JPH05203964A - 強誘電性液晶素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 液晶の移動を抑制し、画質を損なうことな
く、セル厚の増加を極力低減もしくは無くす。 【構成】 強誘電性液晶、この強誘電性液晶を間に配置
して対向する一対の基板、および、これら基板の対向面
に相互に交差するように設けられた液晶駆動用の２組の
電極群を備えた強誘電性液晶素子において、一方の基板
の電極間にはその電極施設部の基板表面より低い溝を備
え、他方の基板の電極間にはその電極表面より高い梁状
部を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、カイラルスメクチック
液晶素子（強誘電性液晶素子）、特に見えに対する改善
を行った強誘電性液晶を用いた液晶素子に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】液晶分子の屈折率異方性を利用して偏光
素子との組み合わせにより透過光線を制御する型の表示
素子がクラーク（Ｃｌａｒｋ）およびラガーウォル（Ｌ
ａｇｅｒｗａｌｌ）により提案されている（米国特許第
４３６７９３４号明細書、米国特許第４６３９０８９号
明細書等）。この表示素子に用いられるカイラルスメク
チック液晶は、一般に特定の温度域において、カイラル
スメクチックＣ相（Ｓｍ＊Ｃ）を有し、この状態におい
て、加えられる電界に応答して第１の光学的安定状態と
第２の光学的安定状態のいずれかを取り、かつ電界の印
加のないときはその状態を維持する性質、すなわち双安
定性を有し、また電界の変化に対する応答も速やかであ
り、高速ならびに記憶型の表示素子としての広い利用が
期待されている。

【０００３】この表示素子は、カイラルスメクチック液
晶をマルチプレクシング駆動するための走査電極と信号
電極とで構成したマトリクス電極を備え、走査電極に
は、順次走査信号が印加され、この走査信号と同期して
信号電極には情報信号が印加される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記強
誘電性液晶セルを長時間駆動し続けると、セル端部のセ
ル厚が次第に増加し、黄色に色付いて見えてくるという
問題が認められた。

【０００５】本発明者等の研究によれば、上述したセル
端部でのセル厚の増加は駆動により液晶自身が液晶セル
間の特定の方向へ移動することによって、セル端部での
圧力が増加し、その結果セル厚が増加していることが認
められた。液晶分子が液晶セルの中を移動する力の発生
原因は不明だが、おそらく駆動パルスによる交流的な電
界で、液晶分子の双極子モーメントが揺らぐことにより
発生する電気力学的効果であろうと推定される。

【０００６】本発明者等の実験によれば、図６（Ａ）に
示すように、液晶の移動の方向２２はラビング方向２０
と液晶分子の平均分子軸方向２１，２１′により決まっ
ている。液晶分子の移動方向がこのようにラビングの方
向に依存することから、その現象は基板界面でのプレチ
ルトの状態に依存していることが推測される。平均分子
軸方向２１，２１′は強誘電性液晶分子の双安定状態に
おける平均的な分子位置を示している。ここで、例え
ば、平均分子軸方向が２１で示した状態で液晶がスイッ
チングしない程度の適当な交流電界を印加すると、矢印
２２方向に液晶分子が移動する。但し、ここでは自発分
極の向きが負である液晶材料を用いた場合について述べ
ている。さらに、この液晶移動現象は次に説明するよう
なセルの配向状態に依存している。

【０００７】スメクチック層のシェブロン構造を含む配
向はＣ１およびＣ２の２種類の配向モデルで説明するこ
とができる。図７で、３１はスメクチック層、３２はＣ
１配向の領域、３３はＣ２配向の領域を表わす。スメク
チック液晶は一般に層構造をもつが、ＳＡ相からＳＣ相
またはＳＣ＊相に転移すると層間隔が縮むので図７のよ
うに層が上下基板１４ａ，１４ｂの中央で折れ曲った構
造（シェブロン構造）をとる。折れ曲る方向は図に示す
ようにＣ１とＣ２の２つ有り得るが、よく知られている
ようにラビングによって基板界面の液晶分子は基板に対
して角度をなし（プレチルト）、その方向はラビング方
向Ａに向かって液晶分子が頭をもたげる（先端が浮いた
格好になる）向きである。このプレチルトのためにＣ１
配向とＣ２配向は弾性エネルギー的に等価でなく、上述
のように、ある温度で転移が起こる。また、機械的な歪
みで転移が起こることもある。図７の層構造を平面的に
みると、ラビング方向Ａに向ってＣ１配向からＣ２配向
に移るときの境界３４はジグザグの稲妻状でライトニン
グ欠陥と呼ばれ、Ｃ２からＣ１に移るときの境界３５は
幅の広い、ゆるやかな曲線状でヘアピン欠陥と呼ばれ
る。

【０００８】強誘電性液晶を配向するための相互にほぼ
平行で同一方向の一軸性配向処理が施された一対の基板
を備え、強誘電性液晶が、強誘電性液晶のプレチルト角
をα、チルト角（コーン角の１／２）をΘ、Ｓｍ＊Ｃ層
の傾斜角をδとすれば、数１式で表わされる配向状態を
有するようにすると、Ｃ１配向状態においてさらにシェ
ブロン構造を有する４つの状態が存在する。

【０００９】

【数１】 この４つのＣ１配向状態は、従来のＣ１配向状態とは異
なっており、なかでも４つのＣ１配向状態のうちの２つ
の状態は、双安定状態（ユニフォーム状態）を形成して
いる。ここで、無電界時のみかけのチルト角をθ_a とす
れば、Ｃ１配向状態における４つの状態のうち、数２式
の関係を示す状態をユニフォーム状態という。

【００１０】

【数２】 ユニフォーム状態においては、その光学的性質からみて
ダイレクタが上下基板間でねじれていないと考えられ
る。図８（Ａ）はＣ１配向の各状態における基板間の各
位置でのダイレクタの配置を示す模式図である。図中５
１〜５４は各状態においてダイレクタをコーンの底面に
投影し、これを底面方向から見た様子を示しており、５
１および５２がスプレイ状態、５３および５４がユニフ
ォーム状態と考えられるダイレクタの配置である。同図
から分かるとおり、ユニフォームの２状態５３と５４に
おいては、上下いずれかの基板界面の液晶分子の位置が
スプレイ状態の位置と入れ替わっている。図８（Ｂ）は
Ｃ２配向を示しており、界面のスイッチングはなく内部
のスイッチングで２状態５５と５６がある。このＣ１配
向のユニフォーム状態は、従来用いていたＣ２配向にお
ける双安定状態よりも大きなチルト角θ_a を生じ、輝度
が大きくしかもコントラストが高い。

【００１１】前述した液晶分子の移動は、実際の液晶セ
ルでは、図６（Ａ）に示すように、例えばセル全体で液
晶分子位置が矢印２１で示した状態にあったとすると、
セル内部で図の紙面の右から左へ液晶の移動が生じる。
その結果、図６（Ｂ）に示すように領域２３のセル厚が
経時的に厚くなり、色付きを生じてくることになる。液
晶分子が矢印２１′で示した状態にあるときには、交流
電界下での移動方向は逆になるが、いずれにせよ、ラビ
ング方向２０に対して垂直な方向、即ちスメクチック層
内において液晶の移動が生じる。

【００１２】本発明の目的は、前記従来技術の問題点に
鑑み、強誘電性液晶素子において、前記液晶の移動を抑
制し、画質を損なうことなく、セル厚の増加を極力低減
もしくは無くすことにある。

【００１３】

【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、強誘電性液晶、この強誘電性液晶を間に配
置して対向する一対の基板、および、これら基板の対向
面に相互に交差するように設けられた液晶駆動用の２組
の電極群を備えた強誘電性液晶素子において、一方の基
板の電極間にはその電極施設部の基板表面より低い溝を
備え、他方の基板の電極間にはその電極表面より高い梁
状部を備えるようにしている。

【００１４】前記溝は、それが設けられた基板の電極施
設部の基板表面を基準にして少なくとも０．１μｍ以上
の最大深さを有するのが好ましい。また、前記梁状部
は、それが設けられた基板の電極表面を基準にして少な
くとも０．３μｍ以上の最大高さを有するのが好まし
い。

【００１５】

【作用】本発明者らの研究によれば、上述のように、液
晶の移動によりセル端部で圧力が増加し、その結果セル
厚の増加が生ずることが認められている。そして液晶分
子がセルの中を移動する力の発生原因は不明だが、おそ
らく駆動パルスによる交流的な電圧で液晶分子の双極子
モーメントが揺らぐことにより発生する電気力学的効果
であろうと推定される。

【００１６】また、本発明者等の実験によれば、液晶移
動現象は、上述のように、セルの配向状態にも依存す
る。すなわち、ＳｍＣ^* 以外の配向、例えばフォーカル
コニック配向や垂直配向では、この移動現象は極めて起
こりにくく、したがって電極間（非画素部分）の配向を
ＳｍＣ^* 以外の前記のような配向とすることによって、
その電極間に垂直な方向への液晶移動が低減されること
が解っている。しかし、双方の基板の電極間の配向をＳ
ｍＣ^* 以外の前記のような配向にしてしまうと、画素の
全周がＳｍＣ^* 以外の前記のような配向となり、画素毎
に配向が分断されてしまうため、画素内の配向に欠陥が
生じ易くなる。

【００１７】また、本発明者等の別の実験によれば、液
晶の移動現象は、セル内の段差に依存している。すなわ
ち、セル内にある値以上の段差がある場合に、液晶の移
動現象は極めて起こりにくく、電極間に梁状部を設けた
場合、その電極間に垂直な方向への液晶移動が低減され
る。しかし、双方の基板の画素間に梁状部を設けると梁
状部の高さのためにセル厚むらが発生したり、液晶が注
入しずらくなったりする。

【００１８】これらの研究結果に基づき、本発明では、
一方の基板の電極間にその電極施設部の基板表面より低
い溝を備えることによりその電極間（画素間）の配向状
態をＳｍＣ^* 以外の前記のような配向状態とし、かつ、
他方の基板の電極間にはその電極表面より高い梁状部を
備えることにより画質を損なうことなく液晶の移動を低
減し、これによりセル厚の増加を抑制している。

【００１９】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。図１は本発明の一実施例に係る液晶セルを模式的に
示す斜視図、図２はその上基板部分のＡ−Ａ線断面図、
そして図３は図１のＢ−Ｂ線断面図である。これらの図
に示すように、この液晶セルは、一対の平行に配置した
上基板１１ａおよび下基板１１ｂと、それぞれの基板に
配線した例えば厚さが約４００〜２０００Åの透明電極
１２ａと１２ｂを備えている。上基板１１ａと下基板１
１ｂとの間には、配向制御膜１４ａと１４ｂを介して強
誘電性液晶、好ましくは少なくとも２つの安定状態を有
する非らせん構造の強誘電性スメクチック液晶１５が配
置されている。配向制御膜１４ａと１４ｂには、スメク
チック液晶１５を配向させるための配向処理が施してあ
る。この配向処理方向によって、スメクチック液晶１５
の層形成の方向を制御することができる。また、配向制
御膜１４ａ，１４ｂと透明電極１２ａ，１２ｂとの間
に、例えば、厚さが２００〜３０００Åの絶縁膜１３ａ
と１３ｂ（ＳｉＯ₂ 膜、ＴｉＯ₂ 膜、Ｔａ₂ Ｏ₅ 膜等）
を配置しても良い。基板間隔は、液晶層１５内に散布さ
れた平均粒径約１．５μｍ（一般に０．１〜３．５μ
ｍ）のシリカビーズ１６により保持される。１７ａおよ
び１７ｂは偏光板である。

【００２０】１８ａは電極１２ａ間に形成された、上基
板１１ａ表面からの最大深さｄが０．１μｍ以上の溝で
ある。溝１８ａは透明電極１２ａを形成するためのパタ
ーニング工程の途中で、次のようにして形成される。

【００２１】まず、基板１１ａの上に透明電極層とフォ
トレジスト層を積層してからフォトレジストを露光して
透明電極１２ａのパターンを形成する。その後、エッチ
ング液でエッチングを行うことにより、透明電極１２ａ
を形成する。そして、フォトレジストを剥離する前にＮ
Ｈ₄ Ｆ、Ｈ₂ Ｏ、弱酸等の混合液で電極１２ａ間をエッ
チングし、最大深さｄが０．１μｍ以上の溝１８ａを形
成する。この後、十分に水洗いしてフォトレジストを剥
離する。上記ＮＨ₄ Ｆ、Ｈ₂ Ｏ、弱酸等の混合液は、ス
クリーン印刷が可能なペースト状のエッチャントであ
り、ＤＥＣＡ ＰＲＯＤＵＣＴＳ社の「ＤＥＣＡ ＧＬ
ＡＳＳＥＴＣＨ」（ベルギー）である。最大深さｄは、
ＮＨ₄ Ｆ、Ｈ₂ Ｏ、弱酸等の混合比率や、エッチング処
理時間で制御することができる。

【００２２】１８ｂは透明電極１２ｂ間に形成された梁
状部材である。梁状部材１８ｂは、例えば、ポリイミド
等の絶縁物またはＭｏ、Ａｌ等の金属、あるいは金属と
絶縁物の２層構成のもので構成され、フォトリソグラフ
ィ等により形成される。梁状部材１８ｂの高さｈは０．
３μｍ以上であり、それにより前記液晶の移動を抑制す
る効果が十分に発揮される。もちろん、高さｈがセル厚
とほとんど等しい場合も含まれる。ただし、高さｈを大
きくする場合、液晶注入速度が遅くなるため、図４に示
すように、梁状部材１８ｂに間隙２０を設けるようにし
ても良い。

【００２３】強誘電性液晶１５としては、カイラルスメ
クチック相状態のものを用いることができ、より具体的
には、カイラルスメクチックＣ相（ＳｍＣ＊）のものを
用いることができる。特に好ましいものは、この相より
高温側の相としてコレステリック相を示すものを用いる
ことができ、そのようなものとして例えば、化１で示す
ような相転移温度および物性を有するピリミジン系混合
液晶を用いることができる。

【００２４】

【化１】 実施例１ 前述の方法により、最大深さｄが０．１μｍの溝１８
ａ、および最大高さｈが０．３μｍの梁状部材１８ｂを
有する前記構成の液晶セルを試作した。そしてこれに対
し、パルス幅が２５μｓｅｃ、電圧振幅が４０Ｖ、デュ
ーティ比が１／２の矩形波信号を約７時間印加した後、
図５において斜線部分として示したセル周縁部５１にお
けるセル厚変化を測定した。その結果、最も変化した部
分でも初期値に対して約６％しか増加していなかった。
また、このセルをクロスニコルの偏光板に挟み、目視で
色付きを確認したところ、セル厚の増加した領域は認識
できなかった。また、溝１８ａを設けた電極間部分の液
晶の配向状態を偏光顕微鏡で観察したところ、消光位の
はっきりしない配向状態であり、ＳｍＣ^* 配向ではない
ことが確認できた。

【００２５】比較例１ 溝１８ａおよび梁状部材１８ｂを設けないこと以外は実
施例１と同じセルを作成し、同じ条件で電圧を印加した
ところ、初期値に比較して約４１％セル厚が増加した。
また、このセルを実施例１と同様に目視観察したとこ
ろ、セル厚の増加した領域が黄色に色付いているのがは
っきり確認された。また電極間部分の配向状態を偏光顕
微鏡で観察したところ、ＳｍＣ^* 配向の明暗の２状態が
観察され、この部分の配向がＳｍＣ^* 配向であることが
確認された。

【００２６】比較例２ 梁状部材１８ｂを設けないこと以外は実施例１と同じセ
ルを作成し、同じ条件で電圧を印加したところ、溝１８
ａを設けた基板１１ａの電極１２ａ稜線方向に垂直な側
の両セル端部においてセル厚変化が生じ、最も変化した
部分の初期値に対する増加率は約２５％であった。また
このセルを目視観察したところ、セル厚の増加した領域
が黄色に色付いているのが確認された。

【００２７】比較例３ 溝１８ａを設けないこと以外は実施例１と同じセルを作
成し、同じ条件で電圧を印加したところ、梁状部材１８
ｂを設けた基板１１ｂの電極１２ｂ稜線方向に垂直な側
の両セル端部においてセル厚変化が生じ、最も変化した
部分の初期値に対する増加率は約１８％であった。また
このセルを目視観察したところ、セル厚の増加した領域
が黄色に色付いているのが確認された。

【００２８】比較例４ 溝１８ａの最大深さｄを０．０５μｍとし、梁状部材１
８ｂの最大高さｈを０．２μｍとした以外は実施例１と
同じセルを作成し、同じ条件で電圧を印加したところ、
セル厚が最も変化した部分の初期値に対する増加率は、
約１７％であった。またこのセルを実施例１と同様にし
て目視観察したところ、セル厚の増加した領域が淡く色
付いているのが確認された。また、溝１８ａを設けた電
極１１ａの電極１２ａ間部分の配向状態を偏光顕微鏡で
観察したところ、ＳｍＣ^* 配向の明暗の２状態が観察さ
れ、この部分の配向がＳｍＣ^* 配向であることが確認さ
れた。

【００２９】実施例２ 溝１８ａの最大深さｄを０．２μｍとした以外は実施例
１と同じセルを作成し同じ条件で電圧を印加したとこ
ろ、セル厚が最も変化した部分の初期値に対する増加率
は約３％であった。またこのセルを実施例１と同様にし
て目視観察したところ、セル厚の増加した領域はまった
く認識されなかった。また、溝１８ａを設けた電極１１
ａの電極１２ａ間部分の配向状態を偏光顕微鏡で観察し
たところ、消光位のはっきりしないフォーカルコニック
に近い配向状態であり、ＳｍＣ^* 配向ではないことが確
認できた。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、一
方の基板の電極間にはその電極施設部の基板表面より低
い溝を備え、他方の基板の電極間にはその電極表面より
高い梁状部を備えるようにしたため、大面積の液晶セル
を有する強誘電性液晶素子においても液晶の注入性や画
質を損なうことなく、駆動による局所的なセル厚の変動
を軽減しまたは無くすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係る液晶セルの模式的な
斜視図である。

【図２】 図１のＡ−Ａ線断面図である。

【図３】 図１のＢ−Ｂ線断面図である。

【図４】 図１の液晶セルの変形例を示す模式的な斜視
図である。

【図５】 本発明の実施例における液晶移動時のセル厚
測定位置を示す平面図である。

【図６】 液晶の移動の様子を示す説明図である。

【図７】 Ｃ１配向とＣ２配向の層構造を示す説明図で
ある。

【図８】 Ｃ１配向およびＣ２配向の各状態における基
板間の各位置でのダイレクタの配置を示す模式図であ
る。

【符号の説明】

１１ａ，１１ｂ：基板、１２ａ，１２ｂ：透明電極，１
４ａ，１４ｂ：配向制御膜、１５：強誘電性スメクチッ
ク液晶、１３ａ，１３ｂ：絶縁膜、１６：シリカビー
ズ、１７ａ，１７ｂ：偏光板、１８ａ：溝、１８ｂ：梁
状部材、５３：シール、５５：液晶注入口、５７：封止
材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 羽生 由紀夫 東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノ ン株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 強誘電性液晶、この強誘電性液晶を間に
   配置して対向する一対の基板、および、これら基板の対
   向面に相互に交差するように設けられた液晶駆動用の２
   組の電極群を備えた強誘電性液晶素子において、一方の
   基板の電極間にはその電極施設部の基板表面より低い溝
   を備え、他方の基板の電極間にはその電極表面より高い
   梁状部を備えることを特徴とする強誘電性液晶素子。
2. 【請求項２】 前記溝は、それが設けられた基板の電極
   施設部の基板表面を基準にして少なくとも０．１μｍ以
   上の最大深さを有する、請求項１記載の強誘電性液晶素
   子。
3. 【請求項３】 前記梁状部は、それが設けられた基板の
   電極表面を基準にして少なくとも０．３μｍ以上の最大
   高さを有する、請求項１記載の強誘電性液晶素子。