JPH0261615A - 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、強誘電性スメクチック液晶の電気光学効果を
利用する液晶表示素子に関するものである。

従来の技術 強誘電性液晶は、光学活性な系からなる傾いたスメクチ
ック液晶相であり、カイラルスメクチックＣ液晶相（以
下、カイラルＳ　ｍ　Ｃと略記する〉をはじめ、カイラ
ルスメクチックＩ等さらに低温便の強誘電性スメクチッ
ク液晶相が知られている。これらの強誘電性スメクチッ
ク液晶は、従来から液晶表示素子に用いられているネマ
チック液晶と比較して非常に高速な電界応答性や、電界
が加わっていない状態でも表示状態を保持するメモリ効
果など、優れた特性を有するといわれている。この強誘
電性液晶を用いて表示素子を作製すれば、単純マトリク
ス駆動方式で、ネマチック液晶を用いたＴＮ方式やＳＴ
Ｎ方式に比べて走査線の数を多くすることができ、大型
画面の表示素子も実現可能であると考えられている。そ
して、近年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。

液晶材料や駆動方法と並んで表示素子を作製する上で最
も重要な技術のひとつに、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。とくに、現在実用化が活発に検討されて
いる強誘電性カイラルＳ　ｍ　Ｃ液晶をギヤツブ数μｍ
以下の非常に薄いセル内に封入したもので１複屈折の変
化を利用する５ＳＦＬＣ型の素子について、提案されて
いる配向方法の例を挙げれば、シェアリング法、温度勾
配法（エピタキシャル成長法）ＳｉＯ等の斜方蒸着法、
一軸延伸有機高分子フィルムによる方法、有機高分子膜
ラビング法等が挙げられる。

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有効であるが、これらの方法では
、一般に表示素子に必要な、さらに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、蒸着によって得られる表面形状の異方性
によって液晶を配向させる方法である。

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、このような素子では、液
晶分子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と
いう問題点をもっている。また、配向処理の工程に長時
間を要し、蒸着装置を必要とするため製造コストも高く
なり、大面積の配向処理も困難である。

一軸延伸有機高分子フイルムによる方法は、延伸処理に
よって高分子鎖が延伸方向に一軸配向し、それにしたが
って液晶が配向するものである。有機高分子膜ラビング
法による配向機構も同様に有機高分子膜表面を繊維で擦
ることによって、せん断応力が加わり表面付近の高分子
膜が一軸配向し、それにしたがって液晶が配向するもの
であり、一般に有機高分子膜としてポリイミドが用いら
れている。これらは２つは、まとめて一軸配向性高分子
膜による配向処理と言うことができる。

一軸配向性高分子膜を用いて液晶を配向させる方法は、
容易に配向処理を行うことができ、斜方蒸着法のように
高価な蒸着装置を必要としない。

また、大面積の配向処理も容易である。

一軸配向性高分子膜を用いて配向処理を行えば、最も容
易に、しかも安価に強誘電性液晶表示素子を製造するこ
とができる。

発明が解決しようとする課題 しかし、一軸配向性高分子膜を用いて液晶表示素子を作
製した場合にも次のような問題点がある。それは、一般
に完全な双安定メモリ効果が得られないことである。即
ち、電圧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おこる。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おり、した
がって双安定なメモリ状態を保持できないのである。メ
モリ効果がないと表示素子の実駆動時において、高いコ
ントラストが得られず大きな問題である。

本発明は、双安定性が高（、かつ均一配向性も大きな強
誘電性液晶表示素子を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段 内表面の少な（とも一方に一軸配向処理が施された有機
高分子膜を有し、少な（とも一方が透明な２枚の基板間
に、強誘電性液晶を封入したセル構造を有する液晶表示
素子において、前記有機高分子膜が結晶性高分子の膜で
あり、その結晶領域の分子のみが一軸配向しており、非
晶領域の分子の配向がランダムである液晶表示素子の構
成とする。

作用 一軸配向性高分子膜を液晶配向膜として用いて液晶表示
素子を作製した場合に、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、強誘電性スメ
クチック液晶相において配向膜による液晶の配向方位規
制力が強過ぎるためであると考えられる。

強誘電性液晶相、例えばカイラルＳｍＣ相において、液
晶分子はカイラルＳ　ｍ　Ｃ相の本来のチルト角θに対
応する角度だけ、層法線から傾こうとする。即ち、一軸
配向によって規定されていた方位からθだけずれて傾こ
うとする。

ところが、一軸配向処理による強い配向方位規制力が存
在すれば、配向膜界面近（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電界無印加時のチルト
角θ゛がθより小さ（なる。電界を加えると電界の強さ
に応じてチルト角は太き（なり、ある電界以上ではθに
等しくなる。ところが電界を取り去ると液晶分子が配向
膜の一軸配向性に束縛された方向θ′に戻ってしまうた
め、双安定なメモリ効果が得られない。

本発明の液晶表示素子においては、結晶性高分子の配向
膜を用いており、その結晶領域のみが一軸配向しており
、非晶領域の配向がランダムである。このような配向膜
を用いた場合、液晶の一軸配向は配向膜の結晶領域との
相互作用によるものであり、非晶領域は液晶を一軸配向
させる能力を持っていない。そのため、一般に用いられ
ているポリイミド膜の場合のように結晶領域と非晶領域
の双方が液晶の一軸配向に寄与する場合に比べて、配向
方位規制力が弱い。したがって従来の一軸配向性の有機
高分子膜を用いた素子に比べて、本発明の素子は電界無
印加時チルト角θ゛が大きく、同じ電界強度の時のチル
ト角も太き（、優れたメモリ効果が得られ、高コントラ
ストである。

実施例 本発明に用られる結晶性高分子は、エチレン系、ビニル
系、ビニリデン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポ
リウレタン系、ポリエーテル系、ジエン系等の合成高分
子、ポリアミノ酸系等の天然高分子のうち、結晶性でそ
の一軸配向処理された膜が液晶配向性を有するものであ
る。具体的には、ポリビニルアルコール、ポリエチレン
テレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリ（
四−フッ化エチレン）、ポリオキシメチレン、ポリエチ
レン、ポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィド、結
晶性ポリスチレン、結晶性ポリメチルメタクリレート、
結晶性ポリカーボネトなが挙げられる。

本発明に用いられる強誘電性スメクチック液晶は、応答
速度等の観点からカイラルＳｍＣ液晶であることが望ま
しい。カイラルＳ　ｍ　Ｃ相には、温度を下げると等方
性液体相（Ｉ相）から直接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。

はとんどのカイラルＳｍＣ液晶は、高温側でコレステリ
ック相（Ｃｈ相）またはスメクチックＡ相（ＳｍＡ相）
を経由して、以下に示すようにカイラルＳ　ｍ　Ｃ相に
転移する。。

ａ）ｌ−＋Ｃｈ→カイラルＳｍＣ ｂ）Ｉ４Ｃｈ−＋ＳｍＡ−＋カイラルＳ　ｍ　Ｃｃ）Ｉ
−＋ＳｍＡ→カイラルＳ　ｍ　Ｃａ）、ｂ）のようにｃ
ｈ相を経由するものは、Ｃｈ相のらせんピッチがセルの
ギャップに比べて充分長い場合に、比較的良好な配向が
得られるといわれている。したがって、本発明に用いる
液晶材料としては、高温側に別の液晶相をもつもの、と
くにｃｈ相をもつカイラルＳ　ｍ　Ｃ液晶が好ましい。

結晶性高分子の結晶領域の割合（結晶化度）は、通常結
晶領域の全体に占める重量比で表され、Ｘ線解析、赤外
分光分析、密度、膨潤度、溶解性、屈折率、ラマン分光
分析、ＮＭＲ分析、電子線回折、電子顕微鏡観察などに
よって測定することができる。液晶配向膜として用いる
場合、膜厚が約１０００Ａ前後の薄膜であるため、この
ような薄膜の測定には赤外分光分析等の手段が有効であ
る。しかし、同様の試料処理条件で厚膜試料やバルクの
試料を作製し、これらの結晶化度を上記の方法で測定し
て、薄膜試料の結晶化度を推定することもできる。

結晶性高分子の結晶化度は次のような種々の条件によっ
て変化する。分子構造的な観点から見れば、重合時の反
応条件、例えば重合反応の種類、重合反応時のモノマー
の濃度や触媒の種類、反応温度などによって生成する高
分子の重合度や立体規則性が変化し、結晶性が変化する
。一般に、重合度や立体規則性が低下すると、結晶性は
低下する。また、結晶化度は製膜条件や膜の履歴によっ
ても変化する。例えば、試料の乾燥速度、熱処理温度や
時間、あるいは冷却速度等によって変わる。

本発明においては、これらの条件を適切に選択して結晶
化度を制御し、適当な強さの配向方位規制力を持った液
晶配向膜を得る。最適な結晶化度は用いる結晶性高分子
の種類および結晶領域の大きさと分布状態によって異な
るが、通常５％以上、３０％以下である。結晶化度が５
％以上では配向方位規制力か弱すぎて液晶を均一配向さ
せることができない。また、３０％以上の場合は、一軸
配向した結晶領域の配向方位規制力が強すぎて液晶表示
素子のメモリ特性が非常に悪くなってしまう。これには
、結晶領域が非晶領域の分子鎖運動にも影響を与え、運
動を制限するために、非晶部分にも一軸配向性が残って
しまうことも関係している。

液晶表示素子全体に渡って均一な特性を得るためには、
結晶領域は配向膜全体に均一に分布しており、結晶領域
のサイズも小さい方がよい。

配向膜高分子鎖の一軸配向は、膜を何らかの方法で一軸
延伸処理してやることによって、達成できる。配向膜の
ような薄い高分子膜の一軸配向は、ラビング処理によっ
て行うのが、もっとも簡便である。配向膜を柔らかい布
で擦ることによって表面にせん断応力が加わり、膜表面
付近の高分子鎖がラビング方向に一軸配向する。配向膜
高分子のガラス転移温度が室温付近よりも高い場合には
、ラビングによって結晶領域、非晶領域共にラビング方
向に配向する。

本発明では、一軸配向処理を行った後、非晶領域のガラ
ス転移温度付近以上に加熱することによって、非晶領域
の高分子鎖のミクロブラウン運動が起こり、非晶領域の
配向が消失しランダムとなる。熱処理温度が高過ぎると
、膜の酸化や分解が起こるため、ガラス転移温度は２５
０℃以下であることが好ましい。表示素子の耐熱性を考
慮すると２００℃以下の方がよい。ガラス転移温度が室
温以下の場合は、とくに加熱しな（でも非晶領域の配向
は自然にランダムとなる。

一方、結晶領域の融点は、少な（とも素子への液晶注入
温度以上でなくてはならない。そうでなければ、液晶注
入時に非晶領域のみならず、結晶領域の配向性も消失し
てしまい、液晶を配向させることができない。すなわち
粘性による作業性の点から、結晶領域の融点は、強誘電
性液晶が高温側にカイラルネマチック液晶相を持たない
場合はその透明点以上であり、または強誘電性液晶相が
高温側にカイラルネマチック液晶相を有する場合はカイ
ラルネマチック液晶相への転移温度以上である必要があ
る。さらに、上記相転移温度が１００℃以下の場合でも
、液晶配向の安定性を考慮すると、結晶領域の融点は１
００℃以上が好ましい。非晶領域の配向性が消失するこ
とによって、液晶の配向に寄与するのは結晶領域のみと
なる。

したがって、結晶領域の割合を変化させることによって
、配向膜の液晶配向方位規制力を制御することが可能で
ある。

これによって、本発明では、双安定メモリ特性に優れた
強誘電性液晶表示素子を実現できる。また、配向歪みも
小さいため、表示欠陥につながる配向欠陥も非常に少な
（、表示の均一性も優れている。

以下に具体的な実施例をもって本発明の説明を行う。

実施例１ 第１図に示したセル構造を有する液晶表示素子を、以下
に示したように作製した。まず、ＩＴＯ電極２．８を有
するパイレックスガラス基板１．９の上に、ポリビニル
アルコール（ＰＶＡ）水溶液をスピンコードによって塗
布し、膜厚約１０００Ａの有機高分子膜３．４を形成し
た。用いたＰＶＡの粉末の熱分析の結果、融点は１８５
℃、ガラス転移温度は６２℃であった。スピンコード後
の熱処理温度を変えて種々の結晶化度の膜を形成した。

これらの膜の結晶化度は、フッ化カルシウム基板上にス
ピンコードにより形成し、同様に熱処理したＰＶＡ膜の
フーリエ変換赤外吸収スペクトルの、水酸基の吸光度と
８．７５μ織の結晶化バンドの強度比から決定した。

このようにして形成したＰＶＡ膜に、ナイロン不織布を
用いてラビング処理を施した後、ラビング方向が平行に
なるように直径１．８μ−のスペーサ６を介して貼り合
わせた。

次に、強誘電性液晶７として、チッソ■製強誘電性液晶
Ｃ８−１０１５を、この液晶の透明点より高温の約９５
℃の温度で、毛管現象によって注入した後、周囲をシー
ル樹脂５で封止し液晶表示素子を作製した。

用いたＣ８−１０１５は、次のような相転移を起こす液
晶材料であり、本来のチルト角θは、２５°である。

７８℃　　６８℃　　　５７℃ 等方相→ｃｈ相→Ｓ　ｍ　Ａ相→カイラルＳ　ｍ　Ｃ相
その後、この素子を０．２℃／　ｍ　ｉ　ｎの降温速度
で室温まで徐冷した。一方の基板表面に偏光板の偏光軸
をラビング方向から２５°傾けて貼り、他方の表面にこ
れと偏光軸が直交するように偏光板を貼り５ＳＦＬＣ素
子を形成した。

このようにして作製した液晶表示素子を素子Ａ〜Ｄとす
る。

これらの素子に第２図に示した電圧波形を印加し、透過
光の強度変化を測定した。−例として素子Ａの透過光強
度変化を第３図に示した。一方の極性パルスを印加し、
他方の極性パルスを印加する直前の透過光強度の比をメ
モリ時コントラストと定義した。素子Ａ−ＤのＰＶＡ膜
の結晶化度とメモリ時コントラストを表１に示した。

表　　１ 表１に示したように、結晶化度の低いＰＶＡ配向膜を用
いた素子Ｃ，Ｄでは結晶化度の高いＰＶＡ配向膜を用い
た素子Ａ、Ｂに比べてメモリ時コントラストが高い。

実施例２ 実施例１と同様に、ＩＴＯ電極を有するガラス基板上に
、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）の０−クロロ
フェノール溶液をスピンコードし、約１０００Ａ厚みの
膜を形成した。膜の融点（２６５℃）付近に加熱した後
、急冷して完全非品性の膜を得た。この膜を７０℃のガ
ラス転移温度以上でアニールして種々の結晶化度の膜を
得た。これらの膜の結晶化度は同条件で処理したフィル
ムの密度から求めた。

ラビング処理以下は実施例１とまったく同様にしてＣ８
−１０１５を封入し、０．２℃／ｍｉｎの降温速度で室
温まで徐冷して偏光板を貼り、５ＳＦＬＣ素子を形成し
た。

このようにして作製した液晶表示素子を素子Ｅ〜Ｊとす
る。

これらの素子に第２図に示した電圧波形を印加した時の
メモリ時コントラストを調べた。素子Ｅ〜ＪのＰＥＴ膜
の結晶化度とメモリ時コントラストを表２に示した。

（以下余白） 表　　２ 表２より明らかなように、結晶化度の低いＰＥＴ配向膜
を用いた素子Ｆ〜！では結晶化度の高いＰＥＴ配向膜を
用いた素子Ｅに比べてメモリ時コントラストが高い。ま
た結晶化度の非常に低い素子Ｊではマルチドメインとな
り、均一配向が得られなかった。

比較例１ 比較例として、実施例１と同様に、ＩＴＯ電極を有する
ガラス基板上に、日立化成工業■製ポリイミドＰＩＸ−
５４００のＮ−メチルピロリジノン溶液をスピンコード
によって塗布した後、２５０℃で３０ｍ１ｎ熱処理して
、膜厚８００Ａの膜を形成した。ＰＩＸ−５４００のガ
ラス転移温度は２９０℃である。ラビング処理以下は実
施例１とまった（同様にしてＣ８−１０１５を封入し、
０．２℃／　ｍ　ｉ　ｎの降温速度で室温まで徐冷して
偏光板を貼り、５ＳＦＬＣ素子を作製した。このように
して作製した液晶表示素子を素子にとする。

素子Ｋに第２図に示した電圧波形を印加した時のメモリ
時コントラストは３であった。

発明の効果 本発明の液晶表示素子は、良好なメモリ効果を有してお
り、コントラストの高い表示を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の液晶表示素子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２図は、実施例及び
比較例において双安定メモリ性の有無を調べるために印
加したパルス電圧波形を示す図、第３図は、実施例の素
子に第２図に示した電圧波形を印加した時の透過光強度
変化を示したグラフである。 ■、９・・・ガラス基板、　２．８・・・ＩＴＯ電極、
３．４・・・有機高分子膜、　５・・・シール樹脂、６
・・・スペーサ、　７・・・強誘電性液晶代理人の氏名
　弁理士　粟野重孝　はが１名宵２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）内表面の少なくとも一方に一軸配向処理が施され
   た有機高分子膜を有し、少なくとも一方が透明な２枚の
   基板間に、強誘電性液晶を封入したセル構造を有する液
   晶表示素子において、前記有機高分子膜が結晶性高分子
   の膜であり、その結晶領域の分子のみが一軸配向してお
   り、非晶領域の分子の配向がランダムであることを特徴
   とする液晶表示素子。（２）結晶性高分子の膜の結晶領
   域の全領域に占める割合が５％以上３０％以下であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の液晶表示
   素子。 （３）高分子膜が、一軸配向処理後に非晶領域のガラス
   転移温度以上の熱処理によって得られた膜であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の液晶表示素子
   。 （４）結晶性高分子の結晶領域の融点が、封入された強
   誘電性液晶が高温側にカイラルネマチック液晶相を持た
   ない場合はその透明点以上であり、または強誘電性液晶
   相が高温側にカイラルネマチック液晶相を有する場合は
   カイラルネマチック液晶相への転移温度以上であり、非
   晶領域のガラス転移温度が２５０℃以下であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載の液晶表示素子。