JPH0675228A

JPH0675228A - 液晶素子

Info

Publication number: JPH0675228A
Application number: JP24720192A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Eguchi; 健江口; Hiroshi Matsuda; 宏松田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-08-25
Filing date: 1992-08-25
Publication date: 1994-03-18

Abstract

(57)【要約】【目的】液晶分子の配向特性及び階調特性を改善した
液晶素子を提供する。【構成】透明電極１２ａ，１２ｂを有する基板１１
ａ，１１ｂ間に強誘電性スメクチック液晶１５を挟持し
てなる液晶素子であって、前記基板上には、導電率が１
０^-10 Ｓ／ｃｍ以上の保護膜１３ａ，１３ｂ及び、ポリ
イミド化合物からなる配向材料とシランカップリング剤
からなる表面処理剤を含む配向膜１４ａ，１４ｂが形成
されていることを特徴とする液晶素子。【効果】大きなチルト角を生じコントラストが高く、
残像現像も生じない。更には、ゆるやかに変化する透過
特性が得られ、中間調を調整することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶表示装置や液晶−
光シャッター等に用いる液晶素子に関し、特に液晶分子
の配向特性及び階調特性を改善した液晶素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＴＶ画像は、精細で中間調を持つ動画像
である。このＴＶ画像を表示する場合には、高解像度、
高速応答、多段階調表示、高コントラスト、高信頼性、
カラー化など最も高度な技術が要求される。この点で、
ＣＲＴに表示されるＴＶ画像の品質は非常に優れてい
る。しかし、表示画像の大面積化の流れの中で軽量化が
可能な液晶表示装置が注目されるようになり、最近で
は、各画素毎にスイッチング素子を設けてネマティック
液晶を直接駆動するアクティブマトリックス型液晶素子
によるＴＶ画像表示方法を中心に盛んに研究されてい
る。しかし、組み込むスイッチング素子としてはＴＦＴ
方式が最も優れていると考えられるが、素子作製プロセ
スの複雑さ、工程数等が大面積化への大きな障害となっ
ている。

【０００３】一方、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
する形の表示素子がクラーク（Ｃｌａｒｋ）及びラガー
ウォル（Ｌａｇｅｒｗａｌｌ）により提案されている
（特開昭５６−１０７２１６号公報、米国特許第４３６
７９２４号明細書等）。この強誘電性液晶は、一般に特
定の温度領域において、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、加えられた電界に応答して第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応
する応答も速やかであり、高速並びに記憶型の表示素子
として広い利用が期待され、特にその機能から単純マト
リックス駆動方式による大画面で高精細な表示素子への
応用が期待されている。

【０００４】強誘電性液晶素子は該液晶の双安定性な２
状態の制御に基づいた本質的に２値表示法である為、中
間調の表示には不向きであろうと考えられている。しか
し、強誘電性液晶の階調表示技術の開発により、該液晶
の優れた特性を生かしたより広範囲の応用が可能になる
と期待される。単純マトリックス駆動方式での階調表示
方法として、画素内で該液晶の２つの双安定な配向状態
間の遷移をミクロな領域で制御して微小ドメイン形成に
基づく面積階調法が提案されている（特開昭５９−１９
３４２７号公報）。しかし従来の配向制御技術では上記
微小ドメイン安定性、制御性が十分ではなく、実用可能
な階調性が実現出来ているとは言い難い。さらには、双
安定性の２値状態間のコントラスト比の向上、スイッチ
ング過程における残像現像やヒステリシスの解消も十分
実現出来ているとは言い難い。

【０００５】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為には、一対の平行
基板間に配置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果的に起こる
ような分子配列状態にあることが必要である。

【０００６】また、液晶の複屈折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 ＝ｓｉｎ² ４θｓｉｎ² （Δｎｄπ／λ）（式中：Ｉ_O は入射光強度、Ｉは透過光強度、θはチル
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。）で表される。前述の非らせん構造
におけるチルト角θは第１と第２の配向状態でのねじれ
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、高コントラストを得るに
は、かかるチルト角θが２２．５゜に出来る限り近いこ
とが必要である。

【０００７】ところで強誘電性液晶の配向方法として
は、大きな面積に亘ってスメクチック液晶を形成する複
数の分子で組織された液晶分子層を、その法線に沿って
一軸に配向させることが必要であることから、通常ラビ
ング処理を行なったポリイミド膜が広く用いられてき
た。特に、非らせん構造のカイラルスメクチック液晶の
ための配向方法としては、例えば米国特許第４５６１７
２６号明細書等が知られている。従来のラビング処理し
たポリイミド膜によって配向させて得られた非らせん構
造の強誘電性液晶でのチルト角θ（後述の図３に示す角
度）が、らせん構造をもつ強誘電性液晶でのチルト角Θ
（後述の図２に示す三角錐の頂角の１／２の角度）と較
べて小さくなっていることが一般的である。特に、ラビ
ング処理したポリイミド膜によって配向させて得られた
非らせん構造の強誘電性液晶でのチルト角θは、一般に
З゜〜８゜程度で、その時の透過率はせいぜい３〜５％
程度であった。

【０００８】この様に、クラークとラガウォールによれ
ば双安定性を実現する非らせん構造の強誘電性液晶での
チルト角が、らせん構造をもつ強誘電性液晶でのチルト
角と同一の角度をもつはずであるが、実際には非らせん
構造でのチルト角θの方が、らせん構造でのチルト角Θ
より小さくなっている。しかも、この非らせん構造での
チルト角θが、らせん構造でのチルト角Θより小さくな
る原因が、非らせん構造での液晶分子のねじれ配列に起
因していることが明らかにされている。つまり、非らせ
ん構造をもつ強誘電性液晶では、液晶分子が図４に示す
様に、上下基板に隣接する液晶分子の軸４２，４３が、
ねじれ配列の方向４４へ連続的に基板の法線に対してね
じれ角δでねじれて配列しており、このことが非らせん
構造でのチルト角θが、らせん構造でのチルト角Θより
小さくなる原因となっている。

【０００９】尚、図中４１は上下基板に形成したラビン
グ処理や斜方蒸着処理によって得られた一軸性配向軸を
表している。

【００１０】また、従来のラビング処理したポリイミド
配向層によって生じたカイラルスメクチック液晶の配向
状態では、電極と液晶層の間に絶縁体層としてのポリイ
ミド配向層の存在によって、第一の光学的安定状態（例
えば、白の表示状態）から第二の光学的安定状態（例え
ば、黒の表示状態）にスイッチングするための一方極性
電圧を印加した場合、この一方極性電圧の印加解除後、
強誘電性液晶層には他方極性の逆電界Ｖｒｅｖが生じ、
係る逆電界Ｖｒｅｖがディスプレイ時における残像現象
を引き起こすという問題や（吉田明雄著、昭和６２年１
０月「液晶討論会予行集」１４２〜１４３頁の「ＳＳＦ
ＬＣのスイッチング特性」）、イオン種などによる電荷
染め付等によるスイッチングにおけるヒステリシス等の
問題があった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の主目的は、前
述した強誘電性液晶の配向技術における問題点を解決
し、双安定性の２値状態間のコントラスト比を向上し、
スイッチング過程における残像現象やヒステリシスを解
消して、さらには実用可能な階調性を実現するために、
各画素内に発生する微小ドメイン安定性、制御性に対し
て十分の制御を有する液晶素子を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段及び作用】即ち、本発明は
電極を有する一対の基板間に液晶を挟持してなる液晶素
子において、少なくとも一方の基板上或いは該基板上に
形成された導電性を付与された保護膜上に、液晶分子の
配向状態を制御するための配向材料と表面エネルギーを
制御するための少なくとも１種類の表面処理剤を含む配
向膜が形成されていることを特徴とする液晶素子であ
る。

【００１３】以下、図面を用いて本発明を詳細に説明す
る。

【００１４】図１は、本発明の液晶素子の一例を模式的
に示す断面図である。同図において、１１ａ，１１ｂは
各々Ｉｎ₂ Ｏ₃ やＩＴＯ等の透明電極１２ａ，１２ｂで
被覆されたガラス基板であり、その上に２００〜１００
０Åの滞電防止のために僅かに導電性を付与した保護膜
１３ａ，１３ｂと配向膜１４ａ，１４ｂが各々積層され
ている。滞電防止性を有する該保護膜としては１０^-10
Ｓ／ｃｍ以上の導電率、より好ましくは１０^-8〜１０^-4
Ｓ／ｃｍの範囲の導電率を持ち、可視領域の光に対して
透過性の優れた媒体が好ましい。本発明においては、前
記条件を満たす材料であれば導電性を付与した保護膜と
して用いることができ、例えば、ＷＯ₃、ＴｉＯ₂、Ｚ
ｎＯ、ＺｎＳ、ＣｄＯ、ＣｄＳ等多くの金属酸化物や硫
化物を用いることができる。これらの酸化物や硫化物は
僅かなドーパントの添加により導電率を広範囲にわたり
制御することが可能である長所も有しており、また、こ
れらの混合物も保護膜のアモルファス化により、より平
坦性の高い膜が得られるため有効である。また、上記保
護膜の製法は特に限定されるものではなく、例えば、Ｅ
Ｂスパッタ法や蒸着法等を用いることができる。

【００１５】前記配向層１４ａと１４ｂとの間には強誘
電性スメクチック液晶１５が配置され、その間隔の距離
は強誘電性スメクチック液晶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〜
３μｍ）に設定され、強誘電性スメクチック液晶１５は
双安定性配向状態を生じている。上述の強誘電性スメク
チック液晶１５が配置されている十分に小さい液晶間距
離は、配向層１４ａ，１４ｂとの間に配置されたビーズ
スペーサー１６（例えば、シリカビーズ、アルミナビー
ズ等）によって保持される。また、１７ａ，１７ｂは偏
光板を示す。

【００１６】本発明の配向膜は電荷蓄積による逆電界の
発生を抑えるため可能な限り薄く成膜することが好まし
く、例えば、従来公知技術のＬＢ法、塗布法または蒸着
法によって形成することができる。ＬＢ法によって配向
膜を形成する場合には、膜厚を４〜１００Å、好ましく
は１６〜５０Å、より好ましくは１６〜４０Åとするこ
とが望ましい。また、配向膜を成膜する際の基板の引き
上げ方向に関しては、セル組みした時に上下の基板間で
その引き上げ方向が同一方向になるように（例えば、図
１のＡの方向）成膜しても、逆方向になるように配置し
ても大きな差はない。

【００１７】また、塗布法および蒸着法によって配向膜
を形成する場合には、膜厚を３０〜２００Å、好ましく
は３０〜１００Å、より好ましくは３０〜５０Åとする
ことが望ましい。

【００１８】また、本発明の配向膜に含まれ、液晶分子
の初期配向を制御するための配向材料としては特に限定
されないが、ＬＢ法、ラビング法等により超薄膜でも良
好な配向規制力を持つ化合物を用いることが好ましい。
このような化合物としてポリイミド化合物、ポリアミド
化合物またはポリアミドイミド化合物を用いることがで
き、特に電気的なキャリアー輸送性となる有機化合物の
ジアミン単量体を縮合して合成されるポリイミド化合
物、ポリアミド化合物またはポリアミドイミド化合物を
好適に用いることができる。上記の電気的なキャリアー
輸送性となる有機化合物としては、例えば、カルバゾー
ル、テトラフェニルポリフィリン、或いはトリフェニル
アミン等のＮ含有化合物や下記一般式（１）又は（２）
のイオウ含有化合物等が用いられる。

【００１９】

【化２】また、本発明の配向膜は配向膜表面の表面エネルギーを
制御するために少なくとも１種類以上の表面処理剤を含
んでおり、該表面処理剤としてはカップリング剤を含む
のが好ましい。該カップリング剤としては、例えば、下
記一般式（３）〜（７）に示すシランカップリング剤を
好適に用いることができる。

【００２０】ＣＦ₃ （ＣＦ₂)_n （ＣＨ₂)₂ ＳｉＸ_m Ｙ_3-m （３）ＣＨ₃ （ＣＨ₂)_I ＳｉＸ_m Ｙ_3-m （４）ＮＨ₂ （ＣＨ₂)₃ ＳｉＸ_m Ｙ_3-m （５）ＮＨ₂ （ＣＨ₂)₃ ＮＨ（ＣＨ₂)₂ ＳｉＸ_m Ｙ_3-m （６）Ｐｈ（ＣＨ₂)_r ＳｉＸ_m Ｙ_3-m （７）（但し、Ｘ＝ハロゲン、Ｙ＝ＯＣＨ₃ 、ｎ≦１０、ｍ＝０〜３Ｉ＝５〜２３、ｒ＝０〜３）このように成膜された配向膜により効果的な配向性を付
与するため、該配向膜の表面をラビングすることが好ま
しい。この際、ラビングは一方のみに行ってもよいが、
上下基板に配向膜を用いた場合、上下基板のラビング軸
は平行、反平行、或は僅かな角度を持たせて交差する方
向でもよく、用いる強誘電性液晶材料の配向特性に従っ
て種々の方法で行なうことができる。また、ラビングは
常法にしたがって行なえばよい。

【００２１】本発明において、その機構は明確ではない
が、上記配向材料と表面処理剤を適宜選択することによ
り、素子の透過特性或いは微小ドメインの発生を制御す
ることが可能であり、更には画素全体に亘ってしきい値
電圧の異なる領域を分布させることにより、広い透過域
（ゆるやかに変化する透過特性）を有する透過率／電圧
特性を得ることができ、中間調を調整することができ
る。

【００２２】本発明の液晶素子に使用される液晶物質は
特に限定されない。しかし、液晶注入時の初期均一配向
の容易性から評価すると、降温過程で、等方相、コレス
テリック相、スメクチックＡ相を通してカイラルスメク
チックＣ相を生じる液晶が好ましい。特にコレステリッ
ク相の時のピッチが０．８μｍ以上のものが好ましい
（但し、コレステリック相の温度範囲における中央点で
測定したもの）。その具体的な液晶物質としては、例え
ば下記のビフェニルエステル系の液晶物質「ＬＣ−
１」、「８０Ｂ」及び「８０ＳＩ^* 」を下記の比率で混
合させた液晶組成物を用いることができる。

【００２３】

【化３】更に、本発明に用いられる液晶は上記液晶に限定される
ものではなく、前記の特徴を有する配向膜さらには前記
導電性保護膜からなる配向層を有することによって、特
にスイッチング過程の安定性・再現性からは、強誘電性
液晶分子が有する自発分極の空間的発散、即ち空間電荷
のつくる分極場が液晶分子の分子配向に影響を及ぼし得
るような大きな自発分極を有する強誘電性液晶、例え
ば、自発分極Ｐｓが１０ｎＣ／ｃｍ² 以上である強誘電
性液晶に対しても好適に用いられる。更にはまた降温過
程でコレステリック相をもたず、ＳｍＣ^* 相でのらせん
ピッチが０．５μｍ以下の強誘電性液晶でも、液晶注入
時の初期均一配向の達成は難しくはなるが十分に用いる
ことができる。

【００２４】図２は、強誘電性液晶の動作説明のため
に、セルの例を模式的に描いたものである。図中、２１
ａと２１ｂは、Ｉｎ₂ Ｏ₃ 、ＳｎＯ₂ あるいはＩＴＯ等
の薄膜からなる透明電極で被覆された基板（ガラス板）
であり、その間に液晶分子層２２がガラス基板面に垂直
になるよう配向したＳｍＣ^* （カイラルスメクチック
Ｃ）相又はＳｍＨ^* （カイラルスメクチックＨ）相の液
晶が封入されている。太線で示した線２３は液晶分子を
表しており、この液晶分子２３はその分子に直交した方
向に双極子モーメント（Ｐ⊥）２４を有している。この
時の三角錐の頂角をなす角度の１／２が、かかるらせん
構造のカイラルスメクチック相でのチルト角Θを表して
いる。基板２１ａと２１ｂ上の電極間に一定のしきい値
以上の電圧を印加すると、液晶分子２３のらせん構造が
ほどけ、双極子モーメント（Ｐ⊥）２４がすべて電界方
向に向くよう、液晶分子２３は配向方向を変えることが
できる。液晶分子２３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異方性を示し、従って例
えばガラス基板面の上下に互いにクロスニコルの偏光子
を置けば、電圧印加極性によって光学特性が変わる液晶
光学変調素子となることは、容易に理解される。

【００２５】本発明の前記配向層を有する液晶素子で用
いる双安定性配向状態の表面安定型強誘電性液晶セル
は、その厚さを充分に薄く（例えば、０．１〜３μｍ）
することができる。このように液晶層が薄くなるにした
がい、図３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がほどけ、非らせん構造となり、
その双極子モーメントＰａまたはＰｂは上向き（３４
ａ）又は下向き（３４ｂ）のどちらかの状態をとる。こ
のようなセルに、同図に示す如く一定のしきい値以上の
極性の異なる電界Ｅａ又はＥｂを電圧印加手段３１ａと
３１ｂにより付与すると、双極子モーメントは、電界Ｅ
ａ又はＥｂの電界ベクトルに対応して上向き３４ａ又は
下向き３４ｂと向きを変え、それに応じて液晶分子は第
１の安定状態３３ａ或は第２の安定状態３３ｂの何れか
一方に配向する。この時の第１と第２安定状態のなす角
度の１／２がチルト角θに相当する。

【００２６】この強誘電性液晶セルによって得られる効
果は、その第１に応答速度が極めて速いことであり、そ
の第２に液晶分子の配向が双安定性を有することであ
る。第２の点を、例えば図３によって更に説明すると、
電界Ｅａを印加すると液晶分子は第１の安定状態３３ａ
に配向するが、この状態は電界を切っても安定である。
又、逆向きの電界Ｅｂを印加すると、液晶分子は第２の
安定状態３３ｂに配向してその分子の向きを変えるが、
やはり電界を切ってもこの状態に留まっている。また、
与える電界Ｅａが一定のしきい値を越えない限り、それ
ぞれの配向状態にやはり維持されている。

【００２７】次に、図５（ａ）は本発明の前記配向層を
用いた配向方法により配向した液晶分子の配向状態を模
式的に示す断面図、図５（ｂ）はそのＣ−ダイレクタを
示す図である。図５（ａ）に示す５１ａ及び５１ｂは、
それぞれ上基板及び下基板を表している。５０は液晶分
子５２で組織された液晶分子層で、液晶分子５２が円錐
５３の底面５４（円形）に沿った位置を変化させて配列
している。図５（ｂ）において、Ｕ₁ は一方の安定配向
状態でのＣ−ダイレクタ８１で、Ｕ₂ は他方の安定配向
状態でのＣ−ダイレクタ８１である。Ｃ−ダイレクタ８
１は、図５（ａ）に示す液晶分子層５０の法線に対して
垂直な仮想面への分子長軸の射影である。

【００２８】一方、従来のラビング処理したポリイミド
膜によって生じた配向状態は図５（ｃ）のＣ−ダイレク
タ図によって示される。図５（ｃ）に示す配向状態は、
上基板５１ａから下基板５１ｂに向けて分子軸の捩れが
大きいため、チルト角θは小さくなっている。

【００２９】次に、図６（ａ）は、Ｃ−ダイレクタ８１
が図５（ｂ）の状態（ユニホーム配向状態という）での
チルト角θを示す説明図、および図６（ｂ）はＣ−ダイ
レクタ８１が図５（ｃ）の状態（スプレイ配向状態とい
う）でのチルト角θを示す説明図である。図中、６０は
配向層をラングミュアーブロジェット法によって形成し
たときの基板の引き上げ方向、或いは配向層を塗布法ま
たは蒸着法によって形成したときのラビング処理軸を示
し、６１ａは配向状態Ｕ₁ での平均分子軸、６１ｂは配
向状態Ｕ₂ での平均分子軸、６２ａは配向状態Ｓ₁ での
平均分子軸、６２ｂは配向状態Ｓ₂ での平均分子軸を示
す。平均分子軸６１ａと６１ｂとは、互いにしきい値電
圧を越えた逆極性電圧の印加によって変換することがで
きる。同様のことは平均分子軸６２ａと６２ｂとの間で
も生じる。

【００３０】次に、逆電界Ｖｒｅｖによる光学応答の遅
れ（残像）に対するユニフォーム配向状態の有用性につ
いて説明する。液晶セルの配向層の容量Ｃｉ、液晶層の
容量をＣ_LC及び液晶の自発分極をＰｓとすると、残像の
原因となるＶｒｅｖは下式で表される。

【００３１】Ｖｒｅｖ＝２・Ｐｓ／（Ｃｉ＋Ｃ_LC）図７は液晶セル内の電荷分布、自発分極Ｐｓの方向及び
逆電界Ｖｒｅｖの方向を模式的に示した断面図である。
図７（ａ）はパルス電界印加前のメモリ状態下における
＋及び−電荷の分布状態を示し、この時の自発分極Ｐｓ
の向きは＋電荷から−電荷の方向である。図７（ｂ）は
パルス電界解除直後の自発分極Ｐｓの向きを示し、自発
分極Ｐｓは図７（ａ）の時の向きに対して逆向き（従っ
て液晶分子は一方の安定配向状態から他方の安定配向状
態に反転を生じている）であるが、＋及び−電荷の分布
状態は図７（ａ）の時と同様であるため、液晶内に逆電
界Ｖｒｅｖが矢印Ｂ方向に生じている。この逆電界Ｖｒ
ｅｖはしばらくした後、図７（ｃ）に示すように消滅
し、＋及び−電荷の分布状態が変化する。

【００３２】図８は従来のポリイミド配向膜によって生
じたスプレイ配向状態の光学応答の変化をチルト角θの
変化に換えて示した説明図である。図８に示すように、
パルス電界印加時においては矢印Ｘ₁ の方向に沿ってス
プレイ配向状態下の平均分子軸Ｓ（Ａ）から最大チルト
角Θ付近のユニフォーム配向状態下の平均分子軸Ｕ₂迄
チルト角θが若干増大した平均分子軸に配向し、その
後、矢印Ｘ₂ ，Ｘ₃ の方向に沿って平均分子軸Ｓ
（Ｂ），Ｓ（Ｃ）を生じ安定配向状態が得られる。図９
はこの時の光学応答の状態を示すグラフである。

【００３３】本発明によれば、前述した配向層を用いる
ことで、液晶配向状態として、図８に示したスプレイ状
態下の平均分子軸Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）及びＳ（Ｃ）を生
じることが無く従って最大チルト角Θに近いチルト角θ
を生じる平均分子軸Ｕ₁ ，Ｕ₂ に配列させる事ができ
る。

【００３４】図１０は本発明の前記配向層を用いた時の
光学応答の状態を示すグラフである。図１０によれば、
残像に原因する光学応答の遅れを生じないこととメモリ
状態下での高いコントラストを引き起こしていることが
認められる。

【００３５】本発明は、下述の実施例で明らかにするよ
うに、前記特徴を有する配向膜さらには前記導電性保護
膜からなる配向層を用いることによって、明状態と暗状
態での大きな光学的コントラストを示し、特に米国特許
第４６５５５６１号明細書等に開示されているマルチプ
レクシング駆動時の非選択画素に対して大きなコントラ
ストを生じ、さらにディスプレイ時の残像の原因となる
スイッチング時（マルチプレクシング駆動時）の光学応
答の遅れを生じない配向状態を達成することができる。

【００３６】

【実施例】以下、実施例を示し本発明をさらに具体的に
説明する。

【００３７】実施例１基板として、１５００Å厚のＩＴＯ膜が設けられてい
る、１．１ｍｍ厚のガラス基板を２枚用意し、スパッタ
法を用いてＷＯ₃ を該基板上にそれぞれ６００Åの膜厚
に成膜し保護膜とした。この膜のシ−ト抵抗値は０．９
×１０^-8Ｓ／ｃｍであり、その時の成膜条件を下記に示
す。

【００３８】ＷＯ₃ の成膜条件方法：ＷＯ₃ タ
ーゲットのＥＢスパッタ法ＢＧＰ：１×１０^-6Ｔｏｒｒ成膜速度：１Å／ｓｅｃ次に、ＷＯ₃ を蒸着した該基板を１５分間の間、室温、
６０％の湿度を有するクリーンな大気中に曝した後、Ｃ
₆ Ｆ₁₃（ＣＨ₂ ）₂ ＳｉＣｌ₃ の蒸気中に室温で１時間
保持して表面処理し、吸着層を形成した。その後、クロ
ロホルムで該基板を洗浄して化学吸着膜を形成した。続
いて、該基板上にＬＢ法を用いてポリイミドＬＢ膜を成
膜した。

【００３９】このようにして作製した配向膜の表面張力
を液滴法により測定した。その結果、該配向膜の臨界表
面張力は通常方法により形成されたポリイミド膜（ＬＢ
法、塗布法によらない）の値（３５ｍＮ／ｍ）から大き
く低下していることがわかり（２層ポリイミドＬＢ膜で
は７ｍＮ／ｍであった）、配向膜表面へのＣＦ₃ 基の効
果が十分に及んでいることが明らかとなった。また、該
配向膜の臨界表面張力はポリイミドＬＢ膜の累積総数と
ともに増加し、配向膜表面に及ぼすフッ素基の効果がＬ
Ｂ膜の累積総数（膜厚）と共に減少していくことが分か
った。以下、ポリイミドＬＢ膜の形成方法および形成さ
れた配向膜の配向特性について述べる。

【００４０】（８）式に示すポリアミド酸をＮ，Ｎ’−
ジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）に溶解させた（単量
体換算濃度１×１０^-3Ｍ）後、別途調整したＮ，Ｎ’−
ジメチルオクタデシルアミンの同溶媒による１×１０^-3
Ｍ溶液と１：２（Ｖ／Ｖ）に混合して（９）式に示すポ
リアミド酸オクタデシルアミン塩溶液を調整した。

【００４１】

【化４】係る溶液を水温２０℃の純水からなる水相上に展開し、
水面上に単分子膜を形成した。溶媒蒸発除去後、表面圧
を２５ｍＮ／ｍに迄高めた。表面圧を一定に保ちながら
上述基板電極を水面を横切る方向に速度５ｍｍ／ｍｉｎ
で静かに浸漬した後、続いて５ｍｍ／ｍｉｎで静かに引
き上げて２層のＹ型単分子累積膜を作製した。係る操作
を繰り返して４、６、８、１２層のポリアミド酸オクタ
デシルアミン塩の単分子累積膜を形成した。次に、この
基板を減圧（〜１ｍｍＨｇ）下、２００℃で３０分間加
熱焼成してポリアミド酸オクタデシルアミン塩をイミド
化し（式１０）、２〜１２層のポリイミド単分子累積膜
を形成して配向材料とした。

【００４２】

【化５】次に、この膜に押し込みの毛先の侵入長０．４ｍｍ、お
よび回転数１０００ｒｐｍ、そして基板の送り速度１２
ｍｍ／ｓｅｃの条件でラビング処理を行ない配向膜とし
た。この時ラビング軸とＬＢ膜成膜時の基板軸（基板上
下方向）とはほぼ平行になるようにした。

【００４３】その後、平均粒径約１．５μｍのアルミナ
ビーズを一方の基板上に散布した後、各々の基板ラビン
グ軸が互いに平行かつ同一方向になるように２枚の基板
を重ね合わせて液晶セルを作製した。このセル内にチッ
ソ（株）社製の強誘電性液晶である「ＣＳ−１０１４」
（商品名）を等方相下で真空注入してから、等方相から
０．５℃／ｈで３０℃まで徐冷することによって配向さ
せることができた。この強誘電性液晶「ＣＳ−１０１
４」を用いた本実施例のセルでの相変化は、下記のとお
りであった。

【００４４】

【数１】上述の累積総数の異なる配向膜を有する５種類の液晶セ
ルを、各々一対の９０゜クロスニコル偏光子の間に挟み
込んで、５０μｓｅｃの３０Ｖパルスを印加してから９
０゜クロスニコルを消光位（最暗状態）にセットし、こ
の時の透過率をホトマルチプライヤーにより測定し、続
いて５０μｓｅｃの−３０Ｖパルスを印加し、明状態の
透過率を同様の方法で測定し、チルト角θと明状態と最
暗状態との透過率の比、即ちコントラスト比及び残像の
原因となる光学応答遅れを求めた。結果を表１に示す。

【００４５】

【表１】表１に示したように、配向膜の膜厚が１６Å以上のセル
では、残像の原因となる光学応答の遅れは０．１秒以下
となり、いずれも好結果であった。

【００４６】この液晶セルを図１１に示す駆動波形を用
いたマルチプレクシング駆動による表示を行なったとこ
ろ、高コントラストな高品位表示が得られ、また、所定
の文字入力による画像表示の後に全画面を白の状態に消
去したところ、残像の発生は判読できなかった。尚、図
１１のＳ_N 、Ｓ_N+1 、Ｓ_N+2 は走査線に印加した電圧波
形を表しており、Ｉは代表的な情報線に印加した電圧波
形を表している。（Ｉ−Ｓ_N ）は、情報線Ｉと走査線Ｓ
_N との交差部に印加された合成波形である。また、本実
施例ではＶ_O ＝５〜８Ｖ、ΔＴ＝２０〜７０μｓｅｃで
行なった。

【００４７】実施例２ＷＯ₃ の替わりにＺｎＯを６００Å蒸着して保護膜とし
た基板上に実施例１と同様な手順にて実施例１に用いた
ポリイミドＬＢ膜を８層配向膜形成した後、実施例１と
同様にして液晶セルを作製し、評価を行なったところ、
実施例１と同様の良好な結果が得られた。また、実施例
１と同様のマルチプレクシング駆動による表示を行なっ
たところ、コントラストおよび残像については実施例１
と同様の良好な結果が得られた。尚、上記保護膜の成膜
条件を下記に示す。

【００４８】ＺｎＯの成膜条件方法：ＺｎＯタ
ーゲットのアルゴンスパッタ法全圧：１０ｍＴｏｒｒ，Ｏ₂ 分圧：５０％成膜速度：２．０Å／ｓｅｃ実施例３シランカップリング剤としてＣ₁₈Ｈ₃₇ＳｉＣｌ₃ の３０
ｍＭ／リットルの溶液を用い、該溶液中で２時間反応さ
せて表面処理し、吸着層を形成した以外は実施例１と同
様にして液晶セルを作製して、実施例１と同様な評価を
行った。その結果、表２に示されるように実施例１と同
様の良好な結果が得られた。

【００４９】

【表２】また、実施例１と同様のマルチプレクシング駆動による
表示を行なったところ、コントラストおよび残像につい
ては実施例１と同様の良好な結果が得られた。

【００５０】実施例４実施例１で用いたポリアミド酸の替わりに、下記一般式
（１１）に示すポリイミド前駆体を用いた以外は実施例
１と同様にして液晶セルを作製した。

【００５１】

【化６】本実施例においても、実施例１と同様な評価を行った。
但し、評価したＬＢ膜累積総数は８層である。その結
果、表３に示されるように実施例１と同様の良好な結果
が得られた。

【００５２】

【表３】実施例５実施例１と同様に基板として、１５００Å厚のＩＴＯ膜
上に６００ÅのＷＯ₃が設けられている、１．１ｍｍ厚
のガラス基板を２枚用意した。次に、該基板を１５分間
の間、室温、６０％の湿度を有するクリーンな大気中に
曝した後、Ｃ₇Ｈ₁₅ＳｉＣｌ₃ 、ＮＨ₂(ＣＨ₂)₃ ＮＨ
（ＣＨ₂)₂ ＳｉＣｌ₃ およびＰｈＣＨ₂ ＳｉＣｌ₃ のそ
れぞれ１０ｍＭ／リットルの濃度で含む溶液中で２時間
反応させて表面処理し、吸着層を形成した。その後、ク
ロロホルムで該基板を洗浄して化学吸着膜を形成した。
続いて、実施例４で用いたカルバゾール系ポリイミドの
ＬＢ膜４層を該基板上に成膜した。そして、実施例１と
同様にして液晶セルを作製したところ、画素全体に均一
な配向状態を示す良好な液晶セルが得られた。該液晶セ
ルによりコントラスト比、光学応答の遅れを評価したと
ころ、実施例１と同様の良好な結果が得られた。また、
実施例１と同様のマルチプレクシング駆動による表示を
行なったところ、コントラストおよび残像については実
施例１と同様の良好な結果が得られた。次に、該液晶セ
ルの透過率と５０μｓｅｃの印加パルスの波高値を測定
したところ、図１２の実線で示した特性が得られた。図
１２から明らかなように、画素全体に亘ってしきい値電
圧の異なる領域が分布することによって、広い透過域
（ゆるやかに変化する透過特性）を有する透過率／電圧
特性となり、中間調を調整することができる。比較のた
め、本実施例の中で用いた表面処理剤を用いなかった場
合（点線）と実施例１で作製した液晶セル（一点鎖線）
での特性も、同じく図１２に示している。点線で示した
特性は他の２つの液晶セルと比べコントラスト比も小さ
く、急峻な透過率／電圧特性となり中間調の表示特性が
低いことがわかる。

【００５３】実施例６以上の実施例で用いた強誘電性液晶「ＣＳ−１０１４」
に替えて、同じくビフェニルエステル系化合物で下記に
示す相転移状態を示す他の強誘電性液晶を用いて以下の
実験を行なった。

【００５４】

【数２】液晶層が十分に厚い場合（〜１００μ）、ＳｍＣ^* では
らせん構造をとり、そのピッチは約４μｍであった。三
角波法による自発分極の状態から自発分極は約１０ｎＣ
／ｃｍ² であり、セル厚１．５μｍでのチルト角Θは２
３．５゜でほぼ最適値に近い値を持つ。

【００５５】該液晶を実施例１で作製した液晶セル（Ｌ
Ｂ膜累積総数８層）に注入した。その時の見かけのチル
ト角θは１６゜で最適値に及ばなかった。

【００５６】この液晶セルに電圧±４５Ｖ〜５５Ｖで周
波数４０Ｈｚの交流電圧を１５分間印加したところチル
ト角θが２０．２゜のドメインが出現し始め、更に５５
〜７０Ｖの電圧では、このドメインが全体に広がり非常
に良いコントラストが得られた。７０Ｖ以上では反対に
多くの欠陥が発生し、モノドメインがくずれた。安定な
モノドメインが出現した後の、双安定状態間の反転は以
下のパルスで行なわれた。

【００５７】

【表４】交流電圧印加後の配向状態の変化は図５（ａ）に示した
層の捻じれが解ける効果であると考えている。また、反
転電圧は交流電圧印加前の反転電圧に比べ電圧が高くな
った。この原因は明らかでないが、チルト角θがΘに近
づくためには配向膜の界面近傍の液晶分子をも反転させ
るエネルギーを与えなければならないために、反転に必
要な駆動電圧が高いことが必要であると考えられる。交
流電圧印加後のチルト角θにより透過光量が電圧印加前
に比較してコントラスト比は大幅に増加した。また反電
場効果による光学応答の遅れも０．１ｓｅｃ以下で安定
なスイッチングが可能であった。

【００５８】また、双安定状態を有する強誘電液晶相
は、通常高温状態から降温によって得られるが、本実施
例ではこの際５０Ｈｚ、１４０Ｖの交流電界を印加しつ
つ降温したところ広い範囲にわたって均一なモノドメイ
ンの配向状態が実現できた。

【００５９】実施例７実施例４で作製したカルバゾール系ポリイミド配向膜を
有する液晶セル（但し、本実施例では上下基板のラビン
グ軸は反平行になるようにセル組している）に実施例６
と同じ強誘電性液晶を注入し、交流電圧（４０Ｈｚ、６
０Ｖ）を１５分間印加したところ、チルト角θが２１．
６゜の均一なモノドメイン配向状態が出現した。該液晶
セルに実施例１と同様な評価を行なったところ、実施例
４と比較し特にコントラスト比の大幅に改善された良好
な液晶セルが得られることがわかった。また、実施例１
と同様のマルチプレクシング駆動による表示を行なった
ところ、コントラストおよび残像についても同様の良好
な結果が得られた。

【００６０】実施例８実施例５で作製したカルバゾール系ポリイミド配向膜を
有する液晶セル（但し、本実施例では上下基板のラビン
グ軸は反平行になるようにセル組している）に実施例６
と同じ強誘電性液晶を注入し、交流電圧（４０Ｈｚ、６
０Ｖ）を１５分間印加したところ、チルト角θが２１．
３゜の均一なモノドメイン配向状態が出現した。該液晶
セルに実施例５と同様な透過率／電圧特性の評価を行な
ったところ、図１３の実線で示した特性が得られた。図
１３から明らかなように、画素全体に亘ってしきい値電
圧の異なる領域が分布することによって、広い透過域
（ゆるやかに変化する透過特性）を有する透過率／電圧
特性となり、中間調を調整することができる。比較のた
め、実施例７で作製した液晶セル（一点鎖線）での特性
も、同じく図１３に示している。実施例７の透過率／電
圧特性は本実施例のそれに比べ幾分立ち上がりが急にな
ってはいるが、十分に中間調の調整が可能である。

【００６１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
配向状態を制御するための配向材料と表面エネルギーを
制御するための表面処理剤を含む配向膜、さらには導電
性保護膜からなる配向層を用いることにより、特にカイラルスメクチック液晶の非らせん構造での大
きなチルト角を生じ、明状態と暗状態でのコントラスト
が高く、特にマルチプレクシング駆動時の表示コントラ
ストが非常に大きく高品位の表示が得られ、しかも目ざ
わりな残像現象の生じることがない。

【００６２】従来、自発分極Ｐｓが大きい強誘電性液
晶を用いた液晶素子では、逆電界効果により駆動特性が
悪化することが指摘されていたが、本発明の液晶素子で
は、上記のような強誘電性液晶を用いても逆電界効果の
ない良好な駆動特性が得られる。

【００６３】画素全体に亘ってしきい値電圧の異なる
領域が分布し、広い透過域（ゆるやかに変化する透過特
性）を有する透過率／電圧特性となるため、中間調を調
整することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の強誘電性液晶素子の一例を模式的に示
す断面図である。

【図２】らせん構造をもつカイラルスメクチック液晶の
配向状態を示す斜視図である。

【図３】非らせん構造の分子配列をもつカイラルスメク
チック液晶の配向状態を示す斜視図である。

【図４】基板の一軸性配向軸と非らせん構造の強誘電性
液晶分子の軸との関係を表す説明図である。

【図５】（ａ）は本発明の配向膜による配向方法で配向
したカイラルスメクチック液晶の配向状態を示す断面図
で、（ｂ）はそのユニフォーム配向状態におけるＣ−ダ
イレクタ図、（ｃ）はスプレイ配向状態におけるＣ−ダ
イレクタ図である。

【図６】（ａ）はユニフォーム配向状態におけるチルト
角θを示す説明図で、（ｂ）はスプレイ配向状態におけ
るチルト角θを示す説明図である。

【図７】強誘電性液晶内の電荷分布、自発分極Ｐｓの向
き及び逆電界Ｖｒｅｖの向きを示す説明図である。

【図８】電界印加時及び印加後のチルト角θの変化を示
す説明図である。

【図９】従来例の液晶素子における光学応答特性を示す
グラフである。

【図１０】本発明の液晶素子における光学応答特性を示
すグラフである。

【図１１】実施例で用いた駆動電圧の波形図である。

【図１２】本発明の液晶素子及び比較のために作製した
液晶素子における透過率／電圧特性を示すグラフであ
る。

【図１３】本発明の液晶素子における透過率／電圧特性
を示すグラフである。

【符号の説明】

１１ａ，１１ｂガラス基板１２ａ，１２ｂ透明電極１３ａ，１３ｂ導電性付与保護膜１４ａ，１４ｂ配向膜１５強誘電性スメクチック液晶１６ビーズスペーサー１７ａ，１７ｂ偏光板２１ａ，２１ｂ基板２２液晶分子層２３液晶分子２４（Ｐ⊥）双極子モーメント３１ａ，３１ｂ電圧印加手段３３ａ第１の安定状態３３ｂ第２の安定状態３４ａ（Ｐａ）上向き双極子モーメント３４ｂ（Ｐｂ）下向き双極子モーメント４１上下基板に形成した一軸性配向軸４２上基板に隣接する液晶分子の軸４３下基板に隣接する液晶分子の軸４４ねじれ配列の方向５０液晶分子層５１ａ上基板５１ｂ下基板５２液晶分子５３円錐５４底面５５Ｃ−ダイレクタ６０基板引き上げ方向又はラビング軸６１ａ配向状態Ｕ₁ での平均分子軸６１ｂ配向状態Ｕ₂ での平均分子軸６２ａ配向状態Ｓ₁ での平均分子軸６２ｂ配向状態Ｓ₂ での平均分子軸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電極を有する一対の基板間に液晶を挟持
してなる液晶素子において、少なくとも一方の基板上に
液晶分子の配向状態を制御するための配向材料と表面エ
ネルギーを制御するための少なくとも１種類の表面処理
剤を含む配向膜が形成されていることを特徴とする液晶
素子。
【請求項２】電極を有する一対の基板間に液晶を挟持
してなる液晶素子において、少なくとも一方の基板上に
導電性を付与された保護膜と、該保護膜上に液晶分子の
配向状態を制御するための配向材料と表面エネルギーを
制御するための少なくとも１種類の表面処理剤を含む配
向膜が形成されていることを特徴とする液晶素子。
【請求項３】前記保護膜の導電率が１０^-10 Ｓ／ｃｍ
以上であることを特徴とする請求項２記載の液晶素子。
【請求項４】前記保護膜が金属酸化物或は金属硫化物
であることを特徴とする請求項２又は３記載の液晶素
子。
【請求項５】前記配向膜の膜厚が１００Å以下である
ことを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の液晶素
子。
【請求項６】前記配向膜の膜厚が５０Å以下であるこ
とを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の液晶素
子。
【請求項７】前記配向膜の膜厚が４０Å以下であるこ
とを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の液晶素
子。
【請求項８】前記配向膜がラングミュアーブロジェッ
ト法を用いて形成されたことを特徴とする請求項１〜７
いずれかに記載の液晶素子。
【請求項９】前記配向材料がポリイミド化合物、ポリ
アミド化合物またはポリアミドイミド化合物のいずれか
の高分子化合物であることを特徴とする請求項１〜８い
ずれかに記載の液晶素子。
【請求項１０】前記高分子化合物が、電気的なキャリ
アー輸送性となる有機化合物のジアミン単量体を縮合し
て合成されたことを特徴とする請求項９記載の液晶素
子。
【請求項１１】前記キャリアー輸送性となる有機化合
物が、カルバゾール、テトラフェニルポルフィリン、ト
リフェニルアミン或いは下記一般式（１）又は（２）の
イオウ含有化合物のいずれかであることを特徴とする請
求項１０記載の液晶素子。【化１】
【請求項１２】前記表面処理剤がカップリング剤を含
むことを特徴とする請求項１〜１１いずれかに記載の液
晶素子。
【請求項１３】前記カップリング剤が下記一般式
（３）〜（７）いずれかに示すシランカップリング剤で
あることを特徴とする請求項１２記載の液晶素子。ＣＦ₃ （ＣＦ₂)_n （ＣＨ₂)₂ ＳｉＸ_m Ｙ_3-m （３）ＣＨ₃ （ＣＨ₂)_I ＳｉＸ_m Ｙ_3-m （４）ＮＨ₂ （ＣＨ₂)₃ ＳｉＸ_m Ｙ_3-m （５）ＮＨ₂ （ＣＨ₂)₃ ＮＨ（ＣＨ₂)₂ ＳｉＸ_m Ｙ_3-m （６）Ｐｈ（ＣＨ₂)_r ＳｉＸ_m Ｙ_3-m （７）（但し、Ｘ＝ハロゲン、Ｙ＝ＯＣＨ₃ 、ｎ≦１０、ｍ＝０〜３Ｉ＝５〜２３、ｒ＝０〜３）
【請求項１４】前記配向膜が液晶分子の初期配向を制
御するためにラビング処理されていることを特徴とする
請求項１〜１３いずれかに記載の液晶素子。
【請求項１５】前記液晶が１０ｎＣ／ｃｍ² 以上の自
発分極を有する強誘電性液晶であることを特徴とする請
求項１〜１４いずれかに記載の液晶素子。
【請求項１６】前記液晶が、ＳｍＣ^* 相でのらせんピ
ッチが０．５μｍ以下の強誘電性液晶であることを特徴
とする請求項１〜１５いずれかに記載の液晶素子。
【請求項１７】前記液晶の初期配向状態を得るため
に、交流電界を印加したことを特徴とする請求項１〜１
６いずれかに記載の液晶素子。