JPH0728066A - 強誘電性液晶素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 強誘電性液晶素子において１０°以上のプレ
チルト角を有する強誘電性液晶を用いた場合でも均一な
液晶配向を得る。 【構成】 強誘電性液晶の配向制御層と液晶との界面
に、 幅 ５〜１００ｎｍ 高低差 ５〜１００ｎｍ 密度 １×１０⁵〜１０¹¹個／ｍｍ² の凹凸形状を、塗布型絶縁膜中に微粒子を混入すること
により形成した。 【効果】 配向制御膜の液晶界面においてスメクチック
層構造内の液晶分子の配列に見られた歪を弾性エネルギ
ー的に緩和することができ、均一な液晶分子配向が得ら
れることにより、よりよいコントラスト比を持った画像
表示が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は強誘電性液晶の使用に適
したセル構造を有する液晶表示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
して偏向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、カイラルスメクチックＣ層（ＳｍＣ
＊）またはＨ層（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、かつ電界の印
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としての広い利用が
期待されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記強
誘電性液晶素子において、挾持された強誘電性液晶分子
が配向制御膜との界面において１０°以上のプレチルト
角を有する場合、該強誘電性液晶分子全体の配向の均一
性が劣化し、その結果画像のコントラスト比が減少する
問題がみられた。

【０００４】実際、本発明者らの研究においても、プレ
チルト角αが大きくなるにしたがって配向の均一性が損
なわれ、写真１にあげる波状の配向不均一；“ｗａｖｙ
ｄｅｆｅｃｔ”が顕著になることが認められた（この
試料のプレチルト角は１９°）。この配向状態はプレチ
ルト角が１０°以上の場合、特に顕著に認められ、欠陥
からの漏れ光のためコントラストの低下を招く。また、
本発明者らの実験によれば、この欠陥はスメクチック層
構造が形成されるＣｈ−ＳｍＡ層転移直下の温度で発生
しており、スメクチック層構造の歪みがこの欠陥の原因
であると推察される。このスメクチック層構造の歪み
は、プレチルト角とＳｍＡ層構造のミスマッチから生じ
ていると考えられる。つまり、ＳｍＡ層構造はブックシ
ェルフ構造を取るのが最も安定な状態であるが、配向膜
界面に形成されたプレチルト角のため層構造は、ベンド
もしくはシェブロン構造となる。この場合、図２のよう
に層法線と液晶分子の長軸方向が一致せずバルクの層間
隔よりも配向膜界面の層間隔が長くなってしまい欠陥が
生じざるをえない。これに対し本発明の効果はこのバル
クと界面の層間隔の差を界面表面形状で補うものと考え
られる。しかし、配向膜表面の凹凸が大きすぎ、密度が
濃すぎる場合にも配向の均一性が疎外されることもあ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段および作用】本発明は上記
課題を鑑みなされたものであり表面上に電極、絶縁膜、
および液晶の配向を制御すべく一軸性配向処理を施した
配向制御膜を設けた一対の基板を、前記一軸性配向処理
の方向が略平行になるように対向配置し、該対向基板間
に強誘電性液晶を挾持した強誘電性液晶素子において、
該強誘電性液晶と配向制御膜との界面に 幅 ５〜１００ｎｍ 高低差 ５〜１００ｎｍ 密度 １×１０⁵〜１０¹¹個／ｍｍ² なる凹凸を形成しせめたことにより、スメクチック層構
造内の分子配列のひずみを、弾性エネルギー的に緩和す
ることを特徴とした強誘電性液晶素子である。また、該
凹凸構造の形成方法としては微粒子を塗布型絶縁膜に混
入させることにより行う。

【０００６】このような構造を素子に具備せしめたこと
によって、１０°以上のプレチルト角を有する液晶を用
いた場合でも、配向の均一性が確保され、画像表示にお
いて良好なコントラスト比を得ることができる。

【０００７】以下、図面を用いて、本発明を詳しく説明
する。

【０００８】図１は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１に示すように、この液
晶素子は一対の平行に配置した上基板１１ａ及び下基板
１１ｂと、それぞれの基板に配置した、例えば厚さが約
４０〜３００ｎｍの透明電極１２ａと１２ｂを備えてい
る。上基板１１ａと下基板１１ｂとの間には強誘電性液
晶、好ましくは少なくとも２つの安定状態を持つ強誘電
性液晶１５が配置されている。透明電極１２ａ及び１２
ｂには例えば厚さが１０〜３００ｎｍの絶縁膜１３ａ及
び１３ｂが形成されている。本発明では、塗布、焼成タ
イプの絶縁膜を少なくとも一層形成し、またスパッタ膜
との複層構造でもよい。１４ａ及び１４ｂは配向制御膜
であり、５〜１００ｎｍの膜厚で形成される。この配向
制御膜表面に安定な凹凸形状を形成するために、微粒子
を混入させた塗布型絶縁膜を用いる。

【０００９】なお、これまでの本発明者らから、ディン
プルやビーズにより、素子の液晶と配向制御膜との界面
に凹凸が形成し、駆動時の液晶の移動を軽減する効果を
与える出願がなされているが（例えば特願平４−１８４
３０、特願平４−３１３５８、特願平４−３２８６０、
特願平４−３６９６１）、これらの凹凸構造に関する限
定は本発明とは異なり、しかも本願の主たる効果である
配向の均一化という点でも主旨が大きく異なっている。

【００１０】なお、本発明では、強誘電性液晶としてカ
イラルスメクチック相状態のものを用いることができ、
具体的には、カイラルスメクチックＣ相（ＳｍＣ＊）、
Ｈ相（ＳｍＨ＊）、Ｉ相（ＳｍＩ＊）、Ｋ相（ＳｍＫ
＊）やＧ相（ＳｍＧ＊）の液晶を用いることができる。

【００１１】特に好ましい液晶としては、これより高温
側でコレステリック相を示すものを用いることができ、
例えば下述の相転移温度及び物性値を示すピリミジン系
混合液晶を用いることができる。

【００１２】 ピリミジン系液晶Ａ −３℃ ５７ ７９ ８５ Ｃｒｙｓｔ → ＳｍＣ＊ → ＳｍＡ → Ｃｈ → Ｉｓｏ チルト角 Θ＝１４°（３０℃） 層の傾斜角 δ＝１１°（３０℃） 見かけのチルト角 θ＝１１°（３０℃）

【００１３】（プレチルト角αの測定）Ｊｐｎ．Ｊ．Ａ
ｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏ．１１９（１９８０）Ｎｏ．１
０．Ｓｈｏｒｔ Ｎｏｔｅｓ ２０１３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。なお、測定用のセルは上下界面での液晶の傾きが平
行かつ同一方向になるように２枚の基板を張り合わせて
作成した。またプレチルト角測定用の液晶としては、チ
ッソ社製強誘電性液晶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。

【００１４】

【外１】 なお、この混合した液晶組成物は、１０〜５５℃でＳｍ
Ａ相を示す。

【００１５】測定法は、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°
の角度をなす偏向面を持つヘリウム・ネオンレーザー光
を回転軸に垂直な方向から照射して、その反対側で入射
偏向面と平行な透過軸を持つ偏向板を通してホトダイオ
ードで透過光強度を測定した。

【００１６】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のなす角をφｘ
とし、下式で代入してプレチルト角αを求めた。

【００１７】

【外２】

【００１８】（コントラストの測定）液晶を一対の９０
°クロスニコル偏向子の間に挟んで液晶分子がスイッチ
ングするに十分大きなパルスを印加してから９０°クロ
スニコルを消光位（最暗状態）にセットし、この時の透
過率を光電子増倍管（以下ホトマル）により測定する。
続いて逆極性のパルスを印加し、この時の透過率（明状
態）を同様の方法で測定する。なお、透過率０％は光を
遮断した状態でのホトマルの出力、１００％はダイレク
トに光を検知したときのホトマルの出力である。

【００１９】

【実施例】次に実施例を用いて本発明をさらに詳しく説
明する。

【００２０】（実施例１）約１５０ｎｍ厚のＩＴＯ膜が
設けられている１．１ｍｍ厚のガラス板を２枚用意し、
その上にそれぞれのガラス板上にあらかじめ平均粒子径
５０ｎｍのシリカよりなる微粒子を分散させたＴｉＳｉ
＝１：１の比率よりなる成分の絶縁膜の６．０重量％の
溶液を５μｍの粗さの展色板を用いて印刷を行った。１
００℃約１０分の仮焼成後ｕｖ照射を行い、その後３０
０℃で約１時間加熱焼成処理を施した。この時の膜厚は
２０ｎｍであった。この基板上に日立化成社製のＬＱ１
８０２のＮＭＰ／ｎＢＣ＝１／１の１．５重量％溶液を
２０００ｒｐｍ、２０秒でスピンコートにて成膜後約１
時間、２７０℃で加熱焼成処理を施した。この時の膜厚
は２０ｎｍであった。このようにして形成された塗布膜
に、ナイロン植毛布による一方向ラビング処理を行っ
た。この配向制御膜表面の基板法線方向から８５°の角
度からのＳＥＭ写真が図５である。このＳＥＭ写真、及
びＡＦＭによる測定から配向膜表面の凹凸の幅は５〜１
５０ｎｍ、密度は約１０⁸個／ｍｍ²、高低差は１０〜２
５ｎｍであった。

【００２１】その後、平均粒径１．５μｍのアルミナビ
ーズを一方の基板上に散布した後、それぞれのラビング
処理軸が互いに平行でかつ同一方向となるように２枚の
ガラス基板を重ね合わせてセルを作成した。また、全く
同一の処理を施した基板を２０μｍのギャップを保って
ラビング方向が互いに平行でかつ逆方向になるように重
ね合わせてプレチルト角測定用のセルを作成し、クリス
タルローテーション法で測定したところ、約１９°であ
った。

【００２２】このセルに、ピリミジン系液晶を主成分と
する混合液晶Ａを等方相下で真空注入してから０．５℃
／ｍｉｎで室温まで徐冷することによって配向させた。
この配向状態を写真２に示す。この液晶セルを一対の９
０°クロスニコル偏向子の間に挟んで５０μＳの３０Ｖ
パルスを印加してから９０°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により
測定し、続いて５０μＳの−３０Ｖパルスを印加し、こ
の時の透過率（明状態）を同様の方法で測定したとこ
ろ、チルト角θａは約１１°であり、最暗状態時の透過
率は０．８％で、明状態時の透過率が３２％であり、コ
ントラスト比は４０：１であった。

【００２３】（実施例２）約１５０ｎｍ厚のＩＴＯ膜が
設けられている１．１ｍｍ厚のガラス板を２枚用意し、
その上にＴａＯｘのスパッタ膜を９０ｎｍの厚さで形成
し、その上にそれぞれのガラス板上にあらかじめ平均粒
子径４５ｎｍのシリカよりなる微粒子を分散させたＴｉ
Ｓｉ＝８：２の比率よりなる成分の絶縁膜の６．０重量
％の溶液を１６μｍの粗さの展色板を用いて印刷を行っ
た。１００℃約１０分の仮焼成後ｕｖ照射を行い、その
後３００℃で約１時間加熱焼成処理を施した。この時の
膜厚は２０ｎｍであった。この基板上に下記構造式で示
されるポリアミドのＮＭＰ／ｎＢＣ＝２／１の２．０重
量％溶液をスピンコートにて成膜後、約１時間、２２０
℃で加熱焼成処理を施した。この時の膜厚は２５ｎｍで
あった。

【００２４】

【外３】 このようにして形成された塗布膜に、ナイロン植毛布に
よる一方向ラビング処理を行った。

【００２５】その後、平均粒径１．５μｍのアルミナビ
ーズを一方の基板上に散布した後、それぞれのラビング
処理軸が互いに平行でかつ同一方向となるように２枚の
ガラス基板を重ね合わせてセルを作成した。また、全く
同一の処理を施した基板を２０μｍのギャップを保って
ラビング方向が互いに平行でかつ逆方向になるように重
ね合わせてプレチルト角測定用のセルを作成し、クリス
タルローテーション法で測定したところ、約２３°であ
った。この時の配向膜表面の凹凸の幅は５〜１０ｎｍ、
密度は約１０⁷個／ｍｍ²、またＡＦＭによる測定から高
低差は５〜１０ｎｍであった。

【００２６】このセルに、ピリミジン系液晶を主成分と
する混合液晶Ａを等方相下で真空注入してから０．５℃
／ｍｉｎで室温まで徐冷することによって配向させた。
この液晶セルを一対の９０°クロスニコル偏向子の間に
挟んで５０μＳの３０Ｖパルスを印加してから９０°ク
ロスニコルを消光位（最暗状態）にセットし、この時の
透過率をホトマルにより測定し、続いて５０μＳの−３
０Ｖパルスを印加し、この時の透過率（明状態）を同様
の方法で測定したところ、チルト角θａは約１１°であ
り、最暗状態時の透過率は１．０％で、明状態時の透過
率が３１％であり、コントラスト比は３１：１であっ
た。

【００２７】（比較例１）約１５０ｎｍ厚のＩＴＯ膜が
設けられている１．１ｍｍ厚のガラス板を２枚用意し、
その上にそれぞれのガラス板上にＴｉＳｉ＝１：１の比
率よりなる成分の絶縁膜の６．０重量％の溶液を５μｍ
の粗さの展色板を用いて印刷を行った。１００℃約１０
分の仮焼成後ｕｖ照射を行い、その後３００℃で約１時
間加熱焼成処理を施した。この時の膜厚は２０ｎｍであ
った。この基板上に日立化成社製のＬＱ１８０２のＮＭ
Ｐ／ｎＢＣ＝１／１の１．５重量％溶液を２０００ｒｐ
ｍ、２０秒でスピンコートにて成膜後約１時間、２７０
℃で加熱焼成処理を施した。この時の膜厚は２０ｎｍで
あった。このようにして形成された塗布膜に、ナイロン
植毛布による一方向ラビング処理を行った。この配向制
御膜表面の基板法線方向から８５°の角度からのＳＥＭ
写真が図６である。これから、配向膜表面には凹凸がな
いことが分かる。

【００２８】その後、平均粒径１．５μｍのアルミナビ
ーズを一方の基板上に散布した後、それぞれのラビング
処理軸が互いに平行でかつ同一方向となるように２枚の
ガラス基板を重ね合わせてセルを作成した。また、全く
同一の処理を施した基板を２０μｍのギャップを保って
ラビング方向が互いに平行でかつ逆方向になるように重
ね合わせてプレチルト角測定用のセルを作成し、クリス
タルローテーション法で測定したところ、約１９°であ
った。

【００２９】このセルに、ピリミジン系液晶を主成分と
する混合液晶Ａを等方相下で真空注入してから０．５℃
／ｍｉｎで室温まで徐冷することによって配向させた。
この配向状態を写真１に示す。この液晶セルを一対の９
０°クロスニコル偏向子の間に挟んで５０μＳの３０Ｖ
パルスを印加してから９０°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レ
ターにより測定し、続いて５０μＳの−３０Ｖパルスを
印加し、この時の透過率（明状態）を同様の方法で測定
したところ、チルト角θａは約１１°であり、最暗状態
時の透過率は１．３％で、明状態時の透過率が３０％で
あり、コントラスト比は２３：１であった。

【００３０】（比較例２）約１５０ｎｍ厚のＩＴＯ膜が
設けられている１．１ｍｍ厚のガラス板を２枚用意し、
その上にＴａＯｘのスパッタ膜を９０ｎｍの厚さで形成
し、その上にＴｉＳｉ＝８：２の比率よりなる成分の絶
縁膜の６．０重量％の溶液を１６μｍの粗さの展色板を
用いて印刷を行った。１００℃約１０分の仮焼成後紫外
線照射を行い、その後３００℃で約１時間加熱焼成処理
を施した。この時の膜厚は９０ｎｍであった。この基板
上に下記構造式で示されるポリアミドのＮＭＰ／ｎＢＣ
＝２／１の２．０重量％溶液をスピンコートにて成膜
後、約１時間、２２０℃で加熱焼成処理を行った。この
時の膜厚は２５ｎｍであった。

【００３１】

【外４】 このようにして形成された塗布膜に、ナイロン植毛布に
よる一方向ラビング処理を行った。

【００３２】その後、平均粒径１．５μｍのアルミナビ
ーズを一方の基板上に散布した後、それぞれのラビング
処理軸が互いに平行でかつ同一方向となるように２枚の
ガラス基板を重ね合わせてセルを作成した。また、全く
同一の処理を施した基板を２０μｍのギャップを保って
ラビング方向が互いに平行でかつ逆方向になるように重
ね合わせてプレチルト角測定用のセルを作成し、クリス
タルローテーション法で測定したところ、約２３°であ
った。この時の配向膜表面の凹凸はなかった。

【００３３】このセルに、ピリミジン系液晶を主成分と
する混合液晶Ａを等方相下で真空注入してから０．５℃
／ｍｉｎで室温まで徐冷することによって配向させた。
この液晶セルを一対の９０°クロスニコル偏向子の間に
挟んで５０μＳの３０Ｖパルスを印加してから９０°ク
ロスニコルを消光位（最暗状態）にセットし、この時の
透過率をホトマルにより測定し、続いて５０μＳの−３
０Ｖパルスを印加し、この時の透過率（明状態）を同様
の方法で測定したところ、チルト角θａは約１１°であ
り、最暗状態時の透過率は１．５％で、明状態時の透過
率が３０％であり、コントラスト比は２０：１であっ
た。

【００３４】（比較例３）約１５０ｎｍ厚のＩＴＯ膜が
設けられている１．１ｍｍ厚のガラス板を２枚用意し、
その上にそれぞれのガラス板上にあらかじめ平均粒子径
１５０ｎｍのシリカよりなる微粒子を分散させたＴｉＳ
ｉ＝１：１の比率よりなる成分の絶縁膜の６．０重量％
の溶液を５μｍの粗さの展色板を用いて印刷を行った。
１００℃約１０分の仮焼成後紫外線照射を行い、その後
３００℃で約１時間加熱焼成処理を施した。この時の膜
厚は２０ｎｍであった。この基板上に日立化成社製のＬ
Ｑ１８０２のＮＭＰ／ｎＢＣ＝１／１の１．５重量％溶
液を２０００ｒｐｍ、２０秒でスピンコートにて成膜後
約１時間、２７０℃で加熱焼成処理を施した。この時の
膜厚は２０ｎｍであった。このようにして形成された塗
布膜に、ナイロン植毛布による一方向ラビング処理を行
った。この配向膜表面の凹凸の幅は５０〜１００ｎｍ、
密度は約１０⁸個／ｍｍ²、高低差は１００〜１１０ｎｍ
であった。

【００３５】その後、平均粒径１．５μｍのアルミナビ
ーズを一方の基板上に散布した後、それぞれのラビング
処理軸が互いに平行でかつ同一方向となるように２枚の
ガラス基板を重ね合わせてセルを作成した。また、全く
同一の処理を施した基板を２０μｍのギャップを保って
ラビング方向が互いに平行でかつ逆方向になるように重
ね合わせてプレチルト角測定用のセルを作成し、クリス
タルローテーション法で測定したところ、約１８°であ
った。

【００３６】このセルに、ピリミジン系液晶を主成分と
する混合液晶Ａを等方相下で真空注入してから０．５℃
／ｍｉｎで室温まで徐冷することによって配向させた。
この液晶セルを一対の９０°クロスニコル偏向子の間に
挟んで５０μＳの３０Ｖパルスを印加してから９０°ク
ロスニコルを消光位（最暗状態）にセットし、この時の
透過率をホトマルにより測定し、続いて５０μＳの−３
０Ｖパルスを印加し、この時の透過率（明状態）を同様
の方法で測定したところ、チルト角θａは約１１°であ
り、最暗状態時の透過率は１．２％で、明状態時の透過
率が３３％であり、コントラスト比は２７．５：１であ
った。

【００３７】

【発明の効果】以上述べたように、強誘電性液晶素子に
おける配向制御膜の液晶との界面に凹凸を設けることに
よって、特に１０°以上のプレチルト角を有する強誘電
性液晶において問題となっていたスメクチック層構造内
の液晶分子の配列にみられたゆがみを緩和することがで
き、均一な強誘電性液晶の配向を有した良好なコントラ
スト比が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶素子の一例を示す模式図である。

【図２】（ａ）ＳｍＡ相における強誘電性液晶の呈する
層構造を示す模式図である。 （ｂ）従来の液晶素子における配向制御膜界面における
強誘電性液晶分子の配列を示す模式図である。

【図３】従来の液晶素子の配向状態を示すＳＥＭ写真で
ある。

【図４】本発明の液晶素子の配向状態を示すＳＥＭ写真
である。

【図５】本発明の液晶素子の配向制御膜表面状態を示す
ＳＥＭ写真である。

【図６】従来の液晶素子の配向制御膜表面状態を示すＳ
ＥＭ写真である。

【符号の説明】

１１ａ，１１ｂ 基板 １２ａ 走査電極 １２ｂ 信号電極 １３ａ，１３ｂ 絶縁層 １４ａ，１４ｂ 配向制御層 １５ 液晶 １６ スペーサー １７ ビーズスペーサー １８ 接着剤 １９ 凹凸用微粒子 ２１ ＳｍＡ層構造 ２２ 液晶分子 ２３ 配向制御膜

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一対の対向する基板によって液晶が挾持
   され、該対向基板の液晶との界面には、一軸性配向処理
   を施した液晶配向制御膜が具備され、かつ該配向制御膜
   の一軸性配向処理方向が互いに略平行であるように前記
   基板が配置されている強誘電性液晶素子において、 （１）前記強誘電性液晶が１０°以上のプレチルト角を
   有し、 （２）配向制御膜界面において生じる層構造内の強誘電
   性液晶素子配列のひずみを弾性エネルギー的に緩和する
   構造を有することを特徴とする強誘電性液晶素子。
2. 【請求項２】 前記ひずみ緩和構造として、前記配向制
   御膜表面に 幅 ５〜１００ｎｍ 高低差 ５〜１００ｎｍ 密度 １×１０⁵〜１０¹¹個／ｍｍ² の凹凸形状を有する事を特徴とする請求項１記載の強誘
   電性液晶素子。
3. 【請求項３】 前記凹凸の形成法が、微粒子を塗布型絶
   縁膜に混入させることにより形成されることを特徴とす
   る請求項１記載の強誘電性液晶素子。