JPH0453404B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、強誘電性液晶素子に関し、詳しくは
非画素部の濃度ムラを改善し、高コントラスト
で、表示品位の高い表示を可能にした強誘電性液
晶素子に関する。

〔従来の技術〕

従来より、走査電極群と信号電極群をマトリク
ス状に構成し、その電極間に液晶化合物を充填し
多数の画素を形成して、画像或いは情報の表示を
行う液晶表示素子は、よく知られている。この表
元素子の駆動法としては、走査電極群に順次周期
的にアドレスイ信号を選択印加し、信号電極群に
は所定の情報信号をアドレス信号と同期させて並
列的に選択印加する時分割駆動が採用されてい
る。

一方、プリンタ分野においては、電気信号を入
力としてハードコピーを得る手段として、画素密
度の点からもスピードの点からも、電気画像信号
を光の形で電子写真感光体に与えるレーザービー
ムプリンタが現在最も優れている。その電気信号
を光信号に変換する素子として、液晶シヤツター
アレイが提案されている。

これらの実用に供されたのは、殆どが、例えば
“アプライド・フイジクス・レターズ（“Applied
Physics Letters”）1971年、18(4)号127〜128頁に
掲載のM.シヤツト（M.Schadt）及びX.ヘルフリ
ク（W.Helfrich）共著“ボルテージ・デイペン
ダント・オプテイカル・アクテイビテイー・オ
ブ・ア・ツイステツド・ネマチツク・リキツド・
クリスタル”（“Voltage Dependent Optical
Activity of ａ Twisted Namatic Liqnid
Crystal”）に示されたTN（twisted nemetic）型
液晶であつた。

近年は、従来の液晶素子の改善型として、双安
定性を有する液晶素子の使用がクラーク
（Clark）及びラガーウオール（Lagerwall）の両
者により特開昭56−107216号公報、米国特許第
4367924号明細書等で提案されている。双安定性
液晶としては、一般に、カイラルスメクチツクＣ
相（SmC^*）又はＨ相（SmH^*）を有する強誘電
性液晶が用いられる。この液晶は、電界に対して
第１の光学的安定状態と第２の光学的安定状態か
らなる双安定状態を有し、TN型の液晶で用いら
れた光学変調素子とは異なり、例えば一方の電界
ベクトルに対して第１の光学的安定状態に液晶が
配向し、他方の電界ベクトルに対しては第２の光
学的安定状態に液晶が配向される。また、この型
の液晶は印加される電界に応答して極めて速やか
に上記２つの安定状態のいずれかをとり、かつ電
界の印加のないときはその状態を維持する性質を
有する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、走査電極群と信号電極群を上下
の基板にマトリクス状に形成したセルに、この双
安定性を有する液晶を挾持した構成では、走査電
極と信号電極の交差部、即ち、画素部（相対向す
る電極が形成されている部分）では前述した如く
印加電界の極性に応じて第１あるいは第２の安定
配向状態に制御することができるが、電極の交差
して行いない部分、即ち、非画素部（相対向する
電極が形成されていない部分）では、印加電圧に
よつて一方の安定状態に制御することができない
ので、実際に表示の場合では、非画素部の強誘電
性液晶は、第１の安定状態に配向した液晶と第２
の安定状態に配向した液晶が混雑したドメイン構
造となつている。

特に、第１の安定状態に配向した強誘電性液晶
のドメインと第２の安定状態に配向した強誘電性
液晶ドメインとは、別個に広範囲に亘つて分布さ
れる傾向があるため、例えば表示画面の右上の非
画素部では第２の安定状態を配向したドメインが
形成され、左下の非画素部では第２の安定状態に
配向したドメインが形成されている様な場合が生
じる。従つて、前述した液晶素子の上下に互いに
クロスニコルの偏光子を配置し、一方の偏光子の
偏光軸を例えば第１の安定状態に配向している液
晶分子の分子軸方向に一致させて配置した時に
は、表示画面の右上では非画素部が「黒」の表示
状態をとり、一方表示画面の左下では非画素部が
「白」の表示状態をとることになり、この表示素
子はその表示品位が低く、しかも低コントラスト
なものとなる問題点があつた。

この様に、双安定状態又は多安定状態を示す強
誘電性液晶は、非画素部で異なる配向状態のドメ
インを形成し、その異なるドメインが表示画面内
に分布されることになるため、表示画面内の非画
素部が部分的に異なる表示状態、詳しくは異なる
透過率特性を示し、表示品位を損うことになつて
いた。

〔問題点を解決するための手段〕及び〔作用〕 従つて、本発明の目的は、表示品位を向上させ
た強誘電性液晶素子を提供することにあり、特に
表示画面内の非画素部の表示状態を画面全体に亘
つて均一な表示状態とした強誘電性液晶素子と提
供することにある。

本発明は、それぞれ電極を設けた一対の基板を
有し、該一対の基板間に強誘電性液晶を配置し、
該それぞれの電極が相対対向する個所を画素部と
し、相対向する電極が形成されていない個所を非
画素部とした強誘電性液晶素子において、前記強
度電性液晶を前記一対の基板間で単安定状態に保
持した後、前記画素の電極間に、該単安定状態に
ある強誘電性液晶が印加電圧の極性に応じた一方
又は他方の配向状態の何れかの一方の配向状態を
無電界時において安定的に生じる強誘電性液晶に
変化するのに十分な電圧値及び周波数の交流電圧
を印加することにより、前記画素部の強誘電性液
晶を印加電圧の極性に応じた一方又は他方の配向
状態の何れか一方の配向状態を無電界時において
安定的に生じる強誘電性液晶とし、前記非画素部
の強誘電性液晶を単安定状態に保持してなる強誘
電性液晶素子に特徴がある。

すなわち、本発明は、マトリスク電極が形成さ
れている強誘電性液晶の初期配向状態を下述する
チルト角θの単安定状態としてから、画素内の相
対向電極間に交流電圧を印加し、画素内の強誘電
性液晶に双安定状態又は多安定状態とすることに
よつて、非画素部の強誘電性液晶を単安定状態に
基づく１つの配向状態にするとともに、画素部の
強誘電性液晶をチルト角の大きい双安定状態又は
多安定状態とすることができる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に従つて説明する。

本発明の好ましい具体例では、一対の基板上に
マトリクス電極（走査電極と信号電極）を形成
し、高温側の別な相から降温することにより形成
されたスナクチツク相（特にカイラルスメクチツ
ク相）での配向状態が（初期配向状態と呼ぶ）１
つの安定状態と１つの準安定状態とを有する単安
定性の強誘電性液晶素子として、前記安定状態
と準安定状態の平均分子軸方向間の角度を2θと
し、電極に２極性の所望の直流電界を印加した
時に実現する２つの平均分子軸方向間の角度を２
とし、且つ前記電極間に数秒〜10分程度で交
流電圧を印加かつ除去したのち２つの双安定状態
の平均分子軸方向間の角度2θ′としたとき、θ、
θ′との間でθ＜θ′≦Θの関係をもつ強誘電性液
晶素子とすることができる。この際の電極間に印
加される交流電圧の周波数は20Hz〜200Hzであり、
その電圧は3V〜100Vとするのがよい。

本発明で用いる単安定状態の強誘電性液晶は、
電圧無印加時には１つの安定状態に配向している
が、闘値電圧を越えた直流パルスを印加した時に
前述した安定状態とは異なる別の準安定状態に配
向し、電圧無印加状態で再び元の安定状態へと緩
和的に移行することができる。従つて、前述した
安定状態と準安定状態での平均分子軸方向のなす
角度が前述した角度2θに相当している。

又、本発明で用いる単安定状態の強誘電性液晶
は、前述した交流電圧を印加することによつて、
双安定状態又は多安定状態を形成することができ
る。この点については、下記で詳述する。

本発明で用いる液晶材料として、特に適したも
のなは、カイラルスメクチツク液晶であつて、強
誘電性を有するものである。具体的にはカイラル
スメクチツクＣ相（SmC^*）、カイラルスメクチ
ツクＧ相（SmG^*）、カイラルスメクチツクＦ相
（（SmF^*）、カイラルスメクチツクＩ相（SmI^*）
又はカイラルスメクチツクＨ相（（SmH^*）の液
晶を用いることができる。その強誘電性液晶の詳
細については、“ル・ジユールナル・ド・フイジ
ーク・ルテール”（“LE JOUIRNAL DE
PHYSIOUE LETTERS”）1975年、36（Ｌ−69）
号に掲載の「フエロエレクトリツク・リキツド・
クリスタルス」（「Ferroelectric Liquid
Crystals」）；“アブライド・フイジツタス・レタ
ーズ”（“Applied physice Lettes”）1980年、36
（11）号に掲載の「サブミクロ・セカンド・バイ
ステイブル・エレクトロオブテイツク・スチツチ
ング・イン・リキツド・クリスタルス」
（「Submicro Second Bistable EIectrootic
Switching in Liquid Crystals」）；“固体物理”
1981年、16（141）号に掲載の「液晶」等に記載さ
れていて、本発明ではこれらの開示された強誘電
性液晶を用いることができる。

強誘電性液晶化合物の具体例としては、デシロ
キヤベンジリデン−P′−アミノ−２−メチルブチ
ルシンナメート（DOBAMBC）、ヘキシルオキ
シベンジリデン−P′−アミノ−２−クロロプロピ
ルシンナメート（HOBACPC）、４−０−（２−
メチル）−ブチルレゾルイシリデン−4′−オクチ
ルアニリン（MBRA）が挙げられる。特に好ま
しい強誘電性液晶としては、これにより高温側で
コレステリツク相を示すものを用いることがで
き、例えば下述の実施例に挙げた相転位温度を示
すビフエニルエステル系液晶を用いることができ
る。

これらの材料を用いて素子を構成する場合、液
晶化合物が所望の相となるような温度状態に保持
する為、必要に応じて素子をヒーターが埋め込ま
れた銅ブロツク等により支持することができる。

第４図は、強誘電性液晶の動作説明のために、
セルの例を模式的に描いたものである。以下、所
望の相としてSmC^*を例にとつて説明する。

１１と１１′は、In₂O₃、SnO₂あるいはITO
（Indium−Tin Oxide）等の薄膜からなる透明電
極で被覆された基板（ガラス板）であり、その間
に液晶分子層１２がガラス面に垂直になるように
配向したSmC^*相の液晶が封入されている。太線
で示した線１３が液晶分子を表わしており、この
液晶分子１３は基板の面方向に連続的にらせん構
造を形成している。このらせん構造の中心軸１５
と液晶分子１３の軸方向とのなす角度をとして
表わす。この液晶分子１３は、その分子に直交し
た方向に双極子モーメント（P₁）１４を有して
いる。基板１１と１１′上の電極間に一定の闘値
以上の電圧を印加すると、液晶分子１３のらせん
構造がほどけ、双極子モーメント（P₁）１４が
すべて電界方向に向くように、液晶分子１３は配
向方向を変えることがてきる。液晶分子１３は、
細長い形状を有しており、その長軸方向と短軸方
向で屈折率異方性を示し、従つて例えばガラス面
の上下に互いにクロスニコルの偏光子に置けば、
電圧印加極性によつて光学特性が変わる液晶光学
素子となることは、容易に理解される。

本発明の液晶光学素子で好ましく用いられる液
晶セルは、その厚さを充分に薄く（例えば（10μ
以下）することができる。このよう液晶層が薄く
なるにしたがい、第５図に示すように電界を印加
していない状態でも液晶分子のらせん構造がほど
け、非らせん構造となり、その双極子モーメント
ｐまたはp′は上向き２４又は下向き２４′のどち
らかの状態をとる。この液晶分子１３の分子軸
と、２３′のなす角度の1/2の角度をチルト角
（）と称し、このチルト角（）はらせん構造
をとる時のコーンのなす頂角の1/2に等しい。こ
のようなセルに、第５図に示す如く一定の闘値以
上の極性の異る電界Ｅ又はE′を電圧印加手段２１
と２１′により付与すると、双極子モーメントは、
電界Ｅ又はE′の電界ベクトルに対応して上向き２
４又は下向き２４′とを向きを変え、それに応じ
て液晶分子は、第１の安定状態２３かあるいは第
２の安定状態２３′の何れかの一方に配交する。

このような強誘電性を液晶光学素子として用い
ることの利点は、先にも述べたが２つある。その
第１は、応答速度が極めて速いことであり、第２
は液晶分子の配向が双安定性を有することであ
る。第２の点を、例えば第５図によつて更に説明
すると、電界Ｅを印加すると液晶分子は第１の安
定状態２３に配向するが、この状態は電界を切つ
ても安定である。又、逆向きの電界E′を印加する
と、液晶分子は第２の安定状態２３′に配向して
その分子の向きを変えるが、やはり電界を切つて
もこの状態に留まつている。

このような強誘電性ぽ有する液晶で素子を形成
するに当つても最も問題となるのは、先にも述べ
たように、非画素部で異なる配向状態の比較的大
きいドナイン構造が発生し、非画素部ではの制御
ができないことである。

ところで、従来より大面積の液晶セルを製造す
る上で、基板表面に一軸性の配向処理を施す方法
が知られている。この一軸性の配向処理法として
例えばポリイミド（PI）やポリビニルアルコー
ル（PVA）等の高分子膜を配向膜として基板表
面に塗布した後表面をビロード、布や紙で一方向
にラピングする方法あるいは基板表面にSiOや
SiO₂を斜方蒸着する方法などが挙げられる。

強誘電性液晶に対して、このよう配向処理を施
すとチルト角θの双安定な初期配向状態が実現さ
れる。但し、この双安定状態は後述するように第
５図で示した理想的な分子配列とは異なるもので
ある。

第１図は、本発明による液晶素子の分子の配向
状態を示す模式図である。第２図及び第３図は、
その本発明に使用される液晶セルの１例を示す平
面図及びそのＸ−X′による断面図である。第２
図及び第３図において、液晶セル１は、ガラス又
はプラスチツクの基板３ａ及び３ｂ上に、ストラ
イプ状電極群４ａ及び４ｂをITO（Indium−Tin
Oxide）により1000Åの膜厚で形成し、その上層
にPVA被膜５ａ及び５ｂを約5000Åの膜厚で形
成した。更にその上層に液晶層厚を保持するため
に、片側の基板のみ20μｍ平行のドツト状のネガ
レジスト材のスペーサー群６を設け、このスペー
サー群６によつて、液晶層２が広い範囲で一定の
厚さに保たれている。上記の２枚の基板をラビン
グ処理したのち、セル組みして、液晶を導入す
る。

以下、液晶材料としてエステル系混合液晶チツ
ソ社製GS1011を例にとり、上記の各図に従つて、
本発明を証明する。このエステル系混合液晶は、
次の相転移状態を表わしている（この相転移点は
顕微鏡観察により求めた）。

Iso（等方相） ――→ 90℃Ch （コレステリツク相） ――→ 75℃SmA （スメクテイツクＡ相）
――→ 50℃SmA^* ――――→ ０℃以下（結晶相） まず、前述のビフエニルエステル系液晶が封入
されているセル構造体１は、セル１全体が均一に
加熱される様な加熱ケース（図示せず）にセツト
される。

次に、セル１中の化合物が等方相となる温度
（約95℃）まで加熱する。しかる後に、加熱ケー
スの温度を降温させて、セル１中の等方相となつ
ている化合物は降温過程に移す。この降温過程で
等方相の化合物は、約90℃でグランジユアン組織
のコレステリツク相に相転移し、さらに降温過程
を続ける約75℃でコレステリツク相から一軸異方
相であるSmAに相違移を生じることができる。
この時、SmAの液晶分子軸は、ラビング方向に
揃う。

しかる後に、このSmAより降温過程でSmC^*に
相転移することによつて例えばセル厚を3μｍ過
度以下とすると非らせん構造をもつモノドメイン
のSmC＊が得られる。

ここで、第１図を再び説明すると、第１図は、
基板面の上方から見た配向状態の模式図である。

図中、１００は一軸性配向処理の方向、即ち、
本実施例ではラビング方向に相当している。
SmA相では、液晶分子がラピング方向１００と
一致する液晶の平均分子軸方向１０１をもつて配
向する。SmC^*相に於ては液晶分子の平均的な分
子軸方向は、１０２の方向に傾き、ラビング方向
１００とSmC^*の平均分子軸方向１０２は、角度
Αθ₁をなして１つの安定配向状態となる。

この状態で上下基板に所定の闘値以上の直流パ
ルス電圧を印加すると、液晶分子の平均的な分子
軸方向はラピング１００と角度θ₂をなす準安定状
態の平均分子軸方向へと液晶分子のスイツチング
がおこる。

闘値は矩形パルスのパルス幅と電圧波高値によ
つて表わされ、例えば1msecのパルス幅では約
5Vである。またθ₁とθ₂は用いた配向膜及びラビ
ングの条件により異るが、θ₁が約9°、θ₂が約4°で、
単安定状態ではθ₁θ₂の関係が成立すると推測さ
れる。

さて、スイツチングパルス電圧により、安定状
態から準安定状態へと液晶分子はスイツチングさ
れるが、電圧のとり去つた後は、液晶分子は準安
定状態から元の安定状態へと移行する。この移行
時間は配向処理法により異なるが、数msecから
数分である。このような単安定な２状態が出現す
る詳細な理由は明らかではないが、上下基板の何
らかの非対称な配向制御作用により本来は双安定
な２つの状態がエネルギー的に等価でなくなるこ
とによるものである。

従つて、少なくとも初期配向状態においてはエ
ネルギーのより低い安定状態の平均分子軸方向１
０２にセル全体にわたつて液晶分子は配列する。

このような無電界時にらせん構造がほどけた単
安定状態を実現する方法としては、前述した如
く、セルを作成する際に片側基板にのみスペーサ
材を設ける方法の外に、上下基板で互いに異種の
配向膜を塗設する方法、例えばPIやPVA等の有
機高分子膜を設けた基板とシランカツプリング剤
等の無機物の膜を形成した基板を用いる方法があ
る。さらに、単安定状態を実現する別の方法とし
ては、セルを作成する際の配向方法を異ならせる
方法を用いることができる。例えば上下基板での
ラビングの方法を平行あるいは反平行な方向から
ある角度だけずらす方法、片側の基板のみにラビ
ング処理を施す方法、上下基板に形成する配向膜
の膜厚を異ならせる方法あるいは一方の基板に
ITO／絶縁膜／配向膜を設け、他方の基板に
ITO／配向膜を設ける方法などを用いることがで
きる。

この様にセルを作成する際の上下基板を非対称
することによつて容易に単安定状態の強誘電性液
晶素子を作成することができる。

次に、このセルに３〜10V、20〜100Hzの交流
電界を数分間印加した。

交流印加後の平均分子軸方向は、ラビング方向
１０１とそれぞれ角度θ′をなす方向に双安定状態
として変化した。このチルト角θ′は前述したらせ
ん構造をとる時のコーンのなす頂角の1/2の角度
にほぼ一致し、約18°であつた。

このような交流印加によつて、チルト角の小さ
な単安定状態からチルト角の大きな双安定状態へ
の「転換」のナカニズムは明らかではないが、次
のような推測している。

即ち、初期配向状態として得られる単安定状態
では、セルの厚さ方向に何らかの液晶分子の「ね
じれ」が存在し、非対称な基板界面の配向制御作
用により、エネルギー状態の異なる２種類のねじ
れがそれぞれ安定状態及び準安定状態に対応して
いるものと考えられ、この「ねじれ」により見か
け上、平均的分子軸方向がねじれない状態に比べ
て、光学的に小さく観測されるものと思われる。
一方、AC電界印加後の状態は第６図に示した理
想な双安定状態での分子配列にほぼ一致し、基板
界面の配向制御作用の非対称性にそれほど影響さ
れることなく、双安定な２状態が実現されている
ものと考えている。

この双安定状態間のスイツチングは交流印加前
と同様、所定の闘値以上のパルス電圧により行わ
れ、闘値は1msecのパルス幅で約15Vであつた。
交流印加前の単安定状態とは異なり、電界をとり
去つた後も、それぞれの安定状態を保持してい
る。

ここで、このような転換が生じるのはセル内に
おいて、交流電界が印加される画素部のみであ
り、画素以外の交流電界印加前の単安定状態を維
持していることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、マトリ
クス電極構造をもつ単安定状態の有する強誘電性
液晶セルに、交流電界を印加することにより、画
素部以外の部分をセル全体にわたつて均一な配向
方向に制御できるとともに、画素部においてチル
ト角の拡大された双安定状態が実現され、透過光
量、及びコントラストを増大させることが可能と
なり、表示特性の優れた強誘電性液晶素子を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による液晶セルの１実施例の膜
式図、第２図及び第３図は液晶セルの平面図及び
断面図、第４図及び第５図は液晶セルの模式図で
ある。 １：液晶セル、２：液晶、３：基板、４：電
極、５：被膜、６：スペーサー、１０１：ラビン
グ方向平均分子軸、１０２：安定状態平均分子
軸、１０３：飽和平均分子軸。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ それぞれ電極を設けた一対の基板を有し、該
   一対の基板間に強誘電性液晶を配置し、該それぞ
   れの電極が相対対向する個所を画素部とし、相対
   向する電極が形成されていない個所を非画素部と
   した強誘電性液晶素子において、前記強誘電性液
   晶を前記一対の基板間で単安定状態に保持した
   後、前記画素の電極間に、該単安定状態にある強
   誘電性液晶が印加電圧の極性に応じた一方又は他
   方の配向状態の何れか一方の配向状態を無電界時
   において安定的に生じる強誘電性液晶に変化する
   のに十分な電圧値及び周波数の交流電圧を印加す
   ることにより、前記画素部の強誘電性液晶を印加
   電圧の極性に応じた一方又は他方の配向状態の何
   れか一方の配向状態を無電界時において安定的に
   生じる強誘電性液晶とし、前記非画素部の強誘電
   性液晶を単安定状態に保持してなること特徴とす
   る強誘電性液晶素子。