JP3594917B2 - 強誘電性液晶表示素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示素子に係り、特に強誘電性液晶表示素子（ＦＬＣＤ）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
クラーク及びラガーウオルにより提案された強誘電性液晶を用いた液晶表示素子（特開昭５６−１０７２１６号公報）は、双安定性を有し、且つ電界の変化に対する応答が高速であることから、大画面で高精細な動画映像表示を可能にする液晶表示素子としての応用が期待されている。
【０００３】
また、先行技術としては、例えば、Ｊ．Ｋａｎｂｅ ｅｔ ａｌ．：Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，１１４（１９９１）３，Ｊ．Ｘｕｅ ｅｔ ａｌ．：Ｄｉｇ．Ｔｅｃｈ．Ｐａｐ．ＳＩＤ，３１（２０００）１３が挙げられる。
【０００４】
このように、強誘電性液晶ディスプレイ（ＦＬＣＤ）は、高速応答性による動画映像の美しい表示やメモリー性を利用した電子ペーパーへの応用が期待される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の強誘電性液晶を用いた液晶表示素子は、強誘電性液晶の均一な配向を得ることが困難であるという問題があった。すなわち、ＦＬＣの配向制御は非常に複雑で困難とされ、シェブロン層構造に由来するジグザグ欠陥は電気光学的コントラスト・双安定メモリー性を大きく低下させ、これがＦＬＣのディスプレイ応用にとって大きな障害となっている。
【０００６】
このジグザグ欠陥の形成メカニズムについて数多くの報告があるが、パラレルラビング配向セルの冷却過程において、Ｓｍ（スメクティック）Ｃ^* 相転移時にまずＣ１シェブロン構造が形成され、その後、Ｃ２構造への不均一な構造転移により両者が共存し、ジグザグ欠陥が形成される。
【０００７】
図８に示すように、Ｃ１構造のダイレクター分布はＣ２構造に比べ一様である反面、基板表面のダイレクターはラビング方向から外れている。そのため、ＳｍＣ^* 相に転移後、降温に伴ってＦＬＣのティルト角が増大する過程で、表面アンカリングによりＣ１からＣ２への構造転移が生じる。
【０００８】
図９は通常のＦＬＣセルの室温における偏光顕微鏡写真（代用図面）である。この図から明らかなように降温過程において通常のＦＬＣセルではＳｍＡからＳｍＣ相（Ｃ１）に転移後、Ｃ１からＣ２への構造転移がセル内で不均一に生じ、ジグザグ欠陥の発生が見られる。
【０００９】
かかるジグザグ欠陥はＣ１−Ｃ２構造転移に由来するため、この構造転移を阻止した一様なＣ１構造の実現が望まれる。
【００１０】
本発明は、上記状況に鑑みて、強誘電性液晶を用いた均一な配向を有する強誘電性液晶表示素子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、強誘電性液晶のシェブロン層構造に着目し、液晶組成物を基板面上に成膜させ、この液晶組成物と異なる相転移温度を有する強誘電性液晶を一対の基板間に挟持させる。すなわち、本発明では、図１に示すように、ＳｍＡ−ＳｍＣ^* 相転移点を降下させた表面層を有するハイブリッド構造の強誘電性液晶を用いた液晶表示素子（ＦＬＣＤ）を提供する。この構造では、バルクＦＬＣのティルト角が増大しても、基板表面に近づくにつれティルト角が減少し、Ｃ１−Ｃ２構造転移を抑制することができる。
【００１２】
すなわち、
〔１〕一対の基板間に液晶層を挟持させる強誘電性液晶表示素子において、前記一対の基板間の少なくとも一方の基板面付近とそれを除く領域の間で、前記液晶層の相転移温度が異なるように構成したことを特徴とする。
【００１３】
〔２〕上記〔１〕記載の強誘電性液晶表示素子において、前記液晶層が少なくとも強誘電性液晶を含有することを特徴とする。
【００１４】
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の強誘電性液晶表示素子において、前記液晶層が、相転移温度の異なる少なくとも２種類の液晶組成物から構成されることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
まず、以下に本発明の一例を示す。
【００１６】
本発明の製造方法は、強誘電性液晶の２つのシェブロン層構造（Ｃ１構造及びＣ２構造）のうち、Ｃ１構造のみを得るために、強誘電性液晶に対して相転移温度を異にする液晶組成物の薄膜を予め基板面上に形成し、次に、その基板間に強誘電性液晶を介在させることを特徴としている。つまり、本発明の製造方法で製造された液晶表示素子は、２種類の液晶組成物から構成され、これらの組成物の間に濃度勾配が生じることにより、基板表面付近において液晶の相転移温度が変調された構造を有する。
【００１７】
これにより、本発明の製造方法で製造された液晶表示素子においては、Ｃ２構造が抑制され、Ｃ１構造のみの均一な配向が得られる。これは、強誘電性液晶と配向制御膜の間に、強誘電性液晶に対して相転移温度を異にする液晶組成物が介在することにより、強誘電性液晶に対する配向制御膜の束縛力が低下した結果、その束縛力に対してエネルギー的に有利なＣ２構造が抑制されるためと考えられる。
【００１８】
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
【００１９】
本発明において使用する強誘電性液晶は、通常この技術分野で強誘電性液晶と認識されるものであれば特に制限なく使用することができるが、強誘電相の良好な配向状態を得るため、強誘電相より上の温度領域でスメクティック（Ｓｍ）Ａ相又はネマティック（Ｎｅ）相を呈するものを使用することが好ましい。
【００２０】
また、本発明で使用する、強誘電性液晶に対して相転移温度を異にする液晶組成物は、配向制御膜の束縛力を効果的に低下させるように、強誘電性液晶に対する相転移温度差が大きいものほど好ましい。
【００２１】
このような液晶組成物としては、Ｃ１構造とＣ２構造の間の構造転移が生じる温度領域において、スメクティックＡ相又はネマティック相を呈するものが好ましく、さらに好ましくは、強誘電性液晶が強誘電相を呈する温度領域において、スメクティックＡ相又はネマティック相を呈するものが好ましい。なぜなら、スメクティックＡ相又はネマティック相は、強誘電性液晶に対する配向制御膜の束縛力を大きく低下させるためである。
【００２２】
配向制御膜としては、従来用いられているラビング処理を施したポリイミド配向膜を特に制限なく用いることができる。また、有機薄膜に紫外線を照射した、この技術分野で光配向制御膜と呼ばれる配向制御膜を用いることもできる。
【００２３】
基板としては、薄膜トランジスタ付きガラス基板、ＩＴＯ付きガラス基板、ＩＴＯ付きプラスチック基板等を使用することができる。これらの基板上にカラーフィルター層が付与されているものも好適に使用することができる。
【００２４】
（実施例１）
図２は本発明にかかるＳｍＡ−ＳｍＣ相転移点を降下（変調）させた表面層を有する強誘電性液晶表示素子の模式図である。
【００２５】
（１）ＩＴＯ透明電極付きの厚さ１ｍｍのガラス基板を用意し、透明電極面にポリイミド膜を３００Åの厚さで形成した後、ラビング処理を施してポリイミド配向膜付きガラス基板（Ｓ−１）１１を得た。
【００２６】
次に、室温においてスメクティックＡ相を呈する液晶組成物「ＦＥＬＩＸ−０２０」（クラリアント製）（Ｌ−１）０．１重量部及びアセトン９９．９重量部からなる溶液（Ｍ）を調整した。
【００２７】
次に、溶液（Ｍ）を、ガラス基板（Ｓ−１）１１における配向膜が形成された面上にスピンコートし、その後アセトンを揮発させて、図２（ａ）に示すように、液晶組成物（Ｌ−１）の薄膜１２付きガラス基板（Ｓ−２）１３を得た。この液晶組成物（Ｌ−１）の薄膜１２の厚さは、偏光顕微鏡でその光学異方性が確認されないほどの大きさであり、原子間力顕微鏡を用いた測定より８０Åと見積もられた。
【００２８】
（２）このようにして得た２枚のガラス基板（Ｓ−２）１３を、配向膜が形成された面が内側になるようにして２μｍの間隔をもって対向させて、図２（ｂ）に示すように、液晶セル（Ａ）１４を作製した。このとき、液晶セル（Ａ）１４の２枚の基板１３，１３のラビング方向は、パラレル方向になるように設定した。
【００２９】
（３）次に、液晶セル（Ａ）１４を８０℃に保ちながら、強誘電性液晶「ＦＥＬＩＸ−Ｍ４６５４／１００」（クラリアント製）（Ｆ−１）を等方性液体相のまま注入し、その後徐々に温度を室温まで下げることにより、強誘電性液晶（Ｆ−１）をネマティック相、スメクティックＡ相を順に経由して強誘電相まで相転移させた〔図２（ｃ）参照〕。なお、図２において、１５は液晶セル（Ａ）１４のバルク領域を示している。
【００３０】
その液晶セル（Ａ）１４のバルク領域１５の拡大模式図を図３に示す。
【００３１】
図３から明らかなように、一対の基板１３，１３の少なくとも一方の基板面付近、つまりバルク領域１５内の表面領域１５Ａにおける液晶層の相転移温度を変調させる。すなわち、ＳｍＡ−ＳｍＣ^* 相転移点を降下（変調）させた表面層を有するハイブリッド構造の強誘電性液晶を得ることができる。
【００３２】
したがって、バルクＦＬＣのティルト角が増大しても、基板表面に近づくにつれティルト角が減少し、Ｃ１−Ｃ２構造転移を抑制できる。
【００３３】
そこで、この液晶セル（Ａ）１４の偏光顕微鏡観察を行った。このとき、２枚の偏光板の透過軸は直交させ、液晶セル（Ａ）１４のラビング方向と一方の偏光板の透過軸との角度は１０度をなすように配置し、温度は３０℃に設定した。この偏光顕微鏡観察の結果を図４に示す。この図から、本発明の液晶表示素子はＣ１構造のみの均一な配向を有することが分かる。
【００３４】
（実施例２）
実施例１の液晶組成物（Ｌ−１）を、室温においてネマティック相を呈する液晶組成物「Ｃ２０５３」（ジャパンエナジー製）（Ｌ−２）に変更した以外は同様にして液晶セル（Ｂ）を作製し、偏光顕微鏡観察を行った。その偏光顕微鏡観察の結果を図５に示す。この図からも、本発明の液晶表示素子はＣ１構造のみの均一な配向を有することが分かる。
【００３５】
（実施例３）
実施例１の液晶組成物（Ｌ−１）を、強誘電性液晶（Ｆ−１）７０重量部とアクリレート系高分子「ＵＣＬ−００１」（大日本インキ化学製）３０重量部からなる液晶組成物（Ｌ−３）に変更した以外は同様にして液晶セル（Ｃ）を作製し、偏光顕微鏡観察を行った。液晶組成物（Ｌ−３）の相転移温度は、強誘電性液晶（Ｆ−１）に比べて約５℃低い。偏光顕微鏡観察の結果を図６に示す。この図からも、本発明の液晶表示素子はＣ１構造のみの均一な配向を有することが分かる。
【００３６】
（実施例４）
実施例１の液晶組成物（Ｌ−１）を、強誘電性液晶「ＦＥＬＩＸ−Ｍ４８５１／１００」（クラリアント製）（Ｆ−２）に変更した以外は同様にして液晶セル（Ｄ）を作製し、偏光顕微鏡観察を行った。強誘電性液晶（Ｆ−２）の相転移温度は、強誘電性液晶（Ｆ−１）に比べて、スメクティックＡ相と強誘電相の間及びネマティック相とスメクティックＡ相の間の相転移温度において約６℃高い。すなわち、ＳｍＡ−ＳｍＣ^* 相転移点を変調させた表面層を有するハイブリッド構造の強誘電性液晶を得ることができる。その偏光顕微鏡観察の結果を図７に示す。この図からも、本発明の液晶表示素子はＣ１構造のみの均一な配向を有することが分かる。
【００３７】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、強誘電性液晶を用いた表示素子において、均一な配向を有する強誘電性液晶表示素子を提供することができる。従って、本発明の液晶表示素子は、強誘電性液晶の双安定性と高速応答性を利用した、大画面で高精細な動画映像表示の可能な液晶表示素子を実現することができ、その有用的効果は著大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるＳｍＡ−ＳｍＣ相転移点を降下（変調）させた表面層を有する強誘電性液晶表示素子の模式図である。
【図２】本発明の実施例を示すＳｍＡ−ＳｍＣ相転移点を降下させた表面層を有する強誘電性液晶表示素子の概略製造工程断面図である。
【図３】図２における強誘電性液晶表示素子のバルク領域の模式図である。
【図４】本発明の強誘電性液晶表示素子の製造方法により得た実施例１における強誘電性液晶表示素子の偏光顕微鏡写真（代用図面）である。
【図５】本発明の強誘電性液晶表示素子の製造方法により得た実施例２における強誘電性液晶表示素子の偏光顕微鏡写真（代用図面）である。
【図６】本発明の強誘電性液晶表示素子の製造方法により得た実施例３における強誘電性液晶表示素子の偏光顕微鏡写真（代用図面）である。
【図７】本発明の強誘電性液晶表示素子の製造方法により得た実施例４における強誘電性液晶表示素子の偏光顕微鏡写真（代用図面）である。
【図８】従来のＣ１及びＣ２シェブロンのＦＬＣ配向モデルの模式図である。
【図９】通常のＦＬＣセルの室温における偏光顕微鏡写真（代用図面）である。
【符号の説明】
１１ ポリイミド配向膜付きガラス基板（Ｓ−１）
１２ 液晶組成物（Ｌ−１）の薄膜
１３ 液晶組成物（Ｌ−１）の薄膜付きガラス基板（Ｓ−２）
１４ 液晶セル（Ａ）
１５ 液晶セル（Ａ）のバルク領域
１５Ａ バルク領域内の表面領域

Claims (3)

1. 一対の基板間に液晶層を挟持させる強誘電性液晶表示素子において、前記一対の基板間の少なくとも一方の基板面付近とそれを除く領域の間で、前記液晶層の相転移温度が異なるように構成したことを特徴とする強誘電性液晶表示素子。
2. 請求項１記載の強誘電性液晶表示素子において、前記液晶層が少なくとも強誘電性液晶を含有することを特徴とする強誘電性液晶表示素子。
3. 請求項１又は２記載の強誘電性液晶表示素子において、前記液晶層が、相転移温度の異なる少なくとも２種類の液晶組成物から構成されることを特徴とする強誘電性液晶表示素子。

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