のように液晶分子は一層ごとに
反対側に傾いている。液晶分子は層に対して、垂直（紙
面に対して）な方向に自発分極を有しており、一層ごと
に反対方向に自発分極を有するため（紙面に対して垂直
に上向きおよび下向き方向）、液晶層としての自発分極
は打ち消されている。この状態の液晶分子に電界を印加
すると（紙面に垂直に印加）、電界の方向に自発分極が
揃おうとするため、分子はどちらかの方向に傾こうとす
る。そこで、十分な電界を印加すると、図７（ｂ）また
は図７（ｃ）のように、液晶分子が各層ともに同じ方向
に揃った状態になる。それゆえ、スメクチック層に垂直
方向に偏光方向をもつ偏光子Ｐと、水平方向に偏光方向
をもつ検光子Ａを組み合わせることにより、無電界時に
暗であって、電界印加時に明であるというスイッチング
を行わせることができる。

【０００４】さらに、最近では、電圧−透過率特性にお
いて、図８に示すような閾値のない電圧−透過率曲線を
示す強誘電性液晶も報告されている。この強誘電性液晶
のらせんピッチが可視光より短い場合の液晶分子につい
て、図９を用いて以下に詳述する。この液晶分子は電界
を印加しない状態では、図９（ａ）のように、液晶分子
はらせん構造をとって配列している。そのらせんピッチ
が可視光の波長より短い場合、層の法線方向に消光位が
ある。この液晶分子に電圧を印加すると、図９（ｂ）に
示すように、電圧の極性に応じて光学軸が変化し、自発
分極の向きが揃う。それゆえ、例えば、クロスニコルに
設置した一対の偏光板で液晶セルを挟み、かつ無電界時
の消光位（層の法線方向）に一方の偏光板の偏光軸を合
わせれば、無電界時に暗状態、電界印加時に明の状態に
なり、表示が可能となる。前記のような液晶モードはＤ
ＨＦ（Ｄｅｆｏｒｍｅｄ Ｈｅｌｉｘ Ｆｅｒｒｏｅｌ
ｅｃｔｒｉｃ）と呼ばれている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記反強誘電性液晶や
ＤＨＦモード液晶は、視野角が広い、応答速度が速い、
などの特徴があるが、一方でコントラストが低いという
欠点を有している。例えば、Ｓａｉｓｈｕらは、電圧−
透過率曲線にシステリシスをもたない反強誘電性液晶を
用いて、５型のＴＦＴ液晶ディスプレイを作製している
が、コントラストは１０：１あるいは、それよりやや高
い程度であり、ネマチック液晶相を用いた場合の１０
０：１とか２００：１のような高コントラストは得られ
ていない［Ｔ．Ｓａｉｓｈｕ ｅｔ ａｌ．，ＳＩＤ’
９６ Ｄｉｇｅｓｔ，７０３（１９９６）］。また、Ｖ
ｅｒｈｕｌｓｔらは、可視光よりらせんピッチの短い強
誘電性液晶相を用いて、アクティブ駆動の０．７５型デ
ィスプレイを試作しているが、コントラストは２５：１
程度である［Ａ．Ｇ．Ｈ．Ｖｅｒｈｕｌｓｔ ｅｔ ａ
ｌ．，Ｐｒｏｃ．ＩＤＷ’９５，３５（１９９
５）．］。

【０００６】現在、このような低いコントラストの原因
として、いろいろ考えられるが、初期の配向状態が重要
な要因であるとして着目されている。すなわち、液晶セ
ル作製の初期段階（特に、駆動の前までの段階）におい
て、消光性の良い配向状態を作らない限り、光をほとん
ど通さない良好な黒状態は作り得ず、高コントラストは
決して得られないというものである。

【０００７】そこで、本発明は、反強誘電性液晶あるい
は可視光よりらせんピッチの短い強誘電性液晶相を用い
た場合、液晶セル作製の初期段階において、消光性の良
い配向状態を作ることにより、良好な配向性、高コント
ラストな液晶素子を得ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、少なくとも電極と配向制御
層とを有する一対の基板を対向配置させ、両基板におけ
る配向制御層の一軸配向処理の方向を、基板面に垂直な
方向から見たときに略平行として基板間に液晶材料を挟
持し、かつ、前記液晶材料が反強誘電性液晶相又は可視
光よりらせんピッチの短い強誘電性液晶相を示し、か
つ、該液晶相を示す温度において、基板表面における配
向制御層に接する液晶分子が、基板に対して２〜１０°
のプレティルト角をもち、液晶がシェブロン層構造をと
っており、かつ、シェブロン層構造の方向と液晶分子の
プレティルトの方向が同一で、かつ、前記液晶材料が高
温側でキラルネマチック液晶相を示すことを特徴とす
る。 さらに、反強誘電性液晶相又は可視光よりらせんピ
ッチの短い強誘電性液晶相が閾値をもたない電圧−透過
率特性を示すことを特徴とする。

【０００９】請求項３記載の発明は、請求項１乃至請求
項２記載の液晶素子の製造方法において、反強誘電性液
晶相又は可視光よりらせんピッチの短い強誘電性液晶相
が、等方性液体状態まで加熱する工程と、キラルネマチ
ック相を経由して、スメクティック相を示す温度まで徐
冷する工程を具備することにより製造されることを特徴
とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明による液晶素子において、
良好な配向性が得られるメカニズムについて、以下に考
察する。従来の反強誘電性液晶材料は、反強誘電性液晶
相の高温側にスメクチックＡ相は示し得るが、キラルネ
マチック液晶相は示さない。また、可視光よりらせんピ
ッチの短い強誘電性液晶相を示す液晶材料についても、
キラルネマチック液晶相を示さないものだけが報告され
ている。ネマチック液晶相は分子長軸の平均方向が同一
であるが、重心の位置はランダムであり、液晶相の中で
は秩序度が低く、配向させやすい。これに対して、スメ
クチックＡ液晶相は、層構造をもっており、ネマチック
液晶相より秩序度が高い。そのため、等方性液体から冷
却しても均一配向が得にくい。

【００１１】反強誘電性液晶の分子配列や液晶セル内で
の配向については、現段階において、研究例、報告例も
多いとは言えず、解明されていない点も多いが、本発明
の液晶素子およびその製造方法より、良好な配向性が得
られるメカニズムについては、発明者らは次のようなメ
カニズムを考えている。配向方法として、等方性液体か
ら冷却するプロセスを考える。まず、図１（ａ）に示す
ように、キラルネマチック相では、液晶分子はラビング
方向に揃う。尚、ラビングを行うと、プレティルトが生
じるが、図１ではプレティルトは省略して図示してい
る。プレティルトについては、図２、図３で詳しく説明
する。

【００１２】まず、キラルネマチック相を冷却すると、
第１段階としてスメクチックＡ相、即ち層構造が形成さ
れ、図１（ｂ）に示すように層は基板に垂直になる。さ
らに、冷却すると、第２段階として強誘電性液晶相また
は反強誘電性液晶相が形成され、図１（ｃ）に示すよう
に分子は層に対して傾き、層間隔は減少しようとする。
しかしながら、基板界面での層間隔は変化しにくいた
め、層間隔の減少に対応して層が傾くことになり、さら
に、折れ曲がる方向が異なる境界部分に欠陥が生じ、均
一配向が得られない。図１（ｃ）の図の平面図は反強誘
電性液晶の場合を記載している。そして、ＤＨＦモード
の場合には図９（ａ）に示すような、セル厚よりラセン
ピッチの短いらせん構造をとることになる。

【００１３】さて、等方性液体状態から反強誘電性液晶
層が形成される際、ネマチック液晶相を経由しないする
と、等方性液体状態から直接スメクチック相に移るた
め、上述の分子が平行に揃おうとする現象と、層が形成
されようとする現象が同時に起こることとなり、層変化
の段階が多いため、最終的に配向させにくいことにな
る。しかし、ネマチック液晶相を経由することにより、
配向秩序度を段階的に上げてゆくことができ、良好な配
向が得られやすいと考えられる。

【００１４】また、等方性液体状態から反強誘電性液晶
層を形成する際、一方の基板だけを一軸配向処理するこ
とにより、良好な配向を得ようとする方法も提案されて
いるが、この方法の場合には、キラルネマチック相で分
子配列にねじれが生じ、この状態でスメクチックＡ相に
冷却した場合、層法線のそろった均一配向が得られにく
い。

【００１５】そこで、両方の基板を反平行にラビングす
る方法がとられるが、等方性液体状態から反強誘電性液
晶層が形成される際、図２または図３に示すように、キ
ラルネマチック相でプレティルト角度が生じる。このキ
ラルネマチック相を冷却すると、第１段階としてスメク
チックＡ相、即ち層構造が形成され、図２（ｂ）に示す
ように層は基板に垂直になる。さらに、冷却すると、第
２段階として強誘電性液晶相または反強誘電性液晶相が
形成され、この場合、図２（ｃ）に示すように、斜めの
層構造になるという説もあるが、スメクチックＡ相で層
が基板に垂直な状態であるのに対し、これが斜めになる
ためには、基板界面で分子が動かねばならず、現象を必
ずしもうまく説明できない。むしろ、層が折れ曲がり、
図２（ｄ）に示すようになっている可能性が高いが、こ
れでは、折れ曲がる方向が異なる境界部分に欠陥が生
じ、均一配向が得られない。

【００１６】上記、図２（ｃ）や図２（ｄ）に示す液晶
層の折れ曲がりについて、以下に述べる。液晶を狭持す
る両方の基板を平行にラビングすると、図３のようにな
る。すなわち、強誘電性液晶あるいは反強誘電性液晶で
は液晶層が「く」の字に折れ曲がる。この場合、プレテ
ィルトがないか、あるいは非常に小さいと折れ曲がる向
きによるエネルギー差が小さく、両方の折れ曲がりが混
在することになる。これでは、均一配向とはならなら
ず、高コントラストは実現できない。

【００１７】そこで、層の折れ曲がる向きを一方向にそ
ろえる必要があり、発明者らは、２〜１０°のプレティ
ルト角をつけることによって、折れ曲がる向きによるエ
ネルギー差を生じさせ、安定な一方向だけにそろえる事
ができることを見いだした。プレティルト角が２°以下
では、層の折れ曲がる向きによって生じるエネルギー差
が小さく、安定な一方向だけにそろえることが困難であ
る。２°以上のプレティルト角を与えると、層の折れ曲
がる向きによってエネルギー差をある程度大きくでき、
安定な方向にそろえることが可能となる。一方、１０°
以上のプレティルト角を安定かつ経時変化なく示す配向
膜を得ることは容易ではない。

【００１８】上述のとおり、発明者らはキラルネマチッ
ク相を有する液晶材料を用い、平行ラビングを用い、適
切なプレティルト角を与えることにより、均一配向が実
現できることを見いだした。そして、以下に示すような
実施例により、本発明が良好な配向性を示し、高いコン
トラストが得られる液晶素子に有効であることを具体的
に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定され
るものではない。

【００１９】

【実施例】

＜実施例１＞ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄ
ｅ）電極付きの２枚のガラス基板上に、それぞれ絶縁膜
Ａ−２０１４（日産化学工業製）と配向膜ＳＥ−７７９
２（日産化学工業製）を塗布し、表面をラビングした。
この配向膜（カタログ値による）のプレティルト角度は
７〜８°である。この２枚の基板をラビング方向が平行
になるように１．５μｍの間隔で貼り合わせた。これに
液晶１を注入し、周囲を封止した。液晶１とは、表１に
示す７種類の液晶材料を表中に示す混合比により混ぜ合
わせた液晶組成物を指す。そして、この組成物と転移温
度を表１に示す。

【００２０】

【表１】

【００２１】この液晶セルを一旦、等方性液体状態まで
加熱し、その後冷却した。その後、この液晶セルを直交
ニコル状態の一対の偏光板に挟んで観察したところ、均
一な、消光性の良い暗状態が得られた。

【００２２】また、ジグザク欠陥の向きを観察したとこ
ろ、シェブロン層構造の方向と液晶分子のプレティルト
の方向が同一であることがわかった。液晶分子のプレテ
ィルトの方向は、ラビング方向と同一であり（図３）、
シェブロン層構造の方向は偏光顕微鏡で観察される微小
なジグザグ欠陥の向きから決定した（図４参照）。

【００２３】これに、６０Ｈｚの矩形波を電圧印加し
て、透過光量を測定した。結果を図５に示す。図５から
分かるように、印加電圧により透過光量が変化すること
により、階調性が得られていることが分かる。また、印
加電圧３．５Ｖ、２５℃でのコントラストの視野角依存
性を図６に示す。図６には示されていないが、正面
（Ｘ、Ｙともに０°）から見たとき、最大コントラスト
４０：１が得られた。

【００２４】＜実施例２＞ＩＴＯ電極付きの２枚のガラ
ス基板上に、それぞれ絶縁膜Ａ−２０１４（日産化学工
業製）と配向膜ＪＡＬＳ−２１２（日本合成ゴム製）を
塗布し、表面をラビングした。カタログ値によれば、こ
の配向膜のプレティルト角度は４〜５°である。この２
枚の基板をラビング方向が平行になるように１．５μｍ
の間隔で貼り合わせた。これに液晶１を注入し、周囲を
封止した。

【００２５】このセルを一旦、等方性液体状態まで加熱
し、その後冷却した。このセルを直交ニコル状態の一対
の偏光板に挟んで観察したところ、均一な、消光性の良
い暗状態が得られた。また、ジグザク欠陥の向きを観察
したところ、シェブロン層構造の方向と液晶分子のプレ
ティルトの方向が同一であることがわかった。

【００２６】＜比較例１＞ＩＴＯ電極付きの２枚のガラ
ス基板上に、配向膜ＬＸ−１４００（日立化成製）を塗
布し、表面をラビングした。この配向膜のプレティルト
角度は約０．５°である。この２枚の基板をラビング方
向が平行になるように１．５μｍの間隔で貼り合わせ
た。これに液晶１を注入し、周囲を封止した。このセル
を一旦、等方性液体状態まで加熱し、その後冷却した。

【００２７】このセルを直交ニコル状態の一対の偏光板
に挟んで観察したところ、７０〜８０％の領域で均一な
消光状態が得られた。しかし、ラビング方向に垂直な方
向に帯状に生じる消光しない領域が２０〜３０％残っ
た。この消光しない領域と消光している領域の境界には
ジグザグ欠陥が見られた。それゆえ、シャブロン層構造
の向きが異なる領域が共存していることになる。また、
消光している領域においても、ラビング方向に沿った細
かい線欠陥が多数観察された。

【００２８】これに、６０Ｈｚの矩形波を印加すると、
電圧値によって透過光量が変化し、階調性が確認できた
が、コントラストは目視で１０：１程度であった。

【００２９】＜比較例２＞ＩＴＯ電極付きの２枚のガラ
ス基板上に、配向膜ＬＸ−１４００（日立化成製）を塗
布し、表面をラビングした。この配向膜のプレティルト
角度は約０．５°である。この２枚の基板をラビング方
向が反平行になるように１．５μｍの間隔で貼り合わせ
た。これに液晶１を注入し、周囲を封止した。このセル
を一旦、等方性液体状態まで加熱し、その後冷却した。

【００３０】このセルを直交ニコル状態の一対の偏光板
に挟んで観察したところ、ラビング方向に細かい線状欠
陥が多数観察され、消光しなかった。これに、６０Ｈｚ
の矩形波を印加すると、電圧値によって透過光量が変化
し、階調性が確認できたが、コントラストは目視で５：
１程度であった。

【００３１】＜比較例３＞ＩＴＯ電極付きの２枚のガラ
ス基板上に、配向膜ＬＸ−１４００（日立化成製）を塗
布し、１枚だけの表面をラビングした。この配向膜のプ
レティルト角度は約０．５°である。この２枚の基板を
１．５μｍの間隔で貼り合わせた。これに液晶１を注入
し、周囲を封止した。このセルを一旦、等方性液体状態
まで加熱し、その後冷却した。

【００３２】このセルを直交ニコル状態の一対の偏光板
に挟んで観察したところ、層方向がそろっておらず、そ
のために均一配向は得られなかった。ネマチック液晶相
でラセン構造をとるためと思われる。

【００３３】＜比較例４＞実施例１の構成の液晶セル
に、チッソ社製の反強誘電性液晶ＣＳ−４０００（Ｓ_C
＊８２℃、Ｓｃ_A ＊８４℃、Ｓ_A １０１℃、Ｉ）を注入
した。ここで、Ｓ_C＊は強誘電性液晶のスメクチックＣ
相、Ｓｃ_A ＊は反強誘電性液晶相、Ｓ_A はスメクチック
Ａ相、Ｉは等方性液体を示す。

【００３４】このセルを一旦、等方性液体状態まで加熱
し、その後冷却した後、直交ニコル状態の一対の偏光板
に挟んで観察したところ、ラビング方向に沿った多くの
欠陥があり、十分な消光性は得られなかった。

【００３５】＜比較例５＞実施例１の構成の液晶セル
に、ロシュ社製のＤＨＦ液晶ＦＬＣ５６７９（Ｓ_C＊６
０℃ Ｓ_A ６２℃ Ｉ）を注入した。このセルを一旦、
等方性液体状態まで加熱し、その後冷却した後、直交ニ
コル状態の一対の偏光板に挟んで観察したところ、ラビ
ング方向に沿った多くの欠陥があり、十分な消光性は得
られなかった。 本発明による液晶素子は、アクティブ
駆動することもでき、またカラーフィルタと組み合わせ
ることでカラー化できることは言うまでもない。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、反強誘電性液晶素子お
よびＤＨＦモード液晶素子において、均一な、消光性の
良い暗状態を得ることができ、さらに、高コントラスト
な液晶表示装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】等方性液体から冷却することによる配向方法と
その時の分子配列状態の説明図である。

【図２】等方性液体から冷却することによる配向方法と
その時の分子配列状態の説明図である。

【図３】ラビング方向とプレティルト角の方向と層の折
れ曲がり方向の関係を示す図である。

【図４】シェブロン層構造の方向と偏光顕微鏡で観察さ
れる微小なジグザク欠陥の向きの関係を示す図である。

【図５】本発明による液晶素子の電圧−透過光曲線を示
す図である。

【図６】本発明による液晶素子のコントラストの視野角
依存性を示す図である。

【図７】反強誘電性液晶の分子配列およびスイッチング
原理を示す図である。

【図８】閾値のない電圧−透過率曲線を示す反強誘電性
液晶の例を示す図である。

【図９】可視光よりらせんピッチの短い強誘電性液晶相
を用いたデバイスを説明する図である。

【符号の説明】

１ 液晶組成物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−166606（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−34819（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−36169（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−98088（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−356026（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−342163（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−59286（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−43498（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−194626（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/141 G02F 1/1337

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも電極と配向制御層とを有する
   一対の基板を対向配置させ、両基板における配向制御層
   の一軸配向処理の方向を、基板面に垂直な方向から見た
   ときに略平行として基板間に液晶材料を挟持し、 かつ、前記液晶材料が反強誘電性液晶相又は可視光より
   らせんピッチの短い強誘電性液晶相を示し、 かつ、該液晶相を示す温度において、基板表面における
   配向制御層に接する液晶分子が、基板に対して２〜１０
   °のプレティルト角をもち、液晶がシェブロン層構造を
   とっており、かつ、シェブロン層構造の方向と液晶分子
   のプレティルトの方向が同一で、 かつ、前記液晶材料が高温側でキラルネマチック液晶相
   を示す ことを特徴とする液晶素子。
2. 【請求項２】 請求項１記載の反強誘電性液晶相又は可
   視光よりらせんピッチの短い強誘電性液晶相が、閾値を
   もたない電圧−透過率特性を示すことを特徴とする液晶
   素子。
3. 【請求項３】 請求項１乃至請求項２記載の液晶素子の
   製造方法において、反強誘電性液晶相又は可視光よりら
   せんピッチの短い強誘電性液晶相が、等方性液体状態ま
   で加熱する工程と、キラルネマチック相を経由して、ス
   メクティック相を示す温度まで徐冷する工程を具備する
   ことにより製造されることを特徴とする液晶素子の製造
   方法。