JPH04251218A - 強誘電性液晶装置 - Google Patents

強誘電性液晶装置

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JPH04251218A
JPH04251218A JP3011529A JP1152991A JPH04251218A JP H04251218 A JPH04251218 A JP H04251218A JP 3011529 A JP3011529 A JP 3011529A JP 1152991 A JP1152991 A JP 1152991A JP H04251218 A JPH04251218 A JP H04251218A
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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】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、図形表示等に用いられ
る強誘電性液晶素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】表面安定化強誘電性液晶(以下、SSF
LCという)は2枚の基板の間隙に強誘電性液晶(以下
、FLCという)を挟持し、基板間隙を十分薄くしてF
LCのらせん構造を消失させることにより実現される。 SSFLCは多くの場合カイラルスメクチックC相で利
用されている。スメクチック相では周知のように液晶分
子が層構造を形成しているが、SSFLCおいてはこの
層は図2(a)〜(d)に示すような配列構造をもつ。 同図(a)の構造はブックシェルフ型といわれており、
層が基板21および22に対して垂直である。この型は
同図(b)〜(d)の型の配列構造をもつSSFLCに
、強いAC電界を印加することでつくることができる。 同図(b)に示される構造は傾いたブックシェルフ型で
あり、プレチルト角の大きい配向処理がなされた基板を
反平行に貼り合わせた場合に出現する。同図(c)およ
び(d)に示す構造は、いわゆるシェブロン型であり、
ラビング処理した基板をラビング方向Aが上下基板で略
平行になるように貼り合わせた場合に出現し、同図(c
)の型は高温側で安定であり、同図(d)の型は、同図
(c)の型を温度を下げていく過程でジグザグ状の欠陥
を介して出現する。
【0003】同図(c)および(d)の層構造と温度と
の関係は公知である。すなわち、同図(c)の型の配向
においては4つの表面安定化状態があり、そのうち2つ
はダイレクタが上下基板間で捩れたいわゆるスプレイ配
向である。他の2つはダイレクタが上下基板間でほぼ均
一ないわゆるユニフォーム配向である。これらの配向状
態はダイレクタがスメクチックC相のらせん構造から定
義されるコーンの上にあると仮定して図3に示すような
配列であると推測されている。同図のa〜dはコーンを
底面からみたCダイレクタの配置を表わしており、aと
bがスプレイ配向、cとdがユニフォーム配向を示す。 31は自発分極の向きである。これらの表面安定化状態
のうちユニフォーム配向cとdを表示に用いることによ
りコントラストの高いディスプレイが実現できる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところが、ユニフォー
ム配向状態を表示素子として用いた場合、しばしば焼付
きと呼ばれる現象が生じる。これは、1つの表示状態を
固定して長時間駆動し続けるとその表示内容が定着し、
表示内容を書き換えても薄く残ってしまう現象である。 これを防止するにはプレチルト角の大きい配向処理基板
を用いればよいことを本発明者等は見出したが、プレチ
ルト角を大きくすると、新たに次のような問題が生じる
【0005】FLCは通例、単純マトリクス表示素子の
形で用いられるが、その場合の駆動方法は例えば特開昭
60−33535公報において開示されているように、
選択された走査線上の画素には閾値以上の電圧を印加し
てオンまたはオフの状態を決定し、選択されていない走
査線上の画素には交流電圧信号を印加する方式が多く用
いられる。しかし、この駆動によりユニフォーム配向状
態において同一表示状態を長時間続けると、画質の劣化
を生じ、長時間の使用に耐えることができないという問
題を生ずるのである。
【0006】本発明の目的は、上記従来技術の問題点に
鑑み、強誘電性液晶素子において、プレチルト角が大き
い場合でも、画質の劣化を生じさせないようにすること
にある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明では、強誘電性を示すカイラルスメクティック液
晶を電極基板間に保持して構成され、電極基板を介して
印加される電界に応じて液晶は複数の表面安定化状態を
発現し、表面安定化状態を遷移させない期間および液晶
部分には遷移が生じない範囲で一定値一以上の強度を有
する交流電界が印加される強誘電性液晶素子において、
表面安定化状態を遷移させない期間および部分に印加さ
れる交流電界の強度は、液晶に流れを生じさせることの
ない、所定値以下であるようにしている。
【0008】液晶は例えば、仮に前記所定値以上の交流
電界を印加して液晶の流れを生じさせた場合は、交流電
界の正負に応じて流れの方向が反転し、その方向は表面
安定化状態間で異なり、その速さは交流電界の方向が電
界非印加時の液晶の自発分極の平均方向と同方向のとき
は小さくて逆方向のときは大きい。
【0009】液晶のスメクティック層は、例えば、折れ
曲がっており、仮に液晶に流れを生じさせたとすれば、
その折れ曲がった角の2等分線方向であってその折れ曲
がりの外側方向と、液晶の流れの方向とのなす角度の内
側に、電界印加時における液晶の平均分子軸方向が存在
する。
【0010】液晶に流れを生じさせようとする力は印加
する電界の強度に比例し、液晶の流れを阻止しようとす
る電極基板面からの力は流れを生じさせようとする方向
によって異なる。
【0011】各安定状態における液晶の基板近傍におけ
るプレチルト角は、例えば、対向電極基板間で異なる。
【0012】より具体化された態様においては、例えば
、対向する電極基板は液晶に電界を印加するための走査
電極群およびこれに交差する情報電極群を有し、その各
交差部で画素を形成しており、各走査電極の走査時にお
いて、選択された走査電極上の画素には表面安定化状態
を遷移させる閾値以上の強度の電界を印加することによ
りその画素の表面安定化状態を遷移させ、選択されてい
ない走査電極上の画素には遷移が生じない範囲で一定値
一以上でかつ液晶に流れを生じさせることのない所定値
以下の電界が印加される。
【0013】
【作用】この構成において、表面安定化状態を遷移させ
ない期間および液晶部分に印加される、遷移が生じない
範囲で一定値一以上の強度を有する交流電界は、その強
度をさらに、液晶に流れを生じさせることのない、所定
値以下であるように限定したため、同一表示状態を長時
間続けても、液晶の流れによりセル厚が変化することが
ない。したがって、長時間使用しても画質の劣化がなく
、良好な画質が維持される。次に、この作用についてよ
り具体的に説明する。
【0014】上述のような選択されていない走査線上の
画素に交流電圧信号を印加する方式においては、プレチ
ルト角が大きい場合には、長時間駆動すると、液晶が一
方向に流れることが本発明者等の実験により明らかにな
った。この流れの方向は、図1において矢印Bで示すよ
うに、スメクチック層に平行でありかつユニフォームの
2つの安定状態間で互いに逆である。なお、基板11と
12は、それらの対向面上の高分子配向膜をラビング処
理し、ラビング方向Aをこれら基板間で平行になるよう
にして貼り合わせてある。そして、この現象のためにユ
ニフォーム配向状態において同一表示状態を長時間続け
ると、セル厚が変化する等により画質の劣化を生じるた
め、長時間の使用に耐えることができないのである。そ
してこの流れは、非選択走査線上の画素に印加される電
圧をセル厚で決まる一定値以下にすることで実用上問題
にならない程度に小さくできることを本発明者等が初め
て見い出している。
【0015】図4はこの流れの速度vが非選択交流電圧
の波高値Vに依存する様子を測定した結果を示すグラフ
である。横軸は、電界強度E=V/dでプロットしてあ
る。dはセル厚であり、ここでは1.3μmである。測
定に用いた液晶は、フェニルピリミジンを主成分とし、
30℃における自発分極Ps  =−6.6nC/cm
2  の混合液であり、相変化は
【0016】
【化1】 である。流れは電界強度Eが2V/μm以上ではっきり
と生じているが、それ以下では0かまたは測定できない
程度に小さい。この場合(d=1.3μm)波高値Vを
2.6V以下にして駆動すれば、長い時間駆動し続けて
も実用上問題はない。
【0017】図5は、別の液晶材料AとBを用いた測定
結果である。横軸は、同様に電界強度を示す。セル厚は
1.3μm前後に統一してある。この場合も、流れはあ
る臨界電界強度以上で生じており、E=3V/μm以下
では測定できない程度に小さい。測定に用いたA,Bの
液晶は30℃における自発分極Ps  がそれぞれ−5
.6nC/cm2および−3.8nC/cm2であり、
それぞれ下記化2および化3に示す特性を有する。
【0018】
【化2】
【0019】
【化3】 また、同じ振幅の交流でも、図6(a)に示すような休
止期間をもつ2種類の印加電圧波形61と62で比較す
ると、図3の配向cにおけるように自発分極が上向きの
アップ状態では、波形61の交流に対して流れ易く、波
形62の交流に対して流れ難い。ダウン状態の場合は逆
である。図6(b)は、同図(a)に示すような交流を
印加したときのアップ状態の場合の光学応答(透過率T
)、同図(c)はダウン状態の光学応答を示す。ただし
、いずれも無電界時に最暗となるような位置に偏光板(
クロスニコル)を配置した場合を示す。これらの図から
わかるとおり、閾値以下の交流であっても液晶分子はい
くらか動いており、その動く量が大きいほど流れも大き
いことがわかる。そして、液晶分子は、アップ状態では
ダウン方向の電界が印加されたときに大きく動き、ダウ
ン状態ではアップ方向の電界が印加されたときに大きく
動く。
【0020】このことから、液晶分子は電界の正負に対
応して流れ方向に振動的に動いており自発分極と同じ向
きの電界が加わったときは小さく動き、逆向きの電界が
加わったときは大きく動き、正味の動きとして一方向の
流れが生れていることがわかる。
【0021】この流速が電界強度に強く依存し、或る臨
界値以下の電界ではほとんど流れが生じない理由は必ず
しも明らかではないが、以下のようにも考えられる。す
なわち、図3の配向cにおけるダイレクタ配置(自発分
極が上向きすなわちアップ状態)の場合にスイッチング
閾値以下の下向電界が加わると、プレチルト角が大きく
て界面近くのCダイレクタはコーンの縁よりさらに高い
位相角の位置にあるので上基板近くのダイレクタはコー
ン上を時計回りに回転し、下基板近くのダイレクタは反
時計回りに回転する。ダイレクタがコーン上を動くと、
図7(a)において矢印71で示すように、分子自身も
長軸の回りに回転する。ダイレクタがコーン上を一周す
ると、分子も1回自転する。そして、個々の分子が同一
方向に自転すると、図7(b)に示すように、液晶内に
剪断応力72が発生する。この剪断応力は分子の自転方
向、換言すればダイレクタのコーン上の回転方向の正負
に応じて符号(方向)を変える。したがって、図3の配
向cで示すような構造の場合、シェブロンの上半分と下
半分で剪断応力の方向が逆になり、液晶は全体として左
向きの(矢印32方向)の力を受ける。上向き電界が加
わったときは、上述の場合と逆の回転および剪断応力が
生じるから液晶は全体として右向きの力を受ける。正負
対称の交流電界が印加されたときは、液晶は左右に交番
する力を受け続けることになる。したがって、ダイレク
タの位置が同じときは電界の符号の変化に対して剪断応
力も符号が変化するだけだから、上向電界による力と下
向電界による力は大きさが同じである。
【0022】この力によって液晶はスメクチック層内で
左右に動くが、力の大きさが釣り合っているので正味の
流れは生れないように見える。しかし、液晶は基板に対
して相対的に動いたとき基板から摩擦力を受けるので、
それも考慮しなければならない。上下基板界面のプレチ
ルト角は液晶の分極の向きによって違うから図8(a)
に示すように等しくないと考えられるが、その場合は上
述の剪断応力によって基板が液晶を推す力も上下界面で
異なるはずである。両者の差が小さいときは界面での流
速は0で基板は上下とも液晶に対して推進力を与える。 一方、両者の差が大きいときはおそらく下基板界面で大
きな推進力が液晶に与えられ、これによって液晶が流れ
て上基板界面では基板に対して相対的に動くようになる
。このとき、上基板は界面を通じて液晶に推進力よりは
むしろ流れに逆らう摩擦力を与える。この摩擦力は基板
面形状と界面液晶分子の配置によって決まるが、界面液
晶の配置は図8(a)に示すように左右非対称だから摩
擦抵抗力の大きさも左右で異なる。実測の方向と照らし
合わせると、右(矢印82方向)へ液晶が流れるときの
抵抗は大きく、左(矢印81方向)へ流れるときの抵抗
は小さい。このため、流れは一方向(左)に生じる。
【0023】以上の議論は図3の配向c(アップ状態)
についてのものだが、図3の配向d(ダウン状態)の場
合も同様である。このダウン状態は、アップ状態をシェ
ブロンの折れ曲がり点を通り図3の紙面に垂直な軸の回
りに180°回転したものであり、基板界面のダイレク
タ配置も、図8(b)に示すように、同図(a)とは逆
になっている。しかし剪断応力と界面の摩擦力はアップ
状態と同じ大きさであるから、したがって方向が逆にな
ることは明らかである。この結果、ダウン状態ではアッ
プ状態と逆方向に液晶が流れる。
【0024】さらに、図7を用いて説明した剪断応力は
分子の自転速度、したがってダイレクタのコーン上の移
動速度に比例する。ダイレクタのコーン上の移動速度は
弾性歪みを無視すればほぼ電界強度に比例するので、剪
断応力は電界強度が大きい程強く働く。一方、基板との
摩擦力としては、境界面の液晶が基板に対して動いてい
ない場合の静止摩擦力と動いている場合の動摩擦力が考
えられる。剪断応力による駆動力が小さいうちは液晶全
体としての流れは遅く、基板界面では流れはないと考え
られるから前者が支配し、駆動力が大きくなると基板界
面でも流れが生じ後者が支配する。前者の場合は、液晶
は境界での流速=0の条件下での流体運動方程式に従っ
て動くので、静止摩擦力の大小は流体の運動に寄与しな
い。したがって液晶の層内の左右の動きは、駆動力が均
等なので対称であり正味の流れは零である。ところが後
者の場合は、流体の運動が動摩擦力の大きさに依存する
ので、前述したように、左右の摩擦力が大きさを異にす
るために正味の流れが生じる。これが流れが電界強度に
対して閾値的依存性を持つ理由である。
【0025】
【実施例】ポリイミド膜(日立化成(株)製LQ180
2)を形成した基板をナイロン布でラビングし、ラビン
グ方向を上下で右ネジ方向に6°ずらして貼り合わせて
セルをつくった。セル厚は1.3μmであった。これに
対し、前記30℃における自発分極Psが−5.6nC
/cm2  で化2に示す特性を有する前記Aの液晶を
注入し、冷却しSC*相にしてSSFLC状態をつくり
、そして、セル全体にパルス電界を印加してセル全体を
一方の安定状態に揃えた。次に、これに対し、電界強度
±3V/μm、周波数12.5KHzの矩形波交流電界
を印加し続けた。この結果、2日間経過後でも、表示状
態にほとんど変化は見られなかった。
【0026】一方、同じセルに電界強度±5V/μm、
周波数12.5KHzの矩形波を印加し続けたところ、
2日間で0.6cmの液晶の移動が観測された。
【0027】なお、この2通りの印加電界のいずれに対
しても安定状態が他に遷移することはなかった。
【0028】また、このセルと同じ配向処理を施した基
板をラビング方向が反平行になるように貼り合わせ、そ
の間隙に別の液晶を注入してクリスタルローテーション
法でプレチルト角を測定したところ約17°であった。
【0029】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、表
面安定化状態を遷移させない期間および液晶部分に印加
される交流電界の強度を、液晶に流れを生じさせること
のない所定値以下であるようにしたため、同一表示状態
を長時間続けても、液晶の流れによりセル厚が変化する
ことがなく、したがって、液晶素子を長時間使用しても
劣化のない良好な画質を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】SSFLC層のユニフォーム状態における流れ
を示す模式図である。
【図2】SSFLC層の配列構造を示す模式図である。
【図3】SSFLC層の配向状態を示す模式図である。
【図4】SSFLC層のユニフォーム状態における流れ
の性質を示すグラフである。
【図5】第4図の場合と異なる2つの液晶についてのS
SFLC層のユニフォーム状態における流れの性質を示
すグラフである。
【図6】SSFLC層に印加する交流矩形波電界の波形
図および光学応答を示すグラフである。
【図7】SSFLC層内に剪断応力が発生する原理の説
明図である。
【図8】上下基板界面の液晶分子の配置を示す模式図で
ある。
【符号の説明】
21  基板 22  基板 31  自発分極の向き 32  液晶の流れの方向を示す矢印 71  液晶分子の回転方向を示す矢印72  剪断応
力 81  液晶の流れの方向を示す矢印 82  液晶の流れの方向を示す矢印 91  上基板 92  下基板 A  ラビング方向 B  液晶の流れの方向を示す矢印

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  強誘電性を示すカイラルスメクティッ
    ク液晶を電極基板間に保持して構成され、電極基板を介
    して印加される電界に応じて液晶は複数の表面安定化状
    態を発現し、表面安定化状態を遷移させない期間および
    液晶部分には遷移が生じない範囲で一定値以上の強度を
    有する交流電界が印加される強誘電性液晶素子において
    、表面安定化状態を遷移させない期間および部分に印加
    される交流電界の強度は、液晶に流れを生じさせること
    のない、所定値以下であることを特徴とする強誘電性液
    晶素子。
  2. 【請求項2】  液晶は、仮に前記所定値以上の交流電
    界を印加して液晶の流れを生じさせた場合は、交流電界
    の正負に応じて流れの方向が反転する、請求項1記載の
    強誘電性液晶素子。
  3. 【請求項3】  仮に液晶に流れを生じさせたとすれば
    、その速さは、交流電界の方向が電界非印加時の液晶の
    自発分極の平均方向と同方向のときは小さく、逆方向の
    ときは大きい、請求項2記載の強誘電性液晶素子。
  4. 【請求項4】  仮に液晶に流れを生じさせたとすれば
    、その方向は、表面安定化状態間で異なる、請求項1記
    載の強誘電性液晶素子。
  5. 【請求項5】  液晶のスメクティック層は折れ曲がっ
    ており、仮に液晶に流れを生じさせたとすれば、その折
    れ曲がった角の2等分線方向であってその折れ曲がりの
    外側方向と、液晶の流れの方向とのなす角度の内側に、
    電界印加時における液晶の平均分子軸方向が存在する、
    請求項4記載の強誘電性液晶素子。
  6. 【請求項6】  液晶に流れを生じさせようとする力は
    、印加する電界の強度に比例する、請求項1記載の強誘
    電性液晶素子。
  7. 【請求項7】  液晶の流れを阻止しようとする電極基
    板面からの力は流れを生じさせようとする方向によって
    異なる、請求項6記載の強誘電性液晶素子。
  8. 【請求項8】  各安定状態における液晶の基板近傍に
    おけるプレチルト角が対向電極基板間で異なる、請求項
    1記載の強誘電性液晶素子。
  9. 【請求項9】  対向する電極基板は液晶に電界を印加
    するための走査電極群およびこれに交差する情報電極群
    を有し、その各交差部で画素を形成しており、各走査電
    極の走査時において、選択された走査電極上の画素には
    表面安定化状態を遷移させる閾値以上の強度の電界を印
    加することによりその画素の表面安定化状態を遷移させ
    、選択されていない走査電極上の画素には遷移が生じな
    い範囲で一定値以上でかつ液晶に流れを生じさせること
    のない所定値以下の電界が印加される、請求項1記載の
    強誘電性液晶素子。
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