JPH01304424A - 液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、液晶表示素子に関するものである。

特に、液晶を配向制御する配向膜の改良に関する。

従来の技術 液晶を用いた表示素子は、 １）消費電力が少ないこと ２）駆動電圧が小さいこと ３）小型−軽量化ができること なとの利点を持ち、電卓、時計を始め様々な用途に用い
られている。しかし、ネマチック液晶を用いた表示素子
の場合、電気光学的応答は遅く、高速応答を必要とする
分野、例えばテレビ表示装置、光シヤツター装置などへ
の応用は制限されてきた。

最近、強誘電性液晶を電気光学装置として応用しようと
研究が活発に行われているが、この強誘電性液晶を従来
から液晶表示素子に用いられているネマチック液晶と比
較すると、 １）高速電界応答性を有している ２）電界が印加されていない状態でも表示状態を保持す
るメモリ効果を示す可能性があるなとの、優れた特性を
宵している。この強誘電性液晶を用いて表示素子を作成
すれば、ＴＰＴ不要の単純マＩ−ＩＪクス駆動方式が行
なえ、かつ大型画面、高精細表示が実現可能である。そ
して、その実現に向けて強誘電性液晶材料の開発や駆動
方法の開発が、さかんに行われている。

この強誘電性液晶の応用にあたり、解決すべき課題とし
て、新しい液晶材料や駆動方法の開発も挙げられるが、
表示素子を作成する上で最も重要な技術の一つに液晶の
均一配向技術が挙げられる。

強誘電性液晶はネマチック液晶と異なり層構造をもって
いるため、ネマチック液晶に比べて均一配向を得ること
が困難である。そのため、種々の配向方法が提案されて
いる。特に、現在実用化が活発に検討されている強誘電
性カイラルスメクチックＣ（以下、ＳｍＣ・と略記する
）液晶表示素子についてそのセル厚が数μｍ以下の場合
について提案されている配、百方法の例として、シェア
リング法、温度勾配法、ＳＩＯ等の斜方蒸着法、ラビン
グ法等が挙げられる。

強誘電性液晶には、温度を下げると等方性液体相（Ｉ相
）から直接ＳｍＣ’相に相転移するものもあるが、この
ようなものは一般に均一配向が非常に困難である。そし
て、はとんとのものは高温側でフレステリヅク相（Ｃｈ
相）またはスメクチックＡ相（Ｓｍ人相）を経由してＳ
ｍＣ”相に転移する。特にａｈ相を経由するもののうち
、Ｃｈ相のらせんピッチがパネルのセル厚に比べて充分
長い場合に配向性が良いといわれている。

上記の配向方法のうち、シェアリング法と温度勾配法に
ついては、実験室レベルで数ｍｍ角程度以下の面積の均
一配向を得るためには宵効であるが、これらの方法では
一般に表示素子に必要な、より大面積の均一配向を得る
ことは非常に難しいと考えられている。

斜方蒸着法は、蒸着角を８０°以上に大きくすることで
均一配向が得られることが報告されているが、大きなプ
レチルト角を有するため、電界と自発分極の方向のずれ
が大きく、電界応答速度が遅くなる問題点を持っている
。また、蒸着装置を必要とするため製造コストも高くな
る。

これらの配向処理方法に対して、ラビング法は基板表面
に形成した宵機高分子の配向膜を布などで一定方向にこ
することによって配向処理を行うことができ、斜方蒸着
法のような高価な蒸着装置を必要とせず、また、大面積
の配向処理も容易である。ラビングによる液晶配向のメ
カニズムは完全に解明されてはいないが、配向膜表面に
ラビングによってせん断応力を加えることによって、表
面付近のポリマー鎖の配向が起こり、液晶分子がポリマ
ー鎖の配向に従って、配向すると考えられている。この
ときのプレチルト角は、Ｏ〜数であり自発分極は電界と
ほぼ平行方向に向き、速い電界応答性が期待される。従
って、ラビング法によって配向処理を行えば、最も容易
に、しかも安価に冨速応答性の強誘電性液晶表示素子を
製造することができる。実際、配向膜の種類を変化させ
たり、ラビング処理を両方の基板で同方向、反対方向に
、また、片側のみ行なうことにより、良好な配向が得ら
れたとの報告も数多くなされている。

発明が解決しようとする課題 しかし、ラビング法にも次のような問題点がある。ラビ
ング法により配向処理を行った素子では、一般に完全な
メモリ効果が得られない。即ち、電圧をＯＦＦにすると
電圧０８時に比べて液晶パネルの光透過率の増加または
減少が起こる。このことは強誘電性液晶分子の配列が電
圧無印加時には電圧印加時とは異なる状態に変化してし
まうことに起因している。従って双安定なメモリ状態を
保持することが極めて難しい。

ラビング法により配向処理を行った素子において配向の
欠陥が発生したり、充分なメモリ効果が得られない最大
の原因は、ＳｍＣ’ｍＣ相において配向膜がラビングと
平行方向に液晶配向方位規制力を依然として持つためで
あると考えられる。

Ｓｍ人相またはｃｈ相からＳｍＣ’相に相転移が起こる
場合、液晶分子あるいは層がチルト角θに対応する角度
だけ傾こうとする。即ち、ラビングによってラビングと
平行方向に規定されていた方位からθたけずれて傾く。

ところが、この時点において、ラビングと平行方向に液
晶配向方位規制力が存在すれば、配向膜界面近くの分子
は束縛をうけて本来のチルト角θだけ傾くことができず
傾き角が小さくなる。従って、界面付近に歪が発生し、
配向欠陥が発生しやすい。また、電圧無印加時には界面
付近の分子がラビングに束縛された方向に戻るため、そ
れがパネルの光透退学変化となって現れ、双安定なメモ
リ効果が得られない。

課題を解決するための手段 表面を一軸配向処理した一対の基板と液晶とからなる液
晶表示素子において、前記表面を一軸配向処理した一対
の基板が、一軸配向処理方向に対し平行方向に液晶配向
方位規制力を持つ高分子と、一軸配向処理方向に対し直
交方向に液晶配向方位規制力を持つ高分子との少なくと
も各々１種以上の高分子からなる高分子混合体あるいは
、それらの高分子の単量体からなる高分子共重合体より
形成された配向膜を用いる。

作用 上記の構成によれば、配向膜は、液晶に対して、ラビン
グと平行方向の液晶配向方位規制力は小さくなる。その
ため、例えば液晶として強誘電性液晶を用いると、強誘
電性液晶は配向膜界面近くでも本来のチルト角とほぼ同
じ角度傾くことが可能である。従って界面の歪の発生が
な（、ＳｍＣ”相において均一配向が得られる。また、
電圧無印加時においてもラビング方向からある角度だけ
傾いた方向が安定な状態であるので双安定となり、完全
なメモリ効果が得られる。

実施例 本発明による液晶表示素子における配向膜は、少なくと
も２種類以上の高分子より形成される。

１つは、一軸配向処理方向に対し平行方向に液晶配向方
位規制力を持つ高分子で、例えばラビング処理などを施
すとそのラビング方向に対し平行方向に液晶を配向させ
る高分子である（第１図（ａもう１つは、一軸配向処理
方向に対し直交方向に液晶配向方位規制力を持つ高分子
で、例えばラビング処理などを施すとそのラビング方向
に対し直交方向に液晶を配向させる高分子である（第１
図（ｂ））。

本発明における液晶表示素子の場合、このような方向に
液晶を配向させる高分子を各々１種類以上ずつ組合せ高
分子混合体を得るか、あるいは、それらの高分子の単量
体を反応させることにより高分子共重合体を作成する。

これらの高分子混合体、高分子共重合体は、各々の高分
子が持つ特性を失うことなしに高分子としての機能を持
ち、配向膜として用いることができる。そのため、各々
の混合あるいは共重合の割合によって、ｆ夜品の配向方
向を一軸配向処理方向より任意の角度傾いた方向に設定
できる（第２図）。

以上の理由から本発明の液晶表示素子の配向膜を用いる
と、液晶に対して、ラビングと平行方向の液晶配向方位
規制力は小さくなる。そのため、例えば液晶として強誘
電性液晶を用いると、強誘電性液晶は配向膜界面近くで
も本来のチルト角とほぼ同じ角度傾くことが可能である
。従って界面の歪の発生がなく、ＳｍＣ°相において均
一配向が得られる。また、電圧無印加時においてもラビ
ング方向からある角度だけ傾いた方向が安定な状態であ
るので双安定となり、完全なメモリ効果が得られる。

一軸配向処理方向に対し直交方向に液晶配向方位規制力
を持つ高分子としては、側鎖に環構造を有する高分子が
考えられ、その側鎖に、シクロペンクン環、シクロヘキ
サン環、ベンゼン環、ナフタレン環、フラン環、オキソ
ラン環、ジオキソラン環、チオフェン環、ピロール環、
ピラン環、オキサン環、ジオキサン環、ピリジン環、ピ
ペリジン環、ピリミジン環、ピラジン環などを含む高分
子が挙げられる。代表的なものとして、ポリスチレン、
ポリフェニルアセチレン、ポリビニルピリジン、ポリビ
ニルピリミジン及びそれらの誘導体が挙げられる。

一軸配向処理方向に対し平行方向に液晶配向方位規制力
を持つ高分子としては、側鎖には環構造を宵していない
高分子が考えられ、ポリイミド、ポリビニルアルコール
、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレートなどがあ
る。

高分子の誘電性あるいは粘弾性の測定を、広い温度並び
に周波数の範囲にわたって行うと、各高分子物質に対し
て二皿類あるいはそれ以上の吸収が見い出されており、
これらの吸収は、便宜上高温の吸収からα、β、・・・
・・・などと呼ばれている。

α吸収（高温側）は、主鎖セグメントのミクロブラウン
運動によるものであるということが、種々の測定結果よ
り明らかにされている。これは、一般にガラス転移と呼
ばれる特性に相当する。β吸収は、側鎖全体のミクロブ
ラウン運動によるものであるが、主鎖の局所的な動きを
伴うものと考えられる。高分子のこれらの吸収温度と液
晶の相転移温度とを限定することによりさらに良好な液
晶表示素子を得ることも可能である。

実施例１ 第３図に本発明における強誘電性液晶表示素子の構造を
示す。この構造を有する素子を次のように作成した。ま
ず、ＩＴＯ電極２，８を有するガラス基板１．９上に、
一軸配向処理方向に対し直交方向に液晶配向方位規制力
を持つ高分子として、ポリフェニルアセチレン、一軸配
向処理方向に対し平行方向に液晶配向方位規制力を持つ
高分子として、ポリメチルメタクリレートをそれらの混
合重量比が４０１０になるように調製し、これを乾燥後
の配向膜３．４の膜厚カ月００ＯＡとなるように、スピ
ンコード法により塗布し、＋５０’Ｃで１時間乾燥した
。

次に、このガラス基板上の配向膜を布でラビングし、そ
の後、このラビングした方向が互いに逆平行になるよう
に、２．０μｍのピースペーサ６を介して貼合わせ、注
入口となる箇所を除いたその周辺をシール樹脂５で封止
した。次に液晶７として、本実施例では、降温過程で次
のような相転移変化する強誘電性液晶を素子内に減圧下
、Ｉ相の温度領域で注入した。

Ｉ相→ｃｈ相→ＳＡ相→ＳｍＣ・相 この素子を室温まで徐冷したのち（約−〇、５°Ｃ／分
）、注入口を封止した。

この素子を顕微鏡観察したところ、均一配向が得られて
いることがわかった。この素子のチルト角の測定も行っ
た。チルト角はラビング処理を行った方向と液晶分子長
軸方向のなす角である。ポーラライザ側とアナライザ側
の・偏光板を互いに直交するように設置し、液晶分子長
軸方向と偏光板の偏光軸の傾斜度をチルト角とした。こ
のときのチルト角は２０°であった。

さらにこの素子について、第４図に示すような極性反転
電圧波形（パルス電圧）をかけ、その光透退学変化を測
定することによってそれらの応答時間ならびにコントラ
スト、メモリ効果についても測定した。測定は、パルス
電圧及びパルス時間を、　ＯＮ（２ｍｓ、＋Ｉ０１／）
→ＯＦＦ（１８ｍｓ）＋ＯＮ（２ｍｓ、−１０Ｖ）＋０
ＦＦ（＋８ｍ５）に設定し検討した。このとき偏光板の
角度は、２枚の偏光板のうち１枚はその偏光軸が液品分
子長軸方向と一致するように、もう１枚の偏光板はこれ
と偏光軸が直交するように設置した。

電圧反転時に透過率が９０％変化するのに要する時間が
応答時間である。コントラストは、＋Ｉｌと一１０Ｖの
パルス電圧を印加し終えてからそれぞれ＋４ｍｓ後の透
過光強度の比で表した。

この素子において、応答速度２００７２ｓ、　　コント
ラス）３０：Ｉが得られ、充分なメモリ性を示した。

実施例２ 一軸配向処理方向に対し直交方向に液晶配向方位規制力
を持つ高分子として、ポリ（α−メチルポリスチレン）
、一軸配向処理方向に対し平行方向に液晶配向方位規制
力を持つ高分子として、ポリ酢酸ビニルをそれらの混合
重量比が４０：ＧＯになるように調製し、これを乾燥後
の配向膜３，４の膜厚が１００ＯＡとなるように、スピ
ンコード法により塗布し、＋５０°Ｃで１時間乾燥した
。実施例１と同様に強誘電性液晶表示素子を作成した。

この素子のチルト角、応答速度、コントラストを同様に
測定した。チル！・角は２２゛、応答速度は２３０μｓ
１　　コントラストは２５：Ｉであり、均一配向、充分
なメモリ性が得られた。

実施例３ 一軸配向処理方向に対し直交方向に液晶配向方位規制力
を持つ高分子として、ポリ（α−メチルスチレン）、一
軸配向処理方向に対し平行方向に液晶配向方位規制力を
持つ高分子として、ポリメチルメタクリレートをそれら
の混合重量比が３０ニア０になるように調製した。これ
を乾燥後の配向ｐｌＸ３．４の膜厚が１００ＯＡとなる
ように、スピンコード法により塗布し、１５０°Ｃで１
時間乾燥した（このとき用いた高分子混合体のα吸収温
度は＋４５°Ｃ１β吸収温度は７０°Ｃ）。

実施例１と同様に液晶表示素子を作成し、本実施例では
液晶として、降温過程で次のような温度で相転移変化す
る強誘電性液晶を素子内に減圧下、９０°Ｃのｃｈ相の
温度領域で注入した。

Ｉ相−＋　ｃｈ相＋ＳｍＡ相→ＳｍＣ・相９３℃　　７
８°Ｃ５３℃ この素子のチルト角、応答速度、コントラストを同様に
測定した。チルト角は２２゛、応答速度は１７０μｓ１
　　コントラストは５０：１であり、均一配向、充分な
メモリ性が得られた。実施例３では、実施例１．２に比
べ、コントラストが非常に大きな値を示した。これは、
液晶の相転移温度と、配向膜として用いられる高分子の
α、β吸収温度との間に次のような関係が成り立ってい
るためであると考えられる。

（配向膜のα吸収温度）〉（液晶の注入温度）〉（配向
膜のβ吸収温度）　＞　（ＳｍＣ”相より高温側の相か
らＳｍＣ”相に転移する温度） 配向膜の温度がβ吸収温度以上かつα吸収温度以下では
、高分子の主鎖セグメントは、はとんど動いておらず、
また側鎖全体はミクロブラウン運動をしている。そのた
め、この温度で液晶を注入すれば、液晶は主鎖の配列方
向を認識して配向する。このときの主鎖の配列方向は、
ラビング方向と平行で、液晶はラビング方向と平行方向
に配向する（第５図（ａ））。

その後液晶をＳｍＣ”相まで冷却し、配向膜の温度がβ
吸収温度以下になると、側鎖のミクロブラウン運動は小
さくなる、あるいはゼロになる。このとき、配向膜を形
成する高分子中に側鎖に環構造を何する高分子が含まれ
ている場合、液晶はその側鎖の配列状態を認識し、その
方向に配向する。

つまり、配向膜がこの温度領域にあるときには、液晶は
ラビング方向に対して第５図（ｂ）に示すような角度に
配列する。この角度は、強誘電性液晶のチルト角と同じ
角度であればさらに好ましい。

比較例 ポリメタクリレ−１・単独の高分子を使い、実施例１と
同様に強誘電性液晶表示素子を作成した。

この素子のチルト角、応答速度、コントラストを同様に
測定した。チルト角は３°、応答速度は２６０μｓ１　
　コントラストは５：１であり、かなりのジグザグ欠陥
が発生し、メモリ性は得られなかった。

実施例１．２．３では、一軸配向処理方向に対し平行方
向に液晶配向方位規制力を持つ高分子と、一軸配向処理
方向に対し直交方向に液晶配向方位規制力を持つ高分子
とからなる高分子混合体により配向膜溶液を調製したが
、それぞれの高分子の単量体を適当な割合混ぜ、合成し
た共重合体を用いて配向膜としてもよいことは言うまで
もない。

また、液晶の相転移については、ｌ−Ｃｈ−ＳｍＡ−Ｓ
ｍＣ゛のものでもよいが、！相とＳｍＣ・相の間にａｈ
相やＳｍ人相が存在してもしなくてもよい（１−ＳｍＣ
ｏ、　Ｉ−Ｃｈ−ＳｍＣｏ、Ｉ−ＳｍＡ−ＳｍＣ”　ｅ
ｔｃ）。

発明の効果 本発明の液晶表示素子により、配向膜界面近くの液晶は
本来のチルト角とほぼ同じ角度傾くことが可能である。

従って界面の歪の発生がなくＮ　　ＳｍＣ゛相において
均一配向が得られる。また電圧無印加時においてもラビ
ング方向からある角度だけ傾いた方向が安定な状態であ
るので双安定となり、完全なメモリ効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は、それぞれ一軸配向処理方向に
対して平行方向、垂直方向に液晶配向方位規制力を持つ
高分子による配向膜を用い、液晶を配向させたときの液
晶分子の配向状態を示す図、第２図は、本発明の液晶表
示素子における配向膜を用いて液晶を配向させたときの
液晶分子の配向状態を示す図、第３図は本発明の一実施
例における液晶表示素子の構成を表す断面図、第４図は
、実施例及び比較例における液晶表示素子に印加した極
性反転電圧を示す波形図、第５図（ａ）、（ｂ）は、実
施例３における強誘電性液晶を配向させたときの液晶分
子の配向状態を示す図である。 １．９・・・・・・ガラス基板、２，８・・・・・・Ｉ
ＴＯ電極、３，４・・・・・・配向膜、５・・・・・・
シール樹脂、６・・・・・・ビーズスペーサ、７・・・
・・・液晶 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はか１名第１図 ｂｌ （α）　　　　　　液晶分子　　　　　　　玉晶分子第
　２　図　　　　　　　漠品分子 第　３　図 ろ°−１ｘｉ−ｔ　　フカＬ＋ｔ！、ｒ、Ｊガ・・暮、
扱／ 第　４０ Ｊｍｓ　　　Ｉ８ＴｎＳ２ｍｓ　　ｌ８ｒｎｓ　　２ｍ
５時　間 第５図

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面を一軸配向処理した一対の基板と液晶とから
   なる液晶表示素子において、前記表面を一軸配向処理し
   た一対の基板が、一軸配向処理方向に対し平行方向に液
   晶配向方位規制力を持つ高分子と、一軸配向処理方向に
   対し直交方向に液晶配向方位規制力を持つ高分子との少
   なくとも各々１種以上の高分子からなる高分子混合体あ
   るいは、それらの高分子の単量体からなる高分子共重合
   体より形成された配向膜を有することを特徴とする液晶
   表示素子。
2. （２）一軸配向処理方向に対し直交方向に液晶配向方位
   規制力を持つ高分子が、側鎖に環構造を有する特許請求
   の範囲第１項記載の液晶表示素子。
3. （３）側鎖の環構造として芳香族環、脂肪族環、複素環
   、縮合環を有する特許請求の範囲第２項記載の液晶表示
   素子。
4. （４）一軸配向処理が、基板上に設けられた配向膜にな
   され、かつそれがラビング法によるものである特許請求
   の範囲第１項記載の液晶表示素子。
5. （５）一軸配向処理方向に対し平行方向に液晶配向方位
   規制力を持つ高分子と、一軸配向処理方向に対し直交方
   向に液晶配向方位規制力を持つ高分子との少なくとも各
   々１種以上の高分子からなる高分子混合体あるいは、そ
   れらの高分子の単量体からなる高分子共重合体における
   α吸収温度（ガラス転移温度）が液晶の注入温度よりも
   高いことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の液晶
   表示素子。
6. （６）液晶が強誘電性液晶である特許請求の範囲第１項
   記載の液晶表示素子。
7. （７）一軸配向処理方向に対し平行方向に液晶配向方位
   規制力を持つ高分子と、一軸配向処理方向に対し直交方
   向に液晶配向方位規制力を持つ高分子との少なくとも各
   々１種以上の高分子からなる高分子混合体あるいは、そ
   れらの高分子の単量体からなる高分子共重合体における
   β吸収温度（側鎖がミクロブラウン運動する温度）が液
   晶の注入温度よりも低く、かつ、カイラルスメクチック
   Ｃ相より高温側の相からカイラルスメクチックＣ相に転
   移する温度よりも高いことを特徴とする特許請求の範囲
   第６項記載の液晶表示素子。