JPH0557568B2 - - 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、更に詳しく
は、液晶層に接する配向膜の構成を特定の構成と
することによつて表示特性や駆動特性が改善され
た強誘電性液晶素子に関する。 （従来の技術） 従来、液晶を一対の対向電極間に配置させてな
る種々の液晶表示素子が提案されているが、
DSM（Dynamic Scattering Mode）型の液晶表
示素子以外については、液晶層中のナトリウムイ
オン等のプラスイオンや塩素イオン等のマイナス
イオン等の荷電体をコントロールする必要はあま
り認められていない。 その理由は、現在普及しているTN（Twisted
Namatic）型液晶表示素子（例えば、M.Schadt
とW.Helfrich著、“Applied Physics Letters”、
Vol.18，No.４（1971.2.15）、P.127〜128の
“Voltage Dependent Optical Activity of ａ
Twisted Nematic Liquid Crystal”参照）にお
いては、 (1) 過度のイオン流が液晶分子の配列を乱す。 (2) 液晶材料の耐久性を低下させる。 (3) 液晶層にかかる電圧の時定数が短くなる。 等の影響がイオン等の導電性物質によつて引き起
されることが考えられたが、実際には液晶を適当
に精製することによつて液晶の体積抵抗を10⁹Ω
cm以上に上げたり、素子の構成過程で液晶の汚染
防止を効果的にする等の手段により前述の(1)およ
び(2)の問題は十分対応可能であり、一方駆動方式
においては、交流駆動方式、リフレシユ蓄積型駆
動方式が基本となるため、前記(3)の点も深刻な問
題とはならなかつたことによる。 これに対して、近年世界的に開発が進んでいる
強誘電性液晶素子の場合には、液晶層中のイオン
等の荷電体の挙動が、強誘電性液晶素子の特性に
重大な影響を与えることが明らかにされている。 例えば、クラークとラガヴアル等の提案した強
誘電性液晶素子の構成においては、第２図に示さ
れるように液晶層内で各液晶分子の双極子の方向
が揃い、液晶の自発分極が生じている。 この自発分極の存在は、強誘電性液晶素子のス
イツチング特性の条件であるため、この自極分極
による電荷の片寄りは、SSFLCD（Surface
Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal
Display）においては不可避なものである。 （発明が解決しようとしている問題） 以上の如き強誘電性液晶素子における液晶分子
の自発分極は必然的なものであるが、この分極電
荷の影響によつて、素子の非駆動時（すなわち、
メモリー状態）において液晶層の双安定性を損な
うような変化が生じるという問題があることが判
明した。 すなわち、素子内はITO電極等の透明電極が設
置され、その上に誘電体および配向膜を介して液
晶層に接する構成が一般的であるが、この場合に
メモリ−状態（印加電圧＝０）でも、液晶層内に
は液晶分子の分極電荷によつて生じる電界が存在
しており、この電界によつて液晶層内に存在して
いるイオン性不純物が泳動して、イオンの不均一
の偏在が生じる。このイオンの偏在によつて、逆
に液晶分子が拘束を受けるため、液晶分子のスイ
ツチング状態での双安定が乱され、更には素子の
メモリー性自体の消滅をも誘引するという重大な
問題が生じ、現在の強誘電性液晶素子をデイスプ
レイとして考えた場合の大きな障害となつてい
る。 従つて、強誘電性液晶素子においては液晶層内
に存在するイオンによる問題を解決することが要
望されている。 （問題点を解決するための手段） 本発明者は上記の如き従来技術の問題点を解決
すべく鋭意研究の結果、基板上に形成され、液晶
層に接する配向膜の構成を特定の構成とすること
によつて上記の如き従来技術の問題が解決され、
強誘電性液晶素子の表示特性や駆動特性を著しく
向上させることができた。 すなわち、本発明は、配向膜を有する２枚の電
極基板を対向配置し、上下電極基板間に強誘電性
液晶を狭持してなる強誘電性液晶素子において、
上記配向膜のうち、一方が液晶層内に存在するプ
ラスイオンを吸着する負極性材料からなり、他方
が液晶層内に存在するマイナスイオンを吸着する
正極性材料からなることを特徴とする強誘電性液
晶素子である。 次に本発明を更に詳しく説明する。 本発明の素子は、電極基板上に形成した相対す
る配向膜の極性を異なるようにした点、すなわ
ち、上記配向膜のうち、一方が液晶層内に存在す
るプラスイオンを吸着する負極性材料からなり、
他方が液晶層内に存在するマイナスイオンを吸着
する正極性材料から形成した点に特徴を有するも
のであつて、それ以外の構成は従来技術と同様な
ものでよいものであり、従来技術の強誘電性液晶
素子にはいずれも本発明が適用し得るものであ
る。 本発明の素子に用いる強誘電性液晶は、加えら
れる電界に応じて第一の光学的安定状態と第二の
光学的安定状態とのいずれかを取るもの、すなわ
ち、電界に対して双安定性を有する液晶物質であ
る。 以上の如き双安定性を有する強誘電性液晶とし
ては、強誘電性を有するカイラルスメクテイツク
液晶が好ましく、そのうちでは特にカイラルスメ
クテイツクＣ相（SmC^*）またはＨ相（SmH^*）
の液晶が適している。これらの強誘電性液晶は、
“LEJOURNAL DE PHYSIOUE LETTERS”
36（Ｌ−69）1975、「Ferroelectric Liquid
Crystala」；Applied， Physics Letters”36
（11）1980、「Submicr Second Bistable
Electrooptic Switching in Liquid Crystals」；
“固体物理”16（141）1981「液晶」等に記載されて
おり、より具体的には、例えば、デシロキシベン
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）および４−ｏ−（２−メチ
ル）−ブチルレゾルシリデン−4′−オクチルアニ
リン（MBRA8）等が挙げられる。 第３図示の例は、本発明を適用できる強誘電性
液晶素子の１例を模式的に示すものであり、図中
の１と１′はIn₂O₃、SnO₂あるいはITO（Indium
Tin−Oxide）等の透明電極がコートされた基板
（例えばガラス板）であり、これらの一対の基板
上には配向膜（図示なし）が設けられ、これらの
配向膜の間に前記の如き液晶からなる液晶層２
が、基板面に垂直になるように配向したSmC^*相
の液晶として封入されている。 太線で示した線３が液晶分子を表わしており、
この液晶分子３はその分子に直交した方向に双極
子モーメント（Ｐ⊥）４を有している。 このような強誘電性液晶素子の基板１と１′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３のらせん構造がほどけ、双極子モーメ
ント（Ｐ⊥）４がすべて電界方向に向くように液
晶分子３の配向方向を変えることができる。 液晶分子３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の異方性を示し、従つ
て、例えば、基板面の上下に互いにクロスニコル
の位置関係に配置した偏光子を置けば、電圧印加
極性によつて光学特性が変化する液晶光学変調素
子となることは容易に理解される。 更に液晶素子の厚さを十分に薄くした場合（例
えば1μm）には、第４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はほど
け（非らせん構造）、その双極子モーメントＰま
たはP′は上向き４ａまたは下向き４ｂのいずれか
の状態をとる。このようなセルに第４図に示す如
く一定の闘値以上の極性の異なる電界Ｅまたは
E′を所定時間付与すると、双極子モーメントは電
界ＥまたはE′の電界ベクトルに対応して上向き４
ａまたは下向き４ｂと向きを変え、それに応じて
液晶分子は第１の配向状態５かあるいは第二の配
向状態５′の何れか一方に配向する。このような
強誘電性液晶素子を光学変調素子として用いるこ
との利点は２つある。 第１には、応答速度が極めて速いこと、第２に
液晶分子の配向が双安定性状態を有することであ
る。第２の点を例えば第４図によつて説明する
と、電界Ｅを印加すると液晶分子は第１の配向状
態５に配向するが、この状態では電界を切つても
安定である。また、逆向きの電界E′を印加する
と、液晶分子は第２の配向状態５′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。また、与える電界Ｅが
一定の闘値を越えない限り、それぞれの配向状態
にやはり維持されている。このような応答速度の
速さと、双安定性が有効に実現されるには、セル
としてできるだけ薄い方が好ましく、一般的には
0.5〜20μm、特に１〜5μmは適している。この種
の強誘電性液晶を用いるマトリツクス電極構造を
有する強誘電性液晶素子は、例えば、クラークと
ラガバルにより、米国特許第4367924号明細書に
提案されている。 上述の強誘電性液晶素子に使用されている上下
基板上に設けられた一対の配向膜は、通常同一の
材料から形成されているものであるが、これらの
素子では、既に説明したように、液晶層内に存在
するイオンによつて種々の問題を生じるものであ
つた。 本発明者はこのような問題点を解決すべく鋭意
研究の結果、これらの液晶層が接する一対の配向
膜の極性が互いに異なるように、すなわち、上記
配向膜のうち、一方が液晶層内に存在するプラス
イオンを吸着する負極性材料からなり、他方が液
晶層内に存在するマイナスイオンを吸着する正極
性材料から構成することによつて、液晶層内に存
在するイオンが原因となつて生じていたイオンの
不安定の偏在およびそれによる液晶分子への悪影
響がなくなり、従来技術の問題点が解決されるこ
とを知見したものである。 本発明の強誘電性液晶素子の好ましい１例の断
面図を第１図に図解的に示す。図中１１，１１′
はガラス板等の基板であり、１２，１２′は該基
板板１１，１１′上に形成されたITO等からなる
透明電極層であり、１３，１３′は透明電極上に
形成された互いに極性の異なる配向膜層であり、
この例では、１３はマイナスの極性を有するポリ
マーから形成され、一方、１３′はプラスの極性
を有するポリマーから形成されている。１４は液
晶層内に存在するプラスイオン、１５はマイナス
イオンである。１８は液晶層を示し、１６および
１７はその中でとり得る二つの液晶状態を示す。 本発明の強誘電性液晶素子は、第１図に図解的
に示す如く、液晶層に接する一対の配向膜の極性
が互いに異なるように、すなわち、上記配向膜の
うち、一方が液晶層内に存在するプラスイオンを
吸着する負極性材料からなり、他方が液晶層内に
存在するマイナスイオンを吸着する正極性材料か
ら形成するようにしたことを主たる特徴とするも
のであり、このような特徴故に液晶層中のイオン
の不安定な偏在とそれによる悪影響はなくなり、
液晶分子の双安定性を高めてスイツチング特性等
をより向上させることができた。 すなわち、従来技術の如く配向膜１３，１３′
が同一材料から形成され、無極性であつたり、同
一の電気的性質を有する場合には、液晶層１８内
に存在するプラスイオン１４またはマイナスイオ
ン１５は、液晶分子の分子内分極によつて移動し
たり、また一方向の信号電界が印加されたり、ま
た逆方向の電界が印加される毎にこれらのイオン
の移動が生じ、これらのイオンの移動が逆に液晶
分子の分子軸の安定な配向性に悪影響を与えるこ
とになり、その結果双安定性が低下し、デイスプ
レイ等としての表示特性や駆動特性に問題が生じ
るものであつた。 本発明ではこのような問題を液晶層１８を挟持
している一対の配向膜１３，１３′が互いに極性
が異なるように、すなわち、上記配向膜のうち、
一方が液晶層内に存在するプラスイオンを吸着す
る負極性材料からなり、他方が液晶層内に存在す
るマイナスイオンを吸着する正極性材料から形成
するようにすることによつて、第１図示の如くマ
イナスの極性を有する配向膜１３にプラスイオン
を吸着させ、一方プラス極性を有する配向膜１
３′にマイナスイオンを吸着させることによつて、
液晶層内に存在するイオンを固定し、イオンの不
安定な移動による液晶分子への悪影響を無くする
ことができ、優れた表示特性および駆動特性を有
する液晶表示素子が提供させたものである。 本発明に用いられる配向膜の形成用材料として
は、従来公知のもの、例えば、ポリビニルアルコ
ール、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエス
テル、ポリカーボネート、ポリビニルアセター
ル、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリアミ
ド、ポリスチレン、セルロース樹脂、メラミン樹
脂、ユリヤ樹脂、アクリル樹脂等の樹脂類、、あ
るいは感光性ポリイミド、感光性ポリアミド、環
化ゴム系フオトレジスト、フエノールノボラツク
系フオトレジストあるいは電子線フオトレジスト
［（メタ）クリレートのモノマーまたはオリゴマ
ー、エポキシ化−１，４−ポリブタジエン等］等
を夫々任意の方法でカチオン変性或いはアニオン
変性して使用することができる。 すなわち、上記の如き材料は一般に無極性であ
るので、本発明の目的のためには、上記の如き材
料を用いて配向膜を形成するに際し、上記の如き
ポリマー材料をカチオン変性あるいはアニオン変
性して用いる。 ポリマーをカチオン変性する方法としては、上
記の如きポリマー中に0.5〜50重量％程度のカチ
オン性ポリマー、例えば、ビニルピロリドン、ジ
アルキルアミノエチルアクリレート（またはメタ
クリルート）、アミノスチレン等のカチオン性モ
ノマーからなるカチオン性ポリマーを添加して使
用する方法、これらのカチオン性モノマーのホモ
ポリマーあるいは他のモノマーとのコポリマーを
単独または混合して使用する方法等が有用であ
り、またアニオン変性する方法としては、上記方
法に代えて、アクリル酸、メタクリル酸、フマル
酸、マレイン酸、スチレンスルホン酸、ビニルス
ルホン酸等のアニオン性のモノマーを同様に使用
すればよい。 例えば、ポリビニルアルコール等のビニルポリ
マーを使用する場合には、酢酸ビニルと上記カチ
オン性モノマーとを共重合して得られるコポリマ
ーをケン化してカチオン性ポリマーとすることが
でき、一方、酢酸ビニルにアニオン性モノマーを
共重合して得られるコポリマーを同様にケン化す
ることによりポリビニルアルコール系のアニオン
性モノマーとすることができる。 以上の如きカチオン性ポリマーおよびアニオン
性ポリマーを用いて対向する配向膜が互いに異な
る極性を有するように形成することによつて本発
明の液晶素子が得られる。尚、互いに極性が異な
る限り、上および下基板のいずれにプラス極性の
俳句膜を形成してもよいし、、マイナス極性の配
向膜を形成してもよい。 上記の如き配向膜の形成方法、厚み、ラビング
処理等の方法はいずれも従来技術と同様でよいも
のであり、また基板、透明電極、絶縁層、偏光子
等の光学的検知手段等素子の他の構成に関しても
従来技術と同様でよいものである。 （作用・効果） 以上の如き本発明によれば、従来の強誘電性液
晶素子において、その一対の配向膜の極性が互い
に異なるようにすることによつて、液晶層内のイ
オンの不安定な偏在による液晶分子の配向状態の
バラツキや経時的変化が生じなくなり、液晶分子
の双安定性が向上して、優れた表示特性および駆
動特性の強誘電性液晶素子が提供されるものであ
る。 次に実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明
する。 実施例 １ 電極層を有するガラス基板（上基板）上に誘電
体層としてSiO₂（スパツタ）から厚さ1000Åの膜
を形成し、その上にアクリル酸モノマー単位を２
重量％含有するポリビニルアルコール膜をスピナ
ーコート方法で塗工し、乾燥硬化後、その表面を
アセテート布（毛先長1.5mm）でラビング処理し
てアニオン性の配向膜を形成した。一方、カチオ
ン性ポリマーとしてビニルアミンモノマー単位を
２重量％含有するポリビニルアルコールを用い
て、上記と同様にして下基板上にカチオン性の配
向膜を形成した。 上記の上下基板間にチツソ社製の液晶CS−
1014を注入し、セル厚をアルミナビーズでコント
ロールして、1.0μm〜1.4μmの液晶層の厚みを有
する本発明の強誘電性液晶素子を形成した。 上記素子の液晶層中のイオン性物質を速やかに
配向膜に吸着させるために、上下基板間に15.0V
のDC電界を数秒間印加し、液晶分子を第１図の
16の状態にして約24時間放置した。 その結果、第１図における液晶分子の16の方向
は非常に安定化し、一方、17の方向をより一層不
安定にすることができ、これらの二種の状態は繰
返し安定的に生じさせることができた。 これに対し、本発明を適用しない強誘電性液晶
素子、すなわち、上下基板の配向膜を同一の無変
性ポリビニルアルコールで形成した素子の場合に
は、これら一種の安定状態が時間の経過によつて
バラツキが生じるものであつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の強誘電性液晶素子の断面の一
部を図解的に示す図であり、第２図は強誘電性液
晶素子の液晶分子の分極の二つの状態を図解的に
示す図であり、第３図および第４図は、強誘電性
液晶素子の作動を図解的に示す図である。 １，１′、１１，１１′……基板、２，１８……
液晶層、３，１６，１７……液晶分子、４……双
極子モーメント、５，５′……配向状態、１２，
１２′……電極、１３，１３′……配向膜、１４，
１５……イオン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 配向膜を有する２枚の電極基板を対向配置
   し、上下電極基板間に強誘電性液晶を狭持してな
   る強誘電性液晶素子において、上記配向膜のう
   ち、一方が液晶層内に存在するプラスイオンを吸
   着する負極性材料からなり、他方が液晶層内に存
   在するマイナスイオンを吸着する正極性材料から
   なることを特徴とする強誘電性液晶素子。 ２ 配向膜の一方がアニオン性ポリマーからな
   り、他方がカチオン性ポリマーからなる特許請求
   の範囲第１項に記載の強誘電性液晶素子。