JPH06186565A

JPH06186565A - 強誘電性液晶素子

Info

Publication number: JPH06186565A
Application number: JP4354785A
Authority: JP
Inventors: Hirokatsu Miyata; 浩克宮田; Yukio Haniyu; 由紀夫羽生
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-12-17
Filing date: 1992-12-17
Publication date: 1994-07-08

Abstract

(57)【要約】【目的】双安定状態の安定性に優れ、しきい値が変化
することが少なく、焼き付きを防止した強誘電性液晶素
子を提供する。【構成】強誘電性液晶と、この強誘電性液晶を間に保
持して対向するとともにその対向面にはそれぞれ強誘電
性液晶に電圧を印加するための電極が形成されかつ強誘
電性液晶を配向するための相互にほぼ平行で同一方向も
しくは逆方向の一軸性配向処理が施された一対の基板と
を備え、配向状態における強誘電性液晶が少くとも２つ
の安定状態を示す強誘電性液晶素子において、プレチル
ト角αが１０°以下で、界面における強誘電性液晶分子
のコーン角θ_sが真のチルト角Θに比べて小さいことを
特徴とする強誘電性液晶素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶表示素子や液晶光
シャッター等で用いる液晶素子、特に強誘電性液晶素子
に関し、更に詳しくは、強誘電性液晶層と基板との界面
近傍に存在する液晶分子の配向状態を制御することによ
り表示特性を改善した液晶素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】強誘電性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）およびラガウォ
ール（Ｌａｇｅｒｗａｌｌ）により提案されている（特
開昭５６−１０７２１６号公報、米国特許第４３６７９
２４号明細書等）。この強誘電性液晶は、一般に特定の
温度域において、非らせん構造のカイラルスメクチック
Ｃ相（Ｓｍ^* Ｃ）又はＨ相（Ｓｍ^* Ｈ）を有し、この状
態において、印加される電界に応答して第一の光学的安
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に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用として
の広い利用が期待され、特にその機能から大画面で高精
細なディスプレーへの応用が期待されている。

【０００３】この双安定性を有する液晶を用いた光学変
調素子が所定の駆動特性を発揮するためには、一対の平
行基板間に配列される液晶が、電界の印加状態とは無関
係に、上記２つの安定状態の間での変換が効率的に起こ
るような分子配列状態にあることが必要である。

【０００４】また、液晶の複屈折率を利用した液晶素子
の場合、直交ニコル下での透過率は、Ｉ／Ｉ_O ＝ｓｉｎ
² ４Θｓｉｎ² （Δ・ｎｄπ／λ）で表される。

【０００５】（式中：Ｉ_O は入射光強度、Ｉは透過光強
度、Θは真のチルト角、Δｎは屈折率異方性、ｄは液晶
層の膜厚、λは入射光の波長である。）前述の非らせん
構造におけるみかけのチルト角は、第１と第２の配向状
態での捩じれ配列した液晶分子の平均分子軸方向の角度
として現れることになる。上式によれば、かかる真のチ
ルト角Θが２２．５゜の角度のとき最大の透過率とな
り、双安定性を実現する非らせん構造でのみかけのチル
ト角が２２．５°にできる限り近いことが必要である。

【０００６】上記のような強誘電性液晶素子を得る方法
として交流を印加して配向を変化させた液晶素子が提案
されている（特開昭６２−１６１１２３号公報）。この
技術により非螺旋構造におけるみかけのチルト角を増大
させることができ、さらに液晶の配列を上下基板間でツ
イスト配向からほぼ同じＣ−ダイレクタを有するパラレ
ル配向（ユニフォーム配向）にできることからクロスニ
コル下における暗状態の透過率を少なくすることができ
る。これにより高いコントラストが得られる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】先に述べた“双安定
性”は強誘電性液晶素子の優れた性能の１つであるがそ
の特性を利用した、異なる２種の安定状態をスイッチン
グさせる素子においてはその安定状態間をスイッチング
させるしきい値の変動は駆動特性を大きく悪化させてし
まう。

【０００８】ここで、多くの強誘電性液晶素子の共通課
題として“焼き付き（ｓｕｒｆａｃｅｍｅｍｏｒｙ）
があげられる。この現象は前記のしきい値の変動につな
がり、交流を印加して配向を変化させる前記技術を用い
る場合にも“焼き付き（ｓｕｒｆａｃｅｍｅｍｏｒ
ｙ）を低減することは必要であり、特に階調表示のでき
る素子を得るためには重要である。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこで本発明によれば、
強誘電性液晶と、この強誘電性液晶を間に保持して対向
するとともにその対向面にはそれぞれ強誘電性液晶に電
圧を印加するための電極が形成されかつ強誘電性液晶を
配向するための相互にほぼ平行で同一方向もしくは逆方
向の一軸性配向処理が施された一対の基板とを備え、配
向状態における強誘電性液晶が少くとも２つの安定状態
を示す強誘電性液晶素子において、プレチルト角αが１
０°以下で、界面における強誘電性液晶分子のコーン角
θ_sが真のチルト角Θに比べて小さい様にすることによ
って、２つの安定状態のうちいずれか一方の状態にして
素子を放置しておくとその状態が安定化して双安定性が
崩れてしまうという問題点を解決できる。

【００１０】以下、図面により本発明を詳細に説明す
る。

【００１１】図１は、本発明の強誘電性液晶セルの一例
を模式的に描いたものである。１１ａと１１ｂはそれぞ
れＩｎ₂ Ｏ₃ やＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉ
ｄｅ）等の透明電極１２ａと１２ｂで被覆された基板
（ガラス板）であり、その上にポリイミド等で形成した
５０〜１０００Å厚の配向制御膜１４ａと１４ｂがそれ
ぞれ積層されている。配向制御膜１４ａと１４ｂは配向
方向が平行かつ同一方向（図１で言えばＡ方向）或いは
逆方向（図示せず）になる様にラビング処理等の一軸性
配向処理を施してある。基板１１ａと１１ｂの間には、
強誘電性液晶１５が配置され、基板１１ａと１１ｂの間
の距離は強誘電性液晶１５のらせん配列構造の形成を抑
制するのに十分小さい距離（例えば、０．１〜３μｍ）
に設定され、強誘電性液晶１５は双安定性配向状態を生
じている。また、上述の十分小さい距離は、基板１１ａ
と１１ｂとの間に配置したビーズスペーサ１６（シリカ
ビーズ、アルミナビーズ）によって保持される。１７
ａ，１７ｂは偏光板である。透明電極１２と配向制御膜
１４の間に２００〜３０００Åの厚さのＳｉＯ₂ ，Ｔｉ
Ｏ₂ ，Ｔａ₂ Ｏ₅ 等の絶縁膜層１３ａ，１３ｂを設けて
も良い。

【００１２】この様な構成において、本発明者等は、強
誘電性液晶層と基板との界面近傍に存在する液晶分子の
配向状態を制御することにより、第１の安定状態及び第
２の安定状態にそれぞれ長時間放置しても、第１の安定
状態で放置した部分と第２の安定状態で放置した部分の
しきい値のずれが非常に少ないユニフォーム配向の液晶
素子を得ることができることを見出した。

【００１３】図４は、界面におけるチルト角θ，界面に
おけるコーン角θ_s，プレチルト角α，シェブロン構造
の傾き角δを示す図である。スメクチック液晶は一般に
層構造を有するが、スメクチックＣ（Ｓｃ）相では、バ
ルク中の分子の配向ベクトルは層法線方向からチルト角
Θだけ傾いている。また、基板界面の液晶分子は、ラビ
ングの様な１軸性配向処理によって基板に対して角度を
なし（プレチルト角α）その方向は、配向処理方向に向
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。プレチルト角αは、配向処理の条件に
よって変化し、配向処理の程度が強くなるに従って一般
に小さくなる。これは、配向処理が強い場合には、液晶
分子が基板の配向処理方向に沿って配向する傾向がある
ことを示しており、その場合、界面におけるコーン角θ
_s及び界面におけるチルト角θも小さくなる場合があ
る。また、プレチルト角α、界面におけるチルト角θ
は、配向膜又は液晶の材料を変えることで変化させるこ
とができる。

【００１４】従って、特定の液晶と配向膜を組み合わせ
て適切な条件で配向処理を行うことで、配向膜と液晶分
子の相互作用によって基板との界面近傍に存在する液晶
分子の配向状態を変化させることができる。

【００１５】本発明によれば、プレチルト角αが１０°
以下、好ましくは５°以下、より好ましくは２°以下
で、界面における強誘電性液晶分子のコーン角θ_sが真
のチルト角Θより小さく、好ましくは１／４以下、より
好ましくは１／６以下、更に好ましくは１／８以下であ
る様にすると、第１の安定状態及び第２の安定状態にそ
れぞれ長時間放置しても、第１の安定状態で放置した部
分と第２の安定状態で放置した部分のしきい値のずれが
非常に少ないユニフォーム配向の液晶素子が得られた。

【００１６】強誘電性液晶がシェブロン構造である場
合、その傾き角度δは好ましくは１０°以下、より好ま
しくは５°以下である。

【００１７】また、本発明の強誘電性液晶素子は、高い
コントラストが得るため、交流を印加することによっ
て、見かけのチルト角を交流を印加しない場合よりも大
きくし、ユニフォーム配向とすることが好ましい。

【００１８】

【実施例】以下、実施例により、本発明を詳細に説明す
る。本実施例における測定方法は以下の通りである。

【００１９】（プレチルト角αの測定）Ｊｐｎ．Ｊ．Ａ
ｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ１９（１９８０）ＮＯ．１
０，Ｓｈｏｒｔ．Ｎｏｔｅｓ２０１３に記載されてい
る方法（クリスタルローテーション法）に従って求め
た。

【００２０】つまり、平行かつ反対方向にラビングした
基板を貼り合せてセル厚２０μｍのセルを作成し、０℃
〜６０℃の範囲でＳｍＡ相を有する液晶（Ａ）を封入し
測定を行った。

【００２１】液晶セルを上下基板に垂直かつ配向処理軸
を含む面で回転させながら回転軸と４５°の角度をなす
偏光面をもつヘリウム・ネオンレーザ光を回転軸に垂直
な方向から照射し、その反対側で入射偏光面と平行な透
過軸をもつ偏光板を通してフォトダイオードで透過光強
度を測定した。

【００２２】干渉によってできた透過光強度の双曲線群
の中心となる角と液晶セルに垂直な線となす角度をφ_x
とし、下式に代入してプレチルト角αを求めた。

【００２３】

【数１】（界面におけるチルト角θの測定）Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．５３ｎｏ．２４２３９７に
記載されている方法（内部全反射法）に従って求めた。

【００２４】つまりＩＴＯで被覆されたガラス板に配向
膜を形成しラビングした基板と、これと同様にＩＴＯコ
ートした後に配向膜を形成し、ラビングを行った高屈折
率ガラス製の半球プリズムの底面との間に液晶をはさん
だセルを作成し測定を行った。全反射条件において入射
角一定でレーザー光を入射させ、反射光中に含まれる偏
光面が９０°回転した成分の強度の入射方位角依存性を
測定する。第１の安定状態について測定された反射光強
度の角度依存性と、第２の安定状態について測定された
反射光強度の角度依存性は、それぞれを界面でのチルト
角θの２倍だけシフトさせた関係にあり、ここから２θ
を求められるわけである。この測定は、全反射の条件で
行われるので、界面から１０００Å程度の領域からの情
報を選択的に得られるものである。

【００２５】（界面のコーン角θ_s）界面でのチルト角
θ，プレチルト角α，及びＸ線回折分析によって求めら
れたシェブロン構造の傾き角δより、以下の式によって
界面でのコーン角θ_sを求めることができる。 θ_s＝ｃｏｓ^-1（ｃｏｓδｃｏｓαｃｏｓθ＋ｓｉｎδ
ｓｉｎα）（真のチルト角Θの測定）１０Ｖ〜３０ＶのＤＣをＦＬ
Ｃ素子の上下基板間に印加しながら直交クロスニコル
下、その間に配置されたＦＬＣ素子を偏光板と水平に回
転させ第１の消光位（透過率が最も低くなる位置）をさ
がし、次に上記と逆極性のＤＣを印加しながら第２の消
光位をさがす。このときの第１の消光位から第２の消光
位までの角度の１／２を真のチルト角Θとした。

【００２６】（焼き付きの測定）図３のように上下の基
板にストライプ状の電極を付けそれらの交叉部に画素を
形成したマトリクス表示パネルを作成し、液晶を注入
し、しきい値を方形波にて測定した。

【００２７】初期状態で安定状態Ａから安定状態Ｂへの
しきい値、安定状態Ｂから安定状態Ａへのしきい値を測
定し、双安定であることを確認した。その後ａ、ｂの画
素をそれぞれ安定状態Ａ、安定状態Ｂにスイッチングさ
せ、３０℃に保って３日間放置した。その後ａ、ｂの画
素別々にしきい値の測定を行い、しきい値のズレを算出
した。

【００２８】（実施例１）以下、本発明に係る液晶素子
を作成した第１の実施例について説明する。

【００２９】ガラス基板上に、ＩＴＯ膜をスパッタ法に
よって約１５０ｎｍの厚さに形成し、この上に東レ社製
セミコファインＬＰ６４，クラレ社製ＰＶＡ（Ｒ−２１
０５），及び日産化学社製サンエバーＳＥ−１００を、
表１の条件でスピンコートし、次に、表２の条件でこれ
を焼成して、配向膜を作成した。

【００３０】また、６３３ｎｍの波長における屈折率が
１．９０８２であるショットグラス（Ｓｃｈｏｔｔｇ
ｌａｓｓ）社製ＬａＳＦ１８で作成した半球状プリズム
の底面上にも、スパッタ法によってＩＴＯ膜を約１５０
ｎｍの厚さに形成し、この上にも、ＬＰ６４，ＰＶＡ
（Ｒ−２１０５），及びＳＥ−１００を、表１の条件で
スピンコートし、表２の条件で焼成し、配向膜を作成し
た。

【００３１】作成した配向膜の膜厚はＬＰ６４が２５
Å，ＰＶＡ（Ｒ−２１０５）が１９０Å，ＳＥ−１００
が３７Åであった。

【００３２】

【表１】

【００３３】

【表２】この様にしてガラス基板上、及びプリズム底面上に作成
した配向膜に対して、ローラー押し込み０．４ｍｍ，ロ
ーラー回転数１６．７回転／秒，ローラー送り速度０．
２ｍｍ／秒の条件でラビング処理を施した。

【００３４】この様にして作成したガラス基板、及びプ
リズム底面に同じ処理をしたガラス基板を互いのラビン
グ方向が同じ向きになる様に、１．５μｍのギャップを
保って貼り合わせ、セルを作成した。

【００３５】該セルのプレチルト角αは、クリスタルロ
ーテーション法によって、また、シェブロン構造の傾き
角δはＸ線回折分析によって表３の様に求められた。

【００３６】

【表３】該セルにフェニルベンゾエート系液晶を主成分とする多
成分液晶で、真のチルト角Θが３０℃で２２．２°の強
誘電性液晶を注入した。相転移温度は以下の通りであ
り、Ｐｓは２４ｎＣ／ｃｍ² であった。

【００３７】

【数２】この様に作成したセルに±２０Ｖ，１０Ｈｚの交流電界
を３分間印加して層構造を変化させる処理を行ったとこ
ろ、３０℃において、見かけのチルト角は８．５°から
１９．５°に増大した。

【００３８】半球プリズムとガラス基板によって作成さ
れたセルについて、前記の交流印加処理を行った後、内
部全反射法で界面付近のチルト角θの測定を行った。測
定装置構成の概略を図２に示す。レーザーとしては出力
５ｍＷのＨｅ−Ｎｅレーザーを用い、方位角を変化させ
た場合の、反射光中に含まれる９０°偏光面が回転した
成分の強度の変化を、強誘電液晶の２つの安定状態につ
いて測定し、得られた２つのパターンのシフト角から、
界面におけるチルト角θを求めた。レーザーの入射角度
は、８０°で一定とした。

【００３９】次に、上下ともにガラス基板を用いて作成
したセルを用いて４０μｓｅｃの矩形パルスを１回印加
して、焼き付きの評価を行った。初期状態で安定状態Ａ
から安定状態Ｂへのしきい値電圧と、安定状態Ｂから安
定状態Ａへのしきい値電圧を測定し、これが同じ値Ｖ_i
であり、双安定性を示すことを確認した。その後、セル
を安定状態Ａにスイッチングさせ、３０℃に保って３日
間放置したセルについて、安定状態Ａから安定状態Ｂに
１０％スイッチングさせるのに要する電圧Ｖ_A→Bと、安
定状態Ｂから安定状態Ａに１０％スイッチングさせるの
に要する電圧Ｖ_B _→Aを測定した。

【００４０】ここで、焼き付きの程度をあらわすパラメ
ータとして、Ｓ＝（Ｖ_A→B−Ｖ_B→A）／Ｖ_i を定義し、この値の大きさによって焼き付きの程度を見
積った。

【００４１】内部全反射法によって求めた界面における
チルト角θと、界面のチルト角θとシェブロン構造の傾
き角δとプレチルト角αとから前述の式を用いて計算さ
れた界面でのコーン角θ_S，及び測定された焼き付きの
程度を表わすパラメータＳを表４に示す。

【００４２】

【表４】表４に示した様に、界面でのコーン角θ_Sが真のチルト
角Θ２２．２°の１／４以下のＬＰ６４，ＰＶＡ（Ｒ−
２１０５）を配向膜に用いたセルでは、焼き付きによる
しきい値電圧の変化が少なかった。

【００４３】（実施例２）以下、本発明に係る液晶素子
を作成した第２の実施例について説明する。

【００４４】ガラス基板上にＩＴＯ膜をスパッタ法によ
って約１５０ｎｍの厚さに形成し、この上に、クラレ社
製ＰＶＡ（Ｒ−２１０５）の１％水溶液を、３３．３回
転／秒，２０秒間の条件でスピンコートし、１００℃で
１０分の前焼成の後、１８０℃で３０分焼成し配向膜を
作成した。

【００４５】また、実施例１で述べた高屈折率ガラス半
球プリズムの底面上にもスパッタ法でＩＴＯを約１５０
ｎｍの厚さに形成し、この上にも、上記のガラス基板の
場合と同様にＰＶＡ（Ｒ−２１０５）の配向膜を作成し
た。作成した配向膜の膜厚は、１９０Åであった。

【００４６】この様にガラス基板上、及びプリズム底面
上に作成した配向膜に対して、表５に示す様にローラー
回転数を３通り変化させてラビング処理を施した。

【００４７】

【表５】この様にして作成したガラス基板、及び半球プリズム底
面に同じ処理をしたガラス基板を、互いのラビング方向
が同じになる様に、１．５μｍのギャップを保って貼り
合わせ、セルを作成した。

【００４８】該セルのプレチルト角αをクリスタルロー
テーション法によって求めたところ、上のＮｏ．１〜３
のラビング条件のいずれで作成したセルにおいても、プ
レチルト角αはほとんど０°であった。また、Ｘ線回折
分析によって求めたシェブロン構造の傾き角δは、１〜
３のいずれの条件で作成したセルにおいても４．０°で
あった。

【００４９】該セルに実施例１で述べたのと同じフェニ
ルベンゾエート系液晶を主成分とする多成分液晶で真の
チルト角Θが３０℃で２２．２°の強誘電液晶を注入し
た。その後実施例１で述べたのと同様に、このセルに１
２０Ｖ，１０Ｈｚの交流電界を３分間印加させる処理を
行ったところ、見かけのチルト角は、８．５°から１
９．５°にと増大した。

【００５０】半球プリズムとガラス基板によって作成さ
れたセルについて、前記交流印加処理を行った後に、実
施例１で述べた内部全反射法による界面におけるチルト
角θの測定を行った。

【００５１】次に、上下ともにガラス基板を用いて作成
したセルを用いて、実施例１で述べたのと同じ方法で焼
き付きの評価を行った。

【００５２】内部全反射法によって求めた界面における
チルト角θと、界面のチルト角θとシェブロン構造の傾
き角δとプレチルト角αとから前述の式を用いて計算さ
れた界面でのコーン角θ_S，及び測定された焼き付きの
程度を表わすパラメータＳを表６に示す。

【００５３】

【表６】表６に示した様に、ラビング条件を変化させて界面での
コーン角θ_Sを真のチルト角Θ２２．２°の１／４以下
にしたセルでは、焼き付きによるしきい値電圧の変化が
少なかった。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
双安定状態の安定性に優れ、しきい値が変化することが
少なく、焼き付きを防止した強誘電性液晶素子を得るこ
とができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に用いることのできる液晶素子の模式的
断面図。

【図２】本発明において界面でのチルト角θを測定する
のに用いた内部全反射法測定装置の構成の概略図。

【図３】マトリクス表示パネルの模式図。

【図４】界面におけるチルト角θ，界面におけるコーン
角θ_s，プレチルト角α，シェブロン構造の傾き角δを
示す図。

【符号の説明】

１１ａ，１１ｂ基板１２ａ，１２ｂ透明電極１３ａ，１３ｂ絶縁膜１４ａ，１４ｂ配向制御膜１５強誘電性液晶１６ビーズスペーサ１７ａ，１７ｂ偏光板２１光学顕微鏡２２ＩＴＯ配向膜付き半球プリズム２３強誘電性スメクチック液晶２４ＩＴＯ配向膜付きガラス基板２５回転ステージ２６白色光源２７Ｈｅ−Ｎｅレーザー２８光電子増倍管２９ａ，２９ｂ偏光子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】強誘電性液晶と、この強誘電性液晶を間
に保持して対向するとともにその対向面にはそれぞれ強
誘電性液晶に電圧を印加するための電極が形成されかつ
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
向もしくは逆方向の一軸性配向処理が施された一対の基
板とを備え、配向状態における強誘電性液晶が少くとも
２つの安定状態を示す強誘電性液晶素子において、プレ
チルト角αが１０°以下で、界面における強誘電性液晶
分子のコーン角θ_sが真のチルト角Θに比べて小さいこ
とを特徴とする強誘電性液晶素子。
【請求項２】界面における強誘電性液晶分子のコーン
角θ_sが真のチルト角Θの１／４以下である請求項１記
載の強誘電性液晶素子。
【請求項３】界面における強誘電性液晶分子のコーン
角θ_sが真のチルト角Θの１／６以下である請求項１記
載の強誘電性液晶素子。
【請求項４】界面における強誘電性液晶分子のコーン
角θ_sが真のチルト角Θの１／８以下である請求項１記
載の強誘電性液晶素子。
【請求項５】界面における強誘電性液晶分子のチルト
角θが真のチルト角Θの１／４以下である請求項２記載
の強誘電性液晶素子。
【請求項６】界面における強誘電性液晶分子のチルト
角θが真のチルト角Θの１／６以下である請求項３記載
の強誘電性液晶素子。
【請求項７】界面における強誘電性液晶分子のチルト
角θが真のチルト角Θの１／８以下である請求項４記載
の強誘電性液晶素子。
【請求項８】プレチルト角αが５°以下である請求項
１〜７記載の強誘電性液晶素子。
【請求項９】プレチルト角αが２°以下である請求項
１〜７記載の強誘電性液晶素子。
【請求項１０】シェブロン構造の傾き角度δが１０°
以下である請求項１〜９記載の強誘電性液晶素子。
【請求項１１】シェブロン構造の傾き角度δが５°以
下である請求項１〜９記載の強誘電性液晶素子。
【請求項１２】交流を印加することによって見かけの
チルト角を交流を印加しない場合よりも大きくすること
ができる様な請求項１〜１１記載の強誘電性液晶素子。