JPH06273711A

JPH06273711A - 液晶素子

Info

Publication number: JPH06273711A
Application number: JP6518493A
Authority: JP
Inventors: Junichi Ono; 純一小野; Toru Kashiwagi; 亨柏木; Yasushi Saito; 寧齋藤
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1993-03-24
Filing date: 1993-03-24
Publication date: 1994-09-30

Abstract

(57)【要約】【目的】高速応答性を有し、表示が明るく、メモリー
性光スイッチングを利用した単純マトリクス駆動法によ
りマトリクス表示を行うことができ、しかも薄膜化技術
が不要な液晶素子を提供する。【構成】カイラルスメクチックＣ相〔Ｃ^*〕を示す第
１の液晶材料の分子Ｌ１と、スメチックＡ相〔Ａ〕を示
すとともに、上記第１の液晶材料と相溶しない第２の液
晶材料の分子Ｌ２とにより、微細な相分離構造を有する
複合膜１を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＴＶ画面や一般ＯＡ機
器用、自動車表示パネル用、あるいは車載ナビゲーショ
ンシステムのディスプレー用等に使用される液晶素子に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術と発明が解決しようとする課題】メモリー
性光スイッチングを利用した単純マトリクス駆動法によ
りマトリクス表示が可能な液晶素子として、強誘電性液
晶材料を用いた表面安定化型強誘電性液晶素子（ＳＳＦ
ＬＣＤ）が、１９８０年にClark とLagerwall によって
提案されて以来、ＳＳＦＬＣＤについて数多くの研究が
なされている（Appl. Phys. Lett. 36(11), 1 June 198
0 PP899-901 ）。

【０００３】上記ＳＳＦＬＣＤは、１ｍｓ以下の高速応
答性やメモリー性等のすぐれた特徴を持っているが、液
晶の均一な配向が困難であること、液晶分子のらせん状
化を抑制すべく１〜２μｍという薄い電極間隔を維持す
る必要があること、その動作機構上、偏光軸を互いに直
交させた一対の偏光板が必要で素子が暗くなること、等
の種々の問題を有するため、未だ実用化には至っていな
い。

【０００４】上記ＳＳＦＬＣＤ以外の液晶素子として
は、厚膜における過渡光散乱を用いるものが提案されて
いる（吉野他、高性能フラットディスプレイ最新技術No
８７、Ｐ１８）。この液晶素子は、液晶層を挟持した基
材間に高周波の電場を印加した時、瞬間的に屈折率の空
間変化が生じて強く光を散乱するようになることを利用
したもので、偏光板が不要で明るい表示が得られる、高速応答性にすぐれる、配向処理が不要である、薄膜化技術が不要である、等の利点を有している。

【０００５】しかし上記液晶素子は、光散乱状態にメモ
リー性がなく、電場の印加を停止すると直ちに透明状態
に戻るため、ＳＳＦＬＣＤのようにメモリー性光スイッ
チングを利用した単純マトリクス駆動法により、マトリ
クス表示を行うことができない。本発明は以上の事情に
鑑みてなされたものであって、高速応答性を有し、表示
が明るく、メモリー性光スイッチングを利用した単純マ
トリクス駆動法によりマトリクス表示を行うことがで
き、しかも薄膜化技術が不要な液晶素子を提供すること
を目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段および作用】上記課題を解
決するため本発明者らは、強誘電性液晶材料に、異なる
液晶性を示す他の液晶材料を併用することで、前述した
強誘電性液晶材料の欠点を解消することを検討した。そ
して、併用する液晶材料について種々検討を行った結
果、素子の使用温度領域でカイラルスメクチックＣ相を
示す強誘電性液晶材料（第１の液晶材料）に、同じ温度
領域でスメチックＡ相を示すとともに、上記強誘電性液
晶材料と相溶せずに相分離する第２の液晶材料を併用し
て、微細な相分離構造を有する複合膜を形成すると、高
速応答性を有しかつ表示が明るく、メモリー性光スイッ
チングを利用した単純マトリクス駆動法によりマトリク
ス表示を行うことができ、しかも薄膜化技術が不要な液
晶素子が得られることを見出し、本発明を完成するに至
った。

【０００７】すなわち本発明の液晶素子は、上記第１の
液晶材料と第２の液晶材料とで形成された、微細な相分
離構造を有する複合膜を、一対の基材で挟持したことを
特徴とする。上記本発明の液晶素子においては、互いに
相溶しない第１の液晶材料と第２の液晶材料とによっ
て、図１(a) に模式的に示すように、複合膜１中に、カ
イラルスメクチックＣ相〔図中２本の一点鎖線間のＣ^*
の領域〕と、スメクチックＡ相〔上記Ｃ^*の領域の両側
のＡの領域〕の２相からなる微細な相分離構造が構成さ
れる。

【０００８】この相分離構造においては、カイラルスメ
クチックＣ相を示す第１の液晶材料の分子（第１の液晶
分子）Ｌ１が、相の界面で、スメクチックＡ相を構成す
る第２の液晶材料の分子（第２の液晶分子）Ｌ２と接触
することにより、当該第２の液晶分子Ｌ２の配列による
規制力を受けて、薄膜化したときと同様に、液晶相法線
Ｎを軸とするらせん構造の形成が抑制され、らせん構造
がほどけて、図２に実線または一点鎖線で示すように、
複合膜に印加される電場の極性に応じて、分子内の双極
子Ｌ１ａが下向きまたは上向きの２状態のうち何れかの
みをとるようになる。

【０００９】そして、分子内の双極子Ｌ１ａが図２にお
いて下向きとなり、第１の液晶分子Ｌ１が実線で示す状
態となる極性の電場（図１(a) 中の記号

【００１０】

【外１】

【００１１】の方向の電場）が複合膜１に印加される
と、同図に示すように、カイラルスメクチックＣ相を構
成する第１の液晶分子Ｌ１と、スメクチックＡ相を構成
する第２の液晶分子Ｌ２とがともに同一方向に配列し
て、複合膜は、光を散乱しない透明な状態となる。一
方、分子内の双極子Ｌ１ａが図２において上向きとな
り、第１の液晶分子Ｌ１が一点鎖線で示す状態となる極
性の電場（図１(b) 中の記号

【００１２】

【外２】

【００１３】の方向の電場）が複合膜１に印加される
と、同図に示すように第１の液晶分子Ｌ１が反転し、両
相の界面で液晶配列の乱れが生じて、複合膜は光を散乱
するようになり、白濁状態に転換する。以上の動作機構
からわかるように本発明の液晶素子は、カイラルスメク
チックＣ相を示す強誘電性の第１の液晶分子Ｌ１の反転
により複合膜１が白濁⇔透明の動作をするので、高速応
答性を有している。また本発明の液晶素子は、上記のよ
うに強誘電性液晶を使用しているにも拘らず偏光板を必
要としないので、明るい表示が得られる。また上記２状
態は、スメクチックＡ相の配列安定性により、電場の印
加を停止しても安定に保持される（メモリー性を有す
る）ので、本発明の液晶素子は、メモリー性光スイッチ
ングを利用した単純マトリクス駆動法によるマトリクス
表示が可能である。しかも本発明の液晶素子は、上記の
ように強誘電性液晶を使用しているにも拘らず薄膜化技
術を必要としないので、製造が容易である。

【００１４】以下に本発明を説明する。本発明の液晶素
子は、図３に示すように、上記のように特有の相分離構
造を有する複合膜１を、従来同様に一対の基材２で挟持
することで構成される。複合膜１を構成する第１および
第２の液晶材料としては、前記のように互いに相溶せ
ず、かつ複合膜化した際に微細な相分離構造を保持しう
るものであれば、従来公知の種々の液晶材料を使用する
ことができる。

【００１５】つまり第１の液晶材料としては、従来公知
の種々の液晶材料の中から、素子の使用温度領域でカイ
ラルスメクチックＣ相を示すとともに、第２の液晶材料
と相溶せずに相分離するものが選択され、第２の液晶材
料としては、同じ温度領域でスメクチックＡ相を示すと
ともに、第１の液晶材料と相溶せずに相分離するものが
選択される。

【００１６】上記のような液晶材料の組み合わせは種々
考えられるが、一方が主鎖型あるいは側鎖型の液晶性高
分子で、他方が低分子の（ここでいう「低分子の」と
は、液晶性高分子のような主鎖構造、側鎖構造を有しな
いということを表し、決して分子量で規定しているので
はない。）液晶材料である組み合わせが、相分離構造の
明確化の点で好ましい。また液晶性高分子を使用するの
で、複合膜１に自己支持性を付与できるという利点もあ
る。とくに好ましい組み合わせとしては、カイラルスメ
クチックＣ相を示す強誘電性の第１の液晶材料として低
分子のものを使用し、第２の液晶材料として液晶性高分
子を使用する場合があげられる。この場合は、強誘電性
液晶の高速応答性を保持しつつ、明確な相分離構造がえ
られる。

【００１７】複合膜１を構成する第１および第２の液晶
材料の配合割合は、本発明ではとくに限定されないが、
たとえば上記のように、第１の液晶材料として低分子の
ものを使用し、第２の液晶材料として液晶性高分子を使
用する場合には、高速応答性、透明⇔白濁のコントラス
ト、複合膜１の自己支持性等を考慮すると、重量比で、
（第１の液晶材料）／（第２の液晶材料）＝１／９〜９
／１程度の割合で両液晶材料を配合するのが好ましい。
液晶性高分子である第２の液晶材料の割合が上記範囲を
超えた場合には、素子の応答速度が遅くなるおそれがあ
り、逆に第２の液晶材料の割合が上記範囲を下回った場
合には、前記本発明の素子の動作機構から明らかなよう
に、透明⇔白濁のコントラストが低下するおそれがある
他、複合膜１の自己支持性等が低下するおそれもある。

【００１８】上記複合膜１には、当該複合膜１を挟持す
る一対の基材２の間隔を一定に保つために、粒状のスペ
ーサ材を混入させてもよい。スペーサ材としてはシリカ
製、ガラスファイバー製または樹脂製のいずれを使用し
てもよく、その粒径は、所望の基材間隔に応じて適宜選
ぶことができる。混合割合は、液晶面積１ｍｍ²あたり
２０〜２００個程度であればよい。

【００１９】複合膜１の材料である、上記各成分からな
る混合物は、とくに第１および第２の液晶材料のうちの
一方が液晶性高分子である場合に、比較的粘度の高いク
リーム状を呈し、液晶の流動によってスペーサ材の分布
が局在化することがないので、スペーサ材を液晶中に均
一に分散させれば、基材２の間隔を一定に保つことがで
きる。

【００２０】なお上記粒状のスペーサ材に代えて、複合
膜１の周囲にフィルム状のスペーサを配置することもで
きる。複合膜１の膜厚は本発明ではとくに限定されない
が、２〜２０μｍの範囲内であるのが好ましい。膜厚が
２μｍ未満では十分な白濁が起こらず、透明⇔白濁のコ
ントラストが低下するおそれがあり、２０μｍを超えた
場合には、素子の駆動電圧が高くなりすぎるおそれがあ
る。

【００２１】上記複合膜１を挟持する一対の基材２とし
ては、ガラス板等の、液晶素子の基材として従来より使
用されている種々の基材が使用可能であるが、重くかつ
割れやすいというガラス板の欠点を解消して、軽量でし
かも丈夫な素子を得るには、プラスチックフィルムやプ
ラスチック板が、基材２として好適に使用される。プラ
スチックフィルムとしては、たとえば耐熱性、実用的強
度、光学的均一性などにすぐれたポリエチレンテレフタ
レート（ＰＥＴ）フィルムやポリエーテルスルホン（Ｐ
ＥＳ）フィルム等があげられる。プラスチックフィルム
の厚みは、これに限定されるものではないが、５０〜５
００μｍ程度が好ましい。

【００２２】プラスチック板としては、たとえば各種ア
クリル樹脂板、ポリカーボネート板、ポリスチレン板等
の、光学的特性にすぐれたプラスチック板が好適に使用
される。プラスチック板の厚みは、これに限定されるも
のではないが０．５〜３mm程度が好ましい。一対の基材
２のうち少なくとも一方の表面には、複合膜１に電場を
印加するための電極層が形成される。透過型の素子の場
合、電極層としては、ＩＴＯ（インジウム−チン−オキ
サイド）やSnＯ₂等の透明導電材料からなる透明導電膜
が好適に使用される。透明導電膜は、真空蒸着法や反応
性スパッタリング法により形成される他、上記透明導電
材料を含むインクを基材２上に塗布あるいは印刷して形
成することもできる。また本発明の液晶素子をデータ等
の表示に用いるべく、単純マトリクス駆動する場合、上
記透明導電膜には、エッチング等により所定のパターン
が形成される。

【００２３】上記基材２の、複合膜１と接する最表面
（電極層を有する基材の場合は当該電極層の表面、電極
を有さない基材の場合は基材自身の表面）には、液晶の
配向を制御する配向処理を施すこともできる。前述した
ように複合膜１の透明化は液晶の配向により発生するた
め、当該複合膜１が白濁状態から透明状態へ変化する速
度や、透明状態での光透過率、透明状態での液晶の安定
性等の特性には基材２の表面状態が大きく影響してお
り、複合膜１と接する基材２の最表面に配向処理を施し
て、液晶の配向を制御すると、上記の特性を向上できる
可能性がある。

【００２４】基材表面の配向処理方法としては、基材の最表面に、SiＯ等を斜方蒸着する、基材の最表面を１方向にラビング処理する、基材の最表面に高分子からなる液晶配向膜を形成
し、その液晶配向膜の表面を１方向にラビング処理し
て、水平配向性を付与する、１方向に延伸した高分子フィルムを貼付する、等の方法があるが、とくにの液晶配向膜を形成してそ
の表面を１方向にラビング処理する方法が好適に採用さ
れる。

【００２５】上記液晶配向膜としては、耐熱性、安定
性、他の液晶表示方式での使用実績等を考慮すると、ポ
リイミド系の高分子やその誘導体、あるいはその共重合
体の薄膜が好適に使用されるが、複合膜材料との相性等
を考慮して、ポリビニルアルコール等の他の高分子から
なる薄膜を使用することもできる。また素子の特性等を
考慮すると、液晶配向膜を構成する高分子材料は着色が
少なく透明性にすぐれるとともに、素子の電圧降下を少
なくするために高誘電率であるのが望ましい。

【００２６】上記液晶配向膜は、高分子材料を適当な溶
媒に溶解または分散させた塗布液を、基材２の表面に塗
布または印刷した後、溶媒を乾燥除去するか、または高
分子材料の硬化性のプレポリマーを、適当な溶媒に溶解
または分散させた塗布液を基材２の表面に塗布または印
刷して、溶媒を乾燥除去するとともに、プレポリマーを
硬化させることにより形成される。液晶配向膜の膜厚は
とくに限定されないが、２０Åないし０．５μｍ程度が
よい。液晶配向膜の表面をラビング処理して水平配向性
を付与するには、従来同様に、適当な布地を使用すれば
よい。

【００２７】配向処理は、複合膜１を挟持する一対の基
材２のうちの一方のみに施しても、また両方に施しても
よい。複合膜１を挟持する両方の基材２に配向処理を施
す場合には、その方向が互いに平行になるように素子を
組み立てるのがよい。上記本発明の液晶素子は、従来公
知の種々の製造方法により製造することができる。たと
えば基材２として、フィルム等の屈曲性のある基材を使
用する場合には、上記各成分を適当な溶媒に溶解し、そ
こへ前述した粒状のスペーサ材を分散した後、乾燥して
得たペースト状の混合物を一方の基材２上に載置し、そ
の上にもう一方の基材２を重ねてラミネート処理するこ
とで複合膜１を形成する、いわゆるラミネート法が好適
に採用される。

【００２８】またガラス基材や硬質プラスチック基材等
の従来同様の基材を使用する際には、フィルム状のスペ
ーサ等で一定距離に保持した一対の基材２間に上記混合
物を注入して複合膜１を形成する方法や、あるいは一方
の基材２の表面に、上記各成分を適当な溶媒に溶解した
塗布液を塗布し、乾燥固化させて複合膜１を形成した
後、もう一方の基材２を重ね合わる方法等が採用され
る。前者において、混合物を基材２間に注入する方法と
しては、混合物を毛細管現象によって含浸させる方法
や、基材２間の隙間を減圧状態にして混合物を吸い込ま
せる方法等があげられる。これらの方法により混合物を
基材２間に注入する際には、その注入をスムーズに行わ
せるために、混合物を加熱して粘度を低下させてもよ
い。また同時に基材２を加熱してもよい。混合物および
基材２の加熱温度はとくに限定されず、液晶性高分子や
高分子材料等が分解したり変質したりしない温度範囲
で、かつ注入がスムーズになる温度に加熱すればよい。

【００２９】また後者において、塗布液を基材２の表面
に塗布する方法としては、バーコート法スピンコート
法、プレコート法、ローラーコート法等の従来公知の種
々の塗布方法が採用できる。前記のように表面を配向処
理した基材２を使用する場合には、複合膜１を構成する
液晶分子の配向性を向上させるために、上記の各法で製
造された液晶素子を、第１および第２の液晶材料がとも
にネマチック相または等方相を示す温度以上に加熱した
後、徐冷してもよい。前述した、混合物を基材２間に注
入する製造方法で液晶素子を製造する際には、注入時の
混合物の加熱温度を上記温度範囲に設定し、注入後の冷
却を徐冷にすると、製造後の加熱処理が不要となる。

【００３０】本発明の液晶素子は、複合膜１が、素子の
使用温度領域でカイラルスメクチックＣ相を示す第１の
液晶材料と、同じ温度領域でスメチックＡ相を示す第２
の液晶材料とで形成された微細な相分離構造を有するこ
と、以外の構成についてはとくに限定されない。たとえ
ば一方の基材２の裏面に反射膜を設ける等して反射型の
素子とするなど、本発明の要旨を変更しない範囲で、従
来の液晶素子と同様な、種々の設計変更を施すことがで
きる。

【００３１】

【実施例】以下に本発明を、実施例、比較例に基づき説
明する。実施例１下記式(1) ：

【００３２】

【化１】

【００３３】で表される繰り返し単位を有し、かつ室温
でスメクチックＡ相を示す液晶性高分子（Macromolecul
e 1991, 24, 4531-4537 ）１０重量部と、室温でカイラ
ルスメクチックＣ相を示す低分子の液晶材料（チッソ社
製の品番ＣＳ−３０００）９０重量部とを、適量のジク
ロロメタンに溶解した後、エバポレートによりジクロロ
メタンを乾燥除去して混合物を得た。この混合物を１３
０℃に加熱しつつ、フィルム状のスペーサにより５μｍ
の間隔に保持した、表面にＩＴＯ電極層が形成された２
枚のガラス基材の間に、真空含浸法によって含浸させて
液晶素子を作製した。

【００３４】実施例２表面にＩＴＯ膜が形成されたガラス基材の、当該ＩＴＯ
膜上に、ポリイミド系配向膜用塗布液（東レ社製の品番
ＬＰ−６４）をスピンコート法で塗布し、乾燥させた
後、１８０℃で２時間、加熱硬化させて、高分子膜を形
成した。つぎにこの高分子膜の表面を、ラビング布（吉
川化工社製の品番ＹＡ２０Ｒ）を用いて１方向にラビン
グ処理して、液晶配向膜を形成した。そしてこのガラス
基材２枚を、ラビングの方向が互いに平行になるように
配置し、フィルム状のスペーサによって５μｍの間隔に
保持しつつ、実施例１で得た混合物を１３０℃に加熱し
て真空含浸させて、液晶素子を作製した。

【００３５】比較例１混合物に代えて、室温でカイラルスメクチックＣ相を示
す低分子の液晶材料のみを使用したこと以外は、上記実
施例２と同様にして液晶素子を作製した。応答性試験上記各実施例、比較例の液晶素子を分光光度計にセット
した状態で、当該素子の一対のＩＴＯ膜間に６０Ｖ、１
０ｍｓの、正または負の矩形波パルスを印加した時の、
He−Neレーザ光（波長６３３nm）の透過率の変化を測定
した。その結果、実施例１の液晶素子は図４、実施例２
の液晶素子は図５に示すようにいずれも、負のパルスを
印加すると白濁→透明、正のパルスを印加すると透明→
白濁の変化を示した。またこれらの図にみるようにパル
スを印加していない状態では、その直前に印加したパル
スの極性に応じた状態を保持し、メモリー性を有するこ
とが確認された。

【００３６】また上記実施例１，２の結果を比較する
と、基材表面を配向処理した実施例２の方がコントラス
トが向上していることが確認された。一方、比較例１の
液晶素子は、正負いずれのパルスを印加したときも、そ
の瞬間だけ白濁したが直ちに透明状態に戻ってしまい、
メモリー性のないことがわかった。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述したように本発明の液晶素子
は、素子の使用温度領域でカイラルスメクチックＣ相を
示す強誘電性の第１の液晶材料と、同じ温度領域でスメ
チックＡ相を示す第２の液晶材料とを併用してなる、微
細な相分離構造を有する、従来にない新規な複合膜を備
えているため、高速応答性を有しかつ表示が明るく、メ
モリー性光スイッチングを利用した単純マトリクス駆動
法によりマトリクス表示を行うことができるとともに、
薄膜化技術が不要となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶素子において、第１の液晶材料の
分子と第２の液晶材料の分子とからなる、複合膜の微細
な相分離構造を模式的に表す図であって、同図(a) は透
明状態の複合膜における液晶分子の配列を示す図、同図
(b) は白濁状態の複合膜における液晶分子の配列を示す
図である。

【図２】強誘電性の第１の液晶材料の分子の配向状態を
模式的に示す図である。

【図３】本発明の液晶素子の層構成を示す断面図であ
る。

【図４】実施例１の液晶素子における、印加電圧と透過
率との関係を示すグラフである。

【図５】実施例２の液晶素子における、印加電圧と透過
率との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１複合膜２基材Ｌ１第１の液晶材料の分子Ｌ２第２の液晶材料の分子Ｃ^* カイラルスメクチックＣ相ＡスメチックＡ相

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】素子の使用温度領域でカイラルスメクチッ
クＣ相を示す第１の液晶材料と、同じ温度領域でスメチ
ックＡ相を示すとともに、上記第１の液晶材料と相溶せ
ずに相分離する第２の液晶材料とで形成された、微細な
相分離構造を有する複合膜を、一対の基材で挟持したこ
とを特徴とする液晶素子。