JPH06308457A - 液晶電気光学装置の駆動法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 強誘電性液晶を用いた液晶電気光学素子にお
いて、駆動マージン内でのコントラスト比の変動を抑制
する。 【構成】 強誘電性液晶を用いた液晶電気光学素子にお
いて、カイラルスメクチック液晶の誘電率異方性をΔ
ε、駆動波形の電界強度をＥ、駆動可能な最長パルス幅
をΔＴｍａｘ、液晶のコーン角をΘ、自発分極Ｐｓ、粘
度η、液晶層方向の基板法線方向とのなす角をδとした
とき、 【外１】 をみたすことを特徴とする液晶電気光学素子。

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カイラルスメクチック液晶を利用
した液晶電気光学装置の駆動法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）及びラガーウオ
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（ＳｍＣ^* ）又はＨ相（ＳｍＨ^* ）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、且つ
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】このような双安定性状態が付与されたカイ
ラルスメクチック液晶素子は、一般的に液晶層が２μｍ
以下の極めて薄い膜厚で形成され、実用上、−１０〜５
０℃の広い温度範囲でコントラストの変動の少ない良好
な画像出しが可能であることが必要である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一般に
カイラルスメクチック液晶の誘電率異方性（Δε）は、
温度および周波数に依存するので、特に様々な温度条
件、駆動周波数、駆動電圧、駆動波形などの駆動条件で
画像表示を行なう際、一定のコントラストは得られず、
必ずコントラスト変動を伴ってしまうという問題があ
る。Δε以外にも、Ｐｓ、η、駆動電圧、駆動パルス幅
などもコントラスト変動に関係している。

【０００５】したがって、本発明の目的は、液晶電気光
学装置において、上記の問題点を解決し、特にカイラル
スメクチック液晶を用いた液晶電気光学装置におけるコ
ントラストの変動を少なくし、良好な画像出しが可能な
駆動方法を提供することにある。

【０００６】

【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２枚の対向する基板によって挟持された
スメクチック液晶、前期液晶の電圧を印加するための電
極、および該液晶の一軸性配向軸を互いに所定の角度で
交差もしくは平行であるように規制すべく所定の処理を
施した層を具備する液晶素子において、前記カイラルス
メクチック液晶の誘電率異方性をΔε、自発分極をＰｓ
（ｎＣ／ｃｍ² ）、コーン角をΘ（°）、層傾斜角をδ
（°）素子に印加する電界強度をＥ（ｖ／μｍ）、粘度
をη（×１０^-3Ｋｇ／ｍ・ｓｅｃ）、素子に印加する駆
動波形の駆動可能な最長パルス幅を●Ｔｍａｘ（μｓｅ
ｃ）とした時、前記パラメーター群が下記式

【０００７】

【外２】 なる関係を有することを特徴としている。

【０００８】

【作用】一般にカイラルスメクチック液晶を用いた液晶
素子をディスプレパネルとして実際に使用する場合、上
下基板にマトリックス状に配置した走査電極と情報電極
とを介して上下基板間に電界が印加されるが、実際に画
像表示を行う時には例えば、図２に示される如き波形の
電界が印加され、白表示を行う時には波形６１、黒表示
を行う時には波形６２で示される如き波形の電界が印加
される。しかし各マトリックス（各走査電極と情報電極
との交差部）上で白および黒を表示するために必要な電
界はそれぞれ区間６４および区間６５の選択期間のみ印
加され、他の区間は白黒書き換えにまでは至らない弱い
電界、すなわち情報信号波形が正負交互に印加される非
選択期間であり、各マトリックスには選択期間の電界よ
りも非選択期間の電界が圧倒的に長い時間印加される。
このように、液晶分子の反転に至らない弱い電界が正負
交互して液晶に印加された場合、ある一方の安定状態に
ある液晶分子の自発分極に対向する電界が印加された瞬
間、液晶分子にはもう一方の安定状態へ反転させようと
する力が働き、カイラルスメクチック状態で存在するコ
ーン上を反転方向へわずかに移動するが、次の瞬間に印
加される逆極性の電界のために元の安定状態に戻される
という挙動を繰り返し、結果的に液晶分子がコーン上で
揺らぐという現象が生じる。それ故、黒表示を行った時
に光抜けが生じ、黒が淡くなって、コントラストが低下
してしまうことがわかっている。

【０００９】この現象は６３で示した光学応答波形に具
体的に示されている。さらに、上記のディスプレイパネ
ルをある温度で、図１に示される駆動パルス幅ΔＴを変
化させて、階調表示を行った場合には、ΔＴが長くなる
につれてコントラスト比が徐々に低下していくことが観
測される。本発明者らは、このようなコントラスト比の
変動を極力少なくするために、次のような検討を行っ
た。

【００１０】カイラルスメクチック液晶素子において、
コーン上に存在する液晶分子に対して外界から働く力に
関する運動方程式は、

【００１１】

【外３】 である。ただし、〔数１〕式中、ηは液晶の粘性、φは
コーン上に存在する分子の位置を示す方位角、Ｐｓは自
発分極、ε₀は真空の誘電率である。

【００１２】しかし、〔数１〕は、液晶の持つ弾性に起
因するトルクを示す項の存在を無視した近似式である。
さらにカイラルスメクチック液晶は一般に基板法線に平
行な層構造とは異なり、くの字型をしたシェブロン構造
（図２）を形成する。発明者らの実験によると、ゆらぎ
がシェブロン構造の層傾斜角δときわめて強い相関を有
していることが判明しているが〔数１〕にはδを含む項
が含まれておらずこの点でも不十分である。

【００１３】そこでシェブロン構造下での、弾性トルク
の効果をも考慮にいれて運動方程式をたてなおしてみる
と、以下の〔数２〕式のようになる。

【００１４】

【外４】 ここで、ｙ軸はセル厚方向にとり、Ｂは液晶分子のＣ−
ダイレクタのねじれの弾性定数である。

【００１５】〔数２〕式を正確に解くことができれば、
液晶分子に作用している回転力を全て考慮にいれてある
ので、ゆらぎと各物性値との相関が得られる。ところが
〔数２〕式は、非線形の偏微分方程式であり、数値解析
以外に解く手段はない。そこで、本発明者らは、ゆらぎ
の実験データと、〔数２〕式の表わす各物性値との相関
について、定量的に検討したところ、 Ｐｓ・Ｅ・ΔＴｍａｘ・Δε・（ｓｉｎδｓｉｎΘ）¹⁰ なる物性値の組み合わせパラメーターが、液晶分子のゆ
らぎとよい相関を示すことを発見した。

【００１６】この式は、ゆらぎの値が、Ｐｓ、Ｅ、ΔＴ
ｍａｘに比例、またηがゆらぎに反比例することを示す
ので、実験結果とよく対応している。さらに、ゆらぎの
値がδ、Θに大きく依存することを示す。また、Δεの
値に関しては、正、負のどちらの場合もとりうるので、
ゆらぎに対する効果は複雑であるが、このパラメーター
内では比例関係を有していることを示している。

【００１７】なお、このような液晶素子における、液晶
層の傾斜角δ、プレチルト角αは以下のように測定する
ことができる。

【００１８】層の傾斜角δを測定するには、基本的には
クラーク（Ｃｌａｒｋ）およびラガウォル（Ｌａｇｅｒ
ｗａｌｌ）によって発表された方法（ジャパンディスプ
レイ（Ｊａｐａｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）’８６、９月３０
日〜１０月２日、１９８６４．ｐｐ．４５６−４５８）
あるいは大内らの方法（ジャパニーズ ジャーナルオブ
アプライド フィジックス）（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊ
ｏｕｒｎａｌ ｏｆＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃ
ｓ）、２７（５）（１９８８）ｐｐ．Ｌ７２５−７２
８）と同様の方法を用いた。

【００１９】測定装置は、回転対陰極方式のＭＡＣサイ
エンス社製Ｘ線回析装置を用い、銅のＫα線を分析線と
した。

【００２０】液晶セルには、基板ガラスとしてＸ線の吸
収を極力低減するために、８０μｍ厚ガラス（コーニン
グ社製、商品名マイクロシート）を用い、その他は通常
のセル化工程をそのまま使用した。

【００２１】まず、液晶の層間隔を求める為に、バルク
（Ｂｕｌｋ）液晶を試料ガラス上に塗り、通常の粉末Ｘ
線回析と同様に２θ／θスキャン（ｓｃａｎ）を行って
求めた。

【００２２】層の傾斜角δの測定は、前記８０μｍ厚ガ
ラスで、同じガラスをスペーサーとして８０μｍギャッ
プ（ｇａｐ）のセルを形成し、電磁石中で基板と平行な
方向に磁場をかけながら等方相から徐冷し、水平配向処
理を施したセルを用意した。これに前記層間隔を得た回
析角２θにＸ線検出器を合わせ、セルをθスキャンし、
前記文献に示された方法でδを算出した。尚、この測定
法によるδの値は、セル厚依存性をほぼ排除した液晶組
成物固有のものである。

【００２３】また、セルとして、後述する配向制御膜２
４ａ、２４ｂとしてＬＰ−６４（ポリイミド形成液、日
立化成社製）を８０μｍ厚のガラスに塗布、焼成し、ラ
ビング処理したものをセルギャップ１．３μｍで貼り合
わせたものを用いても、δの値は、ほぼ同じとなる。

【００２４】プレチルト角αは、「ジャパニーズ ジャ
ーナル オブ アプライド フィジックス（Ｊａｐａｎ
ｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈ
ｙｓｉｃｓ）」ｖｏｌ １９．（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）に従って求める。
すなわち、例えば、平行かつ反対方向にラビングした基
板を貼り合わせてセル厚２０μｍのセルを作成し、チッ
素社製強誘電性液晶ＣＳ−１０１４に、以下の構造式で
示される化合物を重量比で２０％混合したものを標準液
晶として封入し、測定を行った。

【００２５】

【外５】 （なお、この混合した液晶組成物は１０〜５５℃でＳｍ
Ａ相を示す。）αの値の測定は、液晶セルを上下の基板
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
ーザー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する。そして、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、下記の式
（３）に代入してプレチルト角αを求めた。

【００２６】

【外６】 ｎ₀ ：常光屈折率 ｎ₀ ：非常光屈折率

【００２７】

【実施例】以下、具体的な実施例の説明を行う。

【００２８】（実施例１）図１は、本発明の一実施例に
係る液晶素子を模式的に示す断面図である。この液晶素
子は、同図に示すように、カイラルスメクチック液晶１
５と、この液晶±５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カイラルスメクチック液晶に電圧
を印加するための電極１２ａ、１２ｂが形成され、かつ
液晶を配向するための一軸性配向軸が互いに所定の角度
で交差した配向処理が施された一対の基板１１ａ、１１
ｂとを備える。

【００２９】基板１１ａと１１ｂはガラス板で構成さ
れ、それぞれＩｎ₂ Ｏ₃ やＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉ
ｎ Ｏｘｉｄｅ）等の透明電極１２ａと１２ｂで被覆さ
れている。そして、その上に２００〜３０００Å厚のＳ
ｉＯ₂ 膜、ＴｉＯ₂ 膜、Ｔａ₂Ｏ₅ 膜等の絶縁膜１３ａ
と１３ｂ、およびポリイミドで形成した５０〜１０００
Å厚の配向制御膜１４ａと１４ｂとがそれぞれ積層され
ている。ここでは、透明電極１２ａと１２ｂが設けれら
たガラス基板１１ａ、１１ｂ上に、酸化タンタルの薄膜
をスパッタ法で形成し、その上に図２の構造式で示され
る日立化成（株）製のポリアミド酸ＬＱ１８０２の１％
ＮＭＰ溶液をスピンナで塗布し、２７０℃で１時間焼成
することにより構成している。

【００３０】配向制御膜１４ａと１４ｂは、配向方向が
下側の配向制御膜１４ｂを基準として上側の配向制御膜
１４ａが上側の配向制御膜１４ａの方からみて左回りに
８°の交差角を有するように一軸性配向処理を行ない、
かつ同一向き（図１でいえばＡ方向）になるようにラビ
ング処理（矢印Ａ方向）してある。以下、ここではこの
ように交差角を定義する。基板１１ａと１１ｂとの間の
距離は、カイラルスメクチック液晶１５のらせん配列構
造の形成を抑制するのに十分に小さい距離、例えば０．
１〜０．３μｍに設定される。ここでは、１．２〜１．
３μｍとしている。この距離は、基板基板１１ａと１１
ｂとの間に配置したビーズペーサ１６（シリカビーズ、
アルミナビーズ等）によって保持されている。

【００３１】カイラルスメクチック液晶１５は、双安定
性配向状態を生じている。１７ａ、１７ｂは偏光板であ
る。

【００３２】上記の液晶素子に、フェニルピリミジンを
主成分とする液晶組成物Ａを等方性液体状態で注入し、
カイラルスメクチック液晶素子を作成した。プレチルト
角は１８．５°であった。

【００３３】このカイラルスメクチック液晶素子を使っ
て、図３に示した駆動波形を用いて駆動マージンを測定
した。すなわち図２において６１の白波形を用いて駆動
電圧Ｖｏｐを一定に保ちながら、駆動パルス幅ΔＴを小
さな値から徐々に増加させていくと、ある閾値ΔＴｍｉ
ｎ（周波数に変換するとｆｍａｘ）で白が書き込めるよ
うになり、さらにΔＴを増加させていくと情報信号など
の効果によりクロストークを起こすようになる。この直
前のΔＴをΔＴｍａｘ（周波数に変換するとｆｍｉｎ）
とする。このような測定を、全く同様に黒波形６２につ
いても行ないΔＴｍｉｎおよびΔＴｍａｘを求める。そ
して白、黒それぞれの波形について求めたΔＴの共通す
る領域をあらためてΔＴｍｉｎ〜ΔＴｍａｘ（周波数に
変換するとｆｍａｘ〜ｆｍｉｎ）とし、この時間幅を駆
動マージンと定義した。

【００３４】次に、以下のようにして誘電率の測定を行
った。すなわち、まず、ガラス板上にＩＴＯ膜を形成
し、その上にポリイミド配向膜（東レ（株）製ＬＰ−６
４）を５０Åで形成し、ラビング処理により水平配向セ
ルを形成した。一方、ポリイミドの代わりにカップリン
グ剤（チッソ（株）製ＯＤＳ−Ｅ）を用いて垂直配向セ
ルを形成した。

【００３５】これら２つのセルにそれぞれ上記の強誘電
性液晶を注入し、水平配向セルを用いて液晶分子の長軸
方向の比誘電率を測定し、垂直配向セルを用いて液晶分
子の長軸に垂直な方向の比誘電率を測定した。この測定
は、ＹＨＰ社のＬＣＲメーター４１９２Ａを用い、０．
５Ｖｓｉｎ波、２０ｋＨｚの条件で行った。

【００３６】これら２つの比誘電率の差からΔεの値を
求めた。液晶組成物Ａの温度と周波数を変化させた時の
Δεの変化を図４にまとめてグラフで示した。

【００３７】さらに表１には、Ｐｓ、η、δ、Θの各物
性値の温度特性を示した。

【００３８】コントラストの変化は、直交クロスニコル
下、フォトマル（浜松フォトニクス社製）で光学応答を
検知し、図２の６２波形で黒を書込みながら６３波形の
情報信号印加時のピーク電圧値（ｍＶ単位）をΔＴｍｉ
ｎ、ΔＴｍａｘのパルス幅において測定した。

【００３９】以上記した方法に従って得た結果をまとめ
て表２に示した。

【００４０】まず温度を３０℃とし、駆動電圧Ｖｏｐを
１１．０〜３３．１Ｖの間で変化させた時の駆動マージ
ン、Δε、コントラスト変化、およびＰｓＥΔＴｍａｘ
Δε（ｓｉｎδｓｉｎΘ）¹⁰×１０¹⁴／ηの値を実施例
１〜４および比較例１〜２で示した。

【００４１】この結果より上式の値が−５０〜６０の範
囲に入っていれば駆動パルス幅ΔＴｍａｘにおけるコン
トラスト変化を小さく抑えられることがわかる。

【００４２】さらに、実施例５、６ではＶｏｐは一定に
して温度を変化させた場合を示す。この結果からも、上
式の値が指定した範囲に入っているので、Ｔｍａｘでの
コントラスト変化を小さく抑えられることがわかる。

【００４３】

【表１】

【００４４】

【表２】

【００４５】

【発明の効果】以上説明したようにＰｓＥΔＴｍａｘΔ
ε（ｓｉｎδｓｉｎΘ）¹⁰×１０¹⁴／ηなる量が−５０
〜６０の範囲に入っていれば、コントラスト変動を小さ
く抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る液晶素子の模式的断面
図である。

【図２】素子内における液晶分子のコーン角、および液
晶層の基板法線方向との関係を示す図である。

【図３】液晶素子に印加した電界の波形およびフォトマ
ルによって測定された光学応答波形と駆動波形との関係
を示すタイミングチャートである。

【図４】液晶組成物ＡのΔεの周波数及び温度依存性を
表わすグラフである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２枚の対向する基板間によって挟持され
   たスメクチック液晶、前期液晶に電圧を印加するための
   電極、および該液晶の一軸性配向軸を互いに所定の角度
   で交差もしくは平行であるように規制すべく所定の処理
   を施した層を具備する液晶素子において、 前記カイラルスメクチック液晶の誘電率異方性をε、自
   発分極をＰｓ（ｎＣ／ｃｍ² ）、コーン角をΘ（°）、
   層傾斜角をδ（°）素子に印加する電界強度をＥ（ｖ／
   μｍ）、粘度をη（×１０^-3Ｋｇ／ｍ・ｓｅｃ）、素子
   に印加する駆動波形の駆動可能な最長パルス幅をΔＴｍ
   ａｘ（μｓｅｃ）とした時、下記式 【外１】 を満たすこと特徴とする液晶電気光学装置駆動法。
2. 【請求項２】 前期一軸性配向軸の交差角が０°〜２５
   °である請求項１記載の液晶電気光学装置の駆動法。