JPH0743723A - 液晶電気光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 一対の基板間にカラム状の樹脂を有する強誘
電性の液晶電気光学装置において、配向不良の発生を防
ぐ 【構成】 一対の基板間において液晶材料が樹脂材料に
よって形成された閉空間内に存在する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複屈折モードによる強
誘電性液晶電気光学装置の構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、液晶電気光学装置の高速応答を図
ることが重要な課題として検討されている。このために
は、従来のＴＮ型、ＳＴＮ型液晶電気光学装置に使用さ
れるネマチック液晶では応答速度が遅いため液晶材料に
強誘電性液晶等の高速応答可能な材料を用いる方法が検
討されている。

【０００３】上記強誘電性液晶電気光学装置の構成は、
電極を有する一対の基板間に強誘電性スメクチック液晶
材料を挟持し、前記液晶分子を基板に平行かつ一軸配向
せしめ、液晶材料の有する層を基板に対して垂直あるい
は傾斜して形成させるものである。

【０００４】前記液晶材料は、液晶材料の有する自発分
極と前記電極により印加された電界との積によるトルク
により高速応答が可能で、上記ネマチック液晶に比べ数
百〜数千倍の応答速度を実現できる。

【０００５】上記液晶電気光学装置においては良好なコ
ントラスト特性を得るために、液晶材料を均等に一軸配
向させる必要が有る。上記液晶材料を一軸配向させる方
法として、ずり応力法、磁場配向法、温度勾配法、斜方
蒸着法、ラビング法等がある。

【０００６】この強誘電性液晶を使用した大面積の表示
装置を実現するにあたり、装置の剛性を高めるため、最
近においては上記基板間に液晶材料のみを挟持させるの
ではなく前記基板間にカラム状等の樹脂を形成し、基板
の間隔を一定に保つ効果を高めた液晶電気光学装置が提
案されている。この構成の詳細は、特願平５−５５２３
７等に示される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記樹脂を有した液晶
電気光学装置は、基板を点在する樹脂カラムにより接着
していたので装置の剛性を高める効果はあったが、その
カラムが存在する部分と、存在しない基板表面部分にお
いて表面特性が異なるため、液晶材料の配向状態が前記
基板表面部分とカラム周囲で異なってしまい、これが配
向不良を発生する原因となり、コントラスト比の低下な
ど表示特性の低下を招いていた。

【０００８】本発明は一対の基板間にカラム状の樹脂を
有する強誘電性の液晶電気光学装置において、配向不良
の発生を防ぐものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するた
め、本発明は、一対の基板間に強誘電性液晶が挟持され
た液晶電気光学装置であって、前記基板のいずれか一方
もしくは両方に一軸配向手段を有し、前記液晶材料は前
記一軸配向手段に従って一軸配向し、かつ前記液晶材料
が樹脂材料によって形成された閉空間内に存在すること
を特徴とする液晶電気光学装置を要旨とするものであ
る。

【００１０】本発明の液晶電気光学装置の構成の概要を
図１を用いて説明する。図１に示されているのは、単純
マトリックス型の液晶電気光学装置である。図１におい
て、１０１、１０２は透光性基板、１０３、１０４は画
素電極、１０５は液晶材料等を一定の方向に配列するた
めの配向手段、１０７は液晶材料である。液晶材料１０
７は配向手段１０５に従って一軸配向している。前記液
晶材料１０７は硬化した樹脂材料１０６によって形成さ
れた閉空間内に存在し、基板の一軸配向処理面には液晶
材料は接していない。加えて基板間隔は硬化した樹脂材
料により接着、固定されている。

【００１１】この液晶電気光学装置を作製するには、ス
ペーサー１０８によって基板間隔が決められた、電極１
０３、１０４を有する一組の透光性基板１０１、１０２
で液晶材料と反応開始剤を添加した未硬化の樹脂との混
合物を挟持させ、前記液晶材料を配向手段１０５に沿っ
て配列させる。しかる後に、液晶材料中に混入させた未
硬化樹脂を硬化するための手段を施すことにより、前記
未硬化樹脂が液晶材料を覆って硬化する。

【００１２】上記の構成において用いる基板には、ガラ
ス、石英等の無機性材料やアクリル樹脂、ポリエチレン
樹脂等の有機性材料が使用できる。また電極としてＩＴ
Ｏ（インジウム−ティン−オキサイド）等が使用でき
る。

【００１３】また、上記構成において用いる一軸配向処
理法は、従来のものと同様に有機高分子等からなる配向
膜を上記基板上に形成し、前記配向膜をラビング処理す
ることにより行う。配向膜としてはポリイミド系もしく
はポリアミド系の樹脂、またはポリビニルアルコール等
の樹脂を使用できる。また、ラビング条件も従来のもの
と同様である。

【００１４】上記の構成において用いる樹脂材料は、高
温状態で液晶材料との混合状態を呈し、温度が低下した
状態では液晶材料と分離するものであることが望まし
い。また、２枚の基板間に挟持された状態で樹脂を硬化
するために未硬化の樹脂には溶媒が含まれていないこと
が極めて望ましい。さらに、液晶材料と樹脂の分離や液
晶材料の配向状態の形成は温度に依存するところが大き
いため、樹脂は温度とは別の因子で硬化する方が望まし
い。そうした事柄を考慮すると、例えば未硬化樹脂とし
て紫外線硬化型樹脂、硬化手段として紫外線を用いるこ
とが好ましい。

【００１５】また、液晶材料中に添加する樹脂の量につ
いて、一対の基板上に樹脂の被膜を形成し、なおかつ基
板間に樹脂のカラムを形成し、液晶材料を樹脂によって
形成される閉空間内に閉じ込めるため、重量比で２０％
以上望ましくは２０〜５０％の範囲で添加する。

【００１６】図１に示す構成を採用した場合、液晶材料
１０７が配向手段１０６に従って配列した後に樹脂を硬
化させるため、硬化前の良好な配向状態を保つことが出
来、硬化後の樹脂が配向に与える影響は極めて少ない。

【００１７】

【作用】液晶材料は樹脂による閉空間に閉じ込められた
状態となるため、基板間のみでなく、液晶材料と配向処
理面の間に樹脂の被膜が形成される。このため、液晶材
料の接する面は全て同質な表面特性を有し、配向欠陥の
発生が極めて少なくなり、コントラスト比等の光学特性
を大幅に改善でき、かつ基板間隔を固定することが可能
となる。

【００１８】このとき、液晶材料は一軸配向手段表面と
はほとんど接触しない状態を呈する。したがって樹脂硬
化前の状態においては一軸配向手段の配向規制力により
一軸配向となるが、樹脂が析出、硬化した後は液晶材料
は一軸配向規制力を受けなくなる。しかし、棒状分子で
ある液晶分子の形状効果や、強誘電性液晶の特徴の一つ
である層構造のため一軸配向性は保持される。むしろ、
一軸配向規制力が働かなくなる分、電界を印加して液晶
分子をスイッチングさせる際には、液晶分子の動きが妨
げられなくなるため、高速なスイッチングが可能とな
る。

【００１９】

【実施例】本実施例では、単純マトリクス型のセルを作
製し、各特性の評価を行った。作製したセルは図１に示
す構成を有するものである。液晶セルの基板１０１及び
１０２は厚さ１．１ｍｍの青板ガラスであり、該基板上
には電極１０３及び１０４としてＩＴＯをスパッタ法、
蒸着法等により１２００Å程度の厚さに形成した後、パ
ターニングしマトリクス構成とした。両方の基板の電極
が形成されている面上には配向膜１０５を形成した。

【００２０】配向膜材料はポリイミド系の樹脂、例えば
ＬＱ−５２００（日立化成製）、ＬＰ−６４（東レ
製）、ＲＮ−３０５（日産化学製）等であり、ここでは
ＬＰ−６４を使用した。配向膜はｎ−メチル−２−ピロ
リドン等の溶媒により希釈しスピンコート法により塗布
した。塗布した基板は２５０〜３００℃、ここでは２８
０℃で２. ５時間加熱し溶媒を乾燥させ、塗膜をイミド
化し硬化させた。硬化後の膜厚は３００Åであった。

【００２１】次に配向膜をラビングする。ラビングは通
常の方法で良く、レーヨン、綿等の布が巻いてある直径
１３０ｍｍのローラーで４５０〜９００ｒｐｍ、ここで
は４５０ｒｐｍの回転数で一方向に擦った。ロール押し
込み高さは０．１ｍｍ、ステージ速度は２０ｍｍ／ｓｅ
ｃで行った。

【００２２】次に該セルの間隔を一定にするためスペー
サー１０８として、一方の基板には直径１. ５μｍの真
絲球（触媒化成製）を散布した。一対の基板の間隔は１
〜１０μｍ、スペーサー材質としてはシリカあるいはア
ルミナがよい。また、他方の基板上には、該２枚の基板
を固定するために、シール剤として基板の周辺に２液製
のエポキシ系接着剤をスクリーン印刷により印刷塗布
し、その後２枚の基板を接着固定した。

【００２３】上記セルには液晶材料１０７及び未硬化の
高分子樹脂の混合物を注入する。液晶材料としてはビフ
ェニル系の強誘電性液晶を使用した。この液晶は相系列
がIso-SmA-SmC*-Cryを取る。高分子樹脂としては市販の
紫外線硬化型の樹脂を使用した。液晶材料と未硬化高分
子樹脂は、重量比で７０：３０の割合で混合する。該混
合体は均一に混ざるようにＩｓｏ（等方）相になる温度
で攪拌した。該混合体はＩｓｏ相からＳｍＡ相への転移
点が液晶材料のみの場合より、２０℃低下した。

【００２４】上記混合体の注入は、液晶セル及び混合体
を１００℃とし真空下で行った。注入後、液晶セルは２
〜２０℃／ｈｒ、ここでは３℃／ｈｒの割合で室温まで
徐冷した。

【００２５】この液晶セルの配向状態を、偏光顕微鏡で
直交ニコル下で観察したところある回転角で消光位、即
ち片方の偏光板に入射した光が、他方の偏光板を透過せ
ず、あたかも光が遮断された状態が得られた。このこと
は液晶材料が、ユニフォーム配向となっていることを示
している。

【００２６】またこの時、消光位から２０°程ステージ
を回して見ると、顕微鏡の視野中に複屈折による光漏れ
を生じないで、黒状態のままの部分があった。

【００２７】未硬化樹脂は複屈折性を示さないので、上
記の黒部分は未硬化樹脂が液晶材料から分離析出したも
のである。

【００２８】また、この時液晶材料中にはジグザグ欠陥
等の配向欠陥はほとんど見られなかった。

【００２９】次に上記セルの高分子樹脂を硬化させるた
め紫外線を照射した。照射強度は３〜３０ｍＷ／ｃ
ｍ² 、ここでは１０ｍＷ／ｃｍ² とし、照射時間は０.
５〜５ｍｉｎ、ここでは１ｍｉｎとした。

【００３０】紫外線照射後、液晶セルの配向状態を上記
と同様に偏光顕微鏡下で観察したが配向状態はほとんど
変化しなかった。紫外線照射の配向状態に対する影響は
見られなかった。

【００３１】上記樹脂硬化後のセルを等方相となる温度
に一度加熱し、上記と同様にセルを徐冷すると、液晶材
料は部分的に配向が乱れた。これは樹脂硬化後は液晶材
料が樹脂材料の形成する閉空間に閉じ込められて、一軸
配向手段の配向規制力が閉空間内の液晶材料に作用せ
ず、一軸配向性が付与されなくなったためであると考え
られる。

【００３２】上記液晶セルの光学特性を測定した。測定
方法は、ハロゲンランプを光源とする偏光顕微鏡におい
て、直交ニコル下で±３０Ｖ、５Ｈｚの三角波を液晶セ
ルに印加し、セルの透過光強度をフォトマルチプライヤ
ーで検出するものである。その時のコントラスト比は１
００であった。ここではコントラスト比は３０Ｖ印加時
の透過光強度と−３０Ｖ印加時の透過光強度の比であ
る。樹脂でカラムを構成しただけの従来構成のセルはコ
ントラスト比が８０であり、本発明により配向欠陥が減
少し、高コントラスト比が向上したことがわかった。

【００３３】また、上記セルを用い、外部にＦＥＴによ
る駆動回路を接続し、アクティブ駆動を模擬的に行った
場合の電極間電圧及び光学応答を図２に示す。駆動波形
は、電圧１４Ｖ、パルス幅１μｓ、フレーム幅１６ｍｓ
である。図に示すように良好な光学応答性となってお
り、この時のコントラスト比はフレーム終了時に１００
であった。このことから、本発明構成の装置はアクティ
ブマトリクス駆動を行なった場合においても良好な特性
を有することが分かる。

【００３４】次に、電流電圧特性を測定した。図３は±
３０Ｖ、５Ｈｚの三角波を液晶セルに印加しそのときの
電極間に流れる電流の値を測定したものである。図に示
すように、画素電極間の容量成分３０１及び強誘電性液
晶材料の有する自発分極が電界の極性変化に伴い、反転
する際に流れる電流３０２以外は電流成分はなかった。
電流成分３０２は極めて急峻に短い時間内で発生してお
り、高速なスイッチングが可能であることがわかる。

【００３５】また、上記方法により作製したセルの表面
状態を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察した様子
の概略を図４に示す。図４によれば、本実施例において
作製したセルにおいて、樹脂はラビング方向に長軸を有
する四角形や楕円形の閉空間を形成している。

【００３６】

【発明の効果】本発明により、基板間にカラム状に樹脂
を有する構成の液晶電気光学装置において配向欠陥の発
生を極めて少なくし、コントラスト比等の光学特性を大
幅に改善でき、かつ基板間隔の固定ができた。

【００３７】また、樹脂硬化後の液晶材料は一軸配向規
制力を受けなくなり、液晶分子の動きが妨げられなくな
るため、高速なスイッチングが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶電気光学装置の概略図を示す。

【図２】本発明の実施例による液晶電気光学装置におい
て、アクティブ駆動を行った場合の画素電極間電圧及び
光学応答を示す。

【図３】本発明の実施例による液晶電気光学装置の電流
電圧特性を示す。

【図４】本発明の実施例による液晶電気光学装置の表面
状態を走査型電子顕微鏡により観察した結果を示す。

【符号の説明】

１０１ 基板 １０２ 基板 １０３ 電極 １０４ 電極 １０５ 配向膜 １０６ 樹脂被膜 １０７ 液晶材料 １０８ スペーサー ３０１ 画素電極間に流れる電流の容量成分 ３０２ 液晶材料の有する自発分極による反転電流

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森 晴美 神奈川県厚木市長谷398番地 株式会社半 導体エネルギー研究所内 (72)発明者 森谷 幸司 神奈川県厚木市長谷398番地 株式会社半 導体エネルギー研究所内 (72)発明者 村上 智史 神奈川県厚木市長谷398番地 株式会社半 導体エネルギー研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一対の基板間に強誘電性液晶が挟持され
   た液晶電気光学装置であって、前記基板のいずれか一方
   もしくは両方に一軸配向手段を有し、前記液晶材料は前
   記一軸配向手段に従って一軸配向し、かつ前記液晶材料
   が樹脂材料によって形成された閉空間内に存在すること
   を特徴とする液晶電気光学装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、一軸配向手段はラビ
   ング処理された配向膜であることを特徴とする液晶電気
   光学装置。
3. 【請求項３】 請求項１において、樹脂材料は紫外線硬
   化型の高分子樹脂であることを特徴とする液晶電気光学
   装置。
4. 【請求項４】 請求項１において、一対の基板の一方に
   は画素電極に接続したスイッチング素子を有することを
   特徴とする液晶電気光学装置。